DE2538531A1

DE2538531A1 - Non-contact proximity sensor using capacitive-inductive oscillator - has beat frequency circuit with regulating loop for compensation against humidity variations

Info

Publication number: DE2538531A1
Application number: DE19752538531
Authority: DE
Inventors: Hans Boeddeker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-08-29
Filing date: 1975-08-29
Publication date: 1977-03-10
Also published as: JPS5229979A

Abstract

A non-contact proximity sensor is based upon an oscillator dependent upon capacitive and inductive effects. A regulating loop is included to correct the oscillator for external disturbances due to changes in ambient conditions e.g. humidity. The sensing oscillator (1) output is mixed with a fixed frequency output from another oscillator (4) in a beat frequency detector stage (5). A band pass filter (7) is set to the required beat frequency range and a rectifier stage (8) generates a switch signal for an output stage (9). A regulating loop with reference frequency source (11), regulator (12) and capacitive diode (13) has a long time constant to provide compensation for any change in capacitance of the sensing oscillator stage due to humidity variations.

Description

BerUhrun£slos arbeitender Näherungsschalter Die Erfindung bezieht sich auf einen berührungslos arbeitenden Näherungsschalter mit kapazitiv verstimmbarer Oszillatorauswertschaltung.Contactless proximity switch The invention relates on a non-contact proximity switch with capacitive detuning Oscillator evaluation circuit.

Bei einem bekannten Schalter der obengenannten Art (DT-AS 1 673 841) ist eine Auswertung von Teilen oder Flüssigkeiten immer dann gegeben, wenn eine wesentlich andere Elektrizitätskonstante als Luft vorhanden ist. Der Nachteil bei derartigen kapazitiven Näherungsschaltern ist in der Feuchteempfindlichkeit zu sehen.With a known switch of the type mentioned above (DT-AS 1 673 841) an evaluation of parts or liquids is given whenever a there is a substantially different constant of electricity than air. The disadvantage with Such capacitive proximity switches can be seen in the sensitivity to moisture.

Induktive Näherungsschalter, d.h. die zur Erfassung von metallischen Teilen Spulen verwenden, lassen sich großflächig und für große Ansprechentfernungen nicht mehr wirtschaftlich bauen, ohne daß sie temperatur- oder anbauempfindlich sind, wenn sie an metallischen Teilen angebracht werden.Inductive proximity switches, i.e. those for detecting metallic Parts using coils can be used over a large area and for long response distances no longer build economically without being sensitive to temperature or cultivation when attached to metallic parts.

Durch die Erfindung soll ein Näherungsschalter geschaffen werden, der großflächig, d.h. auf große Entfernungen hochempfindlich Teile erfassen kann, der beispielsweise der metallischen Fremdkörpererfassung in Baumwollfließen oder in Nahrungsmitteln oder zur Uberwachung von Ausstanzvorgängen benutzt werden kann. Dies wird bei einem Näherungsschalter der obengenannten Art auf einfache Weise dadurch erreicht, daß dem Oszillator kombiniert kapazitiv - induktiv verstimmende Sensorelemente zugeschaltet sind. Der Ausgang des betätigbaren Oszillators wird mit der Festfrequenz eines weiteren unveränderbaren Oszillators auf eine Mischstufe zur Bildung einer Schwebung aufgeschaltet.The invention aims to create a proximity switch, which can detect parts over a large area, i.e. at great distances, with high sensitivity, for example, the detection of metallic foreign bodies in cotton fabrics or can be used in foodstuffs or for monitoring punching processes. In the case of a proximity switch of the type mentioned above, this is thereby achieved in a simple manner achieves that the oscillator combines capacitive - inductively detuning sensor elements are switched on. The output of the actuatable oscillator is at the fixed frequency another unchangeable oscillator to a mixer stage to form a Beat switched on.

Die entstehende niederfrequente Schwebung ist in ihrer Frequenz hochempfindlich auf Anderungen des betätigbaren Oszillators.The resulting low-frequency beat is highly sensitive in terms of its frequency to changes in the actuatable oscillator.

