WO2014206848A2 - System zur berührungslosen detektion und/oder abstandsermittlung mindestens eines objektes relativ zu einem zu überwachenden körper sowie verfahren dazu - Google Patents

System zur berührungslosen detektion und/oder abstandsermittlung mindestens eines objektes relativ zu einem zu überwachenden körper sowie verfahren dazu Download PDF

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    • H03K2217/9401—Calibration techniques
    • H03K2217/94031—Calibration involving digital processing

Definitions

  • Systems for non-contact detection and / or distance determination of at least one object relative to a body to be monitored are used as safety devices in machines and systems to prevent objects, such as parts of another machine, mounting parts but also people and animals in the workspace of To be secured body, for example, a machine or system advised and thus pose a security risk.
  • Objects can consist of organic or inorganic materials and include humans and animals.
  • Such sensors are e.g. known from DE10250395A1. These proximity sensors in combination with optical or other sensors must be arranged in a variety around the body.
  • detections e.g. known from DE2005015210U1. These sensors work with transmitters and receivers. Thus, at least 2 elements per sensor must be used. However, since only the area between transmitter and receiver can be detected, several sensors are also needed to detect the entire area around a body.
  • DE 10 2006 01 1 654 A1 discloses a seat arrangement, wherein a detection structure is provided at least in the area of a horizontal cushion section for detecting a measurement signal indicative of the deformation line of a vertical cushion section. In the region of the horizontal cushion portion, a counter electrode system is formed, wherein the distance between the two electrodes changes in a person sitting on the pad. It is therefore a self-contained capacitive measuring system with two electrodes, which reacts to deformations introduced from outside.
  • a sensor device for detecting the contact or approach of an object is known.
  • An electrode connected to an LC resonant circuit can detect the approach of an object, in particular a living being. It is in the circuit shown in this document is a fixed and defined unit, the electrode is an integral part of the circuit. The circuit is based on a uniform excitation frequency which is emitted by a frequency generator central oscillator.
  • DE 695 15 459 T2 relates to a capacitive sensor.
  • This sensor has an electrode, which is designed, inter alia, by a screen means such that optimized and particularly reproducible measurements can be carried out.
  • a fixed, monolithic circuit whose individual components are precisely matched to each other for a very specific application.
  • the known sensors described above are all characterized in that they are fixed predetermined and designed / configured units, which must be used for the purpose of monitoring a body, such as an industrial robot, in addition to the body to monitor the working space ,
  • Object of the present invention is therefore to provide a system for non-contact detection and / or distance determination of at least one object relative to a body to be monitored, with little effort, few sensors and high security, preferably at any time all areas around the body can be measured or monitored around.
  • a system for detecting and / or distance determination of at least one object relative to a body to be monitored comprising a device having an electrical resonant circuit for generating electrical vibrations, and a plurality of differently designed to be monitored body, wherein at the device and the body to be monitored together form a capacitive proximity sensor, wherein the body to be monitored one, in particular the only, active electrode of the Proximity sensor forms.
  • the invention does not suggest a sensor to be provided in addition to a body to be monitored, but rather to use the body to be monitored itself as a measuring electrode of a proximity sensor.
  • the body to be monitored in addition to its actual function in addition to misused purpose to form the particular active electrode of a capacitive proximity sensor.
  • a body to be monitored in the context of the invention is therefore characterized in that it fulfills a secondary function as an electrode on the one hand and a main function deviating therefrom.
  • the body to be monitored can be, for example, a robot or parts thereof, a tool or workpiece of a machine tool, an exhibit in an exhibition and / or any object with suitable conductivity or charge capability.
  • One aspect of the invention relates to the device, which may also be referred to as a test device.
  • a test device This is designed such that according to the modular principle, in particular with regard to spatial form and / or material differently shaped to be monitored body can be connected to it.
  • the connection is an electrical, in particular electrodynamic coupling.
  • an electrical charge generated by the test apparatus in particular the electrical oscillating circuit, in particular an alternating electric field, is transmitted to the body to be monitored.
  • very different bodies to be monitored can be connected to one and the same test apparatus and subsequently used as the electrode of a proximity sensor.
  • a feature of the device according to the invention is therefore that no specially adapted to the other components of the device electrode is required. Rather, the device adapts to the body to be monitored used as the electrode.
  • the device may be designed such that, in a coupling with a body to be monitored, in particular automatically, a Kaebration is performed.
  • a zero position is determined as a function of the respective coupled electrode, from which changes in the oscillatory circuit characteristics can be detected starting from a change in the electric field as a result of an object approaching the body to be monitored.
  • These changes may relate to frequency, amplitude and / or phase.
  • a digital evaluation preferably takes place.
  • the bodies to be monitored have no special requirements.
  • the bodies to be monitored can have any chemical, physical and / or geometric structure.
  • the body to be monitored must have the characteristic of electrical vibration and / or to transfer magnetic charges.
  • the device with the electrical resonant circuit on the one hand and the body to be monitored used as an electrode are structurally separated from one another. These are independent parts. Both are each as a single part independently manageable.
  • the device itself according to the invention does not need to have its own electrode. It can therefore be formed without electrodes.
  • the bodies to be monitored can be replaceably coupled to the device. They can even be changed and / or replaced during runtime of the system. This applies, for example, to the application in that a robot arm used as the body to be monitored grips an object with its end effector and thus the robot arm together with the object form a new body which is integral for the purposes according to the invention. It can be provided, for example, that an automated calibration of the device when gripping the object is performed.
  • a corresponding signal of the robot controller which is now an object gripped, read and used as a trigger for the calibration.
  • a combination of several bodies to be monitored can also be coupled electrodynamically as a (combined) electrode with the device.
  • a device of a system preferably has, in addition to the electrical resonant circuit, a controller for evaluating the oscillation frequency of the electrical oscillations and a connection connected to the electrical resonant circuit.
  • This connection is designed such that an arbitrarily designed body to be monitored can be electrically coupled to the electrical resonant circuit.
  • the electrical resonant circuit and the body to be monitored can then together form a capacitive proximity sensor, wherein the body to be monitored forms the electrode of the proximity sensor.
  • the control in turn is designed such that after an electrodynamic coupling of the resonant circuit with the to be monitored body a calibration is performed.
  • a fixed frequency oscillator or modulated frequency generator can be provided.
  • variables of variable size influence the resonant circuit behavior, such as, for example, alternating electric fields, magnetic fields, temperature, atmospheric humidity, etc.
  • the oscillating circuit characteristic of the device changes as a result.
  • the device in particular a controller of the device can therefore be designed such that their parameters and thus the test characteristic can be changed and adjusted at runtime at any time.
  • the already described calibration is used. This can, for. B. triggered by a higher-level machine control, manual operation and / or the like.
  • the zero point position of the resonant circuit can be determined at any time.
  • the zero point position represents the state of the device or of the system in which all currently relevant environmental and test conditions are taken into account and there is no undesired object in the observation area of the device or of the body to be monitored.
  • the device has two electrical circuits of the same frequency for generating electrical vibrations, wherein only one of the resonant circuits with the electrode forming body to be monitored can be coupled.
  • the device has a plurality of electrical resonant circuits with different frequencies, which in each case individually or combined with the body forming the electrode to be monitored can be coupled.
  • the electrical oscillating circuit (s) of the device can be formed from components that can be changed during operation, in particular resistors, capacitors and / or coils.
  • the measuring characteristic of the system can be optimized. For example, it is possible to switch over between a first and a second oscillatory circuit characteristic.
  • the frequency of a component used for exciting the resonant circuit such as an oscillator, can be changed during runtime. It is also possible to use electronic coils, so-called gyrators, in particular when relatively low frequencies are to be generated.
  • machine components in particular machine housing components, for example a robot
  • machine components can be used.
  • it can also be used, for example, rotating or forming tools, workpieces in machine tools, door leaves, door handles, frame parts, Rolltorunter charges, etc.
  • the system according to the invention can be used as theft, contact and / or vandalism protection.
  • the concrete application of the system comprises not only collision protection, for example in a human-machine interaction, intervention protection in (machine) machines, the operation control and / or gesture control of devices, the access protection and / or the access control of door systems or the like, and the Switch control and regulation of, for example, lighting devices.
  • the device has an electrical resonant circuit for generating electrical vibrations.
  • This resonant circuit is based on an electrical resonant circuit, which consists of at least one coil and at least one capacitor.
  • the resonant circuit consists of at least one resistor and at least one capacitor, wherein both resonant circuit types can additionally be supplemented by resistors.
  • an electrical power supply is provided, as well as a controller for evaluating the oscillation frequency.
  • the control for setting the resonant circuit, as well serve for calibration.
  • the resonant circuit itself is designed such that the device, in particular test device, lacks an electrode or a capacitor (a capacitor).
  • an electrically suitable object is connected to the device as an active electrode.
  • This active electrode is structurally separate from the device. The fact that the active electrode is supplied with electrical energy, it is electrically charged so that lines emanating from it.
  • a second, passive capacitor electrode is required. Passive because the object is not connected to the electrical power supply and therefore acts passively.
  • an object to be detected which functions as a passive electrode of the capacitor of the resonant circuit, now enters the field line region of a body connected to the device (i.e., the active capacitor electrode), an alternating electric field is produced which produces a measurable change in the total capacitance of the device.
  • the two electrodes, ie active capacitor electrode and passive capacitor electrode form here the capacitor plates, and the air in between forms the dielectric.
  • the device is not set to air as a dielectric.
  • Other dielectrics are conceivable, such as fluids and / or the combination of multiple dielectrics. To ensure the functioning of the capacitor, it is only necessary that the material used as a dielectric forms a sufficient insulating effect between the capacitor electrodes.
  • the oscillation behavior of the resonant circuit also changes accordingly.
  • the control provided in the device now detects the change in the oscillation behavior or the oscillation cycle characteristic and evaluates these changes accordingly for further processing.
  • the active capacitor electrode is not part of the device. Rather, any electrically suitable material can be connected, for example, metal parts of the body to be monitored, but also plastics, composites, among others.
  • this device it is possible to detect objects in a region around the body, to determine distances and, depending on the configuration of the control, to detect movements within the measuring range around the body. This not only makes it possible with this device to determine distances, but also to detect movements.
  • the resulting potential applications include safety equipment for machinery and equipment. It is often the case in the prior art that, for example, in punching or forming machines two-hand safety circuits are used so that no body parts of the operator get into the machine or system. This can be replaced by the device according to the invention.
  • the device can be used as intervention protection on machines or systems.
  • the device then replaces, as already described, light barriers and other optical or tactile sensors, but also passive protective devices such as fences, enclosures, or covers to secure areas of a machine or plant.
  • the device can also be used for gesture controls to determine fixed gestures in the field line region of the active capacitor electrode and thus controls equipment, machinery, or other Trigger devices.
  • the device can be used as access protection and anti-burglar protection to easily protect the area around the body, in this case vehicles, furniture and other items.
  • the present invention can also be used to detect the area around the vehicle and possibly perform emergency braking or to control evasive maneuvers.
  • the present invention can still be used to control automatic door systems and thus to replace the light barriers, motion detectors and optionally tactile sensors conventional door control devices.
  • non-contact switching and control functions such as light dimming, light switching but also non-contact gestural detections on projection screens, screens, (show) windows u. V. M. ,
  • the body to be inserted need not be firmly and permanently connected to the device.
