DE202011100961U1

DE202011100961U1 - sensor unit

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Publication number: DE202011100961U1
Application number: DE201120100961
Authority: DE
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2021-05-21

Abstract

Sensoreinheit (10) mit wenigstens einem Sensor (110, 120) und einem Modul (400) zum Betreiben eines solchen Sensors (110, 120), dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (400) eine Funksendeempfangseinrichtung (410), eine Steuereinrichtung (200) und eine Energieversorgungseinrichtung (300) umfasst und die Steuereinrichtung (200) ausgebildet ist, dem wenigstens einen Sensor (110, 120) und/oder der Funksendeempfangseinrichtung (410) elektrische Energie aus der Energieversorgungseinrichtung (300) zuzuführen.Sensor unit (10) with at least one sensor (110, 120) and a module (400) for operating such a sensor (110, 120), characterized in that the module (400) has a radio transceiver device (410), a control device (200) and an energy supply device (300) and the control device (200) is designed to supply electrical energy from the energy supply device (300) to the at least one sensor (110, 120) and / or the radio transceiver device (410).

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit aus wenigstens einem Sensor und einem Modul zum Betreiben eines solchen Sensors.The invention relates to a sensor unit comprising at least one sensor and a module for operating such a sensor.

Stand der TechnikState of the art

Sensoren kommen auf den unterschiedlichsten Gebieten der Technik zum Einsatz. Beispielsweise dienen sie zur Erfassung von Personen und Objekten. Dabei werden sehr vorteilhaft Sensoren eingesetzt, welche Personen oder Objekte berührungslos erfassen.Sensors are used in various fields of technology. For example, they are used to capture people and objects. In this case, sensors are used very advantageous, which detect people or objects without contact.

Die DE 198 53 135 A1 offenbart beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zur drahtlosen Druckmessung, bei denen der Druck in einem beweglichen Gegenstand, beispielsweise der Luftdruck in einem Fahrzeugreifen, gemessen wird. Der Drucksensor ist als kapazitiver Drucksensor ausgebildet, der zusammen mit einer Spule einen Schwingkreis bildet. Ein unabhängig vom beweglichen Gegenstand angeordneter Sender ist Zur Ausstrahlung eines Multifrequenzsignals vorgesehen, wobei eine der Frequenzen des Multifrequenzsignals der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht. Mit einer Auswerteelektronik wird der in dem beweglichen Gegenstand herrschende Druck durch eine Messung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt.The DE 198 53 135 A1 discloses, for example, an apparatus and method for wireless pressure measurement in which the pressure in a moving object, such as the air pressure in a vehicle tire, is measured. The pressure sensor is designed as a capacitive pressure sensor which forms a resonant circuit together with a coil. An independent of the moving object arranged transmitter is provided for the emission of a multi-frequency signal, wherein one of the frequencies of the multi-frequency signal corresponds to the resonant frequency of the resonant circuit. With an evaluation of the pressure prevailing in the moving object pressure is determined by measuring the resonant frequency of the resonant circuit.

Kapazitive Sensoren, insbesondere kapazitive Näherungsschalter sind für derartige Zwecke seit Längerem aus dem Stand der Technik bekannt. So reagiert beispielsweise ein kapazitiver Näherungsschalter ohne direkten Kontakt, d. h. berührungsfrei auf Annäherung eines leitenden oder nichtleitenden Gegenstandes, aber auch auf Annäherung von Flüssigkeiten. Dabei wird eine sich ändernde elektrische Kapazität einer Messelektrode zur Umgebung oder eine Referenzelektrode ausgenutzt. Abhängig von der Annäherung wird ein einstellbares elektrisches Ausgangssignal, ein Schaltsignal, ausgegeben.Capacitive sensors, in particular capacitive proximity switches have been known for such purposes for a long time from the prior art. For example, a capacitive proximity switch without direct contact, ie. H. Non-contact on approach of a conductive or non-conductive object, but also on approach of liquids. In this case, a changing electrical capacitance of a measuring electrode to the environment or a reference electrode is utilized. Depending on the approach, an adjustable electrical output signal, a switching signal, is output.

