DE19945330A1 - Verfahren zur Detektion und Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen zur Umsetzung in ein Schaltsignal und kapazitiver Sensor hierzu - Google Patents

Verfahren zur Detektion und Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen zur Umsetzung in ein Schaltsignal und kapazitiver Sensor hierzu

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    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945Proximity switches
    • H03K17/955Proximity switches using a capacitive detector

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion und Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen zur Umsetzung in ein Schaltsignal, unter Verwendung eines elektrischen Verstärkers (1), dessen positiver oder negativer Versorgungsanschluss an eine positive oder negative Gleichspannungsversorgungsquelle und dessen anderer Versorgungsanschluss an ein Bezugspotential gelegt ist, wobei an den Eingang des Verstärkers eine einem zu detektierenden Objekt (3) gegenüber relativ beweglich angeordnete Elektrode (2) angeschlossen ist. An die Versorgungsanschlüsse des Verstärkers (1) wird ein Wechselspannungssignal aus positiven und negativen Halbwellen, wie Gleichtaktsignal oder Rechtecksignal, angelegt, so dass die Versorgungsspannung des Verstärkers konstant bleibt, jedoch Verstärker (1) und Elektrode (2) einen Spannungshub im Gleichtakt der positiven und negativen Halbwellen des Wechselspannungssignals durchlaufen, und bei Detektion eines Objektes (3) ein von der Elektrode (2) herrührendes Signal (Elektrodensignal) im Verstärker (1) verstärkt und dieses am Ausgang des Verstärkers (1) erscheinende verstärkte Wechselspannungssignal anschließend in einer Gleichrichterschaltung gleichgerichtet und gegen Erdpotential von der Wechselspannung entkoppelt, als Gleichspannung bzw. -strom zur Auswertung verwendet wird, und das gleichgerichtete, verstärkte Wechselspannungssignal zum Erdpotential von der Größe des Blindwiderstandes zwischen Elektrode (2) und Objekt (3) direkt abhängig ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Detektion und Auswer­ tung kleiner Kapazitätsänderungen zur Umsetzung in ein Schaltsignal, unter Verwendung eines elektrischen Verstärkers, dessen positiver oder negativer Versorgungsanschluss an eine positive oder negative Gleichspannungsver­ sorgungsquelle und dessen anderer Versorgungsanschluss an ein Bezugs­ potential gelegt ist, wobei an den Eingang des Verstärkers eine einem zu detektierenden Objekt gegenüber relativ beweglich angeordnete Elektrode angeschlossen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 Kapazitätsänderungen, 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.

Es ist eine Reihe von auf kapazitiver oder induktiver Basis arbeitenden elektrischen Sensoren bekannt, die gewöhnlich einen kontakt- und berüh­ rungslos arbeitenden Initiator enthalten, der einen Hf-Oszillator in einer Sperrschwingerschaltung mit einem aktiven LC- oder RC-Schwingkreis auf­ weist. Handelt es sich um einen LC-Initiator, so ist die Induktivität des LC- Schwingkreises als Spule mit gerichtetem Hf-Feld ausgebildet. Wird in das Feld ein elektrisch leitendes Medium gebracht, tritt eine Dämpfung im Schwingkreis auf. Bei genügend großer Dämpfung gemäß dem Abstand des Mediums von der Spule des LC-Schwingkreises reißt die Schwingung des Oszillators ab, wobei diese Zustandsänderung innerhalb eines Auswerters in einen Schaltbefehl umgesetzt wird. Handelt es sich um einen RC-Initiator, so ist die Sensor­ elektrode Teil des Kondensators des RC-Schwingkreises, dessen Kapazität sich bei der Annäherung eines Objektes mit hinreichend großer Dielektrizitätszahl an die Sensorelektrode zu ändern imstande ist, wodurch der RC-Schwingkreis zu Schwingungen angeregt wird oder die Schwingungen abreißen und die Änderung der Schwingungsamplitude in einem nachgeschalteten Hüllkurven­ demodulator ausgewertet werden können. Schalter mit derartigen Sensoren besitzen die Eigenschaft, daß der Schaltabstand von den Materialeigen­ schaften und der Beschaffenheit des zu detektierenden Körpers abhängt. Somit bewirkt die Veränderung der Kapazität einer aktiven Fläche eine Veränderung der Frequenz, die ausgewertet werden kann.