  • the body In the presence of electrical conductivity, or electrostatic charging the body can be made by touch or a particular light positive connection for temporary component of the device. This is particularly advantageous where z.
  • B. Machine parts grasp or pick up other parts, and so that gripped or touched material becomes part of the active electrode. The observation range of the device thus increases analogously to the volume of the active electrode.
  • the frequency of the resonant circuit itself is predetermined by the components used in the device. However, it is also possible to specify the basic frequency of the resonant circuit by the control provided in the device and the use of electronically adjustable components. By this possibility, the controller can act on the resonant circuit and the resulting oscillation frequency. On the one hand, this is necessary when certain objects are to be detected. Different types of objects are differently suited to influence electrodynamic fields and thus to change the vibration behavior of the resonant circuit. To the device on In a particular embodiment of the device, the controller can act on the frequency of the resonant circuit in order to allow the highest possible sensitivity when an object enters the effective range of the device, in particular the observation area of the body to be monitored.
  • a particular repeated calibration by the controller may be necessary to z.
  • environmental changes such as humidity changes, temperature changes, electromagnetic ambient conditions, etc.
  • the frequency of the resonant circuit would also change with such an environmental change, and could be erroneously interpreted as an action of an object. Therefore, in a particular embodiment of the device, a measurement of the environmental values is provided, such as temperature, humidity, etc.
  • a target range is determined by the controller, which is used as a basis for the subsequent detections.
  • additional sensors are provided in the device to measure the above ambient values. These additional sensors are then electrically connected to the controller so that they can evaluate the readings of the additional sensors.
  • this measurement of the environment can also be derived from the oscillation frequency alone, namely, when there are slight changes in the oscillation frequency and / or long-term, continuous changes in the oscillation frequency.
  • the device has at least one output at which the frequency of the resonant circuit can be tapped. This makes it possible to read the frequency of the resonant circuit by externally connected devices and to interpret and / or further process accordingly.
  • the device is designed such that measured values for further processing in higher-level controllers are made available.
  • the measured values can be determined continuously.
  • an interface according to USB, UART, RS232, SP1, I2C, CAN, LON, Ethernet, Bluetooth, WLAN and / or comparable standards can be used.
  • output signals for switching light, speakers or the like can be switched directly. It can also digital channels z.
  • Pulse Width Modulation are available. In this way, the provision of larger and / or modulated electrical power can be ensured, for example by the connection of digital controller. Examples are a light control, engine control, Steglitz lodgeung, hydraulic control, pneumatic control and / or the like.
  • the controller used in the apparatus can evaluate the measured frequency of the resonant circuit so that the frequency of the resonant circuit is converted into a measurable electronic variable.
  • This can be an electrical voltage which is provided in proportion to the frequency as well as another electrical oscillation whose frequency is calculated proportionally to the resonant circuit frequency or also a current or resistance value calculated by the controller, which is calculated proportionally to the measured resonant circuit frequency.
  • This measurable electrical quantity provided by the controller can be output at the output of the device instead of the resonant circuit frequency and / or additionally.
  • the electrical power supply can be provided separately from the output of the device or as a combined component, for example a USB port, via which the power supply, as well as the data transmission to the outside happens.
  • the output can also or additionally be designed as at least one communication module, such as e.g. a Bluetooth module, a WLAN module, an infrared module, a BUS module and / or an Ethernet connection.
  • a Bluetooth module e.g. a Bluetooth module, a WLAN module, an infrared module, a BUS module and / or an Ethernet connection.
  • the communication of the device is bidirectional, so that not only the signals processed by the controller can be output, but also commands can be transmitted from an external instance to the controller, for example, for the transmission of calibration instructions, the setting of measuring cyles or calculation specifications, the specification and modification of threshold values and switching states of output ports and much more.
  • the controller provided in the device can react in a preferred embodiment to environmental influences, such as temperature changes and / or changes in humidity, the controller is designed so that at regular intervals to be defined, in particular times calibration of the device can be performed.
  • the resonant circuit is recalibrated at defined times, so that a reliable detection of the object in the area of the body to be monitored is ensured at all times even with changes in the environmental influences.
  • the oscillation cycle characteristics without a body in the observation area and taking into account specific states regarding the active electrode and the environment are taken into account and set as the operating state.
  • the control here consists of at least one active intelligent electronic component, such as a microcontroller, which, depending on the embodiment, includes the following functions to perform the above-mentioned applications. It measures and / or analyzes the oscillation behavior of the resonant circuit, evaluates the determined values evaluatively and makes these data available for further processing, either in analog or digital form.
  • a microcontroller which, depending on the embodiment, includes the following functions to perform the above-mentioned applications. It measures and / or analyzes the oscillation behavior of the resonant circuit, evaluates the determined values evaluatively and makes these data available for further processing, either in analog or digital form.
  • the controller can continue to measure environmental influences by suitable sensors or detect and calibrate the resonant circuit accordingly.
  • different threshold values can be defined in the control, so that the control, upon reaching these threshold values, transmits corresponding signals at the output and / or electrically switches outputs.
  • These circuits can then be used to turn acoustic or optical signals on or off, or to be taken over by externally connected devices.
  • the circuits can also be used to directly perform functions on the body to be monitored.
  • the controller can provide inputs to z. B. run by a switch, button, or other contactor specified routines such. B. a calibration of the device, start / stop of a measurement cycle u. v. m.
  • a plurality of bodies to be monitored are associated with the device, wherein during the term optionally switchable between one or more of the body as an electrode.
  • the bodies to be monitored can be deposited in the controller with regard to their resonant circuit properties, so that by coupling or decoupling a specific body with the device, it is possible to realize quite specific oscillatory circuit characteristics. This can be done depending on, for example, local conditions, the geometric and / or material properties of the selected body.
  • the system comprises a plurality of devices, each having an electrical resonant circuit for generating electrical vibrations and which are each electrically coupled to a body to be monitored in particular.
  • an extended gesture control or circuit of control programs can be realized.
  • a plurality of spatially spaced proximity sensors can be carried out in a kind of triangulation method, a position determination of an object relative to the bodies to be monitored.
  • a planar pressure sensor is additionally arranged on the body to be monitored.
  • This can also be called an area sensor.
  • the sensor has an approximately 2-dimensional shape (similar to a sticker). It can have electrical connections for electricity and / or evaluation devices. Depending on the design, it can be flexibly adapted to the geometric conditions of the mounting location. Using this advantageous development, a redundant protection of specific situations can be created. In case of failure of either the pressure sensor or the device according to the invention is still another, independent in its function sensor still available.
  • the planar pressure sensor may be attached to the body to be monitored. In this respect, two functionalities can be synergistically combined in one and the same component.
  • the planar pressure sensor can be attached, for example, to movable objects or system parts.
  • the unit has, depending on the embodiment, a height of only a few millimeters. It can be adapted almost arbitrarily in its spatial form and manufactured in the most diverse dimensions and geometries.
  • the pressure sensor causes punctiform or flat acting force a proportional electric flux.
  • a connected evaluation unit can convert the resulting voltage into measured values and / or triggers, for example, after threshold exceeded one or different switching operations, which in turn can be further processed as operating, emergency stop or other reaction triggering of higher-level controls. Also possible is a triple occupancy of the resulting sensor.
  • the solution described can be attached to a robot arm and serve as the active electrode of the capacitive proximity sensor.
  • the robot changes its action mode according to any specification (function 1: membrane keypad).
  • function 1 membrane keypad
  • a collision is interpreted on the control side and the machine control triggers an emergency stop (function 2: collision detector).
  • function 2 collision detector
  • the third functionality consists of using the surface sensor over its entire surface as the active electrode of the device according to the invention.
  • Another application example for the extended application of the device according to the invention is the flow analysis in the case of liquid or gaseous conducted media.
  • This special form of an active electrode is designed for use on liquid or gas-carrying pipelines. By means of the processing of a specially designed active electrode into a clamp-like fastening unit, the device is fastened to pipes from the outside. As soon as a suitable medium comes into motion within the tube, the connected device according to the invention can recognize movement states and analyze them in an evaluable manner.
  • This special form of active electrode is not introduced into the volume flow, but works by external (radial) attachment to pipes, hoses, Sifons, or similar liquid or gas-carrying facilities.
  • the invention proposes a method for detecting and / or distance determination of at least one object relative to one monitoring body using a device which has an electrical resonant circuit for generating electrical oscillations and a controller for evaluating the oscillation frequency of the electrical oscillations, wherein from a plurality of differently designed to be monitored body, which are electrically coupled to the device, a to be monitored Body is selected, wherein the selected to be monitored in particular multi-part body is electrically coupled to the device as an electrode for forming a capacitive proximity sensor, wherein the device is calibrated after connecting the body to be monitored by means of the controller.
  • a core idea of the method according to the invention is that not a very specific, known in terms of its properties body is connected as an electrode to the device, but rather any body to be monitored from a variety of possible and differently shaped bodies can be selected and electrically with the Device is coupled. This makes it possible to use any body as an electrode in the inventive method on the ground. This is made possible by the fact that after the connection of the body to be monitored, the device is calibrated by means of the controller, as has already been described above.
  • the device is preferably automatically calibrated after connecting the body to be monitored. It can be provided that the body to be monitored is expanded during the running time of the device at will to additional body to be monitored, wherein after each extension, the device, in particular automated, is calibrated.
  • the method for non-contact detection and / or distance determination of at least one object relative to a body to be monitored using the device can operate so that first the electrical power is supplied to the control of the device, as well as the resonant circuit of the device. The resonant circuit is then set or selected by the controller to produce a default frequency preset for a specific situation.
  • This definition can be permanently stored in the controller, but it can also by the existing output through bidirectional communication with the controller of a externally connected device, such as a computer, are defined in the controller.
  • variable resonant circuit behaviors serve to take account of the respective coherence behavior of the active electrode.
  • the controller measures the characteristic of the resonant circuit continuously, which changes when an object penetrates into the observation area or effective range. This object then changes the capacitance of the active electrode and passive electrode capacitor of the resonant circuit and thus changes the behavior of the resonant circuit. Likewise, in this way, a relative change in distance to the body can be determined in the case of an object that has already entered the area of action.
  • the measured vibration characteristic is then evaluated by the controller.
  • this evaluation may be such that the oscillation frequency is output at the output of the device or, if appropriate, direct switching or control processes are carried out.
  • the controller can convert the measured vibration characteristic into a different electrical variable and provide it in analog or digital form for further processing.
  • the analysis results of the resonant circuit can be made audible by a speaker connected to the device and / or made visible by an optical signal connected to the device. But it can also simply an external device, such. Example, a computer can be connected, which picks up the provided prepared by the controller signal and evaluates externally.
  • the controller calibrates the resonant circuit so that environmental influences, such as changing temperatures, changing humidity or occurring magnetic fields can be compensated.
  • the controller may have corresponding sensors in order to be able to measure the corresponding environmental influences.
  • the calibration can also be triggered or triggered by at least one externally connected system, such as a computer, by the bidirectional communication with the controller.
  • a single controller can then make the creation and / or calibration of the resonant circuits.
  • the digitally processed data of the controllers can thus be assigned to the respective devices.
  • Fig. 1 as a block diagram of a device according to the invention with a serial RS 232 interface as output
  • FIG. 2 block diagram of an inventive
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a device according to the invention.
  • Fig. 6 shows an embodiment of a body to be monitored.
  • Fig. 1 shows an LC element 12 as a resonant circuit of Contraption.
