DE19843749A1

DE19843749A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen

Info

Publication number: DE19843749A1
Application number: DE19843749A
Authority: DE
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1998-08-03
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2000-02-17
Also published as: DE59907037D1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung kleiner Änderungen einer Kapazität unter Verwendung einer Brückenschaltung, in deren Brückenzweigen sich als Blindwiderstände je ein Kondensator befindet und die Brücke mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird und mindestens einer der Kondensatoren veränderbar ist. Die beiden Brückenzweigspannungen werden getrennt nach dem jeweiligen Brückenzweig gleichgerichtet, wonach die Brückendiagonalspannung nach der Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen als sich entsprechend der Kapazitätsänderung der Kapazität ändernde Gleichspannung ausgewertet wird. DOLLAR A Ein gemäß dem Verfahren aufgebauter kapazitiver Näherungsschalter besteht aus einer Mehrlagenplatine mit zwei elektrisch isolierenden Schichten, zwischen denen eine metallische Zwischenlage als erste Fläche eines Kondensators sich befindet; auf einer der beiden Schichten ist eine flächige Auflage als Sonde aufgebracht, die die zweite Fläche des Kondensators bildet. Eine Metallfläche ist relativ zur Sonde beweglich angeordnet und bildet mit dieser einen zweiten veränderbaren Kondensator.

Description

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung kleiner Änderungen einer Kapazität unter Verwendung einer elektrischen Brückenschaltung, in deren Brückenzweigen sich als Blindwiderstände wenigstens je ein Kondensator befindet und die Brücke mit einer Wechselspannung als Brückenspeisespannung beaufschlagt wird und wenigstens einer der Kondensatoren veränderbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine elektrische Brückenschaltung und einen kapazitiven Näherungs schalter zur Anwendung des Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 13 und 14.

Stand der Technik

Die Auswertung von kleinen bis sehr kleinen Kapazitätsänderungen ist eine immer wiederkehrende Aufgabe in der Sensortechnik. Insbesondere bei kapazitiven Näherungsschaltern müssen sehr kleine Kapazitätsänderun gen, nämlich in einem Größenbereich < 10 fF, sicher ausgewertet werden, wobei hier vor allem der Störfestigkeit sowie der Temperaturstabilität der betreffenden Schaltung eine zentrale Bedeutung zukommt.

Zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen ist es bisher bekannt, einen Oszillator einzusetzen, dessen Schwingungsamplitude sich in Abhängigkeit von der Sensorkapazität ändert. Die Größe der Schwingungsamplitude ist somit ein Maß für den Wert der Sensorkapazität. Eine derartige Schaltung besitzt den Nachteil, daß sie nicht prinzipbedingt temperaturstabil ist, weshalb bei einer derartigen Schaltung meist eine eventuell schwierig zu dimensionierende Temperaturkompensation notwendig ist. Des weiteren ist die Oszillatorgüte gering, woraus eine breitbandige Schaltung mit schlechtem EMV-Verhalten resultiert.

Des weiteren ist es zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen bekannt, einen Oszillator einzusetzen, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit von der Sensorkapazität ändert. Damit ist ebenfalls der Nachteil verbunden, daß eine solche Schaltung nicht prinzipbedingt temperaturstabil ist, weshalb auch hier eine eventuell schwierig zu dimensionierende Temperaturkom pensation nötig ist; auch eine solche Schaltung besitzt ein relativ schlechtes EMV-Verhalten.

Des weiteren ist zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen die sogenannte Switched-Capacitor-Technik bekannt. Nachteilig bei einer derartigen Schaltung ist ein kritisches Timing der Taktsignale, weshalb ein äußerst stabiler Takt nötig ist, was je nach Verfahren eine aufwendige Schaltungstechnik erfordert.

Des weiteren sind zur Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen auch integrierende Schaltungen bekannt. Diese haben den Nachteil, daß meist eine erdfreie Kapazität notwendig ist. Darüberhinaus benötigen derartige Schaltungen in der Regel eine digitale Auswerteeinheit (meist Zähler) was einen großen Schaltungstechnischen Aufwand bedeutet. Derartig Konzepte kommen daher vorwiegend in der Mikrosystemtechnik zur Anwendung.