Durch die DE 34 08 261 A1 ist ein Annäherungsschalter sowie eine Schal­ tungsanordnung hierfür bekanntgeworden, bei der eine Langzeit-Mittel­ wertbildung des Empfängersignals stattfindet. Der Annäherungsschalter besitzt einen Sender und einen Empfänger zum Empfang der vom Sender ausgesandten und von einem Objekt reflektierten Strahlung. Ein Langzeit- Mittelwertbildner bildet einen Langzeit-Mittelwert des Empfangssignals, welches mit einem Komparatorsignal verglichen wird. Das Komparatorsignal ist ein Kurzzeitsignal, welches den momentanen Wert des Empfangssignals repräsentiert, mit dem Langzeit-Signal vergleicht, wobei dann ein Komparator­ signal abgegeben wird, wenn die Abweichung des Kurzzeit-Signals vom Langzeit-Signal einen bestimmten Betrag überschreitet. Innerhalb eines Sperrkreises wird die Neubildung eines Langzeit-Mittelwertes durch den Langzeit-Mittelwertbildner während derjenigen Zeit unterbunden, in der ein Ausgangssignal des Komparators vorliegt, welches zur Bildung des Ausgangs­ signals der Schaltanordnung verwendet wird.

Durch die DE 42 10 848 A1 ist eine Sicherheitseinrichtung mit Auswerte­ einrichtung bekanntgeworden, der eine Meßstelle sowie ein Abschlußwider­ stand elektrisch zugeordnet ist und eine der Auswerteeinrichtung zugeordnete Anzeigeeinrichtung in Abhängigkeit eines von der Meßstelle abgegebenen Signals betätigen kann. Zwischen der Meßstelle und der Anzeigeeinrichtung ist eine ein Vergleichssignal liefernde Vergleichseinrichtung vorgesehen, die die Anzeigeeinrichtung derart ansteuert, daß zumindest zwei Zustände des Vergleichssignals aktiv signalisiert werden.

Derartige Sensoren weisen generell den Nachteil auf, daß aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Sensors keine gleichbleibende Empfindlichkeit gewährleistet ist. Dadurch kann bei einer einmal durchgeführten Justage des Sensors ein Verlassen des Schaltabstandes erfolgen oder es kann ein Anschwingen des Oszillators erfolgen, noch ehe ein Objekt oder Medium sich im Ansprechbereich befindet; dadurch ist der Schaltabstand über dem Tem­ peraturbereich nicht konstant. Ebenso kann eine applikationsspezifische Justage des Sensors außerhalb der Spezifikationen des Sensors erforderlich sein, was äußerst schwierig zu bewerkstelligen sein kann. Des Weiteren zeigen derartige Sensoren eine große Richtungsabhängigkeit, was häufig nachteilig ist. Ebenso besitzen derartige Sensoren den Nachteil, dass die Kapazität der aktiven Fläche stark von der Umgebung und deren Veränderungen abhängt.

Ein weiterer Nachteil liegt darin begründet, dass derartige RC-Oszillatoren eine große und breitbandige Störempfindlichkeit schon für kleinste elektrische Wechselfelder im Bereich der Arbeitsfrequenz aufweisen, die nur durch einen hohen Schaltungsaufwand zu beseitigen ist. Des Weiteren müssen derartige Sensoren oder Näherungsschalter die Vorgaben der Norm EN 61000-4-3 betreffend die Prüf und Messverfahren der elektromagnetischen Verträglich­ keit einhalten. Herkömmliche kapazitive Sensoren können gewisse EMV-Prü­ fungen, welche die Maschinenrichtlinie fordert, insbesondere leitungsgeführte Einströmungen durch Oberflächenwellen, in der Regel nicht bestehen.

Weitere bekannte Lösungen sind zum Beispiel in den DE-C2-31 43 114, DE- A1-39 11 009, DE-A1-195 36 198, DE-A1-197 01 899, CH-558 534 sowie der EP-A1-0 723 166 enthalten.

Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen kapazi­ tiven Sensor zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, welches bei sicherer Auswertung sehr kleiner Kapazitätsänderungen eine hohe Resistenz gegen elektrische Wechselfelder sowie eine hohe Störfestigkeit und eine hohe Temperaturstabilität aufweisen soll. Des Weiteren soll der Sensor mit vergleichsweise geringem Aufwand und somit preiswert realisierbar sein.

Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, dass an die Versorgungs­ anschlüsse (Plus+, Minus-) des Verstärkers ein Wechselspannungssignal aus positiven und negativen Halbwellen, wie Gleichtaktsignal oder Rechtecksignal, angelegt wird, so dass die Versorgungsspannung des Verstärkers konstant bleibt, jedoch Verstärker und Elektrode einen Spannungshub im Gleichtakt der positiven und negativen Halbwellen des Wechselspannungssignals durchlaufen, und bei Detektion eines Objektes ein von der Elektrode herrührendes Signal (Elektrodensignal) im Verstärker verstärkt und dieses am Ausgang des Verstärkers erscheinende verstärkte Wechselspannungssignal anschließend in einer Gleichrichterschaltung gleichgerichtet und gegen Erdpotential von der Wechselspannung entkoppelt, als Gleichspannung bzw. -strom zur Auswertung verwendet wird, wobei das gleichgerichtete verstärkte Wechselspannungssignal zum Erdpotential von der Größe des Blind­ widerstandes zwischen Elektrode und Objekt direkt abhängig ist.

Bei einem kapazitiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 ist erfindungsgemäß an die Versorgungsanschlüsse (Plus+, Minus-) des Verstär­ kers ein Wechselspannungssignal aus positiven und negativen Halbwellen, wie Gleichtaktsignal oder Rechtecksignal, angelegt, so dass die Versorgungsspan­ nung des Verstärkers konstant bleibt, jedoch Verstärker und Elektrode einen Spannungshub im Gleichtakt der positiven und negativen Halbwellen des Wechselspannungssignals durchlaufen, und bei Detektion eines Objektes ein von der Elektrode herrührendes Signal (Elektrodensignal) im Verstärker ver­ stärkt und dieses am Ausgang des Verstärkers erscheinende verstärkte Wech­ selspannungssignal anschließend in einer Gleichrichterschaltung gleichgerich­ tet und gegen Erdpotential von der Wechselspannung entkoppelt, als Gleich­ spannung bzw. -strom zur Auswertung verwendet wird, wobei das gleichge­ richtete, verstärkte Wechselspannungssignal zum Erdpotential von der Größe des Blindwiderstandes zwischen Elektrode und Objekt direkt abhängig ist.

Das Verfahren und der kapazitive Sensor weisen den Vorteil auf, dass es eine hohe Resistenz gegen elektrische Wechselfelder aufweist, was auf der Tatsache beruht, dass der Verstärker selbst relativ unempfindlich ist, weil er einen relativ kleinen Verstärkungsfaktor aufweist. Andererseits aber kann er durch die Beaufschlagung mit einem hohen Steuersignal ein ausreichendes Nutz­ signal liefern. Durch einen hohen Steuerpegel und einer Rechteckkurvenform der Steuerspannung, was einen höheren Effektivwert ergibt, ergibt sich ein guter Störabstand zwischen Nutzsignal und einem Störfeld. Die Eigenemission ist durch die Verwendung einer niedrigen Arbeitsfrequenz, zum Beispiel 20 KHz, gering. Des Weiteren besitzt die Schaltung eine hohe Störfestigkeit und Temperaturstabilität und ist gegenüber eingekoppelten Störungen weitgehend unempfindlich. Ebenso ist der Sensor mit vergleichsweise geringem Aufwand realisierbar. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Vorgaben der Norm EN 61000-4-3 betreffend die Prüf und Messverfahren der elektromag­ netischen Verträglichkeit wie die Vorschriften der Maschinenrichtlinie einge­ halten werden.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens pendelt der Verstärker zwischen einem minimalen und einem maximalen Spannungswert seiner Versorgungs­ spannung UB in Abhängigkeit von den positiven und negativen Halbwellen des Wechselspannungssignals gegenüber dem Erdpotential hin- und her. Der minimale Spannungswert der Versorgungsspannung UB beträgt dabei 0 Volt, bezogen auf Erdpotential, und der maximale Spannungswert 2UB. Das Wechselspannungssignal des Verstärkers besitzt eine Rechteckform, deren Arbeitsfrequenz zirka 20 KHz ± 5 KHz beträgt. Ebenso besitzt der Verstärker einen relativ kleinen Verstärkungsfaktor, vorzugsweise einen Spannungs­ übertragungsfaktor von 1 : 2 bis 1 : 100, insbesondere 1 : 20 bis 1 : 50.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines kapazitiven Sensors mit der Ansteuerung durch eine Diode und Haltekondensator mit Auswertung