  • a microcontroller 13 is used to control the device. Both are supplied by the intended power supply 14 with electrical energy.
  • an external antenna 18 can be connected as an active electrode.
  • the controller controls and / or analyzes the behavior of the resonant circuit.
  • an additional digitizing entity 17 is designed between the resonant circuit and the controller. However, this can also be done by the microcontroller 13 itself or done by other arrangements.
  • the controller not only controls the frequency of the resonant circuit and performs different analyzes and evaluations, but also acts as a calibration of the resonant circuit.
  • the fundamental frequency of the resonant circuit is defined at defined times. This is preferably done when no object has been detected.
  • a serial interface 15, namely an RS 232 interface in the device proceed.
  • a data exchange 16 can be performed.
  • an external device such as a computer
  • the device which is used to read out the values measured by the controller and to send commands to the controller, such as the time intervals of the calibration, a calibration command itself and, if necessary, threshold values , which then causes the controller to send commands to the connected external device via the output.
  • This communication with the external device is bidirectional so that values can be provided from the controller to the output at the same time as commands can be sent to the controller from the external connected device. It is also conceivable, however, an output that outputs only values and an extra executed input, the command input for the controller.
  • Fig. 2 consists in principle of a similar application example.
  • additional electrical contacts are provided which extend the output of FIG.
  • These electrical contacts referred to as I / O ports 19 in FIG. 2, are for connection to external I / O devices 20, such as those in the device provided control can be switched.
  • the controller may switch various contacts in the I / O ports to drive externally connected devices, such as audible signals, electrical signals, or optical signals.
  • I / O ports can also be in digital form, so that connected computers, controllers, or similar can be controlled. However, you can also output simple electronic signals, such as voltage values, current values or resistance values, depending on the application.
  • the device according to the invention and the method for this purpose is not limited to the above-mentioned features. Rather, further embodiments are conceivable.
  • two controls could be provided in the device, one for evaluating the measured resonant circuit frequencies and one for setting and calibrating the resonant circuit.
  • the output may be other than the above-mentioned interfaces, e.g. additional communication interfaces, BUS interfaces or electrical contacts.
  • FIG. 3 shows the principle of operation of a capacitive Schwing Vietnamesesensors.
  • the core element of a capacitive resonant circuit sensor is usually a so-called LC element 2 (FIG. 3), with which a sinusoidally oscillating alternating electric field is generated.
  • the LC element consists of a coil as inductance and a capacitor as capacity. Between these two components, an alternating electric field builds up, which oscillates relatively homogeneously under unchanged operating conditions.
  • a capacitor consists of two so-called. Electrodes, between which an electrically non-conductive material as a dielectric. The capacitance of the capacitor results from the Sperrwashkett of the dielectric. If now another capacitance is connected to this coil - capacitor combination, then the oscillation behavior changes.
  • Such a capacitance change can be achieved by permanently connecting a so-called “active electrode” or electrode 3 to the circuit. If a so-called “passive electrode” 4 approaches, the medium between active and passive electrode acts as Dielectric. At a certain point in the approach of an electromagnetically charged body, the fields start to move and thus influence the vibrational behavior of the LC element. An evaluation electronics usually evaluates corresponding changes and prepares them for further processing.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a device 1 according to the invention.
  • This device has a resonant circuit 2, which is electrically connected to a controller 5.
  • the resonant circuit 2 may be formed in the manner already described, for example, as an LC element.
  • the controller 5 has a connection for a power supply 7 and a data interface 8.
  • the resonant circuit 2 is characterized in that it does not have its own electrode 3, as shown for example in FIG. Rather, it merely has a connection 6 for bodies to be monitored as the active electrode.
  • the resonant circuit 2 and thus the measuring device 1 are thus formed free of electrodes.
  • the resonant circuit 2 can be electrically coupled to a body to be monitored.
  • FIG. 5 shows a variant of the measuring device according to FIG. 4.
  • the oscillating circuits 2 can each be switched individually or in combination, that is, connected to the controller 5.
  • the terminals 6 of the resonant circuits 2 can be connected to each other in the same manner by switches or separated from each other.
  • the combination scheme is not limited to the use of three resonant circuit elements 2.
  • FIG. 6 shows an example of a body 9 to be monitored, namely a robot arm 9.
  • bodies 1 1 can be gripped and handled, as shown in the right-hand illustration.
  • the properties that are decisive as the active electrode 3 change, which leads to an altered oscillation cycle characteristic.
  • this can be taken into account by appropriate consideration within the controller 5 (FIGS. 4, 5).
  • a calibration can be performed.
  • An embodiment of the invention relates to a device for non-contact detection and / or distance determination of at least one object relative to a measuring body, with an electrical power supply, with an electrical resonant circuit for generating electrical vibrations, with a controller for evaluating the oscillation frequency of the electrical oscillations, as well as for Calibration by definition of a desired range of the oscillation frequency, wherein the measuring body is designed to be electrostatically charged and electrostatically charged in the presence of electrical energy and thus radiating field lines, the measuring body forms an active capacitor electrode of the capacitive part of the resonant circuit, that the object forms a passive capacitor electrode, and Thus, the capacitance of the capacitor and consequently the oscillation frequency of the electrical vibrations when introducing the object into the field line region of the measuring body a measurable change erf leads.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the resonant circuit consists of at least one coil and / or resistor and at least one capacitor, wherein the electrodes of at least one capacitor consist of measuring body and object.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the measuring body can be extended by touching other electrostatically loadable body.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the frequency of the resonant circuit can be influenced by the controller.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the device has at least one output, on which the frequency of the resonant circuit can be tapped.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the controller converts the frequency of the resonant circuit into a measurable electrical quantity.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the measurable electrical variable represents an electrical oscillation and / or an electrical voltage and / or an electrical resistance and / or an electric current value.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the output is also or instead of the frequency of the resonant circuit, the measurable electrical variable can be tapped.
  • One aspect of the invention relates to a further development wherein the output is provided as a digital output, e.g. a serial interface is formed and the tappable values are digitized by the controller.
  • a digital output e.g. a serial interface is formed and the tappable values are digitized by the controller.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the device has a connection for feeding electrical energy.
  • One aspect of the invention relates to a further development, wherein the output and the connection for the supply of electrical energy are a component, such as e.g. a USB port.
  • One aspect of the invention relates to a further development wherein at least one communication module is used for communication with the controller, such as e.g. Bluetooth, WLAN, infrared and / or Ethernet.
  • the controller such as e.g. Bluetooth, WLAN, infrared and / or Ethernet.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the communication module also serves as an output and / or communication module or output also for bidirectional communication with the controller is used.
  • One aspect of the invention relates to a development wherein the controller has adjustable thresholds to influence the measurable electrical quantity.
  • An embodiment of the invention relates to a method for contactless detection and / or distance determination of at least one object relative to a measuring body using a device described above. wherein first the control is supplied with electrical energy, then the resonant circuit is calibrated by the controller so that a target range of the oscillation frequency is determined, the controller thereafter measures the oscillation frequency continuously, wherein the oscillation frequency changes when an object in the range of Field lines penetrates and / or changes its distance to the measuring body, and the measured oscillation frequency is evaluated by the controller.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the evaluated oscillation frequency is made audible by a loudspeaker connected to the device.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the evaluated oscillation frequency is made visible by an optical signal connected to the device.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the evaluated oscillation frequency can be tapped off by at least one output.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the controller calibrates the resonant circuit at times to be defined, so that environmental influences, how, for example, changing temperatures, changing humidity, occurring electromagnetic fields can be compensated.
  • One aspect of the invention relates to a development, wherein the calibration can also be performed by control signals by means of output or the communication module.
  • An embodiment of the invention relates to a system with a plurality of devices according to the invention, wherein via an addressing of the controls, a single controller makes the adjustment and / or calibration of the resonant circuits and / or reads the data of the addressable controllers and provides at the output, which data then the individual Devices can be assigned.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper, aufweisend eine Vorrichtung, welche einen elektrischen Schwingkreis zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen aufweist, und eine Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter zu überwachender Körper, wobei bei bestimmungsgemäßer Verwendung nach dem Baukastenprinzip einer der zu überwachenden Körper ausgewählt und mit der Vorrichtung elektrisch gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung und der zu überwachende Körper zusammen einen kapazitiven Näherungssensor bilden, wobei der zu überwachende Körper gemäß seiner Eignung eine aktive Elektrode des Näherungssensors bildet und frei wählbar ist.

Description

System zur berührungslosen Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper sowie Verfahren dazu
Systeme zur berührungslosen Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper werden als Sicherheitseinrichtungen bei Maschinen und Anlagen eingesetzt, um zu verhindern, dass Objekte, wie beispielsweise Teile einer anderen Maschine, Montageteile aber auch Menschen und Tiere in den Arbeitsbereich des zu sichernden Körpers, beispielswiese einer Maschine oder Anlage geraten und somit ein Sicherheitsrisiko darstellen. Objekte können hierbei aus organischen oder anorganischen Materialien bestehen und schließen auch Menschen und Tiere ein.
Hierzu ist es nach Stand der Technik üblich, den Bereich um den zu überwachenden Körper mit verschiedenen Sensoren auszustatten, wie beispielsweise Bildverarbeitungssysteme, Lichtschranken, Laservorhänge und Bewegungsmelder, um zu detektieren, dass mindestens ein Objekt in die Nähe eines besagten Körpers gerät. Ist dies der Fall, werden Signale ausgegeben, beispielsweise optische, akustische oder auch elektrische, die zum einen vor dem eindringenden Objekt warnen, sowie auch ggf. Funktionen des Körpers steuern.
Hierzu ist es notwendig, den zu überwachenden Bereich um den Körper mit einer Vielzahl der oben genannten Sensoren auszustatten, um eine möglichst hohe Sicherheit im Observationsbereich um den Körper herum zu gewährleisten. Nachteilig bei so einer Absicherung um den Körper herum ist die Anzahl der benötigten Sensoren und das genaue Abdecken aller Wege zum Körper bei Bewegung des Körpers. Wenn der Körper sich bewegt, können Lichtschrankenlaserstrahlen und ähnliche Sensoren ggf. vom Körper selber verdeckt werden, so dass Bereiche um den Körper herum entstehen, die nicht in jedem Moment von den Sensoren erfasst werden.
Solche Sensoren sind z.B. aus der DE10250395A1 bekannt. Diese Näherungssensoren in Kombination mit optischen oder anderen Sensoren müssen in einer Vielzahl um den Körper herum angeordnet werden.
Um die Sensorzahl zu verringern sind Detektionen, wie z.B. aus der DE2005015210U1 bekannt. Diese Sensoren arbeiten mit Sendern und Empfängern. Somit müssen mindestens 2 Elemente pro Sensor eingesetzt werden. Da aber auch hier nur der Bereich zwischen Sender und Empfänger detektiert werden kann, sind ebenfalls mehrere Sensoren nötig, um den kompletten Bereich um einen Körper herum zu detektieren.
Aus dem Stand der Technik sind zudem kapazitive Näherungssensoren bekannt. Die DE 10 2006 01 1 654 A1 offenbart eine Sitzanordnung, wobei wenigstens im Bereich eines Horizontalpolsterabschnitts eine Detektionsstruktur vorgesehen ist zur Erfassung eines hinsichtlich des Deformationsgerades eines Vertikalpolsterabschnitts indikativen Messsignals. Im Bereich des Horizontalpolsterabschnitts ist ein Gegenelektrodensystem ausgebildet, wobei sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden bei einer auf dem Polster sitzenden Person verändert. Es handelt sich hierbei folglich um ein in sich abgeschlossenes kapazitives Messsystem mit zwei Elektroden, welches auf von außerhalb eingebrachte Verformungen reagiert.