Des weiteren ist es bekannt, daß die Auswertung kleiner Änderungen einer elektrischen Größe vorteilhaft mit Brückenschaltungen realisiert werden kann. Hierbei wird die zu messende Größe mit Referenzen verglichen, wobei diese durch gleichartige Elemente erzeugt werden. Somit können Temperatureinflüsse wirkungsvoll unterdrückt werden, sofern beide Brückenzweige der Brücke jederzeit die gleiche Temperatur haben. Änderungen der betreffenden Größe stellen sich dann als Änderungen der Brückendiagonalspannung dar. Die Verwendung von Blindwiderständen als Brückenelemente bedingt, daß die Brücke mit Wechselspannung betrieben werden muß. Somit stellt auch die Brückendiagonalspannung eine Wechselspannung dar. Die Auswertung der Brückendiagonalspannung stellt dabei nach dem Stand der Technik oft ein Problem dar, da

- die Amplitude der Wechselspannung aufgrund der geringen Kapazitätsänderung sehr klein ist, nämlich einige mV;
- die Frequenz der Wechselspannung, mit der die Brücke betrieben wird, und damit auch die Frequenz der Brückendiagonalspannung, im MHz Bereich liegt, damit bei den gegebenen kleiner. Kapazitätswerten die Zweigströme keine zu kleinen Werte annehmen;
- die Brückendiagonalspannung in vielen Fällen neben der Wechselspannungskomponente auch eine Gleichtaktkomponente mit erheblich größerer Amplitude als die Wechselkomponente enthält.

Derartige vorbekannte Lösungen sind zum Beispiel in den Druckschriften DE 31 43 114 C2, DE 39 11 009 A1, DE 195 36 198 A1, DE 197 01 899 A1 sowie der EP 0 723 166 A1 enthalten.

Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schal tungsanordnung zu schaffen, welches eine sichere Auswertung sehr kleiner Kapazitätsänderungen ermöglicht, wobei die Schaltung eine hohe Störfestigkeit sowie prinzipbedingt eine hohe Temperaturstabilität auf weisen soll. Des weiteren soll die betreffende Schaltung mit vergleichsweise geringem Aufwand und somit preiswert realisierbar sein.

Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung kleiner Änderungen einer Kapazität, verwendet eine Brückenschaltung, in deren Brücken zweigen sich als Blindwiderstände wenigstens je ein Kondensator befindet und die Brücke mit einer Wechselspannung als Brückenspeisespannung beaufschlagt wird und wenigstens einer der Kondensatoren veränderbar ist, wobei die beiden Brückenzweigspannungen getrennt nach dem jeweiligen Brückenzweig gleichgerichtet werden und die Brückendiagonalspannung erst nach der Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen als sich entsprechend der Kapazitätsänderung ändernde Gleichspannung ausge wertet wird.

Das Verfahren und die Vorrichtung weisen den Vorteil auf, dass eine sichere Auswertung sehr kleiner Kapazitätsänderungen möglich ist, wobei die Schaltung eine hohe Störfestigkeit und Temperaturstabilität aufweist und gegenüber eingekoppelten Störungen weitgehend unempfindlich ist. Ebenso ist die Schaltung mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar. Die Vorteile des Verfahrens bestehen im Besonderen darin:

- Es muß keine Wechselspannung ausgewertet werden, sondern nur eine Gleichspannung.
- Zur Auswertung der Brückendiagonalspannung kann ein langsamer Operationsverstärker bzw. Komparator verwendet werden.
- Die Gleichrichtung der Brückenzweigspannungen kann mit Dioden erfolgen, wodurch sich eine sehr einfache Schaltung mit nur wenigen Bauelementen ergibt; vorteilhaft können sog. langsame Dioden eingesetzt werden, um die Störfestigkeit zu unterdrücken. Oder die Gleichrichtung erfolgt synchron mit Schaltern, falls eine besonders hohe Störunterdrückung gefordert wird.

