DE3335778A1

DE3335778A1 - Capacitive proximity signalling device which can be calibrated

Info

Publication number: DE3335778A1
Application number: DE19833335778
Authority: DE
Inventors: Stefan 8026 Irschenhausen Reich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-10-01
Filing date: 1983-10-01
Publication date: 1985-04-11

Abstract

A capacitive proximity signalling device, in which a fed-back amplifier circuit oscillates depending on the proximity of an object to a capacitive electrode. The connection of a special non-linear transmission element into the feedback path results in the oscillation not starting or terminating suddenly but its amplitude being proportional to the distance, or inversely proportional thereto (depending on the design). In consequence, precise distance measurement is made possible. Three different circuit principles are described as examples, the non-linear element in each case being of different construction. The oscillation amplitude may increase or reduce on proximity. The essential feature is the possibility to compensate completely for the non-linear characteristic of the capacitance change at various distances and to make it possible to calibrate the distance setting.

Description

3ezeichnung: Eichbarer kapazitiver NäherungsmelderDesignation: Calibratable capacitive proximity sensor

Die Erfindung betrifft einen kapezitiv arbeitenden Annäherungs-Sensor, wie er in der Industrie verwendet wird, z.B. zur Niveau- Regelung. Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist die elektrisch verstellbare variable Schaltschwelle.The invention relates to a capacitive proximity sensor, as it is used in industry, e.g. for level control. Essential to of the present invention is the electrically adjustable variable switching threshold.

Außerdem wird ein analoges Ausgengssignal srmbylicht, das zum leßabstand proportionel ist und so eine Fernmessung ermöglicht, oder auch bei einem Sensor verschiedene Schalt-Schwellen gleichzeitig einstellen läßt.In addition, an analog output signal is srmbylicht, which is used for the distance is proportional and thus enables remote measurement, or even with a sensor different switching thresholds can be set at the same time.

Stand der Technik: Näherungsschalter enthalten üblicherweise eine kapazitive Elektrodenanordnung, z.8. ainen Plattankondensator, dessen eine Platte nach außen gerichtet ist, und einen Oszillator bzw. einen Verstärker, der über die Elektrodenanordnung rückgskoppelt ist. Je nach Annäherung eines Gegenstandes an die Elektroden oszilliert diese Schaltung, oder die Schwingung reißt ab. Der Anschwingpunkt (Schaltpunkt) lä2t sich mit einem Primer verändern.State of the art: Proximity switches usually contain a capacitive electrode arrangement, e.g. 8. a plate capacitor, one plate of which is directed outwards, and an oscillator or an amplifier, which via the Electrode arrangement is fed back. Depending on the approach of an object the electrodes oscillate this circuit, or the oscillation stops. The point of oscillation (Switching point) can be changed with a primer.

Zum ferngesteuerten Verändern des Schaltpunktes wäre eine Kapazitätsdiode oder ähnliches nötig, um über eine Steuerspannung die Meßkapazität bzw. die Trimmung zu beeinflussen.A capacitance diode would be used to remotely change the switching point or the like is necessary to control the measuring capacity or the trimming via a control voltage to influence.

Nachteilhaft ist hierbei die unlineare Einstellung nch der Kehrwertfunktion; d.h. mit wachsendem Abstand wird die Kapazitätsänderung immer kleiner und daher die Einstellung immer kritischer, umgekehrt bei kleinen Abständen die Einstellwirkung immer geringer, also nicht exekt eichbar.The disadvantage here is the non-linear setting according to the reciprocal value function; i.e. with increasing distance, the change in capacitance becomes smaller and smaller and therefore the setting is becoming more and more critical, and conversely, the setting effect at small distances always lower, i.e. not exactly calibratable.

Die Erfindung ermöglicht neben der steuerbaren Schalt-Schwelle außerdem eine lineare und eichbare Verstellung, oder auch ein analoges Ausgangssignal proportional zum gemessenen Abstand. Anwendungsbeispiele; Numerisch gesteuerte Dicke- Distanz- oder Niveaukontrolle oder-Regelung, Fernmessungen etc.In addition to the controllable switching threshold, the invention also enables a linear and calibratable adjustment, or an analog output signal proportional to the measured distance. Application examples; Numerically controlled thickness, distance or level control or regulation, remote measurements etc.