Aus der DE 10 2008 031 743 A1 ist eine Sensoreinrichtung zur Detektion der Berührung oder Annäherung eines Objektes bekannt. Eine an einem LC- Schwingkreis angeschlossene Elektrode kann die Annäherung eines Objekts, insbesondere eines Lebewesens, detektieren. Es handelt sich bei der in dieser Druckschrift gezeigten Schaltung um eine fixe und definierte Einheit, wobei die Elektrode fester Bestandteil der Schaltung ist. Die Schaltung basiert auf einer einheitlichen Erregerfrequenz, welche durch einen Frequenzgenerator- Zentraloszillator emittiert wird. Die DE 695 15 459 T2 betrifft einen kapazitiven Sensor. Dieser Sensor weist eine Elektrode auf, welche unter anderem durch ein Schirmmittel dahingehend ausgelegt ist, dass optimierte und besonders reproduzierbare Messungen durchgeführt werden können. Bei der Schaltung dieser Druckschrift handelt es sich, wie bei den übrigen genannten Gegenständen auch, um eine fixe, monolithische Schaltung, deren Einzelkomponenten genau aufeinander abgestimmt sind für einen ganz bestimmten Anwendungsfall.
Die zuvor beschriebenen bekannten Sensoren zeichnen sich allesamt dadurch aus, dass es sich um fest vorgegebene und ausgelegte/konfigurierte Baueinheiten handelt, welche zum Zwecke der Überwachung eines Körpers, wie beispielsweise eines Industrieroboters, zusätzlich zu dem Körper eingesetzt werden müssen, um dessen Arbeitsraum zu überwachen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein System zur berührungs losen Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper zu schaffen, mit einem geringen Aufwand, wenig Sensoren und einer hohen Sicherheit, wobei vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt alle Bereiche um den Körper herum gemessen bzw. überwacht werden können.
Zur Lösung schlägt die Erfindung vor ein System zur Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper, aufweisend eine Vorrichtung, welche einen elektrischen Schwingkreis zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen aufweist, und eine Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter zu überwachender Körper, wobei bei bestimmungsgemäßer Verwendung nach dem Baukastenprinzip einer der zu überwachenden Körper ausgewählt und mit der Vorrichtung elektrisch, insbesondere elektrodynamisch gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung und der zu überwachende Körper zusammen einen kapazitiven Näherungssensor bilden, wobei der zu überwachende Körper eine, insbesondere die einzige, aktive Elektrode des Näherungssensors bildet.
Im Unterschied zu den vorbekannten Systemen und Sensoren schlägt die Erfindung nicht einen zusätzlich zu einem zu überwachenden Körper vorzusehenden Sensor vor, sondern vielmehr, den zu überwachenden Körper selbst als Messeelektrode eines Näherungssensors zu verwenden. Erfindungsgemäß wird der zu überwachende Körper neben seiner eigentlichen Funktion ergänzend dazu zweckentfremdet, die insbesondere aktive Elektrode eines kapazitiven Näherungssensors zu bilden. Ein zu überwachender Körper im Sinne der Erfindung ist folglich dadurch gekennzeichnet, dass er eine nebengeordnete Funktion als Elektrode einerseits und eine davon abweichende Hauptfunktion erfüllt. Bei dem zu überwachenden Körper kann es sich beispielsweise um einen Roboter oder Teile davon, ein Werkzeug oder Werkstück einer Werkzeugmaschine, ein Exponat in einer Ausstellung und/oder ein beliebiges Objekt mit geeigneter Leit- bzw. Ladungsfähigkeit handeln. .
Ein Aspekt der Erfindung betrifft die Vorrichtung, welche auch als Prüfvorrichtung bezeichnet werden kann. Diese ist derart ausgebildet, dass nach dem Baukastenprinzip insbesondere hinsichtlich Raumform und/oder Material unterschiedlich ausgebildete zu überwachende Körper damit verbunden werden können. Bei der Verbindung handelt es sich um eine elektrische, insbesondere elektrodynamische Kopplung. Dies bedeutet, dass eine von der Prüfvorrichtung, insbesondere dem elektrischen Schwingkreis erzeugte elektrische Ladung, insbesondere ein elektrisches Wechselfeld auf den zu überwachenden Körper übertragen wird. An ein und dieselbe Prüfvorrichtung können also ganz unterschiedliche zu überwachende Körper angeschlossen werden und in der Folge als Elektrode eines Näherungssensors verwendet werden. Eine Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht folglich darin, dass keine in spezieller Weise auf die übrigen Komponenten der Vorrichtung abgestimmte Elektrode erforderlich ist. Die Vorrichtung passt sich vielmehr dem als Elektrode verwendeten, zu überwachenden Körper an. Hierzu kann die Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass bei einer Kopplung mit einem zu überwachenden Körper, insbesondere automatisiert, eine Kaübration durchgeführt wird. Durch die Kalibration wird in Abhängigkeit der jeweils gekoppelten Elektrode eine Nulllage ermittelt, von welcher ausgehend bei einer Veränderung des elektrischen Felds durch Annäherung eines Objektes an den zu überwachenden Körper Änderungen der Schwingkreischarakteristika detektiert werden können. Diese Änderungen können die Frequenz, die Amplitude und/oder die Phasenlage betreffen. Bevorzugter Weise erfolgt in diesem Zusammenhang eine digitale Auswertung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass an die zu überwachenden Körper keine besonderen Anforderungen zu stellen sind. Die zu überwachenden Körper können eine beliebige chemische, physikalische und/oder geometrische Struktur aufweisen. Der zu überwachende Körper muss jedoch die Eigenschaft aufweisen, elektrische Schwingungen und/oder magnetische Ladungen übertragen zu können.
Erfindungsgemäß sind die Vorrichtung mit dem elektrischen Schwingkreis einerseits und der als Elektrode verwendete zu überwachende Körper baulich voneinander getrennt. Es handelt sich um voneinander unabhängige Teile. Beide sind jeweils als Einzelteil unabhängig voneinander handhabbar. Die Vorrichtung selbst braucht erfindungsgemäß über keine eigene Elektrode zu verfügen. Sie kann folglich elektrodenfrei ausgebildet sein. Die zu überwachenden Körper können auswechselbar mit der Vorrichtung gekoppelt werden. Sie können sogar während der Laufzeit des Systems verändert und/oder ausgetauscht werden. Dies betrifft beispielsweise den Anwendungsfall, dass ein als zu überwachender Körper verwendeter Roboterarm mit seinem Endeffektor ein Objekt greift und somit der Roboterarm zusammen mit dem Objekt einen neuen, für die erfindungsgemäßen Zwecke einstückigen Körper bilden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine automatisierte Kalibration der Vorrichtung beim Greifen des Objektes durchgeführt wird. Hierzu kann beispielsweise ein entsprechendes Signal der Robotersteuerung, das jetzt ein Objekt gegriffen ist, gelesen und als Auslöser für die Kalibration verwendet werden. So wie in diesem Beispiel, kann auch ganz allgemein eine Kombination aus mehreren zu überwachenden Körpern als (zusammengefasste) Elektrode mit der Vorrichtung elektrodynamisch gekoppelt sein.
Im Unterschied zu bekannten Lösungen ist an den Schwingkreis der Vorrichtung keine feste und speziell abgestimmte Elektrode (auch als aktive Elektrode bezeichnet) angeschlossen. Sie ist nicht fest mit der Vorrichtung verbunden. Somit existiert nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine fest definierte Kombination aus Schwingkreis (- element) einerseits und Elektrode andererseits.
Eine Vorrichtung eines erfindungsgemäßen Systems weist neben dem elektrischen Schwingkreis vorzugsweise eine Steuerung zur Auswertung der Schwingfrequenz der elektrischen Schwingungen sowie einen mit dem elektrischen Schwingkreis verbundenen Anschluss auf. Dieser Anschluss ist derart ausgebildet, dass ein beliebig ausgebildeter zu überwachender Körper elektrisch mit dem elektrischen Schwingkreis gekoppelt werden kann. Der elektrische Schwingkreis und der zu überwachende Körper können dann zusammen einen kapazitiven Näherungssensor bilden, wobei der zu überwachende Körper die Elektrode des Näherungssensors bildet. Die Steuerung wiederum ist derart ausgebildet, dass nach einer elektrodynamischen Kopplung des Schwingkreises mit dem zu überwachenden Körper eine Kalibration durchgeführt wird. Ergänzend kann noch ein Festfrequenzoszillator oder modulierbarer Frequenzgenerator vorgesehen sein.
Verschiedene Einstellungen der Vorrichtung lassen sich zur Laufzeit, also während des Betriebs, anpassen. Umgebungsveränderliche Größen nehmen nämlich Einfluss auf das Schwingkreisverhalten, wie beispielsweise elektrische Wechselfelder, magnetische Felder, Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. Die Schwingkreischarakteristik der Vorrichtung ändert sich dadurch. Gleiches gilt natürlich für eine Veränderung des zu überwachenden Körpers, beispielsweise durch Austausch oder Kombination mit einem weiteren Körper. Die Vorrichtung, insbesondere eine Steuerung der Vorrichtung kann daher derart ausgebildet sein, dass deren Parameter und somit die Prüfcharakteristik zur Laufzeit jederzeit geändert und angepasst werden kann. Hierzu dient beispielsweise die bereits beschriebene Kalibrierung. Diese kann z. B. durch eine übergeordnete Maschinensteuerung, manuelle Betätigung und/oder dergleichen ausgelöst werden. Dadurch kann die Nullpunktlage des Schwingkreises jederzeit ermittelt werden.
Die Nullpunktlage repräsentiert den Zustand der Vorrichtung bzw. des Systems, in dem alle aktuell relevanten Umgebungs- und Prüfbedingungen berücksichtigt sind und sich kein unerwünschtes Objekt im Observationsbereich der Vorrichtung bzw. des zu überwachenden Körpers befindet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung zwei elektrische Schwingkreise gleicher Frequenz zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen auf, wobei nur einer der Schwingkreise mit dem die Elektrode bildenden zu überwachenden Körper koppelbar ist. Diese Weiterbildung bringt Vorteile, wenn beispielsweise ein System in einer elektromagnetisch anspruchsvollen Umgebung eingesetzt werden soll. Die relevanten Umgebungseinflüsse wirken dann auf beide Schwingkreise gleichermaßen. Relevante Einflüsse für die Detektion und/oder Abstandsermittlung wirken jedoch nur auf den mit der Elektrode verbundenen Schwingkreis. Durch einen entsprechenden Vergleich der Schwingkreisfrequenzen lassen sich auf diese Weise umgebungsbedingte Einflüsse ausfiltern.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung mehrere elektrische Schwingkreise mit unterschiedlichen Frequenzen auf, welche jeweils einzeln oder miteinander kombiniert mit dem die Elektrode bildenden zu überwachenden Körper koppelbar sind. Ergänzend oder alternativ können der bzw. die elektrischen Schwingkreise der Vorrichtung aus zur Laufzeit veränderlichen Komponenten, insbesondere Widerständen, Kondensatoren und/oder Spulen, gebildet sein. Dadurch kann je nach Umgebungsbedingungen und/oder Charakteristik des zu überwachenden Körpers die Messcharakteristik des Systems optimiert werden. Beispielsweise kann zwischen einer ersten und einer zweiten Schwingkreischarakteristik umgeschaltet werden. Gegebenenfalls kann die Frequenz eines zur Anregung des Schwingkreises verwendeten Bauteils wie eines Oszillators zur Laufzeit verändert werden. Es können auch elektronische Spulen, sogenannte Gyratoren, zum Einsatz kommen, insbesondere wenn relativ niedrige Frequenzen erzeugt werden sollen.