Wichtig ist, daß die Gleichrichter der beiden Zweige gleiches Temperatur verhalten aufweisen, damit die gleichgerichtete Brückendiagonalspannung unabhängig von der Temperatur ist. Für eine gute Störunterdrückung ist es vorteilhaft, wenn der Schaltungsaufbau symmetrisch erfolgt, da eine Störung, die in gleicher Weise auf beide Brückenzweige einwirkt, keine Differenzspannung an den Gleichrichterausgängen verursacht.

Die Gleichrichtung der Brückenzweigspannungen kann entweder durch Dioden, vorzugsweise vier, oder durch Schalter, vorzugsweise vier, erfolgen, wobei bei der Verwendung von Schaltern diese paarweise gegenphasig angesteuert werden und synchron mit der Brückenspannung von einem Schaltzustand in den anderen umgeschaltet werden.

Zusätzlich können eingekoppelte Störungen wirksam unterdrückt werden, indem vor die Gleichrichter der Brückenzweigspannungen je ein Tiefpaß- Filter, TP-Filter, geschaltet wird. Zu beachten ist, daß die Kapazität des TP- Filters auch durch parasitäre Kapazitäten der Gleichrichterelemente gebildet werden kann, zum Beispiel Sperrschicht- bzw. Diffusionskapazität der PN-Übergänge von Gleichrichterdioden oder der Eingangskapazität von elektronischen Schaltern, so daß auch auf die Kondensatoren verzichtet werden kann. Das EMV-Verhalten kann auch durch den Einsatz von relativ langsamen Gleichrichtdioden verbessert werden. In diesem Fall kann eventuell auf eine zusätzliche TP-Filterung verzichtet werden.

Anstelle von vier Dioden können auch vier Schalter mit paarweise gegenphasiger Ansteuerung zur Gleichrichtung der Brückenzweigspan nungen eingesetzt werden. Hierdurch ist es möglich, auch Wechsel spannungen gleichzurichten, deren Amplitude kleiner ist als die Schwellenspannung einer Gleichrichterdiode. Des weiteren werden Störspannungen besser unterdrückt, da nur solche Wechselspannungen vollständig gleichgerichtet werden, die mit dem Umschaltsignal der Schalter synchronisiert sind. Um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß ein Störsignal die gleiche Frequenz aufweist wie das Umschaltsignal der Schalter, ist es empfehlenswert, die Frequenz der Brückenspannung - und damit auch die des Umschaltsignals - laufend zu ändern.

Anstelle von vier einzelnen Schaltern mit paarweise gegenphasiger Ansteuerung können auch zwei Umschalter eingesetzt werden.

Ein Abgleich der Schaltung geschieht zweckmäßigerweise durch Verän derung der Kapazität eines der Kondensatoren in einem der Brückenzweige der Brücke. Dies kann z. B. mit Hilfe eines sog. Drehkondensators oder mit Hilfe eines lasertrimmbaren Kondensators erfolgen. Es ist vorteilhaft, den Abgleich derart vorzunehmen, daß im Schaltpunkt der Vorrichtung bzw. des Näherungsschalters die Differenzspannung gleich Null ist, da es dann ausreicht, lediglich das Vorzeichen der Differenzspannung auszuwerten. Wird nur das Vorzeichen der Differenzspannung Ud ausgewertet, so ergibt sich ein Ausgangssignal mit zwei unterschiedlichen Zuständen, wobei der Umschaltpunkt, bei dem das Vorzeichen der Differenzspannung Ud von einem Zustand in den anderen wechselt, nur von dem Kapazitätswert des veränderlichen Kondensators abhängt, nicht jedoch von der Amplitude oder der Frequenz der Brückenspannung ubr oder der Größe der Flußspannung Uf der Gleichrichterdioden.

Soll auf einen Abgleich mit Hilfe eines veränderbaren Kondensators verzichtet werden, kann der Nullpunkt der Differenzspannung auch dadurch eingestellt werden, daß zwei der Gleichrichtelemente mit ihrem einen Anschluß nicht am Referenzpotential, zum Beispiel Masse, angeschlossen werden, sondern jeweils an eine Referenzspannungsquelle, deren Wert so eingestellt wird, daß sich am Ausgang die gewünschte Differenzspannung Ud, nämlich meist Null, einstellt. Werden die beiden Referenzspannungen derart von der Brückenversorgungsspannung ubr abgeleitet, dass zwischen der jeweiligen Referenzspannung und der Brückenversorgungsspannung ubr ein linearer Zusammenhang besteht, so wirkt sich eine Änderung der Brückenversorgungsspannung ubr nicht auf die Brückendiagonalspannung Ud - und damit auf den Abgleich - aus.