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild eines in einem kapazitiven Sensor verwendeten weiteren Verstärkers mit der Ansteuerung durch zwei Transistoren

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines in einem Sensor verwendeten weiteren Verstärkers, der innerhalb einer gewissen Bandbreite mit konstan­ tem Amplitudengang als Breitband-Verstärker arbeitet

Fig. 4 die Darstellung der Abhängigkeit der Frequenz vom Verstärkungs­ faktor der Schaltung der Fig. 3

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines in einem Sensor verwendeten weiteren Verstärkers mit schmalbandiger Bandpasscharakteristik bei variablem Steuergenerator und

Fig. 6 die Darstellung der Abhängigkeit der Frequenz vom Verstärkungs­ faktor der Schaltung der Fig. 5.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In der schaltungstechnischen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Fig. 1 oder 2 ergeben sich grundsätzlich mehrere unter­ schiedliche Ausgestaltungen, die jeweils den Kern der Erfindung zum Inhalt haben. Ein Verstärker 1 mit relativ hochohmigen Eingang wird mit seinen Versorgungsanschlüssen Plus und Minus gegenüber einem vorgegebenen Potential, das vorzugsweise das Erdpotential ist, in einem vorgegebenen Gleichtakt durch einen Steuergenerator 4 bewegt, in dem ein Spannungshub an den Versorgungsanschlüssen erzeugt wird. Am Eingang des Verstärkers 1 ist eine Elektrode 2, zum Beispiel in Form einer Elektrodenplatte, angeschlossen, die einem zu detektierenden Objekt 3 gegenüber relativ beweglich ist; die Elektrode ist über die Eingangsimpedanz des Verstärkers an diesen angebunden. Bei Abwesenheit oder Unbewegtheit eines zu detektierenden Objektes läuft somit die Elektrode 2 entsprechend dem Gleichtaktsignal des Steuergenerators 4 gegenüber dem Bezugspotential, Erdpotential, mit.

Dadurch fließt prinzipiell in der positiven Halbwelle des Wechselspannungs­ signals des Steuergenerators 4 ein geringer Strom durch die Eingangsimpedanz des Verstärkers 1 zwischen Elektrode 2 und Objekt 3 bzw. zwischen Elektrode 2 und Erde infolge der Kapazität zum Erdpotential und in der negativen Halbwelle in umgekehrter Richtung. Bewegt sich nun ein zu detektierendes Objekt in den Schaltabstand hinein oder aus diesem hinaus, so verändert sich das in Ruhe der Elektrode 2 vorhandene Dielektrikum und dessen Dielek­ trizitätszahl εr, so dass die Elektrode 2 vom Objekt 3 quasi festgehalten wird, es fließt ein sich ändernder Strom in den Eingang des Verstärkers 1. Dieser Wechselstrom wird durch den Verstärker 1 verstärkt, in eine Wechselspan­ nung umgestzt, gleichgerichtet und gegen Erdpotential bzw. Masse wieder als Gleichspannung zur Auswertung wieder zur Verfügung gestellt. Der Strom zum Bezugspotential bzw. Erdpotential ist direkt abhängig von der Größe des Blind­ widerstandes bzw. der Kapazität zwischen der Elektrode 2 und dem Objekt 3. Die daraus abgeleitetete Gleichspannung ist in Folge dessen ein direktes Maß für die Bedämpfung des Sensors bzw. für den Abstand d der Elektrode 2 zum Objekt 3 nach der Beziehung 1/d.