Als Elektrode im Sinne der Erfindung können Maschinenbestandteile, insbesondere Maschinengehäuse Bestandteile beispielsweise eines Roboters, verwendet werden. Es können aber auch beispielsweise rotierende oder umformende Werkzeuge, Werkstücke in Werkzeugmaschinen, Türflügel, Türgriffe, Rahmenteile, Rolltorunterseiten, Ausstellungsexponate, Fahrzeuge usw. verwendet werden. Bei Ausstellungsexponaten und Fahrzeugen kann das erfindungsgemäße System als Diebstahl-, Berührungsund/oder Vandalismusschutz eingesetzt werden.
Die konkrete Anwendung des Systems umfasst neben einem Kollisionsschutz, beispielsweise bei einer Mensch-Maschine-Interaktion, einen Eingriffsschutz bei (Werkzeug-)maschinen, die Bediensteuerung und/oder Gestiksteuerung von Geräten, den Zugangsschutz und/oder die Zugangssteuerung von Türsystemen oder dergleichen sowie die Schaltersteuerung und Regelung von beispielsweise Beleuchtungseinrichtungen.
Die Vorrichtung weist auf einen elektrischen Schwingkreis zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen. Dieser Schwingkreis basiert auf einem elektrischen Schwingkreis, der aus mindestens einer Spule und mindestens einem Kondensator besteht. Wahlweise besteht der Schwingkreis aus mindestens einem Widerstand und mindestens einem Kondensator, wobei beide Schwingkreisarten zusätzlich durch Widerstände ergänzt werden können.
Zur Versorgung des Schwingkreises mit elektrischer Energie ist eine elektrische Energieversorgung vorgesehen, sowie eine Steuerung zur Auswertung des Schwingfrequenz. Ebenso kann die Steuerung zur Einstellung des Schwingkreises, sowie zur Kalibrierung dienen.
Der Schwingkreis selber ist so gestaltet, dass der Vorrichtung, insbesondere Prüfvorrichtung eine Elektrode bzw. eine Kapazität (ein Kondensator) fehlt. Für den Betrieb des Systems als kapazitiver Nährungssensor wird ein elektrisch geeigneter Gegenstand als aktive Elektrode mit der Vorrichtung verbunden.
Diese aktive Elektrode ist baulich von der Vorrichtung getrennt. Dadurch, dass die aktive Elektrode mit elektrischer Energie versorgt wird, wird sie elektrisch geladen, so dass Feldlinien von ihr ausgehen.
Zur Erzeugung der von dem Schwingkreis benötigten Kapazität bedarf es einer zweiten, passiven Kondensatorelektrode. Passiv deshalb, weil das Objekt nicht an die elektrische Energieversorgung angeschlossen ist und somit passiv wirkt.
Gerät nun ein zu detektierendes Objekt, welches als passive Elektrode des Kondensators des Schwingkreis fungiert, in den Feldlinienbereich eines an die Vorrichtung angeschlossenen Körpers (d. h. der aktiven Kondensatorelektrode), entsteht ein elektrisches Wechselfeld, welches eine messbare Änderung der Gesamtkapazität der Vorrichtung hervorruft. Die beiden Elektroden, also aktive Kondensatorelektrode sowie passive Kondensatorelektrode, bilden hier die Kondensatorplatten, und die Luft dazwischen bildet das Dielektrikum. Die Vorrichtung ist jedoch nicht auf Luft als Dielektrikum festgelegt. Auch andere Dielektriken sind denkbar, wie beispielsweise Fluide und/oder die Kombination aus mehreren Dielektriken. Um die Funktionsweise des Kondensators zu gewährleisten ist es lediglich notwendig, dass das als Dielektrikum verwendete Material eine ausreichende isolierende Wirkung zwischen den Kondensatorelektroden bildet.
Wenn nun das als passive Kondensatorelektrode fungierende Objekt in den Feldlinienbereich der aktiven Elektrode gerät und somit die Kapazität des Kondensators verändert, verändert sich dementsprechend auch das Schwingverhalten des Schwingkreises. Die in der Vorrichtung vorgesehene Steuerung detektiert nun die Änderung des Schwingverhaltens bzw. der Schwingkreischarakteristik und wertet diese Änderungen zur Weiterverarbeitung entsprechend aus. Die Besonderheit dieser Vorrichtung zur berührungslosen Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper besteht darin, dass die aktive Kondensatorelektrode nicht Bestandteil der Vorrichtung ist. Vielmehr kann jedes elektrisch geeignete Material angeschlossen werden, beispielsweise auch Metallteile des zu überwachenden Körpers, aber auch Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, u. a.. Dadurch ist es möglich, jeden beliebigen Bereich um den Körper herum, auch bei Bewegung des Körpers, bei der Abstandsermittlung eines Objekts von dem Körper zu berücksichtigen, da die von der aktiven Kondensatorelektrode ausgehenden Feldlinien an jeder Stelle des Körpers ausgesandt werden. Wenn nun der Körper selber als Elektrode dient, wird auch an jeder Stelle des Körpers ein elektrisches Feld aufgebaut und somit an jeder Stelle elektrische Feldlinien ausgesandt.
Durch diese Vorrichtung ist es möglich, Objekte in einem Bereich um den Körper herum zu detektieren, Abstände zu ermitteln und je nach Ausgestaltung der Steuerung auch Bewegungen innerhalb des Messbereichs um den Körper herum festzustellen. Dadurch ist es mit dieser Vorrichtung nicht nur möglich, Abstände zu ermitteln, sondern auch Bewegungen zu detektieren.
Die sich daraus ergebenden möglichen Anwendungsgebiete beinhalten Sicherheitseinrichtungen bei Maschinen und Anlagen. Hierbei ist es nach Stand der Technik oft so, dass beispielsweise bei Stanz-, oder Umformmaschienen Zweihandsicherheitsschaltungen eingesetzt werden, damit keine Körperteile des Bedieners in die Maschine oder Anlage geraten. Dies kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ersetzt werden.
Des Weiteren kann die Vorrichtung als Eingriffsschutz an Maschinen oder Anlagen eingesetzt werden. Hierbei ersetzt die Vorrichtung dann, wie bereits eingangs beschrieben, Lichtschranken und andere optische oder taktile Sensoren, aber auch passive Schutzeinrichtungen wie Zäune, Umhausungen, oder Abdeckungen, um Bereiche einer Maschine oder Anlage abzusichern.
Die Vorrichtung kann weiterhin für Gestiksteuerungen eingesetzt werden, um festgelegte Gestiken im Feldlinienbereich der aktiven Kondensatorelektrode festzustellen und damit Steuerungen Anlagen , Maschinen, oder sonstigen Einrichtungen auszulösen.
Ebenso kann die Vorrichtung als Zugangsschutz und Einbruchsicherung verwendet werden, um einfach den Bereich um den Körper herum, in diesem Falle Fahrzeuge, Möbel und andere Gegenstände zu schützen. Im Bereich der Fahrzeuge kann die vorliegende Erfindung auch dazu benutzt werden, den Bereich um das Fahrzeug herum zu detektieren und ggf. Notbremsungen auszuführen bzw. Ausweichmanöver anzusteuern. Ebenso kann die vorliegende Erfindung noch dafür benutzt werden, automatische Türsysteme zu steuern und somit die Lichtschranken, Bewegungsmelder und gegebenenfalls takttle Sensoren herkömmlicher Türsteuereinrichtungen zu ersetzen.
Letztlich ist es noch möglich, mit der vorliegenden Erfindung berührungslose Schalt- und Steuerfunktionen auszuführen, wie beispielsweise Lichtdimmung, Lichtschaltung aber auch berührungslose Gestikdetektionen an Projektionsflächen, Leinwänden, (Schau-)Fenstern u. v.m. .
Zur Verwendung als aktive Elektrode der erfindungsgemäßen Vorrichtung muss der einzusetzende Körper nicht fest und dauerhaft mit der Vorrichtung verbundensein. Bei Vorhandensein elektrischer Leitfähigkeit, oder elektrostatischer Ladbarkeit lässt sich der Körper durch Berührung oder eine insbesondere leichte kraftschlüssige Verbindung zum temporären Bestandteil der Vorrichtung machen. Dies ist insbesondere dort vorteilhaft, wo z. B. Maschinenteile andere Teile greifen oder aufnehmen , und so dass gegriffene oder berührte Material zum Bestandteil der aktiven Elektrode wird. Der Observationsbereich der Vorrichtung vergrößert sich so analog zum Volumen der aktiven Elektrode.
Die Frequenz des Schwingkreises selber ist durch die verwendeten Bauelemente in der Vorrichtung vorgegeben. Es ist jedoch ebenfalls möglich, durch die in der Vorrichtung vorgesehene Steuerung und der Verwendung elektronisch einstellbarer Bauteile die Grundfrequenz des Schwingkreises vorzugeben. Durch diese Möglichkeit kann die Steuerung auf den Schwingkreis und die daraus resultierende Schwingfrequenz einwirken. Dies ist zum einen dann notwendig, wenn bestimmte Objekte detektiert werden sollen. Verschiedene Arten von Objekten sind unterschiedlich dazu geeignet, elektrodynamische Felder zu beeinflussen und somit das Schwingverhalten des Schwingkreises zu verändern. Um die Vorrichtung auf spezifische Objekte optimal einzustellen zu können, kann die Steuerung in einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung auf die Frequenz des Schwingkreises einwirken um eine möglichst hohe Sensibilität bei Eintreten eines Objekts in den Wirkbereich der Vorrichtung, insbesondere Observationsbereich des zu überwachenden Körpers, zu ermöglichen.
Weiterhin kann eine insbesondere wiederholte Kalibrierung durch die Steuerung notwendig sein, um z. B. Umgebungsänderungen, wie Luftfeuchtigkeitsänderungen, Temperaturänderungen, elektromagnetische Umgebungsbedingungen, etc., entgegenzuwirken. Die Frequenz des Schwingkreises würde bei solch einer Umgebungsänderung sich ebenfalls ändern und könnte fehlerhafte Weise als Einwirkung eines Objekts interpretiert werden. Deshalb ist bei einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung eine Messung der Umgebungswerte vorgesehen, wie Temperatur, Feuchtigkeit etc. Aufgrund dieser Messung wird dann ein Sollbereich von der Steuerung festgelegt, welcher der nachfolgenden Detektionen zugrunde gelegt wird. Zu dieser Messung sind in der Vorrichtung zusätzliche Sensoren vorgesehen, um die oben genannten Umgebungswerte zu messen. Diese zusätzlichen Sensoren sind dann elektrisch mit der Steuerung verbunden, damit diese die Messwerte der zusätzlichen Sensoren auswerten kann. Diese Messung der Umgebung kann aber auch von der Schwingfrequenz alleine abgeleitet werden, nämlich dann wenn sich geringfügige Änderungen in der Schwingfrequenz und/oder langzeitige, stetige Veränderungen der Schwingfrequenz ergeben.