Ein kapazitiver Näherungsschalter zur Ausweftung kleiner Änderungen einer Kapazität besteht aus einer Brückenschaltung, in deren Brücken zweigen sich als Blindwiderstände wenigstens je ein Kondensator befindet und die Brücke mit einer Wechselspannung als Brückenspeisespannung beaufschlagt wird und wenigstens einer der Kondensatoren veränderbar ist, wobei die beiden Brückenzweigspannungen getrennt nach der jeweiligen Brückenhälfte gleichgerichtet werden und die Brückendiagonalspannung erst nach der Gleichrichtung der beiden Brückenzweigspannungen als sich entsprechend der Änderung der Kapazität ändernde Gleichspannung ausgewertet wird.

Ein kapazitiver Näherungsschalter zur Detektion einer sich nähernden oder entfernenden Metallfläche, welche geerdet sein kann und welche Teil eines Kondensators ist, besteht aus einer flächigen Mehrlagenplatine aus wenigstens zwei elektrisch isolierenden Schichten, zwischen denen eine metallische Zwischenlage als erste Fläche eines Kondensators sich befindet; auf einer der beiden Schichten ist eine flächige Auflage als Sonde aufgebracht, die die zweite Fläche des Kondensators bildet, wobei die o.g. Metallfläche der Sonde gegenüber beweglich angeordnet ist und mit dieser einen zweiten flächigen Kondensator bildet, so daß die Metallfläche und die Sonde die eine Kapazität und die Sonde zusammen mit der metallischen Schicht die andere Kapazität der einen Brückenhälfte bilden.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen kapazitiven Brückenschaltung mit Auswertung

Fig. 2 das Prinzipschaltbild der Fig. 1 ergänzt um je einen Tiefpaß vor den Gleichrichtern

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild, in welchem die Gleichrichterdioden durch Schalter ersetzt sind

Fig. 4 a, b, c das Ersetzen von zwei zusammengehörenden Gleichrichter dioden durch zwei zusammengehörende gleichrichtende Schalter bzw. das Ersetzen von zwei zusammengehörenden Schaltern durch jeweils einen Umschalter

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zum Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung mittels zweier Referenzspannungsquellen

Fig. 6 der Einsatz von Dioden mit der Schwellenspannung Uf als Gleichrichtelemente in Fig. 5

Fig. 7 eine Möglichkeit zum Erzeugen der Referenzspannung durch Gleichrichtung der Brückenspeisespannung und zweier Spannungsteiler

Fig. 8 die Schaltung der Fig. 7 erweitert um N5, N6, R8, C10 und Uv zum Nachweis dafür, dass die gleichgerichtete Spannung Ugl von der Flußspannung Uf der Gleichrichterdioden unabhängig ist

Fig. 9 ein weiteres Prinzipschaltbild einer Brückenschaltung mit je einer Kapazität in der einen Brückenhälfte und je einem ohmschen Widerstand in der anderen Brückenhälfte

Fig. 10 einen prinzipiellen Aufbau eines kapazitiven Näherungsschalters mit der Bildung der Kapazitäten eines Brückenzweiges durch verschiedene Lagen einer Mehrlagenplatine in Kombination mit ihrer Umgebung.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Klarstellung werden die folgenden Begriffe verwendet: "Brückenhälfte" bedeutet - in den Figuren zeichnerisch - die linke bzw. rechte Seite bzw. Hälfte der Brücke, mit "Brückenzweig" ist der Schaltungsteil zwischen zwei Schaltungsknoten bezeichnet, so dass eine Brücke zwei Hälften und vier "Zweige" bzw. "Brückenzweige" besitzt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen kapazitiven elektrischen Brückenschaltung, bestehend aus einer Brücke mit je einer Kapazität C1, C2, C3 und C4 in jedem Brückenzweig; die Kapazität C1 ist veränderbar. Die Brücke wird gespeist durch die Brückenspeisespannung ubr, welche eine Wechselspannung ist; das Bezugspotential ist Masse GND.

