DE3242621A1 - Capacitive proximity detector - Google Patents

Capacitive proximity detector

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DE3242621A1 DE19823242621 DE3242621A DE3242621A1 DE 3242621 A1 DE3242621 A1 DE 3242621A1 DE 19823242621 DE19823242621 DE 19823242621 DE 3242621 A DE3242621 A DE 3242621A DE 3242621 A1 DE3242621 A1 DE 3242621A1
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    • H03K2217/960775Emitter-receiver or "fringe" type detection, i.e. one or more field emitting electrodes and corresponding one or more receiving electrodes

Abstract

Capacitive proximity detector, containing an oscillator and electrode, in which a second external electrode is present instead of a reference capacitor, a capacitive coupling being produced between the two electrodes in the outer chamber of the sensor, which is attenuated by a streaming effect upon the approach of an object; in addition, an electronic circuit for evaluation.

Description

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung zwischen einem Sensor und einem Meßobjekt nach dem kapazitiven Prinzip. Die Erfindung ermöglicht eine höhere Genauigkeit und größere meß-Distanzen, als nach dem Stand der Technik Kapazitive Abstand sensoren werden - - - in Industrieanlagen benötigt, beispielsweise um Flüssigkeitspegel oder Bewegungen von Teilen zu überwachen.The invention relates to a method for contactless distance measurement between a sensor and a measurement object according to the capacitive principle. The invention enables greater accuracy and greater measuring distances than according to the prior art Capacitive distance sensors are required in industrial systems, for example to monitor liquid levels or the movement of parts.

Das übliche Prinzip beruht auf einer kapazitiven Spannungsteilung. Dabei befindet sich an einer Gehäusewand des Ssnsors oder der Sonde ein Plattenkondensator, dessen eine, an der Innenseite liegende Elektrode an einen Oszillator angeschlossen ist. Die andere, äußere Elektrode weist eine elektrische Kapazität aufReinerseits gegenüber der inneren Elektrode, andererseits in den Außenraum beziehungsweise zum rneßobjekt. Hieraus resultiert an der äußeren Elektrode eine Spannungsteilung der Oszillatorspannung.The usual principle is based on a capacitive voltage division. There is a plate capacitor on the housing wall of the sensor or the probe, One of the electrodes on the inside is connected to an oscillator is. The other, outer electrode has an electrical capacitance on the one hand opposite the inner electrode, on the other hand in the outer space or to the object. This results in a voltage division at the outer electrode Oscillator voltage.

Die Annäherung des Dießabjektes bewirkt eine veränderte Spannungsteilung gemäß dar Veränderung der äußeren Teil-Kapazität. Die innere Kapazität ist hierbei die Referenz-Kapazität.Die Auswertung der Spannungsänderung geschieht beispielsweise, indem der Oszillator von der Spannung der äußeren Elektrode gegengekoppelt, also bedämpft wird, so daß er sich im kritischen Zustand des Anschwingens befindet, was eine Abnahme oder ein Abreißen der Oszillator-Schwingung gemäß der Annäherung zur Folge hat.The approach of the die object causes a change in the division of tension according to the change in the external partial capacitance. The inner capacity is here the reference capacitance. The voltage change is evaluated, for example, in that the oscillator feeds back against the voltage of the outer electrode, i.e. is damped so that it is in the critical state of oscillation, what a decrease or a breakdown of the oscillator vibration according to the approximation to Consequence.

Neben der kapazitiven Spannungsteilung existieren noch andere Verfahren, denen jedoch allen gemeinsam ist die messung der Kapazität ZZ»r Objekt ,und das Vorhandensein einer Referenzkapazität im Inneren des Gerätes. Nachteile Stand der Technik: Die Spanningsteilung, also das Größenverhältnis zwischen äußerer zu innerer Kapazität, nimmt bei yrößeren Meßdistanzen 8o sterk ab, daß die Auswertung größerer Abstände sehr ungenau wird. Präzise Funktion ist nur möglich in einem geringen Abstandsbereich, der vergleichbar ist mit der mechanischen und daher elektrischen Größenordnung der eingebauten Kapazität.In addition to capacitive voltage division, there are other methods, which all have in common is the measurement of the capacitance ZZ »r object and the presence of a reference capacitance inside the device. Disadvantages of the state of the art: The span division, that is to say the size ratio between the external to the internal capacitance, decreases considerably with larger measurement distances, so that the evaluation of larger distances becomes very imprecise. Precise function is only possible in a small distance range, the is comparable to the mechanical and therefore electrical order of magnitude of the built-in capacitance.

Wegen dem zum Abstand reziproken Kapazitätsabfall resultiert als Differentialfunktion ein quadratischer Anstieg der Maß-Ungenauigkeit mit dem Abstand, bei höheren Abständen wegen des Kugelfeldes sogar zu dritter Potenz.Because of the reciprocal drop in capacity with respect to the distance, the result is a differential function a quadratic increase in the dimensional inaccuracy with the distance, at higher distances because of the spherical field even to the third power.

Eine weitere Schwierigkeit ist, daß die äußere Kapazität auch bei unendlichem Abstand zum Objekt nicht auf Null verschwindet, sondern eine Restkapazität auch im freien Raum vorhanden ist, die sich nicht ändert, und z.B. ca.Another difficulty is that the external capacitance is also at infinite distance to the object does not disappear to zero, but a residual capacity is also available in free space that does not change, and e.g. approx.