In einer besonderen Ausführungsform besitzt die Vorrichtung mindestens einen Ausgang, an welchen die Frequenz des Schwingkreises abgreifbar ist. Hierdurch ist es möglich, durch extern angeschlossene Geräte die Frequenz des Schwingkreises auszulesen und entsprechend zu interpretieren und / oder weiterzuverarbeiten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass Messwerte für die Weiterverarbeitung in übergeordneten Steuerungen zur Verfügung gestellt werden. Die Messwerte können forttaufend ermittelt werden. Für die Kommunikationswege kann eine Schnittstelle gemäß USB, UART, RS232, SPl, I2C, CAN, LON, Ethernet, Bluetooth, WLAN und/oder vergleichbarer Standards verwendet werden. Ebenfalls können Ausgangssignale zur Schaltung von Licht, Lautsprechern oder dergleichen direkt geschaltet werden. Es können auch digitale Kanäle z. B. für Pulsweitenmodulationen (PWM) zur Verfügung stehen. Auf diese Weise kann die Bereitstellung von größeren und/oder modulierbaren elektrischen Leistungen gewährleistet werden, beispielsweise durch die Anbindung digitaler Regler. Beispiele sind eine Lichtsteuerung, Motorsteuerung, Steglitzsteuerung, Hydrauliksteuerung, Pneumatiksteuerung und/oder dergleichen.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform kann die in der Vorrichtung verwendete Steuerung die gemessene Frequenz des Schwingkreises so auswerten, dass die Frequenz des Schwingkreises in eine messbare elektronische Größe umgewandelt wird. Dies kann eine elektrische Spannung sein, welche proportional zu der Frequenz bereitgestellt wird sowie eine weitere elektrische Schwingung, deren Frequenz proportional zur Schwingkreisfrequenz errechnet wird oder auch ein durch die Steuerung berechneter Strom- bzw. Widerstandswert, welcher proportional zur gemessenen Schwingkreisfrequenz errechnet wird. Diese durch die Steuerung bereitgestellte, messbare elektrische Größe kann am Ausgang der Vorrichtung statt der Schwingkreisfrequenz und/oder zusätzlich ausgegeben werden.
Die elektrische Energieversorgung kann getrennt zum Ausgang der Vorrichtung vorgesehen sein oder auch als kombiniertes Bauteil, beispielsweise einem USB- Anschluss, über den die Stromversorgung, wie auch die Datenübertragung nach außen geschieht.
Der Ausgang kann in einer bevorzugten Ausführungsform auch oder zusätzlich als mindestens ein Kommunikationsmodul ausgestaltet sein, wie z.B. ein Bluetooth-Modul, einem WLAN-Modul, ein Infrarotmodul, ein BUS-Modul und/oder eines Ethernetanschlusses.
Des Weiteren ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Kommunikation der Vorrichtung bidirektional gestaltet, damit nicht nur die von der Steuerung aufbereiteten Signale ausgegeben werden können, sondern auch von einer externen Instanz Befehle an die Steuerung übermittelt werden können, beispielsweise für die Übermittlung von Kalibrieranweisungen, die Einstellung von Messzyken oder Berechnungsvorgaben, die Festlegung und Änderung von Schwellwerten und Schaltzuständen von Ausgabeports u. v. m. . Da die in der Vorrichtung vorgesehene Steuerung in einer bevorzugten Ausführungsform auf Umwelteinflüsse, wie Temperaturänderungen und/oder Feuchtigkeitsänderungen reagieren kann, ist die Steuerung so ausgelegt, dass in regelmäßigen zu definierenden Abständen, insbesondere Zeitpunkten eine Kalibrierung der Vorrichtung durchgeführt werden kann. Hierbei wird zu definierten Zeitpunkten der Schwingkreis neu kalibriert, dass auch bei Änderungen der Umwelteinflüsse jederzeit eine sichere Detektion des Objekts im Bereich des zu überwachenden Körpers gewährleistet ist. Bei der Kalibrierung werden die Schwingkreischarakteristika ohne einen Körper im Observationsbereich und unter Berücksichtigung spezifische Zustände hinsichtlich der aktiven Elektrode und der Umgebung berücksichtigt und als Betriebszustand festgelegt.
Die Steuerung besteht hierbei aus mindestens einem aktiven intelligenten elektronischen Bauteil, wie beispielsweise ein Mikrocontroller, der je nach Ausführungsform folgende Funktionen umfasst, um die oben genannten Anwendungsfälle ausführen zu können. Es misst und/oder analysiert das SchwingVerhalten des Schwingkreises, rechnet die ermittelten Werte auswertbar um und stellt diese Daten zur Weiterverarbeitung bereit, entweder in analoger oder digitaler Form .
Die Steuerung kann weiterhin durch geeignete Sensoren Umwelteinflüsse messen bzw. die detektieren und den Schwingkreis entsprechend kalibrieren. Zuletzt können in der Steuerung verschiedene Schwellwerte definiert werde, so dass die Steuerung bei Erreichen dieser Schwellwerte entsprechende Signale am Ausgang überträgt und/oder Ausgänge elektrisch schaltet. Diese Schaltungen können dann dazu benutzt werden, akustische oder optische Signale ein- oder auszuschalten oder durch extern angeschlossene Geräte übernommen werden. Die Schaltungen können ebenfalls dazu benutzt werden, direkt Funktionen am zu überwachenden Körper auszuführen.
Die Steuerung kann Eingänge zur Verfügung stellen, um z. B. durch eines Schalters, Tasters, oder einem sonstigem Kontaktgeber festgelegte Routinen ausführen, wie z. B. eine Kalibrierung der Vorrichtung, Start / Stop eines Messzyklus u. v. m.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind mehrere zu überwachende Körper der Vorrichtung zugeordnet, wobei während der Laufzeit wahlweise zwischen einem oder mehrerer der Körper als Elektrode umgeschaltet werden kann. Die zu überwachenden Körper können hinsichtlich ihrer Schwingkreiseigenschaften in der Steuerung hinterlegt sein, so dass durch das Koppeln bzw. Entkoppeln eines bestimmten Körpers mit der Vorrichtung ganz bestimmte Schwingkreischarakteristika realisiert werden können. Dies kann in Abhängigkeit von beispielsweise örtlichen Gegebenheiten, der geometrischen und / oder stofflichen Eigenschaften des ausgewählten Körpers, geschehen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das System mehrere Vorrichtungen, welche jeweils einen elektrischen Schwingkreis zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen aufweisen und welche jeweils mit einem zu überwachenden Körper insbesondere elektrisch gekoppelt sind. Hierdurch kann beispielsweise eine erweiterte Gestensteuerung oder auch Schaltung von Steuerprogrammen realisiert werden. Durch die Verwendung mehrerer Vorrichtungen, d. h. mehrerer räumlich voneinander beabstandeter Näherungssensoren kann in einer Art Triangulations-Verfahren eine Positionsbestimmung eines Objektes relativ zu den zu überwachenden Körpern durchgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an dem zu überwachenden Körper zusätzlich ein flächiger Drucksensor angeordnet. Dieser kann auch als Flächensensor bezeichnet werden. Der Sensor hat je nach Ausführung eine annähernd 2-dimensionale Form (ähnlich eines Aufklebers). Er kann über elektrische Anschlüsse für Elektrizität und/oder Auswerteeinrichtungen verfügen. Er ist je nach Ausführung flexibel an die geometrischen Bedingungen des Anbringungsortes anpassbar. Unter Verwendung dieser vorteilhaften Weiterbildung kann eine redundante Absicherung spezifischer Situationen geschaffen werden. Bei Ausfall entweder des Drucksensors oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung steht jeweils noch ein anderer, in seiner Funktion unabhängiger Sensor weiterhin zur Verfügung. Der flächige Drucksensor kann an dem zu überwachenden Körper befestigt sein. Insofern können in ein und demselben Bauteil in synergetischer Weise zwei Funktionalitäten vereint werden. Der flächige Drucksensor kann beispielsweise an beweglichen Gegenständen oder Anlageteilen angebracht sein. Die Einheit hat je nach Ausführungsform eine Höhe von nur wenigen Millimetern. Sie kann in ihrer Raumform nahezu beliebig angepasst werden und in verschiedensten Abmessungen und Geometrien hergestellt werden. Der Drucksensor verursacht bei punkt- oder flächig einwirkender Kraft einen proportionalen elektrischen Fluss. Eine angeschlossene Auswerteeinheit kann die daraus resultierende Spannung in Messwerte umsetzen und/oder löst beispielsweise nach Schwellwertüberschreitung einen oder unterschiedliche Schaltvorgänge aus, welche wiederum als Betriebs-, Notaussignal oder sonstige Reaktionsauslösung von übergeordneten Steuerungen weiterverarbeitet werden können. Ebenfalls möglich ist eine Dreifachbelegung der so entstehenden Sensorik. Beispielsweise kann die beschriebene Lösung an einem Roboterarm befestigt sein und als aktive Elektrode des kapazitiven Näherungssensors dienen. Bei leichter Berührung (gegebenenfalls auch im Bewegungszyklus) ändert der Roboter seine Aktionsweise gemäß einer beliebigen Vorgabe (Funktion 1 : Folientastatur) . Bei stärkerer Berührung wird hingegen steuerungsseitig eine Kollision interpretiert und die Maschinensteuerung löst einen Notaus aus (Funktion 2: Kollisionsdetektor). Die dritte Funktionalität besteht wie bereits beschrieben darin, den Flächensensor über seine gesamte Oberfläche als aktive Elektrode der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verwenden.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel für die erweiterte Anwenung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die Flussanalyse bei flüssigen oder gasförmigen leitungsgeführten Medien dar. Diese Spezialform einer aktiven Elektrode ist für den Einsatz an Flüssigkeits- oder gasführenden Rohrleitungen ausgelegt. Mittels der Verarbeitung einer speziell ausgelegten aktiven Elektrode in eine rohrschellenartige Befestigungseinheit wird die Einrichtung von außen an Rohren befestigt. Sobald ein geeignetes Medium innerhalb des Rohres in Bewegung gerät, kann die angeschlossene erfindungsgemäße Vorrichtung Bewegungszustände erkennen und auswertbar analysieren. Diese spezielle Form der aktiven Elektrode wird nicht in den Volumenstrom eingebracht, sondern funktioniert durch außenseitige (radiale) Befestigung an Rohrleitungen, Schläuchen, Sifons, oder ähnlichen flüssigkeits- oder gasführenden Einrichtungen. Alternativ zu der nachrüstbaren Lösung einer schellenartigen radialen Befestigung sollen auch Lösungsvarianten existieren, bei der die passive Elektrode fest mit dem flüssigkeits- oder gasführenden Materialen fest verbunden ist, beispielsweise durch Auflaminierung, oder mittels klebeverbindung. In speziellen Fällen ist auch die direkte Einarbeitung der aktiven Elektrode während des Herstellungsprozesses denkbar.