Die beiden Brückenzweigspannungen uc1 und uc3 aus den beiden Brückenhälften werden getrennt nach dem jeweiligen Brückenzweig mittels Dioden N2, N1 bzw. N4, N3 gleichgerichtet und mittels Kondensatoren es, C6 sowie Widerständen R1 und R2 jeweils gegen Masse geglättet, wonach die Brückendiagonalspannung Ud als sich entsprechend der Änderung der Kapazität C1 ändernde Gleichspannung ausgewertet wird. Somit wird die Brückendiagonalspannung erst nach Gleichrichtung der beiden Brücken zweigspannungen uc1 und uc3 als Differenzspannung Ud gewonnen, d.i. nach Fig. 1 als gleichgerichtete Spannung Ud aus u_diff+- u_diff-.

Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild der Fig. 1 ergänzt um je ein Tiefpaß filter in jedem Brückenzweig vor den Gleichrichtern N2, N1, N4, N3 zur Unterdrückung von eingekoppelten Störungen, gebildet durch die Wider stände R3 und R4 zum Auskoppeln der beiden Brückenzweigspannungen uc1 und uc3 sowie die Kondensatoren C7, C8. Die Kapazitäten C7 und C8 der Tiefpaß-Filter R3-C8 sowie R4-C7 können auch durch die parasitären Kapazitäten der Elemente der Gleichrichter N1,N2,N3,N4, gebildet werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Prinzipschaltbild, in welchem die Gleichrichter dioden durch elektronische Schalter S2, S1 bzw. S4, S3 ersetzt sind. Die bei den Schalter S2, S4 in den jeweiligen Auskopplungsleitungen der Brücken zweige werden durch die Steuerspannung Ust2, die beiden gegen Masse gelegten Schalter S1, S3 durch die Steuerspannung Ust1 angesprochen und geschlossen sowie geöffnet. Die Schalter werden paarweise gegenphasig angesteuert. Auch bei der Verwendung von Schaltern und Tiefpässen können die Kapazitäten der jeweiligen Tiefpaß-Filter durch die parasitären Kapazitäten der Elemente der Schalter S1, S2; S3, S4 gebildet werden.

Fig. 5 zeigt ein Prinzipschaltbild zum beispielsweise Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung Ud mittels zweier Referenz spannungsquellen Uref1 und Uref2.

Zum Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung Ud sind zwei der Gleichrichtelemente - Diode oder Schalter - mit ihrem einen An schluß nicht auf Masse, sondern jeweils an eine Referenzspannungsquelle Uref1, Uref2 angeschlossen, deren Bezugspotential Masse GND ist. Die Werte der Referenzspannungsquelle Uref1, Uref2 werden so eingestellt, daß sich am Ausgang die gewünschte Brückendiagonalspannung Ud einstellt.

Fig. 6 zeigt den Einsatz von Dioden als Gleichrichtelemente in Fig. 5, wobei die Dioden die Schwellenspannung Uf aufweisen. Dann ergeben sich die folgenden Zusammenhänge:

Ud = U1-U2

Die kapazitiven Spannungsteiler der beiden Brückenzweige schwächen das Signal ubr um den Faktor k bzw. k' ab. Sind die Kathoden zweier Gleich richterdioden am Referenzpotential, Masse, angeschlossen, d. h. wenn Uref 1 = Uref 2 = 0 ist, erhält man nach dem Gleichrichten die Spannungen

U1 = k ubr-2Uf bzw. U2 = k'uBr-2Uf

Dabei ist ubr der Spitze-Spitze-Wert der Brückenspeisespannung.

