DE19803642A1 - Kapazitiver Sensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Kondensatorplatte und mit mindestens einer mindestens eine nicht geerdete Kondensatorplatte ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung mindestens ein eine Beeinflussung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte anzeigendes Ausgangssignal liefert. Zur Lösung komplexer Überwachungsaufgaben ist ein derartiger bekannter kapazitiver Sensor erfindungsgemäß dadurch ausgestaltet, daß mindestens zwei nicht geerdete, von der Steuer- und Auswerteschaltung getrennt angesteuerte Kondensatorplatten vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß einer ersten Lehre einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Kondensatorplatte und mit mindestens einer mindestens eine nicht geerdete Kondensatorplatte ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung mindestens ein eine Beeinflussung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte anzeigendes Ausgangssignal liefert. Weiter betrifft die Erfindung gemäß einer zweiten Lehre ein Verfahren zur Auswertung mindestens eines Ausgangssignals eines kapazitiven Sensors.

Kapazitive Sensoren, teilweise auch als kapazitive Näherungsschalter bezeichnet, werden in einer Vielzahl von Anwendungsfällen zur Detektion von Gegenständen eingesetzt. Besonders im Bereich der Automatisierungstechnik werden heute kapazitive Sensoren in großer Vielzahl eingesetzt. Auch der Einsatz kapazitiver Sensoren zur Detektion von Personen ist an sich bekannt. Kapazitive Sensoren sind prinzipiell so aufgebaut, daß sie zumindest eine nicht geerdete Kondensatorplatte aufweisen, die von einer Steuer- und Auswerteschaltung angesteuert wird. In diesem Zusammenhang ist der Begriff Kondensatorplatte so zu verstehen, daß es sich bei dem so bezeichneten Bauteil um einen leitfähigen Gegenstand beliebiger Form handelt. Kapazitive Sensoren sind insbesondere nicht darauf beschränkt, daß das Bauteil der Kondensatorplatte dem Wortsinne nach als Platte, also als ebenes Bauteil geringer Dicke, ausgebildet ist. Für das Kondensatorplatte bezeichnete Bauteil kommt nahezu jede, an den jeweiligen Verwendungszweck angepaßte räumliche Gestaltung in Frage. Bei einem kapazitiven Sensor weist nun diese nicht geerdete Kondensatorplatte eine veränderliche Kapazität gegenüber weiteren in der Umgebung vorhandenen Gegenständen, insbesondere, der Einfachheit halber ebenfalls als Kondensatorplatten bezeichneten, geerdeten, leitfähigen Gegenständen, auf. Teilweise ist bei kapazitiven Sensoren eine Verbindung zum Erdpotential hergestellt, so daß eine leitende Verbindung zwischen dem kapazitiven Sensor und in der Umgebung angeordneten geerdeten Kondensatorplatten besteht. Alternativ sind kapazitive Sensoren auch derart ausgestaltet, daß eine zweite Kondensatorplatte, geerdet oder nicht geerdet, direkt mit der Steuer- und Auswerteschaltung verbunden ist. Insgesamt gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, einen funktionsfähigen kapazitiven Sensor auf zubauen, die zusammengefaßt den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bilden.

Die bekannten kapazitiven Sensoren weisen stets nur eine oder maximal zwei Kondensatorplatten auf. Ist nur eine Kondensatorplatte vorhanden, so ist diese Kondensatorplatte gleichzeitig die sog. aktive Kondensatorplatte, also die nicht geerdete Kondensatorplatte, die von der Steuer- und Auswerteschaltung angesteuert wird. Bei den bekannten kapazitiven Sensoren, bei denen eine zweite Kondensatorplatte vorgesehen ist, liegt die zweite Kondensatorplatte entweder auf Erdpotential oder die zweite Kondensatorplatte liegt auf einem nicht festgelegten Potential. In beiden Fällen arbeitet der kapazitive Sensor mit einem zwischen beiden Kondensatorplatten angelegten Potential, steuert also beide Kondensatorplatten gleichzeitig an und überwacht im Ergebnis nur eine veränderliche Kapazität.