Funktionsweiss der Erfindung: In der Elektronik des Sensors ist ein nichtlineares Übertragungsglied vorhanden, das direkt an den oszillieranden Verstärker gekoppelt ist und in den Rückkopplungskreis oder parallel dezu wirkt. Die resultierende Verzerrung der Schwingung bezweckt, daß die oszillatorschwingung nicht sprunghaft einsetzt oder abreißt, sondern über einen groAen- Abstands- Meßbereich hinweg nur ihre Amplituda verändert, und daher nach Gleichrichtung ein analoges Meßsignal liefert. Der Sensor kann such aufgebaut sein gemäß Patentanmeldung Akz. P 3242621.6 Erstes Ausführungsbeispiel, siehe Figur 1 (Blockschaltskizze) Der Verstärker 1 liegt mit seinem Ausgang 2 und seinem invertierenden Eingang 4 an der Elektrodenanordnung 5, die als kapazitiver Spannungsteiler wirkt. Über den Brückenwiderstand 6 ist der Verstärker zum Eingang 3 mitgekoppelt, und die gesemte Schaltung wirkt als Oszillator. Der nichtlineare Teil besteht aus Transistor 10, dessen Emitter über den Winderstand 11 am Verstärkerausgang liegt. Überschreitet @ort die. Amplitude einen von der Basisspannung Ub festgelegten Wert, beginnt der Transistor während der Spannungsmexima zu leiten und begrenzt so die Amplitude wegen des Spanningsabfalls am Widerstand 11. Bei Annäherung eines Meßobjekts erhöht sich die kapazitive Spannungsteilung und vermindert die Gegan-Kopplung. Währand die Amplitude dabei nur gering dnsteigen kann, erhöht sich der Strom im Transistor 10, und zwar proportional zur Annäherung, d.h: umgekehrt proportional zur Distanz. Geglättet mit Kondendator 12 schaltet die am Potentiometer 13 anafallande Spannung den Schwellschalter 14.Functional white of the invention: In the electronics of the sensor is a non-linear transfer element available, which is directly connected to the oscillating amplifier is coupled and dezu acts in the feedback circuit or in parallel. The resulting The purpose of distortion of the oscillation is that the oscillator oscillation does not jump begins or tears off, but only over a large distance measuring range changes its amplitude, and therefore delivers an analog measurement signal after rectification. The sensor can be constructed according to patent application Akz. P 3242621.6 First Exemplary embodiment, see Figure 1 (block diagram) The amplifier 1 is included its output 2 and its inverting input 4 on the electrode arrangement 5, which acts as a capacitive voltage divider. About the bridge resistor 6 is the The amplifier is coupled to input 3, and the entire circuit acts as an oscillator. The non-linear part consists of transistor 10, the emitter of which is above the wind position 11 is at the amplifier output. Exceeds @ort the. Amplitude one from the base voltage Ub specified value, the transistor begins to conduct during the voltage maxima and so limits the amplitude because of the voltage drop at resistor 11. When approaching of a device under test, the capacitive voltage division increases and reduces the Gegan coupling. While the amplitude can only increase slightly, it increases the current in transistor 10, proportional to the approximation, i.e. vice versa proportional to the distance. Smoothed with capacitor 12, the switches on the potentiometer 13 anafallande voltage the threshold switch 14.

Der dazu erforderlicha Schwell- Strom ist umgekehrt proportional zum eingestellten Widerstand 13, so daß am Poti (13) eine zum Abstand lineare Einstellfunktion resultiert.The threshold current required for this is inversely proportional to the set resistor 13, so that at the potentiometer (13) a setting function linear to the distance results.