Werden hingegen die Dioden kathodenseitig jeweils an eine von Null verschiedene Referenzspannung angeschlossen erhält man

U1 = k ubr-2Uf + Uref1 bzw. U2 = k' ubr-2Uf + Uref2

Man erhält dann für die Differenzspannung Ud:

Ud = U1-U2 = k ubr-2Uf + Uref1-k' ubr + 2Uf-Uref2 = ubr (k-k') + Uref1-Uref2

Anhand dieser Gleichung ist erkennbar, daß für k' = k und Uref2 = Uref1 die Spannung Ud zu Null wird und zwar unabhängig von der Größe der Brückenspeisespannung ubr. Sind k und k' jedoch betragsmäßig verschie den, ergibt sich eine von Null verschiedene Differenzspannung Ud. Durch geeignete Wahl von Uref1 bzw. Uref2 kann die Differenzspannung Ud zwar zu Null gemacht werden. Ein Nachteil besteht jedoch noch darin, daß der beschriebene Nullabgleich von der Brückenspannung ubr abhängt. In diesem Fall wäre es daher nötig, die Amplitude der Spannung ubr stabil zu halten. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Temperaturänderungen in der Regel nur mit erheblichem Aufwand möglich.

Zur Herstellung des vorbeschriebenen Nullabgleichs unabhängig von der Brückenspannung ubr zeigen deshalb die Fig. 7 und 8 Weiterbildungen von Schaltungen zum Erzeugen der Referenzspannung durch Gleich richtung der Brückenspeisespannung und zweier Spannungsteiler.

Hierzu werden die beiden Referenzspannungen Uref1 und Uref2 von der Brückenspeisespannung ubr am Schaltungspunkt A, Fig. 6 und 7, abgeleitet und zwar in der Form, daß zwischen der Amplitude der Brücken spannung und der jeweiligen Referenzspannung ein linearer Zusam menhang besteht. Für die beiden Referenzspannungen gilt dann:

Uref1 = p ubr bzw. Uref2 = p' ubr

Für die Differenzspannung Ud ergibt sich dann:

Ud = ubr (k'-k) + p' ubr-p ubr = ubr (k'-k + p'-p)

Werden p' und p so gewählt, so daß gilt

k'-k = p-p

so wird die Differenzspannung Ud unabhängig von der Amplitude der Brückenspannung ubr zu Null. Eine einfache Möglichkeit zum Erzeugen der Referenzspannung gemäß der vorstehenden Beziehung besteht darin, die Brückenspannung ubr gleichzurichten und mit Hilfe je eines Spannungsteilers auf den gewünschten Wert einzustellen, was eben in Fig. 7 gezeigt ist.

Fig. 8 zeigt eine Schaltung, in der die gleichgerichtete Spannung Ugl auch von der Flußspannung Uf der Gleichrichterdioden unabhängig ist. Auf grund der Temperaturabhängigkeit der Flußspannung Uf der Gleichrich terdioden ist die gleichgerichtete Brückenspannung ebenfalls temperatur abhängig.

Für die gleichgerichtete Spannung Ugl gilt:

Ugl = ubr-2Uf

Schließt man die Kathode der Gleichrichterdiode nicht am Referenzpoten tial, nämlich Masse, sondern an ein Potential der Höhe 2Uf an, so verein facht sich die Gleichung zu:

Ugl = ubr

Die gleichgerichtete Spannung ist somit unabhängig von Uf.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Schaltung auch mit einer Brücke aufgebaut werden, welche aus zwei Kapazitäten und zwei Wider ständen in jedem Brückenzweig besteht, was prinzipiell in Fig. 9 gezeigt ist. Dort ist eine kapazitive Brückenschaltung mit je einer Kapazität C1 und C2 sowie je einem ohmschen Widerstand R9, R10 in jedem Brückenzweig dargestellt. In der mit den Widerständen R9, R10 aufgebauten Brückenhälfte muß die entsprechende Brückenzweigspannung über einen Kondensator C11 ausgekoppelt werden, ansonsten entspricht die Brücke der vorbeschriebenen Fig. 1.

Die beschriebene Schaltungsanordnung ist in besonderer Weise zum Aufbau von kapazitiven Näherungsschaltern geeignet zur Detektion einer sich nähernden oder entfernenden Metallfläche 15. Fig. 10 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines derartigen kapazitiven Näherungsschalters, welcher eine Hälfte der Brücke repräsentiert, mit der Bildung von Kapazi täten eines Brückenzweiges durch verschiedene Lagen einer flächigen Mehrlagenplatine 10 in Kombination mit ihrer Umgebung.