Das Feld der Sondenkapazität kann dabei sowohl von nichtleitenden als auch von leitenden Gegenständen beeinflusst werden. Abhängig davon, ob ein Nichtleiter detektiert wird oder ein Leiter detektiert wird, variiert der Schaltabstand eines solchen Sensors vom Millimeter- bis in den Zentimeterbereich. Mit Hilfe derartiger kapazitiver Sensoren werden außer Metallen und Nichteisen-Metallen auch flüssige, körnige und pulverisierte Werkstoffe, z. B. Kunststoffe, Holz, Stein, Öl, Wasser oder Zement erfasst. Sie dienen unter anderem auch zur Füllstandskontrolle, insbesondere bei nichtleitenden Tanks oder Rohren, bei denen sie außerhalb der Wandung angeordnet werden und durch die Wandung hindurch beispielsweise eine Flüssigkeit erfassen.The field of probe capacity can be influenced by both non-conductive and conductive objects. Depending on whether a non-conductor is detected or a conductor is detected, the switching distance of such a sensor varies from the millimeter to the centimeter range. With the help of such capacitive sensors, in addition to metals and non-ferrous metals, liquid, granular and pulverized materials, eg. As plastics, wood, stone, oil, water or cement recorded. Among other things, they also serve for level control, in particular for non-conductive tanks or pipes, in which they are arranged outside the wall and, for example, detect a liquid through the wall.

Derartige Sensoren sind mit Energieversorgungs- und Signalleitungen mit externen, beispielsweise Steuer- und Auswerteeinrichtungen verbunden.Such sensors are connected to power supply and signal lines with external, such as control and evaluation.

Die DE 199 46 917 A1 beschreibt einen Näherungssensor mit geringer Leistungsaufnahme, der eine Energieversorgungseinheit, eine Schalteinheit und eine Sensoreinheit aufweist, wobei die Sensoreinheit eines oder mehrerer Sensorelemente sowie Mittel zur Ansteuerung dieser Sensorelemente, Mittel zur Messung von relevanten physikalischen Größen der Sensorelemente und Mittel zur Erzeugung von Messdaten aufweist. Um die Leistungsaufnahme zu verringern, verbindet die Schalteinheit verbindet die Sensoreinheit intermittierend mit der Energieversorgungseinheit. Dadurch wird es möglich, bestehende Sensoreinheiten ohne oder nur mit geringen Anpassungen in einer energiesparenden Weise einzusetzen. Die Messdaten werden beispielsweise bei einem Näherungssensor drahtlos übermittelt. Für die Energieversorgung sind jedoch elektrische Leitungen vorgesehen.The DE 199 46 917 A1 describes a proximity sensor with low power consumption, which has a power supply unit, a switching unit and a sensor unit, wherein the sensor unit of one or more sensor elements and means for controlling these sensor elements, means for measuring relevant physical quantities of the sensor elements and means for generating measurement data. To reduce power consumption, the switching unit connects the sensor unit intermittently to the power supply unit. This makes it possible to use existing sensor units with little or no adjustments in an energy-efficient manner. The measured data are transmitted wirelessly, for example, in the case of a proximity sensor. For the power supply, however, electrical lines are provided.

Die Verkabelung der Sensoren ist in vielen Fällen störend.The cabling of the sensors is annoying in many cases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinheit mit einem kapazitiven Sensor und einem Modul zum Betreiben eines solchen Sensors zu vermitteln, welche drahtlos, also „wireless”, eingesetzt werden kann.The invention has for its object to provide a sensor unit with a capacitive sensor and a module for operating such a sensor, which wirelessly, so "wireless", can be used.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit aus einem Sensor und einem Modul zum Betreiben eines solchen Sensors dadurch gelöst, dass das Modul eine Funksendeempfangseinrichtung, eine Steuereinrichtung und eine Energieversorgungseinrichtung umfasst und die Steuereinrichtung ausgebildet ist, dem Sensor und/oder der Funksendeeinrichtung elektrische Energie aus der Energieversorgungseinrichtung zuzuführen.This object is achieved by a sensor unit comprising a sensor and a module for operating such a sensor in that the module comprises a radio transceiver device, a control device and a power supply device and the control device is designed to supply the sensor and / or the radio transmitter with electrical energy from the energy supply device supply.