Diese Beschränkung der kapazitiven Sensoren auf die Überwachung nur einer Kapazität ist unter verschiedenen Gesichtspunkten problematisch. Zum einen müssen zur Überwachung mehrerer Kapazitäten auch mehrere kapazitive Sensoren eingesetzt werden, was dazu führt, daß auch mehrere Steuer- und Auswerteschaltungen zum Einsatz kommen. Dieser Einsatz mehrerer Steuer- und Auswerteschaltungen ist jedoch je nach Anwendungsfall überflüssig, da die Ansteuerung mehrerer aktiver Kondensatorplatten durchaus auch von einer Steuer- und Auswerteschaltung realisiert werden könnte. Ein weiterer Gesichtspunkt besteht darin, daß die Funktionen mehrerer unabhängig arbeitender kapazitiver Sensoren nicht optimal aufeinander abgestimmt werden können. Es kann hier zu gegenseitigen Beeinflussungen der kapazitiven Sensoren kommen, die die Aussagekraft der von den kapazitiven Sensoren gelieferten Ausgangssignale beeinträchtigen.

Ausgehend von den zuvor beschriebenen Problemen liegt also der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor bzw. ein Verfahren zur Auswertung mindestens eines Ausgangssignals eines kapazitiven Sensors derart auszugestalten und weiterzubilden, daß auch komplexe Überwachungsaufgaben bei der Detektion von Objekten zuverlässig und unter vertretbarem Aufwand gelöst werden können.

Nach einer ersten Lehre der Erfindung ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens zwei nicht geerdete, von der Steuer- und Auswerteschaltung getrennt angesteuerte Kondensatorplatten vorgesehen sind. Dadurch, daß der erfindungsgemäße kapazitive Sensor zwei oder auch wesentlich mehr Kapazitäten der nicht geerdeten Kondensatorplatten gegenüber Gegenständen, geerdet oder nicht geerdet, in der Umgebung der nicht geerdeten, aktiven Kondensatorplatten unabhängig voneinander beobachten kann, ist gewährleistet, daß auch aufwendige Detektionsprozesse mit vertretbarem Aufwand in der Steuer- und Auswerteelektronik bewältigt werden können, wobei gleichzeitig über die zentrale, dezentrale oder auch hierarchisch aufgebaute Steuer- und Auswerteelektronik gewährleistet ist, daß sich die Meßvorgänge bei der Beobachtung der einzelnen Kapazitäten nicht gegenseitig beeinflussen.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist ein erfindungsgemäßer kapazitiver Sensor dadurch ausgestaltet, daß die Anordnung mindestens zweier nicht geerdeter, getrennt angesteuerter Kondensatorplatten die Beeinflussung der Kapazität beider Kondensatorplatten durch ein einzelnes zu detektierendes Objekt ermöglicht. Eine derartige Anordnung der aktiven Kondensatorplatten ermöglicht beispielsweise durch die Auswertung der Reihenfolge der Beeinflussung der Kapazitäten oder die Stärke der Beeinflussungen der Kapazitäten Aussagen darüber, in welche Richtung sich das zu detektierende Objekt bewegt, bzw. an welchem Ort sich das zu detektierende Objekt befindet.

Bewegen sich die zu detektierenden Objekte in einer bevorzugten Bewegungsrichtung sowohl hin als auch zurück, so läßt sich die Bewegungsrichtung der zu detektierenden Objekte mit einem erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor bestimmen, bei dem in Richtung der vorherrschenden Bewegungsrichtung der zu detektierenden Objekte mindestens zwei nicht geerdete, getrennt angesteuerte Kondensatorplatten hintereinander angeordnet sind.