Die Mehrlagenplatine 10 besteht aus wenigstens zwei elektrisch isolierenden Schichten 13, 14, zwischen denen eine metallische Zwischenlage 11 als erste Fläche eines Kondensators sich befindet. Auf einer der beiden Schichten 13 bzw. 14, nämlich hier auf der oberen Schicht 13, ist eine flächige Auflage 12 als Sonde aufgebracht, die die zweite Fläche des Kondensators bildet, wobei die Metallfläche 15 relativ zur Sonde beweglich angeordnet ist und mit dieser einen zweiten flächigen, veränderbaren Kondensator bildet, wobei die Metallfläche 15 mittels einer Leitung 17 auch geerdet sein kann. Die Metallfläche 15 zusammen mit der Sonde 12 bilden die eine Kapazität der einen Brückenhälfte, die Sonde 12 und die metallische Schicht 11 bilden die zweite Kapazität derselben Brückenhälfte; dieser Aufbau repräsentiert die eine Hälfte der Brücke. Auf der der Sonde 12 entgegengesetzten Seite der Mehrlagenplatine 10, somit auf der unteren elektrisch isolierenden Schicht 14, sind weitere elektrische Bauelemente 16 aufgebracht.

Durch den in Fig. 10 dargestellten Aufbau ergibt sich eine unterschiedlich große Änderung der Brückendiagonalspannung Ud, je nachdem, von welcher Seite sich eine metallische Fläche an die Mehrlagenplatine 10 annähert. Somit kann eine Platinenseite als Sonde fungieren, nämlich hier die obere Seite mit der Sonde 12, wohingegen die andere Platinenseite, hier Schicht 14, gegenüber einer Annäherung einer metallische Fläche unempfindlich ist, selbst dann, wenn diese geerdet ist.

Die Kondensatorfläche, gebildet durch die metallische Zwischenlage 11, kann auch durch einen diskreten Kondensator ersetzt sein, welcher mit einem Anschluß an die Sonde 12 angeschlossen ist. In diesem Fall ergibt sich jedoch eine nahezu gleich große Änderung der Brückendiagonal spannung Ud, egal von welcher Seite sich eine metallische Fläche dem Sensor annähert oder entfernt. Eine Zwischenlage oder Abschirmung, wie zum Beispiel die metallische Zwischenlage 11, sollte daher immer dann vorgesehen werden, wenn der Näherungsschalter in seinem Dickenaufbau dünner als sein Beeinflussungsbereich ist.

Es ist damit auf einfache und kostengünstige Weise möglich, kapazitive Näherungsschalter in flacher Bauform zu fertigen, die auch auf ein geerdetes Metallteil montiert werden können.