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit zeichnet sich dadurch aus, dass zum einen Gegenstände, Flüssigkeiten und dergleichen berührungslos mit Hilfe des Sensors erfasst werden können und dass mit Hilfe des Moduls zum Betreiben des kapazitiven Sensors eine drahtlose Funkübertragung der Sensorsignale möglich ist. Der Sensor ist insoweit völlig autark, er kann an beliebigen Stellen und Positionen eingesetzt werden, ohne dass auf eine Verkabelung Rücksicht genommen werden muss.The sensor unit according to the invention is characterized in that on the one hand objects, liquids and the like can be detected without contact by means of the sensor and that with the aid of the module for operating the capacitive sensor, a wireless radio transmission of the sensor signals is possible. The sensor is so far completely self-sufficient, it can be used anywhere and positions without having to be catered for wiring.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Sensoreinheit möglich.The measures listed in the dependent claims are advantageous Further developments and improvements of the claim 1 sensor unit possible.

Besonders vorteilhaft ist es, dass die Steuereinrichtung dem Sensor die elektrische Energie nach einer vorgebbaren zeitlichen Taktung getaktet zuführt. Hierdurch wird der Verbrauch auf ein Minimum reduziert.It is particularly advantageous that the control device feeds the electrical energy to the sensor in a clocked manner after a predeterminable temporal clocking. This reduces consumption to a minimum.

Genauso kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung der Funksendeempfangseinrichtung die elektrische Energie nach einer vorgebbaren zeitlichen Taktung getaktet zuführt. Auch dies dient der Verbrauchsreduzierung auf ein Minimum.In the same way, it can be provided that the control device of the radio transceiver supplies the electrical energy clocked after a predeterminable temporal clocking. This also serves to reduce consumption to a minimum.

Die Energieversorgung ist rein prinzipiell auf die unterschiedlichste Weise möglich. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Energieversorgungseinrichtung eine Batterie und/oder Solarzellen und/oder Thermoelemente und/oder Kondensatoren (Gold Caps) oder andere Energieversorgungseinrichtungen, beispielsweise eine Einrichtung, welche Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, umfasst.The energy supply is possible in principle in a variety of ways. It can be provided, for example, that the energy supply device comprises a battery and / or solar cells and / or thermocouples and / or capacitors (gold caps) or other energy supply devices, for example a device which converts kinetic energy into electrical energy.

Von besonderem Vorteil ist es, dass die Datenübertragung zu einer externen Einrichtung, beispielsweise einer Datenauswerteeinrichtung auf bidirektionalem Wege erfolgt. Auf diese Weise kann eine Ansteuerung der Sensoreinheit von außerhalb auf der Basis einer Übertragung der von der Sensoreinheit an die Auswerteeinrichtung übertragenen Daten vorgenommen werden.It is particularly advantageous that the data transmission to an external device, for example a data evaluation device, takes place bidirectionally. In this way, an activation of the sensor unit can be carried out from outside on the basis of a transmission of the data transmitted by the sensor unit to the evaluation device.

Dabei kann vorteilhafterweise auch vorgesehen sein, dass der Empfang der Sensorsignale durch die externe Auswerteeinrichtung bestätigt wird und ein Bestätigungssignal an die Sensoreinheit zurückgesandt wird.It can also be advantageously provided that the reception of the sensor signals is confirmed by the external evaluation and a confirmation signal is sent back to the sensor unit.