Die Schwebungsfrequenz kann über ein Hochpaß~,TiefpaB- oder ein Bandfilter ausgewertet werden. Weiterhin ermöglicht diese Schaltung eine Regelschleife mit größerer Zeitkonstante vom Ausgang zum kapazitiv und induktiv verstimmbaren Oszillator vorzusehen, so daß stationäre, äußere Störeinflüsse auskorrigiert werden können. Die Betätigung wird dann nur dynamisch ausgewertet. Vorteilhafte Ausführungsformen der Sensorelemente sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen. Die Kondensatorflächen sind z.B. als Kohleschichten ausgebildet, um eine Vorbedämpfung der Induktivität zu vermeiden.The beat frequency can be set using a high-pass, low-pass or band filter be evaluated. This circuit also enables a control loop greater time constant from the output to the capacitively and inductively detunable oscillator provided so that stationary, external disturbances can be corrected. The actuation is then only evaluated dynamically. Advantageous embodiments of the sensor elements can be found in the further subclaims. The capacitor surfaces are e.g. designed as carbon layers to pre-dampen the inductance to avoid.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beschrieben und die Wirkungsweise der Schaltung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild fUr die Auswertschaltung, Fig. 2 und 3 Draufsicht und Seitenansicht zum Teil im Schnitt auf eine möiche Ausführung des Kombinationssensors und die Fig. 4 und 5 Draufsicht und Seitenansicht,zum Teil im Schnitt, einer weiteren Sensorvariante.Exemplary embodiments according to the invention are illustrated with the aid of the drawings described and the mode of operation of the circuit explained in more detail. It shows Fig. 1 a block diagram for the evaluation circuit, FIGS. 2 and 3 plan view and side view partly in section of a possible version of the combination sensor and Fig. 4 and 5 plan view and side view, partly in section, of a further sensor variant.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.The same parts are provided with the same reference symbols in all figures.

Mit 1 ist in der Schaltung nach Fig. 1 der hochfrequent schwingende Oszillator, der kapazitiv und induktiv verstimmbare Sensorelemente beinhaltet, bezeichnet. Sein Ausgang 2 wird mit dem Ausgang 3 eines weiteren auf einer Festfrequenz ähnlicher Höhe wie der des Oszillators 1 schwingenden Oszillators 4 auf eine Mischstufe 5 geführt. Der Oszillator 4 wird vorteilhaft quarzstabilisiert. In der Mischstufe 5 entsteht eine Schwebung, im Blocksymbol mit 6 bezeichnet, die z.B. auf ein aktives spulenloses Bandfilter 7 geleitet wird. Nach Gleichrichtung in der Stufe 8 wird im Komperator 9 der Schaltvorgang ausgelöst, so daß am Ausgang 10 ein auswertbares Signal erscheint.With 1 is in the circuit of FIG. 1, the high-frequency oscillating Oscillator, which contains capacitively and inductively detunable sensor elements, called. Its output 2 becomes more similar to output 3 of another on a fixed frequency Height like that of oscillator 1 oscillating oscillator 4 on a mixer stage 5 guided. The oscillator 4 is advantageously quartz stabilized. In the mixer stage 5 there is a beat, denoted by 6 in the block symbol, which e.g. points to an active coilless band filter 7 is passed. After rectification in stage 8, in the comparator 9 triggered the switching process, so that at the output 10 an evaluable Signal appears.

Mit Betätigung des Oszillators 1 sinkt seine Frequenz und die Schwebungsfrequenz ändert sich. Das Bandfilter kommt damit außer Resonanz und liefert keine Ausgangsspannung mehr. Der Komperator 9 schaltet um. Um länger andauernde Störeinflüsse, z.B. Änderung der Oszillatorfrequenz des Oszillators 1 durch Feuchteeinwirkung unwirksam zu machen, ist eine Regelschleife, die aus dem Sollwertgeber 11, dem eigentlichen Regler 12 und der Kapazitätsdiode 13 besteht, vorgesehen. Die Regelschleife wird zwischen der Gleichrichterstufe 8 und dem Komperator 9 abgegriffen und dem Oszillator 1 zugeführt. Der Sollwert 11 entspricht stationär der maximalen Ausgangsspannung an der Stufe 8. Bei einem Störeinfluß, z.B. Feuchte am Geber des Oszillators 1, sinkt die Kapazität am Oszillator 1 und ändert über die langsam arbeitende Regelschleife die Frequenz des Oszillators 1 so lange, bis die Schwebungsfrequenz wieder der Resonanzfrequenz des Bandfilters 4 entspricht. Der optimale Arbeitspunkt am Bandfilter 4 bleibt somit trotz veränderter Umweltverhältnisse erhalten. In gleicher Art wird natürlich auch eine stationäre Betätigung ausgeregelt, weshalb der Komperator 9 nur ein kurzzeitiges Ausgangssignal bei dynamischer Betätigung liefert.When the oscillator 1 is actuated, its frequency and the beat frequency decrease changes. The band filter is thus out of resonance and does not supply any output voltage more. The comparator 9 switches over. To avoid long-term disturbances, e.g. change to make the oscillator frequency of the oscillator 1 ineffective by the action of moisture, is a control loop that consists of the setpoint generator 11, the actual controller 12 and the varactor diode 13 is provided. The control loop is between the rectifier stage 8 and the comparator 9 are tapped and fed to the oscillator 1. The nominal value 11 corresponds stationary to the maximum output voltage at the stage 8. In the event of a disturbance, e.g. humidity at the transmitter of oscillator 1, the capacity drops on oscillator 1 and changes the frequency via the slowly operating control loop of the oscillator 1 until the beat frequency returns to the resonance frequency of the band filter 4 corresponds. The optimal working point on the band filter 4 thus remains preserved despite changed environmental conditions. In the same way, of course, is also stationary actuation is regulated, which is why the comparator 9 is only brief Supplies output signal with dynamic actuation.