Claims

1. Verfahren zur Auswertung kleiner Änderungen einer Kapazität unter Verwendung einer elektrischen Brückenschaltung, in deren Brücken zweigen sich als Blindwiderstände wenigstens je ein Kondensator (C1, C2, C3, C4) befindet und die Brücke mit einer Wechselspannung als Brückenspeisespannung (ubr) beaufschlagt wird und wenigstens einer der Kondensatoren (z. B. C1) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) getrennt nach der jeweiligen Brückenhälfte gleichgerichtet werden und die Brückendiagonal spannung (Ud) erst nach der Gleichrichtung der beiden Brückenzweig spannungen (uc1, uc3) als sich entsprechend der Änderung der Kapazität ändernde Gleichspannung ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtung der Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) entweder durch vier Dioden (N1, N2, N3, N4) oder durch vier Schalter (S1, S2, S3, S4) erfolgt, wobei bei der Verwendung von Schaltern diese synchron mit der Brückenspeisespannung (ubr) paarweise gegenphasig angesteuert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von eingekoppelten Störungen vor die Gleichrichter (N1, N2, N3, N4, bzw. S1, S2, S3, S4) der Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) je ein Tiefpaß-Filter (R3, C8 und R4, C7) geschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten der Tiefpaß-Filter (C8 bzw. C7) durch die parasitären Kapazitäten der Gleichrichter-Elemente (N1, N2, N3, N4 bzw. S1, S2, S3, S4) gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter zur Gleichrichtung der Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) zwei Umschalter (W1, W2) eingesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Brückenspeisespannung (ubr) und damit auch die des Umschaltsignals laufend geändert wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgleichen der Brücke und Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung (Ud) einer der Kondensatoren (C2, C3, C4) in einem der Brückenzweige im Schaltpunkt des Näherungsschalters so verändert wird, dass im Schaltpunkt des Näherungsschalters die Brückendiagonalspannung (Ud) gleich Null ist und lediglich das Vorzeichen der Brückendiagonalspannung (Ud) ausgewertet wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des Nullpunktes der Brückendiagonalspannung (Ud) zwei der Gleichrichtelemente (N1, N2, N3, N4, bzw. S1, S2, S3, S4) mit ihrem einen Anschluß jeweils an eine Referenzspannungsquelle (Uref1, Uref2) angeschlossen werden, deren jeweiliger Wert so eingestellt wird, daß sich am Ausgang die gewünschte Brückendiagonalspannung (Ud) von Null Volt (0V) einstellt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abgleichen der Brücke die beiden Referenzspannungen (Uref1, Uref2) aus der Brückenspeisespannung (ubr) derart abgeleitet werden, dass zwischen der Amplitude der Brückenspeisespannung (ubr) und der jeweiligen Referenzspannung (Uref1, Uref2) ein linearer Zusammenhang besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Referenzspannungen (Uref1, Uref2) die Brückenspeisespannung (ubr) gleichgerichtet und mit Hilfe je eines Spannungsteilers auf die gewünschten Werte eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Hälfte der Brücke aus je einem Kondensator (C1, C2) und die andere Hälfte der Brücke aus je einem Widerstand (R9, R10) besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Dioden zur Verbesserung der Störfestigkeit langsame Dioden (N1, N2, N3, N4) verwendet werden.

13. Elektrische Brückenschaltung zur Auswertung kleiner Änderungen einer Kapazität, in deren Brückenzweigen sich als Blindwiderstände wenigstens je ein Kondensator (C1, C2, C3, C4) befindet und die Brücke mit einer Wechselspannung als Brückenspeisespannung (ubr) beaufschlagt und wenigstens einer der Kondensatoren (z. B. C1) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brückenzweigspannungen (uc1, uc3) getrennt nach dem jeweiligen Brückenzweig gleichgerichtet werden und die Brückendiagonal spannung (Ud) erst nach der Gleichrichtung der beiden Brückenzweig spannungen (uc1, uc3) als sich entsprechend der Kapazitätsänderung des Kondensators ändernde Gleichspannung ausgewertet wird.

14. Kapazitiver Näherungsschalter mit einer elektrischen Brücken schaltung nach Anspruch 12 zur Detektion einer sich nähernden oder entfernenden Metallfläche (15), welche Teil eines Kondensators ist, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe aus einer flächigen Mehrlagenplatine (10) aus wenigstens zwei elektrisch isolierenden Schichten (13, 14) besteht, zwischen denen eine metallische Zwischenlage (11) als erste Fläche eines Kondensators sich befindet und auf einer der beiden Schichten (13, 14) eine flächige Auflage (12) als Sonde aufgebracht ist, die die zweite Fläche des Kondensators bildet, wobei die Metallfläche (15) relativ zu der Sonde beweglich angeordnet ist und mit dieser einen zweiten flächigen, veränderbaren Kondensator bildet, und daß Metallfläche (15) und Sonde die eine Kapazität und Sonde und metallische Schicht (11) die zweite Kapazität einer der beiden Brückenhälften bilden und dieser Aufbau die eine Hälfte der Brücke repräsentiert.

15. Kapazitiver Näherungsschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Auflage (12) entgegengesetzten Seite der Mehrlagenplatine (10), auf der unteren elektrisch isolierenden Schicht (13, 14), weitere elektrische Bauelemente (16) aufgebracht sind.

16. Kapazitiver Näherungsschalter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorfläche, gebildet durch die metallische Zwischenlage (11), durch einen diskreten Kondensator ersetzt ist, welcher mit einem Anschluß an die Sonde (12) angeschlossen ist.