Zweites Ausfhrungsbeispiel, siehe Figur 2: Ein Diodenpaar,21 und 22, liegt einerseits am Ausgang 2 des verstärkers 1, andereseites an einem nichtinvertierendem Mischeigang 7. Der über Winderstand 23 beaufschlagte gemeinsao Strom fließt, wenn die Schaltung oszilliert, abwechselnd durch Diode 21 und Diode 22. Hierdurch speist sich im flisch-Eingang 7 ein Rechtecksignal ein, dessen Amplitude nicht von der Ausgangs- Amplitude (2) abhängt, und eine Mitkopplung bewirkt. Je näher ein Meßobjekt sich annähert, desto mahr steigt die Differenzspannung zwischen Abgleichpoti 5 und Kapazitivem Spannungsteiler 5, also die Brückendifferenz zwischen den Eingängen 3 und 4. Dies wirkt gegenphasig zu dem Referenzsignal, das von don Dioden 21, 22 eingespeist wird, und läßt die Oszillator- Amplitude absinken, at@@entsprechend proportional alle Brückenspannungen, und zwar sowait, bis am Eingang 3, 4 die ursprüngliche konsiante Spannungs-Differenz wieder eingestellt ist, die von Widerstand 23 vorgegeben ist.Second embodiment, see Figure 2: A pair of diodes, 21 and 22, is on the one hand at output 2 of amplifier 1, on the other hand at a non-inverting one Mischeigang 7. The common current applied via wind stand 23 flows when the circuit oscillates, alternately through diode 21 and diode 22. This feeds a square wave signal is in the flisch input 7, the amplitude of which does not differ from the Output amplitude (2) depends, and causes positive feedback. The closer an object to be measured approaches, the more the differential voltage between adjustment potentiometer 5 and Capacitive voltage divider 5, i.e. the bridge difference between the inputs 3 and 4. This acts in phase opposition to the reference signal that is transmitted by the diodes 21, 22 is fed in, and causes the oscillator amplitude to drop, at @@ accordingly proportional to all bridge voltages, up to the original at input 3, 4 constant voltage difference is set again, which is specified by resistor 23 is.

Dss resultierende Absinken der Oszillatoramplitude regelt die Kehrwertcharakteristik der Elektrodenkapazität genau aus, d.h, das am Gleichrichter 24 gewonnene Signal ist genau roportional zum Meßabstand.The resulting decrease in the oscillator amplitude regulates the reciprocal value characteristic the electrode capacitance, i.e. the signal obtained at the rectifier 24 is exactly proportional to the measuring distance.

Drittes Ausführungsbeispiel, siehe Figur 3 Die Transistoren 31 und 32 bilden mit widerstand 33 einen Differenzverstärker, der am Oszillatorausgang angekoppelt ist.Third embodiment, see Figure 3 The transistors 31 and 32 with resistor 33 form a differential amplifier at the oscillator output is coupled.

Der Kollektor von Transistor 32 speist das resultierenda verzerrte Signal an den Eingang 3; die Funktion entspricht dem zweiten Ausführungsbeispiel.The collector of transistor 32 feeds the resulting distorted Signal to input 3; the function corresponds to the second embodiment.

Gemäß der Erfindung sind als nichtlineare Glieder auch beliebige anders oder anders wirkende nichtlineare Schaltungen denkbar, die auf dasSchwingverhalten des Oszillators einwirken.According to the invention, any other nonlinear terms are also possible or other non-linear circuits that act on the oscillating behavior are conceivable of the oscillator act.

Anders als bei den gezeigten Ausführungsbeispielen läßt sich in entsprechender Weise die Erfindung auch in Kombination mit anderen bekannten Sensorschaltungen realisieren, z.B.In contrast to the exemplary embodiments shown, a corresponding Way the invention in combination with other known sensor circuits realize, e.g.

aufgebaut mit einem separaten Oszillator mit steuerbarer Amplitude, und mit einem getakteten Gleichrichter (Phasendemodulator).built with a separate oscillator with controllable amplitude, and with a clocked rectifier (phase demodulator).

-L e e r s e i t e--L e e r s e i t e-

Claims

Calibratable capacitive proximity detector Claims 1. Capacitive proximity detector with an electrode arrangement which is both coupled to the input of an amplifier as well as at the output of an amplifier or oscillator by a non-linear electrical transmission link, the in or next to a Feedback branch is connected and thus an effect on the oscillator amplitude Has.

2) proximity detector according to claim 1, characterized in that as non-linear element a limiter circuit is used.

3) Nänerungsmelder according to claim 2, characterized in that as non-linear element a transistor in Besis circuit is used, the emitter of which is connected to the output of the feedback amplifier to act as a voltage limiter to act, and whose collector current is used as a measured value for the approximation.

4) proximity sensor according to claim 1, characterized in that the non-linear member consists of two diodes, one diode on one side (cathode or anode) Output of the oscillator is, the other diode is at the pole of the same name Vurstromeringang, and the opposite pole of the Ciocen are connected to one another and fed via a resistor in the conduction direction.

5) proximity sensor according to claim 1, characterized in that the non-linear element consists of a differential amplifier with two emitter-coupled Transistors whose input is connected to the oscillator signal and whose output is connected to the amplifier input is coupled.