Als Sensoren kommen rein prinzipiell vorteilhafterweise beliebige Sensoren zum Einsatz, beispielsweise optische Sensoren, aber auch induktive Sensoren. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht den Einsatz von kapazitiven Sensoren vor.In principle, advantageously any sensors are used as sensors, for example optical sensors, but also inductive sensors. A particularly advantageous embodiment provides for the use of capacitive sensors.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

In der Figur ist schematisch eine erfindungsgemäße Sensoreinheit dargestellt.In the figure, a sensor unit according to the invention is shown schematically.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Eine als Ganze mit 10 bezeichnete Sensoreinheit umfasst eine Sensoranordnung 100, beispielsweise gebildet durch einen kapazitiven Sensors 110 oder durch einen anderen Sensor 120, beispielsweise einen induktiven Sensor, einen optischen Sensor oder dergleichen, und ein Modul 400 zum Betreiben derartiger Sensoren.One as a whole with 10 designated sensor unit comprises a sensor arrangement 100 For example, formed by a capacitive sensor 110 or through another sensor 120 , For example, an inductive sensor, an optical sensor or the like, and a module 400 for operating such sensors.

In dem Modul 400 sind eine Steuereinrichtung 200, eine Energieversorgungseinrichtung 300 und eine Funksendeempfangseinrichtung 410 vorgesehen. Die Energieversorgungseinrichtung 300 wird beispielsweise gebildet durch eine Batterie 310 und/oder beispielsweise eine Solarzelle oder einen Kondensator 320, beispielsweise ein Gold Cap und/oder ein Thermoelement 330, also ein Peltierelement, oder eine Vorrichtung, welche beispielsweise mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, oder dergleichen.In the module 400 are a control device 200 , a power supply device 300 and a radio transceiver 410 intended. The power supply device 300 is formed for example by a battery 310 and / or for example a solar cell or a capacitor 320 For example, a gold cap and / or a thermocouple 330 , ie a Peltier element, or a device which, for example, converts mechanical energy into electrical energy, or the like.

Die Funksendeempfangseinrichtung 410 ermöglicht eine uni- oder bidirektionale Übertragung von Signalen zu einer externen Einheit 500. In dieser externen Einheit 500 werden die gesendeten Signale ausgewertet und umgekehrt beispielsweise Steuerbefehle für die Sensoreinheit 10 erzeugt und an die Funksendeempfangseinrichtung 410 übermittelt. Ein Vorteil ist dabei auch, dass die Signalübertragung überprüft werden kann, denn bei einer bidirektionalen Datenübertragung kann von der externen Einheit 500 ein Bestätigungssignal an die Funksendeempfangseinheit 410 ausgegeben werden.The radio transceiver device 410 allows uni- or bidirectional transmission of signals to an external unit 500 , In this external unit 500 the transmitted signals are evaluated and vice versa, for example, control commands for the sensor unit 10 generated and to the radio transceiver 410 transmitted. An advantage is also that the signal transmission can be checked, because in a bidirectional data transmission can from the external unit 500 an acknowledgment signal to the radio transceiver unit 410 be issued.

Die Steuereinrichtung 200 dient unter anderem der Energieversorgung der Sensoren 110, 120, die beispielsweise mit Hilfe einer Impulsschaltung 210 mit einer vorgebbaren zeitlichen Taktung getaktet erfolgt. Diese getaktete Energieversorgung hat den großen Vorteil, dass der Energieverbrauch auf ein Minimum reduziert wird. Versuche haben ergeben, dass bei einem kapazitiven Sensor, der mit einer Betriebsspannung von 5 V betrieben wird, ein Energieverbrauch von 25 μW ausreichend ist. Der sensitive Teil, d. h. die Sensoranordnung 100, ist hierzu auf eine energiearme Taktung optimiert. Die Energieversorgungseinrichtung 300 kann auch der Energieversorgung der Funksendeempfangseinrichtung 410 dienen, wobei auch hier eine getaktete Energieversorgung durch die Steuereinrichtung 200 möglich ist, was durch einen Pfeil 220 in der Figur schematisch dargestellt ist.The control device 200 Among other things, it serves the power supply of the sensors 110 . 120 , for example, by means of a pulse circuit 210 clocked with a predeterminable temporal clocking takes place. This pulsed energy supply has the great advantage of reducing energy consumption to a minimum. Experiments have shown that with a capacitive sensor, which is operated with an operating voltage of 5 V, an energy consumption of 25 μW is sufficient. The sensitive part, ie the sensor arrangement 100 , is optimized for this purpose to a low-energy clocking. The power supply device 300 may also be the power supply of the radio transceiver 410 serve, with a clocked power supply by the controller 200 possible is what an arrow 220 is shown schematically in the figure.