Die Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazitiven elektrischen Sensors, wie er zum Aufbau eines kapazitiven Näherungs­ schalters verwendet werden kann. An den Eingang des Verstärkers 1 ist die vorbeschriebene Elektrode 2 angeschlossen. An den positiven Versorgungs­ anschluss + des Verstärkers 1 ist über eine Diode D in Flußrichtung eine positive Gleichspannungsversorgungsquelle mit der Spannung UB angeschlos­ sen. An den negativen oder Masse-Versorgungsanschluss des Verstärkers 1 ist ein Steuergenerator 4 angeschlossen, der ein Wechselspannungssignal aus positiven und negativen Halbwellen, wie Gleichtaktsignal oder Rechtecksignal, erzeugt. Gleichzeitig ist das Wechselspannungssignal über einen Haltekon­ densator Ch an die Versorgungsspannung UB nach der Diode D gelegt.

Gemäß Fig. 1 ist der negative Versorgungsanschluss oder Masseanschluss des Verstärkers direkt mit dem Ausgang des Steuergenerators 4 verbunden, seine Ausgangsspannung beträgt in der negativen Halbwelle Null Volt bzw. Massepotential, in der positiven Halbwelle hingegen das Potential in der Höhe der Versorgungsspannung UB.

In der negativen Halbwelle des Wechselspannungssignals liegt der negative Versorgungsanschluss oder Masseanschluss des Verstärkers auf Null Volt oder Masse. Die Diode D ist leitend und der Verstärker 1 wird über die Diode D mit Versorgungsspannung UB versorgt, der Haltekondensator Ch wird auf ein Potential der Höhe von UB aufgeladen.

Somit liegen am negativen Versorgungsanschluss, Minus, des Verstärkers 1 in der negativen Halbwelle des Wechselspannungssignals Null Volt und in der positiven Halbwelle eine Spannung der Höhe UB an; am positiven Versorgungs­ anschluss Plus des Verstärkers 1 liegen in der negativen Halbwelle des Wechselspannungssignals die Spannung UB und in der positiven Halbwelle die Spannung 2 . UB an, bedingt durch die Verdopplung der Spannung UB durch den Haltekondensator Ch. Der positive Versorgungsanschluss des Verstärkers 1 durchläuft somit einen Spannungshub von UB bis 2 . UB, der negative Ver­ sorgungsanschluss durchläuft einen Spannungshub von Null Volt bis UB. Daraus resultiert ein Spannungshub des Verstärkers von gleichbleibend der Höhe UB im Gleichtakt der positiven und negativen Halbwellen des Wechselspannungssignals.

In der positiven Halbwelle des Wechselspannungssignals liegt der negative Versorgungsanschluss oder Masseanschluss des Verstärkers auf einem Potential der Versorgungsspannung UB. Die Versorgungsspannung UB wird über den Haltekondensator Ch gehalten. Die Diode D ist gesperrt, der positive Versorgungsanschluss des Verstärkers 1 liegt auf einem Potential von 2 . UB.

Bei Detektion eines Objektes 3 wird das von der Elektrode 2 herrührende Signal, Elektrodensignal, im Verstärker 1 dem Wechselspannungssignal über­ lagert und in eine Wechselspannung umgesetzt. Das am Ausgang des Verstärkers 1 erscheinende Wechselspannungssignal wird einer speziellen Gleichrichterschaltung bzw. einem Gleichrichter 5 aufgegeben und gleich­ gerichtet und gegen Erdpotential von der Wechselspannung entkoppelt und nun als Gleichspannung bzw. -strom zur Auswertung einem Komparator 6 aufgegeben, der daraus ein Schaltsignal ableitet. Das Wechselspannungssignal bzw. Überlagerungssignal am Ausgang des Verstärkers 1 am Abgriff 7 wie das gleichgerichtete, verstärkte Wechselspannungssignal nach dem Gleichrichter 5 am Abgriff 8 sind zum Erdpotential von der Größe des Blindwiderstandes zwischen Elektrode 2 und Objekt 3 direkt abhängig und gehorchen der Beziehung 1/d. Zur Einstellung des Schaltabstandes kann der Komparator 6 eine vorgebbare, konstante oder auch veränderbare Komparatorschwelle aufweisen, die mittels einer einstellbaren Sollgleichpannungseinrichtung 11 vorgegeben werden kann.