Zur verfahrensseitigen Lösung schlägt die Erfindung vor, ein Verfahren zur Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper unter Verwendung einer Vorrichtung, welche einen elektrischen Schwingkreis zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen und eine Steuerung zur Auswertung der Schwingfrequenz der elektrische Schwingungen aufweist, wobei aus einer Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter zu überwachender Körper, welche mit der Vorrichtung elektrisch koppelbar ausgebildet sind, ein zu überwachender Körper ausgewählt wird, wobei der ausgewählte zu überwachende insbesondere mehrteilige Körper mit der Vorrichtung als Elektrode zur Bildung eines kapazitiven Näherungssensors elektrisch gekoppelt wird, wobei die Vorrichtung nach dem Anschließen des zu überwachenden Körpers mittels der Steuerung kalibriert wird.
Ein Kerngedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass nicht ein ganz bestimmter, hinsichtlich seiner Eigenschaften vorbekannter Körper als Elektrode an die Vorrichtung angeschlossen wird, sondern vielmehr ein beliebiger zu überwachender Körper aus einer Vielzahl von möglichen und unterschiedlich ausgebildeten Körpern ausgewählt werden kann und elektrisch mit der Vorrichtung gekoppelt wird. Dies erlaubt es, dem Grunde nach beliebige Körper als Elektrode im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzen zu können. Dies wird dadurch ermöglicht, dass nach dem Anschließen des zu überwachenden Körpers die Vorrichtung mittels der Steuerung kalibriert wird, wie dies vorstehend bereits beschrieben worden ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Vorrichtung nach dem Anschließen des zu überwachenden Körpers bevorzugt automatisch kalibriert. Es kann vorgesehen sein, dass der zu überwachende Körper während der Laufzeit der Vorrichtung nach Belieben um zusätzliche zu überwachende Körper erweitert wird, wobei nach jeder Erweiterung die Vorrichtung, insbesondere automatisiert, kalibriert wird.
Das Verfahren zur berührungslosen Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper unter Verwendung der Vorrichtung kann so funktionieren, dass als Erstes die Steuerung der Vorrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird, sowie auch der Schwingkreis der Vorrichtung. Der Schwingkreis wird dann durch die Steuerung so eingestellt oder ausgewählt, dass eine für einen spezifische Situation vorgeeingestellte Grundfrequenz erzeugt wird. Diese Definition kann fest in der Steuerung hinterlegt sein, sie kann aber auch durch den vorhandenen Ausgang durch bidirektionale Kommunikation mit der Steuerung von einem extern angeschlossenen Gerät, wie einem Computer, in der Steuerung definiert werden.
Die Verwendung unterschiedlichen Schwingkreiseinstellungen ergibt sich aus den sich zur Laufzeit der Steuerung ändernden Einsatzbedingungen. Die Veränderlichkeit der physikalischen und geometrischen Eigenschaften der aktiven Elektrode ändert das Koherenzverhalten der (zusammengesetzten) aktiven Elektrode. Zur Erzielung optimaler Prüfbedingungen und maximaler Sensibilität der Vorrichtung dienen variable Schwingkreisverhalten der Berücksichtigung des jeweiligen Koherenzverhaltens der aktiven Elektrode.
Die Steuerung misst danach die Charakteristik des Schwingkreises fortlaufend, wobei diese sich ändert, wenn ein Objekt in den Observationsbereich bzw. Wirkbereich eindringt. Dieses Objekt ändert dann die Kapazität des aus aktiver Elektrode sowie passiver Elektrode bestehenden Kondensators des Schwingkreises und ändert somit das Verhalten des Schwingkreises. Ebenso kann auf diese Weise eine relative Entfernungsänderung zum Körper bei einem bereits in den Wirkungsbereich eingetretenen Objekt ermittelt werden.
Je nach Ausführungsform wird dann die gemessene Schwingcharakteristik durch die Steuerung ausgewertet. Diese Auswertung kann je nach Ausführungsform so aussehen, dass die Schwingfrequenz am Ausgang der Vorrichtung ausgegeben wird, oder gegebenfalls direkte Schalt- oder Steuerprozesse ausgeführt werden.
Ebenso kann die Steuerung die gemessene Schwingcharakteristik in eine andere elektrische Größe umwandeln und diese analog oder digital aufbereitet zur Weiterverarbeitung bereitstellen. Die Analyseergebnisse des Schwingkreises können durch einen an der Vorrichtung angeschlossenen Lautsprecher hörbar gemacht werden und/oder durch ein an der Vorrichtung angeschlossenes optisches Signal sichtbar gemacht werden. Es kann aber auch einfach ein externes Gerät, wie z. B. ein Computer angeschlossen werden, der das bereitgestellte, von der Steuerung aufbereitete Signal abgreift und extern auswertet.
In definierten Zeitabständen, die fest in der Steuerung eingebracht sind oder durch den Ausgang mittel bidirektionaler Kommunikation mit der Steuerung definiert werden, kalibriert die Steuerung den Schwingkreis, so dass Umgebungseinflüsse, wie z.B. sich ändernde Temperaturen, sich ändernde Feuchtigkeit oder auftretende magnetische Felder kompensiert werden können. Hierzu kann die Steuerung entsprechende Sensoren aufweisen, um die entsprechenden Umgebungseinflüsse messen zu können.
Abgesehen von der in definierten Zeitabständen ausgeführten Kalibrierung kann die Kalibrierung auch von mindestens einem extern angeschlossenen System, wie beispielsweise einem Computer, durch die bidirektionale Kommunikation mit der Steuerung angestoßen bzw. ausgelöst werden.
Ebenfalls möglich ist der kombinierte Betrieb mehrerer der erfindungsgemäßen Vorrichtungen als ein System. Über eine Adressierung der Steuerungen kann dann eine einzelne Steuerung die Erstellung und/oder Kalibrierung der Schwingkreise vornehmen. Die digital aufbereiteten Daten der Steuerungen können so den jeweiligen Vorrichtungen zugeordnet werden.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig . 1 als Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer seriellen RS 232-Schnittstelle als Ausgang,
Fig. 2 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit serieller RS 232-Schnittstelle sowie zusätzlichen elektrischen Kontakten im Ausgang;
Fig 3 das grundlegende Funktionsprinzip eines kapazitiven Schwingkreissensors;
Fig. 4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 6 eine Ausführungsform eines zu überwachenden Körpers.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zeigt ein LC-Glied 12 als Schwingkreis der Vorrichtung. Ein Mikrocontroller 13 wird zur Steuerung der Vorrichtung eingesetzt. Beides wird durch die vorgesehene Stromversorgung 14 mit elektrischer Energie versorgt. An das LC-Glied 12 kann eine externe Antenne 18 als aktive Elektrode angeschlossen werden.
Die Steuerung steuert und/oder analysiert das Verhalten des Schwingkreises. In dieser Ausführungsform ist eine zusätzliche Digitalisierungsinstanz 17 zwischen dem Schwingkreis und der Steuerung gestaltet. Dies kann jedoch auch der Mikrocontroller 13 selbst übernehmen oder mittels anderer Anordnungen geschehen.
Die Steuerung steuert nicht nur die Frequenz des Schwingkreises und führt unterschiedliche Analysen und Auswertungen durch, sondern fungiert auch zur Kalibrierung des Schwingkreises. Hierzu wird zu definierten Zeitpunkten die Grundfrequenz des Schwingkreises festgelegt. Dies geschieht bevorzugt dann, wenn kein Objekt detektiert wurde.
Zur Ausgabe ist in diesem Ausführungsbeispiel eine serielle Schnittstelle 15, nämlich eine RS 232-Schnittstelle in der Vorrichtung vorgehen. Hierdurch kann ein Datenaustausch 16 durchgeführt werden. Hierzu wird ein externes Gerät, wie beispielsweise ein Computer, an der Vorrichtung angeschlossen, das dazu benutzt wird, die von der Steuerung gemessenen Werte auszulesen sowie der Steuerung Befehle zukommen zu lassen, wie beispielsweise die Zeitabstände der Kalibrierung, ein Kalibrierungsbefehl selber sowie ggf. Schwellwerte, aufgrund derer dann die Steuerung über den Ausgang Befehle zum angeschlossene externen Gerät überträgt. Diese Kommunikation mit dem externen Gerät ist bidirektional ausgeführt, so dass gleichzeitig Werte von der Steuerung zum Ausgang bereitgestellt werden können, wie auch vom externen angeschlossenen Gerät Befehle zur Steuerung hingesendet werden können. Denkbar ist jedoch auch ein Ausgang, der nur Werte ausgibt und ein extra ausgeführter Eingang, zur Befehlseingabe für die Steuerung.
Fig. 2 besteht im Prinzip aus einem ähnlichen Anwendungsbeispiel. Hier sind jedoch zusätzlich elektrische Kontakte vorgesehen, die den Ausgang aus Fig. 1 erweitern. Diese elektrischen Kontakte, in Fig. 2 als I/O Ports 19 bezeichnet, dienen zum Anschluss externer I/O Geräte 20, die durch die in der Vorrichtung vorgesehene Steuerung geschaltet werden können. Beispielsweise kann die Steuerung bei Erreichen verschiedener definierter Schwellwerte verschiedene Kontakte in den I/O Ports schalten, um extern angeschlossene Geräte anzusteuern, wie z.B. akustische Signale, elektrische Signale oder optische Signale.
Diese I/O Ports können ebenfalls in digitaler Form vorliegen, so dass angeschlossene Computer, Regler, o. ä. angesteuert werden können. Sie können aber auch einfache elektronische Signale, wie Spannungswerte, Stromwerte oder Widerstandswerte ausgeben, je nach Anwendungsfall..
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren dazu ist nicht auf die oben genannten Merkmale beschränkt. Vielmehr sind weitere Ausführungsformen denkbar. So könnten beispielsweise zwei Steuerungen in der Vorrichtung vorgesehen sein, eine zur Auswertung der gemessenen Schwingkreisfrequenzen und eine zur Einstellung und Kalibrierung des Schwingkreises. Als Ausgang können andere als die oben genannten Schnittstellen dienen, z.B. weitere Kommunikationsschnittstellen, BUS- Schnittstellen oder elektrische Kontakte. Ebenso ist es letztlich möglich, den Schwingkreis aus zwei Kondensatoren aufzubauen, wobei ein Kondensator, wie oben beschrieben, mit aktiver und passiver Anode ausgeführt ist und der andere ein standardisiertes elektronisches Bauteil in der Vorrichtung. Die beiden Kondensatoren könnten sich dann zu einer gemeinsamen Kapazität ergänzen.
Figur 3 zeigt das Funktionsprinzip eines kapazitiven Schwingkreissensors. Kernelement eines kapazitiven Schwingkreissensors ist üblicherweise ein sog. LC- Glied 2 (Fig. 3), mit dem ein sinusförmig schwingendes elektrisches Wechselfeld erzeugt wird. Das LC-Glied besteht aus einer Spule als Induktivität und einem Kondensator als Kapazität. Zwischen diesen beiden Komponenten baut sich ein elektrisches Wechselfeld auf, welches bei nicht geänderten Betriebsbedingungen relativ homogen schwingt. Ein Kondensator besteht aus zwei sog. Elektroden, zwischen denen ein elektrisch nicht leitendes Material als Dielektrikum. Die Kapazität des Kondensators ergibt sich aus der Sperrfähigkett des Dielektrikums. Wird nun an diese Spulen - Kondensatorkombination eine weitere Kapazität angeschlossen, so verändert sich das Schwingverhalten. Eine solche Kapazitätsveränderung lässt sich erzielen, indem man eine sog.„aktive Elektrode'' oder Elektrode 3 fest mit der Schaltung verbindet. Nähert sich nun eine sog. „passive Elektrode" 4, so wirkt das Medium zwischen aktiver und passiver Elektrode als Dielektrikum. Ab einem bestimmten Punkt der Annäherung eines elektromagnetisch geladenen Körpers geraten die Felder in Bewegung und beeinflussen so das Schwingverhalten des LC-Gliedes. Üblicherweise wertet eine Auswerteelektronik entsprechende Änderungen aus und bereitet sie für die Weiterverarbeitung aus.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese verfügt über einen Schwingkreis 2, welcher elektrisch mit einer Steuerung 5 verbunden ist. Der Schwingkreis 2 kann in bereits beschriebener Weise beispielsweise als LC-Glied ausgebildet sein. Die Steuerung 5 verfügt über einen Anschluss für eine Energieversorgung 7 und eine Datenschnittstelle 8.