Die vorbeschriebene Sensoreinheit 10 zeichnet sich dadurch aus, dass zum einen eine berührungslose Erfassung von beispielsweise Objekten mittels beispielsweise des kapazitiven Sensors 110 möglich ist und dass gleichzeitig eine drahtungebundene Funkübertragung der Sensorsignale mittels der Funksendeempfangseinrichtung 410 und insbesondere mittels eines entsprechenden Transmitters, der eine uni- oder bidirektionale Datenübertragung ermöglicht, möglich ist. Durch diese Koppelung der berührungslosen Erfassung und des drahtlosen, mittels Funksignalen vorgenommenen Datenaustausches und durch die autarke Energieversorgung, beispielsweise auch durch Solarzellen, durch Gold Caps oder durch Peltierelemente, ist die Sensoreinheit autark und an beliebigen Positionen und insbesondere ohne störende Verkabelungen einsetzbar.The above-described sensor unit 10 is characterized by the fact that on the one hand a contactless detection of, for example, objects by means of, for example, the capacitive sensor 110 is possible and that at the same time a wireless radio transmission of the sensor signals by means of the radio transceiver device 410 and in particular by means of a corresponding transmitter, which allows a unidirectional or bidirectional data transmission, is possible. Through this coupling of non-contact detection and wireless data exchange made by means of radio signals and by the self-sufficient energy supply, for example by solar cells, by gold caps or by Peltier elements, the sensor unit self-sufficient and can be used at any position and in particular without disturbing cabling.

Darüber hinaus kann eine solche Sensoreinheit klein bauend ausgeführt werden, sodass die Gehäuseform individuell gestaltbar sind.In addition, such a sensor unit can be made small in size, so that the housing shape can be designed individually.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19853135 A1 [0003]
DE 19946917 A1 [0007]

Claims

Sensor unit ( 10 ) with at least one sensor ( 110 . 120 ) and a module ( 400 ) for operating such a sensor ( 110 . 120 ), characterized in that the module ( 400 ) a radio transceiver device ( 410 ), a control device ( 200 ) and a power supply device ( 300 ) and the control device ( 200 ) is formed, the at least one sensor ( 110 . 120 ) and / or the radio transceiver device ( 410 ) electrical energy from the power supply device ( 300 ).

Sensor unit ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the control device ( 200 ) the at least one sensor ( 110 . 120 ) supplies the electrical energy clocked after a predetermined timing.

Sensor unit ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the control device ( 200 ) of the radio transceiver device ( 410 ) supplies the electrical energy clocked after a predetermined timing.

Sensor unit ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the energy supply device ( 300 ) a battery ( 310 ) and / or solar cells and / or capacitors, in particular gold caps ( 320 ), and / or thermocouples ( 330 ).

Sensor unit ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the data transmission between the radio transceiver device ( 410 ) and an external body ( 500 ) takes place in a unidirectional or bidirectional way.

Sensor unit ( 10 ) according to claim 5, characterized in that by the external device ( 500 ) a confirmation signal about the receipt of the sensor signals to the sensor unit ( 10 ).

Sensor unit ( 10 ) characterized in that the at least one sensor is a capacitive sensor ( 110 ) and / or an optical sensor and / or an inductive sensor ( 120 ).