Die Verhältnisse zwischen den Versorgungsanschlüssen des Verstärkers lassen sich natürlich auch elektrisch umkehren, so dass der Steuergenerator einerseits direkt an den positiven Versorgungsanschluss des Verstärkers, Plus- Eingang, und andererseits über einen Haltekondensator Ch an den negativen Versorgungsanschluss des Verstärkers, Minus- oder Masseeingang, gelegt ist, wobei die Diode D umgekehrt gepolt zwischen dem Minusanschluss des Verstärkers und der Masse eingefügt ist, so dass der Verstärker an seinem positiven bzw. negativen Versorgungsanschluss von der negativen bis zur positiven - oder umgekehrt - Halbwelle einen Spannungshub von der einfachen bis zur doppelten Höhe der Gleichspannungsversorgung UB und an seinem negativen bzw. positiven, oder umgekehrt, Versorgungsanschluss einen Span­ nungshub vom Bezugspotential, vorzugsweise Erdpotential, bis zur Höhe der Gleichspannungsversorgung UB durchläuft und die Differenz der Spannungs­ hübe konstant bleibt, nämlich in Höhe der Gleichspannungsversorgung UB.

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines in einem kapazitiven Sensor ver­ wendeten Verstärkers mit der Ansteuerung des Steuergenerators 4 durch zwei Transistoren NPN und PNP. Das Ausgangssignal des Steuergenerators 4 wird gleichzeitig auf zwei symmetrisch aufgebaute Emitterfolger in NPN- und PNP- Technik aufgegeben, wobei die Ausgänge der Emitterfolger jeweils an den positiven und den negativen Versorgungsanschluss des Verstärkers 1 gelegt sind. Der Steuergenerator 4 ist über ein Reihen-RC-Glied R5 und C an den ge­ meinsamen Gabelpunkt 9 der Emitterfolger gelegt. Der Widerstand R5 des RC- Gliedes bestimmt hauptsächlich die Amplitude der Steuerspannung im Verhältnis zum Gesamtwiderstand.

Zwischen der Versorgungsspannung einerseits UB und andererseits Erd- oder Nullpotential der Transistoren NPN und PNP und dem gemeinsamen Gabelpunkt 9 der Emitterfolger sind je ein Spannungsteiler R1-R3 und R4-R2 gelegt, wobei zwischen den Widerständen R1 und R3 sowie R4 und R2 jeweils die Ansteuerleitung für die Basis der Transistoren NPN und PNP angeschlossen ist. Der Widerstand R5 des RC-Gliedes bestimmt hauptsächlich die Amplitude des Verstärkers 1 im Verhältnis zum Gesamtwiderstand.

In Fig. 3 ist ein Prinzipschaltbild des in einem Sensor verwendeten Verstärkers 1 gezeigt, der innerhalb einer gewissen Bandbreite mit einem konstanten Amplitudengang als Breitband-Verstärker arbeitet. Der Verstär­ ker 1 besitzt einen konstanten Amplitudengang innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite, so dass nur sehr niedrige Störfelder, wie Brummfelder oder Frequenzen im 50 Hz-Bereich, oder sehr hohe Frequenzen beschnitten werden, wobei sich die Arbeitsfrequenz des Steuergenerators 4, die etwas schwanken kann, innerhalb dieser vorgegebenen Bandbreite bewegt. Zur Einstellung des Schaltabstandes wird dem Komparator 6 eine einstellbare Komparator­ schwelle vorgegeben, die mittels der Sollgleichpannungseinrichtung 11 eingestellt wird.

Fig. 4 zeigt das dazugehörige Schaubild der Darstellung der Abhängigkeit der Frequenz vom Verstärkungsfaktor der Schaltung der Fig. 3.

Fig. 5 zeigt ein Prinzipschaltbild eines in einem Sensor verwendeten weiteren Verstärkers 1 mit schmalbandiger Bandpasscharakteristik bei variablem Steuergenerator 10. Der Verstärker 1 weist ein Bandpaßfilter mit maximaler Verstärkung für eine vorgegebene Frequenz auf, wobei die Arbeitsfrequenz des Steuergenerators 10 einstellbar und veränderbar ist. In der Fig. 6 ist hierzu die Abhängigkeit der Frequenz des Steuergenerators 10 vom Verstärkungs­ faktor der Schaltung der Fig. 5 dargestellt.

Der Schaltabstand des Sensors bei konstanter Komparatorschwelle ist entweder über die vorgebbare Höhe der Gleichspannungsversorgung UB oder über die Höhe der Ausgangsspannung des Steuergenerators 4 in gewissen Grenzen einstellbar.