Eine besonders anspruchsvolle Aufgabe bei der Detektion sich bewegender Objekte liegt dann vor, wenn diese sich bewegenden Objekte zwar eine vorherrschende Bewegungsrichtung aufweisen, jedoch in der Bewegungsrichtung die Objekte sich teilweise hintereinander und teilweise nebeneinander bewegen. Eine solche Aufgabe stellt sich beispielsweise bei der Detektion von Personen in einem Eingangs- oder Durchgangsbereich, beispielsweise in einem Geschäftslokal. Um auch für diese Anwendungsfälle eine zuverlässige Detektion der einzelnen Personen zu gewährleisten, ist ein erfindungsgemäßer kapazitiver Sensor dadurch bevorzugt ausgestaltet, daß in Richtung senkrecht zur vorherrschenden Bewegungsrichtung der zu detektierenden Objekte mindestens zwei nicht geerdete, getrennt angesteuerte Kondensatorplatten nebeneinander angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung kann die Breite der Kondensatorplatten prinzipiell beliebig gewählt werden. Die Genauigkeit bei der Detektion einzelner Objekte nimmt dabei solange zu, solange die Breite der Kondensatorplatten die minimale Breite der zu detektierenden Objekte nicht deutlich unterschreitet.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors ergeben sich dadurch, daß die Kondensatorplatten zumindest teilweise am Fußboden und/oder an der Decke eines Raumes in der Nähe der Verkehrsflächen der zu detektierenden Objekte - insbesondere der Personen oder der Körperteile von Personen - angebracht sind. Dabei können die Kondensatorplatten beispielsweise auch von der Decke abgehangen werden.

Alternativ oder kumulativ zur zuvor beschriebenen Ausgestaltung sind die Kondensatorplatten zumindest teilweise an Wänden oder Gegenständen in der Nähe der Verkehrsflächen der zu detektierenden Objekte - insbesondere der Personen oder der Körperteile von Personen - angebracht. Beide soeben beschriebenen Ausgestaltungen können vorteilhaft bereits in der Umgebung des zu überwachenden Bereichen vorhandene leitende Gegenstände, wie z. B. Warensicherungsschranken und Kleiderständer, als nicht geerdete, von der Steuer- und Auswerteelektronik angesteuerte oder geerdete Kondensatorplatten nutzen.

Für die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung von zwei oder mehr aktiven Kondensatorplatten ist es vorteilhaft, die Steuer- und Auswerteelektronik zumindest teilweise in unmittelbarer Umgebung der zugeordneten, nicht geerdeten Kondensatorplatten anzuordnen. Durch diese Anordnung zumindest der Auswerteelektronik zur Bestimmung der Kapazität der aktiven Kondensatorplatten in der unmittelbaren Umgebung ist gewährleistet, daß kein Kabel zwischen der Auswerteschaltung und der Kondensatorplatte verlegt werden muß, welches selbst ebenfalls eine Kapazität darstellt, die durch die zu detektierenden Objekte oder auch durch parallel verlaufende Kabel beeinflußbar ist.

Nach einer zweiten Lehre betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auswertung mindestens eines Ausgangssignals eines kapazitiven Sensors mit Hilfe mindestens einer Kondensatorplatte und mit Hilfe mindestens einer mindestens eine nicht geerdete Kondensatorplatte ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung, bei welchem von der Steuer- und Auswerteschaltung mindestens ein eine Beeinflussung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte anzeigendes Ausgangssignal geliefert wird.

Die eingangs hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist nach der zweiten Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ausgangssignale mindestens zweier nicht geerdeter, von der Steuer- und Auswerteschaltung getrennt angesteuerter Kondensatorplatten getrennt ausgewertet werden. Diese getrennte Auswertung gewährleistet beispielsweise die Möglichkeit, aus der Reihenfolge der Beeinflussung der Kapazitäten zweier Kondensatorplatten eine Information über die Bewegung des zu detektierenden Objektes zu gewinnen.