Ein möglicher Aufbau der Sensorelemente am Oszillator 1 ist aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen. Die Spule 14 ist im Innern einer von Eisenteilen 15 begrenzten Öffnung 16 angeordnet und wird durch die entfernten Eisenteile nur geringfügig bedämpft. Parallel dazu liegen die Elektroden 17 und 18, die Öffnung 16 abschließend, wobei die Elektrode 17 eine Ringelektrode ist und mit der Elektrode 18, die im Abstand zur Ringelektrode 17 verläuft, einen Kondensator bildet. Mit 19 ist ein im Ansprechraum 20 dargestelltes Eisenteilchen bezeichnet, das eine Verstimmung des Oszillators 1 bewirken soll. Uber die gesamte Betätigungsfläche ergibt sich gleiche Empfindlichkeit.A possible structure of the sensor elements on the oscillator 1 is from the FIGS. 2 and 3 can be seen. The coil 14 is delimited by iron parts 15 inside Arranged opening 16 and is only slightly damped by the removed iron parts. The electrodes 17 and 18 are parallel to this, closing off the opening 16, wherein the electrode 17 is a ring electrode and with the electrode 18, which is in the distance runs to the ring electrode 17, forms a capacitor. At 19 there is one in the contact room 20 denotes iron particles that detune the oscillator 1 should cause. The same sensitivity results over the entire actuation area.

Die Elektroden 17 und 18 sind im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 bei rechteckiger Ausbildung der auf den Spulenkörper 21 aufgewickelten Spule 14 von den an den Innenmantel 23 des Spulenkörpers 21 angebrachten ebenflächigen Elektroden gebildet, die entweder von aufgedampften Kohleschichten gebildet sein. können, oder beim Spritzen des Spulenkörpers mit eingespritzt sein können. Im Gegensatz zum Sensor Fig. 2 und 3 ist das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 für einen direkten Eisenanbau weniger geeignet.The electrodes 17 and 18 are in the embodiment according to FIGS. 4 and 5 with a rectangular design of the coil wound onto the coil former 21 14 of the to the inner jacket 23 of the bobbin 21 attached planar electrodes formed either by vapor-deposited layers of carbon be educated. can, or be injected when the bobbin is injected can. In contrast to the sensor Fig. 2 and 3, the embodiment is according to the Figs. 4 and 5 are less suitable for direct iron cultivation.

Beide Sensoren zeigen eine hohe Empfindlichkeit, weil das kapazitive und induktive Feld des Sensors mit ungeordneten, metallischen Betätigungsstücken 19 gleichzeitig und im gleichen Sinn beeinflußt werden.Both sensors show a high sensitivity because the capacitive and inductive field of the sensor with disordered, metallic actuation pieces 19 can be influenced at the same time and in the same sense.

9 Patentansprüche 5 Figuren9 claims 5 figures

Claims

Patent claims Famous; mgslos working proximity switch with capacitive detunable oscillator evaluation circuit, characterized in that the oscillator (1) combined capacitive-inductively detuning sensor elements (14, 17, 18) switched on are.

2. Proximity switch according to claim 1, characterized in that the oscillator output (2) together with the fixed frequency of another unchangeable one Oscillator (4) to a mixer (5) to form a low-frequency beat is activated.

3. Proximity switch according to claim 2, characterized in that the low-frequency beat is evaluated using a high-pass, low-pass or band filter (7) will.

4. Proximity switch according to claim 3, characterized in that the output voltage from the high-pass, low-pass or band filter (7) in one stage (8) is evaluated rectified and smoothed via a comparator (9).

5. Proximity switch according to claim 2, characterized in that a control loop (11, 12, 13) with a large time constant from the output of the rectifier stage (8) is provided for the capacitive-inductively detunable oscillator (1).

6. Proximity switch according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the combination sensor element consists of a coil (14) and to it there is a parallel ring electrode (17) with an inner surface (18). (Fig. 2, 9)

7. Proximity switch according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the Kombinati ons sensor element from a coil (14) and on the inner jacket itself opposite capacitor electrodes (17, 18). (Fig. 4, 5)

8th. Proximity switch according to Claim 5, characterized in that the electrodes (17, 18) are cast into the bobbin.

9. Proximity switch according to claim 5, characterized in that the electrodes (17, 18) consist of vapor-deposited carbon layers.