Claims (15)

1. Verfahren zur elektrischen Detektion und Auswertung kleiner Kapazitäts­ änderungen zur Umsetzung in ein Schaltsignal, unter Verwendung eines elektrischen Verstärkers (1), dessen positiver oder negativer Versorgungs­ anschluss (Plus+, Minus-) an eine positive oder negative Gleichspannungs­ versorgungsquelle (UB) und dessen anderer Versorgungsanschluss (Plus+, Minus-) an ein Bezugspotential gelegt ist, wobei an den Eingang des Ver­ stärkers eine einem zu detektierenden Objekt (3) gegenüber relativ beweglich angeordnete Elektrode (2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die Versorgungsanschlüsse (Plus+, Minus-) des Verstärkers (1) ein Wechselspannungssignal aus positiven und negativen Halbwellen, wie Gleichtaktsignal oder Rechtecksignal, angelegt wird, so dass die Versorgungs­ spannung des Verstärkers konstant bleibt, jedoch Verstärker (1) und Elektrode (2) einen Spannungshub im Gleichtakt der positiven und negativen Halbwellen des Wechselspannungssignals durchlaufen, und bei Detektion eines Objektes (3) ein von der Elektrode (2) herrührendes Signal (Elektrodensignal) im Verstärker (1) verstärkt und dieses am Ausgang des Verstärkers (1) erschei­ nende verstärkte Wechselspannungssignal anschließend in einer Gleichrichter­ schaltung gleichgerichtet und gegen Erdpotential von der Wechselspannung entkoppelt, als Gleichspannung bzw. -strom zur Auswertung verwendet wird, wobei das gleichgerichtete verstärkte Wechselspannungssignal zum Erd­ potential von der Größe des Blindwiderstandes zwischen Elektrode (2) und Objekt (3) direkt abhängig ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker zwischen einem minimalen und einem maximalen Spannungswert seiner Versorgungsspannung (UB) in Abhängigkeit von den positiven und negativen Halbwellen des Wechselspannungssignals gegenüber dem Erdpotential hin- und herpendelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Spannungswert der Versorgungsspannung UB 0 Volt, bezogen auf Erdpotential, und der maximale Spannungswert 2UB beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselspannungssignal des Verstärkers eine Rechteckform besitzt, deren Arbeitsfrequenz zirka 20 KHz ± 5 KHz beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker einen relativ kleinen Verstärkungsfaktor besitzt, vorzugs­ weise einen Spannungsübertragungsfaktor von 1 : 2 bis 1 : 100, insbesondere 1 : 20 bis 1 : 50, aufweist.
6. Kapazitiver Sensor zur elektrischen Detektion und Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen zur Umsetzung in ein Schaltsignal, mit einem elektri­ schen Verstärker (1), dessen positiver oder negativer Versorgungsanschluss (Plus+, Minus-) an eine positive oder negative Gleichspannungsversorgungs­ quelle UB und dessen anderer Versorgungsanschluss (Plus+, Minus-) an ein Bezugspotential gelegt ist, wobei an den Eingang des Verstärkers (1) eine einem zu detektierenden Objekt (3) gegenüber relativ beweglich angeordnete Elektrode (2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die Versorgungsanschlüsse (Plus+, Minus-) des Verstärkers (1) ein Wechselspannungssignal aus positiven und negativen Halbwellen, wie Gleichtaktsignal oder Rechtecksignal, angelegt ist, so dass die Versorgungs­ spannung des Verstärkers konstant bleibt, jedoch Verstärker (1) und Elektrode (2) einen Spannungshub im Gleichtakt der positiven und negativen Halbwellen des Wechselspannungssignals durchlaufen, und bei Detektion eines Objektes (3) ein von der Elektrode (2) herrührendes Signal (Elektrodensignal) im Verstärker (1) verstärkt und dieses am Ausgang des Verstärkers (1) erscheinende verstärkte Wechselspannungssignal anschließend in einer Gleichrichterschaltung gleichgerichtet und gegen Erdpotential von der Wech­ selspannung entkoppelt, als Gleichspannung bzw. -strom zur Auswertung ver­ wendet wird, wobei das gleichgerichtete, verstärkte Wechselspannungssignal zum Erdpotential von der Größe des Blindwiderstandes zwischen Elektrode (2) und Objekt (3) direkt abhängig ist.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungshub von der Differenz der Höhe der Gleichspannungs­ versorgung sowie der Amplitude des Wechselspannungssignals abhängt.
8. Sensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Wechselspannungssignals in der positiven Halbwelle gleich der Höhe der Gleichspannungsversorgung UB und in der negativen Halbwelle Massepotential bzw. Null Volt aufweist, so dass der resultierende Spannungshub aus den Spannungshüben an den Versorgungsanschlüssen (Plus+, Minus-) die Höhe der Gleichspannungsversorgung UB aufweist und konstant bleibt.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass an den Verstärker (1) ein Steuergenerator (4) angeschlossen ist, welcher das Wechselspannungssignal aus positiven und negativen Halbwellen, wie Gleichtaktsignal oder Rechtecksignal, erzeugt, wobei der Steuergenerator (4) einerseits direkt an den negativen Versorgungsanschluss (Minus-) des Verstärkers (1), der Minus- oder Masseeingang, und andererseits über einen Haltekondensator (Ch) an den positiven Versorgungsanschluss (Plus+) des Verstärkers (1), der Plus-Eingang gelegt ist, an den über eine Diode (D) die Gleichspannungsversorgungsquelle UB angeschlossen ist,
oder dass der Steuergenerator (4) einerseits direkt an den positiven Versorgungsanschluss (+) des Verstärkers (1), Plus-Eingang (+), und anderer­ seits über einen Haltekondensator (Ch) an den negativen Versorgungsanschluss (-) des Verstärkers (1), Minus- oder Masseeingang (-), gelegt ist, wobei die Diode umgekehrt gepolt zwischen dem Minusanschluss (-) des Verstärkers (1) und der Masse eingefügt ist,
so dass der Verstärker (1) an seinem positiven bzw. negativen Versorgungs­ anschluss (Plus+, Minus-) von der negativen bis zur positiven, oder umgekehrt, Halbwelle einen Spannungshub von der einfachen bis zur doppelten Höhe der Gleichspannungsversorgung (UB) und an seinem negativen bzw. positiven, oder umgekehrt, Versorgungsanschluss (Plus+, Minus-) einen Spannungshub vom Bezugspotential, vorzugsweise Erdpotential, bis zur Höhe der Gleichspannungsversorgung (UB) durchläuft und die Differenz der Spannungshübe konstant bleibt, nämlich in Höhe der Gleichspannungs­ versorgung (UB).
10. Sensor nach Anspruch 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Steuergenerators (4) gleichzeitig auf zwei sym­ metrisch aufgebaute Emitterfolger in NPN- und PNP-Technik aufgegeben ist, wobei die Ausgänge der Emitterfolger jeweils an den positiven und den nega­ tiven Versorgungsanschluss (Plus+, Minus-) des Verstärkers (1) gelegt sind.
11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuergenerator (4) über ein RC-Glied (R5, C) an den gemeinsamen Gabelpunkt der Emitterfolger gelegt ist, wobei der Widerstand (R5) des RC- Gliedes die Amplitude des Verstärkers (1) im Verhältnis zum Gesamt­ widerstand bestimmt.
12. Sensor nach Anspruch 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (1) einen konstanten Amplitudengang innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite besitzt, so dass nur sehr niedrige Störfelder, wie Brummfelder oder Frequenzen im 50 Hz-Bereich, oder sehr hohe Frequenzen beschnitten werden und sich die Arbeitsfrequenz des Steuergenerators (4) innerhalb dieser vorgegebenen Bandbreite bewegt.
13. Sensor nach Anspruch 6 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker ein Bandpaßfilter aufweist mit maximaler Verstärkung für eine vorgegebene Frequenz, wobei die Arbeitsfrequenz des Steuergenerators (4) einstellbar und veränderbar ist.
14. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Gleichrichter (5) eine Komparator (6) geschaltet ist, der zur Einstellung des Schaltabstandes eine vorgebbare, konstante Komparatorschwelle aufweist.
15. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltabstand des Sensors bei konstanter Komparatorschwelle entweder über die vorgebbare Höhe der Gleichspannungs­ versorgung UB oder über die Höhe der Ausgangsspannung des Steuergene­ rators (4) einstellbar ist.
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