Für eine zutreffende Bewertung der Veränderungen in den verschiedenen aktiven Kondensatorplatten zugeordneten Ausgangssignalen benachbarter Kondensatorplatten ist es vorteilhaft, gleichzeitige Änderungen zu den Ausgangssignalen benachbarter Kondensatorplatten als Beeinflussung der Kapazitäten durch ein einzelnes zu detektierendes Objekt zu bewerten. So kann beispielsweise eine Person beim Durchschreiten eines in seiner Breite mit einer Vielzahl von Kondensatorplatten versehenen Durchgangs gleichzeitig zwei nebeneinander liegende Kondensatorplatten beeinflussen. Für die zutreffende Detektion nur einer Person ist es dabei von erheblicher Bedeutung, die beiden entstehenden Veränderungen in den Ausgangssignalen der benachbarten Kondensatorplatten einem Ereignis, nämlich dem Vorbeibewegen beispielsweise eines Fußes, an beiden Kondensatorplatten zuzuordnen.

Die bereits eingangs angesprochene Problematik der gegenseitigen Beeinflussungen der Kapazitäten der aktiven, nicht geerdeten Kondensatorplatten untereinander läßt sich dadurch vermeiden oder zumindest reduzieren, daß von der Steuer- und Auswerteschaltung die Ansteuerung eng benachbarter Kondensatorplatten zur Bestimmung der Kapazitäten zeitversetzt vorgenommen wird. Durch diesen Zeitversatz beeinflussen sich die Messungen der Kapazitäten untereinander nur noch geringfügig bzw. überhaupt nicht.

Claims (10)

1. Kapazitiver Sensor mit mindestens einer Kondensatorplatte und mit mindestens einer mindestens eine nicht geerdete Kondensatorplatte ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung mindestens ein eine Beeinflussung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte anzeigendes Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei nicht geerdete, von der Steuer- und Auswerteschaltung getrennt angesteuerte Kondensatorplatten vorgesehen sind.

2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mindestens zweier nicht geerdeter, getrennt angesteuerter Kondensatorplatten die Beeinflussung der Kapazität beider Kondensatorplatten durch ein einzelnes zu detektierendes Objekt ermöglicht.

3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der vorherrschenden Bewegungsrichtung der zu detektierenden Objekte mindestens zwei nicht geerdete, getrennt angesteuerte Kondensatorplatten hintereinander angeordnet sind.

4. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung senkrecht zur vorherrschenden Bewegungsrichtung der zu detektierenden Objekte mindestens zwei nicht geerdete, getrennt angesteuerte Kondensatorplatten nebeneinander angeordnet sind.

5. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorplatten zumindest teilweise am Fußboden und/oder an der Decke eines Raumes in der Nähe der Verkehrsflächen der zu detektierenden Objekte - insbesondere der Personen oder der Körperteile von Personen - angebracht sind.

6. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorplatten zumindest teilweise an Wänden oder Gegenständen in der Nähe der Verkehrsflächen der zu detektierenden Objekte - insbesondere der Personen oder der Körperteile von Personen - angebracht sind.

7. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche l bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteelektronik zumindest teilweise in unmittelbarer Umgebung der zugeordneten, nicht geerdeten Kondensatorplatte angeordnet ist.

8. Verfahren zur Auswertung mindestens eines Ausgangssignals eines kapazitiven Sensors mit Hilfe mindestens einer Kondensatorplatte und mit Hilfe mindestens einer mindestens eine nicht geerdete Kondensatorplatte ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung, bei welchem von der Steuer- und Auswerteschaltung mindestens ein eine Beeinflussung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte anzeigendes Ausgangssignal geliefert wird, insbesondere zur Verwirklichung in einem kapazitiven Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale mindestens zweier nicht geerdeter, von der Steuer- und Auswerteschaltung getrennt angesteuerter Kondensatorplatten getrennt ausgewertet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitige Änderungen in den Ausgangssignalen benachbarter Kondensatorplatten als Beeinflussung der Kapazitäten durch ein einzelnes zu detektierendes Objekt bewertet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß von der Steuer- und Auswerteschaltung die Ansteuerung eng benachbarter Kondensatorplatten zur Bestimmung der Kapazitäten zeitversetzt vorgenommen wird.