Der Schwingkreis 2 zeichnet sich dadurch aus, dass er nicht, wie beispielsweise in Figur 3 gezeigt, über eine eigene Elektrode 3 verfügt. Er weist vielmehr lediglich einen Anschluss 6 für zu überwachende Körper als aktive Elektrode auf. Der Schwingkreis 2 und somit die Messeinrichtung 1 sind somit Elektrodenfrei ausgebildet. Über den Anschluss 6 kann der Schwingkreis 2 elektrisch mit einem zu überwachenden Körper gekoppelt werden.
Figur 5 zeigt eine Variante der Messeinrichtung gemäß Figur 4. Es sind mehrere Schwingkreise 2 vorhanden, in diesem Fall drei. Diese können jeweils einzeln oder in Kombination geschaltet werden, das heißt mit der Steuerung 5 verbunden werden. Die Anschlüsse 6 der Schwingkreise 2 können in gleicher Weise durch Schalter miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden. Durch die Kombination oder das wahlweise Betreiben eines bestimmtes Schwingkreises 2 kann eine große Vielzahl an möglichen Schwingkreischarakteristiken realisiert werden. Das Kombinationsschema ist nicht auf die Verwendung von drei Schwingkreiselementen 2 festgelegt.
Figur 6 zeigt ein Beispiel für einen zu überwachenden Körper 9, nämlich einen Roboterarm 9. Mit dem als aktive Elektrode genutzten Effektor 10 können Körper 1 1 gegriffen und gehandhabt werden, wie dies in der rechten Abbildung dargestellt ist. Durch das Greifen des Körpers 10 verändern sich die als aktive Elektrode 3 maßgeblichen Eigenschaften, was zu einer veränderten Schwingkreischarakteristik führt. Durch eine entsprechende Berücksichtigung innerhalb der Steuerung 5 (Figuren 4,5) kann dem jedoch Rechnung getragen werden. Beispielsweise kann, insbesondere vollautomatisch, nach dem Greifen des Körpers 11 eine Kalibrierung durchgeführt werden. Dadurch kann eine neue, durch die veränderten Eigenschaften des nunmehr aus den beiden Körpern 9, 1 1 zusammengesetzten, zu überwachenden Körpers Rechnung getragen werden. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem Messkörper, mit einer elektrischen Energieversorgung, mit einem elektrischen Schwingkreis zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen, mit einer Steuerung zur Auswertung der Schwingfrequenz der elektrischen Schwingungen, sowie zur Kalibrierung durch Festlegung eines Sollbereiches der Schwingfrequenz, wobei der Messkörper elektrostatisch ladbar gestaltet ist und bei Vorhandensein der elektrischen Energie elektrostatisch geladen wird und somit Feldlinien ausstrahlt, der Messkörper eine aktive Kondensatorelektrode des kapazitiven Teils des Schwingkreises bildet, dass das Objekt eine passive Kondensatorelektrode bildet, und somit die Kapazität des Kondensators und daraus folgend die Schwingfrequenz der elektrischen Schwingungen bei Einbringung des Objekts in den Feldlinienbereich des Messkörpers eine messbare Änderung erfährt.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei der Schwingkreis aus mindestens einer Spule und/oder Widerstand und mindestens einem Kondensator besteht, wobei die Elektroden mindestens eines Kondensators aus Messkörper und Objekt bestehen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei der Messkörper durch Berührung weiterer elektrostatisch ladbarer Körper erweitert werden kann. Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die Frequenz des Schwingkreises durch die Steuerung beeinflusst werden kann.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die Vorrichtung mindestens einen Ausgang besitzt, an welchem die Frequenz des Schwingkreises abgreifbar ist.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die Steuerung die Frequenz des Schwingkreises in eine messbare elektrische Größe umwandelt.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die messbare elektrische Größe eine elektrische Schwingung und/oder eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Widerstand und/oder einen elektrischen Stromwert darstellt.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei der Ausgang ebenfalls oder statt der Frequenz des Schwingkreises die messbare elektrische Größe abgreifbar ist.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei der Ausgang als ein digitaler Ausgang wie z.B. eine serielle Schnittstelle ausgebildet ist und die abgreifbaren Werte durch die Steuerung digitalisiert werden.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die Vorrichtung einen Anschluss zur Einspeisung elektrischer Energie besitzt.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei Ausgang und Anschluss zur Einspeisung elektrischer Energie ein Bauteil sind, wie z.B. ein USB-Anschluss.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei zur Kommunikation mit der Steuerung mindestens ein Kommunikations-Modul verwendet wird, wie z.B. Bluetooth, WLAN, Infrarot und/oder Ethernet.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei das Kommunikationsmodul auch als Ausgang dient und/oder Kommunikationsmodul bzw. Ausgang auch zur bidirektionalen Kommunikation mit der Steuerung dient.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die Steuerung einstellbare Schwellwerte besitzt, um die messbare elektrische Größe zu beeinflussen.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem Messkörper unter Verwendung einer zuvor beschriebenen Vorrichtung. wobei als erstes die Steuerung mit elektrischer Energie versorgt wird, dann der Schwingkreis durch die Steuerung so eingemessen wird, dass ein Sollbereich der Schwingfrequenz festgelegt wird, die Steuerung danach die Schwingfrequenz fortlaufend misst, wobei die Schwingfrequenz sich ändert, wenn ein Objekt in den Bereich der Feldlinien eindringt und/oder seine Entfernung zum Messkörper ändert, und die gemessene Schwingfrequenz durch die Steuerung ausgewertet wird.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die ausgewertete Schwingfrequenz durch einen an der Vorrichtung angeschlossenen Lautsprecher hörbar gemacht wird.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die ausgewertete Schwingfrequenz durch ein an der Vorrichtung angeschlossenes optisches Signal sichtbar gemacht wird.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die ausgewertete Schwingfrequenz durch mindestens einen Ausgang abgreifbar ist.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die Steuerung in zu definierenden Zeitpunkten den Schwingkreis kalibriert, so dass Umgebungseinflüsse, wie z.B. sich ändernde Temperaturen, sich ändernde Feuchtigkeit, auftretende elektromagnetische Felder, kompensiert werden.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Weiterbildung, wobei die Kalibrierung auch durch Steuersignale mittels Ausgang bzw. dem Kommunikationsmodul ausgeführt werden kann.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein System mit mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen, wobei über eine Adressierung der Steuerungen eine einzelne Steuerung die Einstellung und/oder Kalibrierung der Schwingkreise vornimmt und/oder die Daten der adressierbaren Steuerungen liest und am Ausgang bereitstellt, wobei diese Daten dann den einzelnen Vorrichtungen zugeordnet werden können.
Bezugszeichen
1 Messeinrichtung
2 Schwingkreis
3 aktive Elektrode
4 passive Elektrode
5 Steuerung
6 Anschluss
7 Energieversorgung
8 Datenschnittstetle
9 Körper
10 Effektor
1 1 Körper
12 LC-Glied
13 Mikrocontroller
14 Stromversorgung
15 serielle Schnittstelle
16 Datenaustausch
17 Digitalisierungstnstanz 8 Anschluss externe Antenne
19 I/O Ports
20 I/O Geräte

Claims

Patentansprüche
1. System zur Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper, aufweisend: eine Vorrichtung, welche einen elektrischen Schwingkreis zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen aufweist; und eine Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter zu überwachender Körper; wobei bei bestimmungsgemäßer Verwendung nach dem Baukastenprinzip einer der zu überwachenden Körper ausgewählt und mit der Vorrichtung elektrisch gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung und der zu überwachende Körper zusammen einen kapazitiven Näherungssensor bilden, wobei der zu überwachende Körper eine aktive Elektrode des Näherungssensors bildet.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zu überwachenden Körper hinsichtlich Raumform und/oder Material unterschiedlich ausgebildet und gemäß ihrer Eignung frei wähbar sind.
3. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu überwachenden Körper auswechselbar mit der Vorrichtung koppelbar ausgebildet sind.
4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung selbst elektrodenfrei ausgebildet ist.
5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination aus mehreren zu überwachenden Körpern als aktive Elektrode mit der Vorrichtung koppelbar ist.
6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuerung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass bei Kopplung eines zu überwachenden Körpers mit der Vorrichtung, insbesondere automatisiert, eine Kalibration durchgeführt wird.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei elektrische Schwingkreise gleicher Frequenz zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen aufweist, wobei nur einer der Schwingkreise mit dem die aktive Elektrode bildenden zu überwachenden Körper koppelbar ist.
8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere elektrische Schwingkreise mit unterschiedlichen Frequenzen aufweist, welche jeweils einzeln oder miteinander kombiniert mit dem die aktive Elektrode bildenden zu überwachenden Körper koppelbar sind.
9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis der Vorrichtung aus zur Laufzeit veränderlichen Komponenten, insbesondere Widerständen, Kondensatoren und/oder Spulen, gebildet ist.
10. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zu überwachenden Körper zusätzlich ein flächiger Drucksensor angeordnet ist
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Drucksensor zugleich eine aktive Elektrode zur Kopplung mit der Vorrichtung ist.
12. Verfahren zur Detektion und/oder Abstandsermittlung mindestens eines Objektes relativ zu einem zu überwachenden Körper unter Verwendung einer Vorrichtung, welche einen elektrischen Schwingkreis zur Erzeugung von elektrischen Schwingungen und eine Steuerung zur Auswertung der Schwingfrequenz der elektrischen Schwingungen aufweist, wobei aus einer Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter zu überwachender Körper, welche mit der Vorrichtung elektrisch koppelbar ausgebildet sind, ein zu überwachender Körper ausgewählt wird, wobei der ausgewählte zu überwachende Körper mit der Vorrichtung als aktive Elektrode zur Bildung eines kapazitiven Näherungssensors elektrisch gekoppelt wird, wobei die Vorrichtung nach dem Anschließen des zu überwachenden Körpers mittels der Steuerung kalibriert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nach dem Anschließen des zu überwachenden Körpers automatisch kalibriert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zu überwachenden Körper während der Laufzeit der Vorrichtung nach Belieben um zusätzliche zu überwachende Körper erweitert wird, wobei nach jeder Erweiterung die Vorrichtung, insbesondere automatisiert, kalibriert wird.
15. Verwendung eines Maschinenbestandteils, insbesondere
Maschinengehäusebestandteils beispielsweise eines Roboters, als aktive Elektrode eines kapazitiven Näherungssensors.
16. Verwendung einer Rohrleitung, insbesondere eines Rohrleitungsabschnitts, als aktive Elektrode eines kapazitiven Näherungssensors.
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