3 Picofarad ausmacht bei einer Elektrode von 50x 50 mm, was mehr als das Hundertfache der variablen Kapazität ausmachen kann.Beim Abgleich spielt also die Konstanz-Anforderung eine große Rolle. Außerdem wird die Genauigkeit durch die Stabilität der Referenzkapazität begrenzt.3 picofarads for a 50x50mm electrode, which is more than can make up a hundred times the variable capacity the constancy requirement plays an important role. In addition, the accuracy is enhanced by the The stability of the reference capacitance is limited.

Funktionsweise der Erfindung: Die Neuerung beruht darauf, daß die Referenzkapazität im Inneren des Gerätes entfällt, aber eine zweite Außenelektrode vorhanden ist (Sende-Elektrode benannt), die an den Oszillator angeschlossen ist.How the invention works: The innovation is based on the fact that the There is no reference capacitance inside the device, but a second external electrode is present (named transmitter electrode), which is connected to the oscillator.

Die andere Außenelektrode wirkt als Empfangselektrode und kann in einer Ebene neben der Sendeelektrode angeordnet sein. Das meßfeld ist also ausschließlich auf den Außen-Raum des Gerätes beschränkt. Anstelle einer Referenz-Kapazität wirkt im Außenraum die Kapazität zwischen Sende-Elektrode und Empfangselektrode als Kopplung an den Oszillator, indem die Empfangselektrode im Feld der Sendeelektrode liegt.The other outer electrode acts as a receiving electrode and can be used in be arranged on a plane next to the transmitter electrode. The measuring field is therefore exclusive limited to the outside space of the device. Acts instead of a reference capacitance in the outer space, the capacitance between the transmitting electrode and the receiving electrode as a coupling to the oscillator by placing the receiving electrode in the field of the transmitting electrode.

Beim Annähern eines Objektes vergrößert sich erstens, wie bisher, die Kapazität Empfangselektrode - Objekt, zweiten verringert sich die Ankopplung zur Sendeelektrode wegen der Abschirmung, die das Objekt bewirkt, wenn ee in das Feld eintaucht. An der :Empfangselektrode resultiert also ein Amplitudenabfall gemäß der Vergrößerung einer Teilkapezität und der gleichzeitigen Abschwächung der anderen Teil-Kapazität. Der Vorteil dabei ist, daß sich beide Teilkapazitäten am selben Ort und im selben Dielktrikum' nämlich der Luft im Aubenraum, Spannungsteiler völlig ausgewogen und störfrei ist.When an object is approached, firstly, as before, the capacitance of the receiving electrode - object increases, and secondly, the coupling to the transmitting electrode is reduced because of the shielding that the object provides when ee is immersed in the field. At the: receiving electrode there is thus a drop in amplitude in accordance with the increase in a partial capacitance and the simultaneous weakening of the other partial capacitance. The advantage here is that both partial capacities are in the same place and in the same dielectric, namely the air in the outside space, Voltage divider is completely balanced and free of interference.

Der Wert der Spannungsänderung läßt sich errechnen, indem man zunächst das Potential ermittelt, das gemäß des Feldes an dem angenäherten Objekt anlage, wenn es nicht geerdet wäre (also konstant im Nahfeld der Elektrode und dann reziprok zur Distanz fallend im Kugelfeld).The value of the change in voltage can be calculated by first of all determines the potential that is applied to the approximate object according to the field, if it were not earthed (i.e. constant in the near field of the electrode and then reciprocal falling with the distance in the spherical field).

Dieser.Spannungsunterschied durch das geerdet-sein des Objekts überträgt sich dann kapazitiv zur Empfangselektrode.This voltage difference is transmitted by the fact that the object is grounded then capacitively to the receiving electrode.

Der Sensor funktioniert auch bei Objekten, die nichtleitend oder nicht geerdet sind, und zwar aufgund der inneren und äußeren elektrischen Kapazität, die die Objekte aufgrund ihrer Abmessungen besitzen.The sensor also works with objects that are non-conductive or not are grounded due to the internal and external electrical capacitance that which objects have due to their dimensions.

Das Prinzip der Erfindung verbessert die Meßgenauigkeit und den erzielbaren maximalen meßabstand des Sensors um ein Vielfaches. Eine Ausführung in 60 x 150 x 20 mm messendem Gehäuse erreicht einen Abstand von 300 mm mit + 1 mm Genauigkeit. Die Verbesserung ergibt sich durch folgende Prinzipien: 1) Die beschriebene Abschirmeirkung durch das Opjekt.Sie läßt sich noch steigern, indem Sende- und Empfangs-Elektrode zueinender einen Abstand haben und dazwischen eine Abschirmfläche angebracht ist' gemäß Anspruch 8.The principle of the invention improves the measurement accuracy and the achievable the maximum measuring distance of the sensor many times over. A version in 60 x 150 x 20 mm housing reaches a distance of 300 mm with + 1 mm accuracy. The improvement results from the following principles: 1) The shielding effect described by the object. It can be increased by adding the sending and receiving electrodes to be at a distance from each other and a shielding surface is attached between them '' according to claim 8.

2) Das geerdete Gehäuse des Sensors nicht wie bisher die Empfindlichkeit, sondern die Abschirliluny des Nahfeldss.2) The earthed housing of the sensor not the sensitivity as before, but the abortion of the near field.

3) Es entfällt das Kompensieren von Temperaturgang oder sonstigen Schwankungen der Referonzkapa2itbt.3) There is no compensation for temperature drift or other Fluctuations in referral capacity.

4) Da die Kopplung zwischen Oszillator und Empfangs-Antenne relativ klein ist, entfällt das oben beschriebene Problem der zu geringen Spannungsänderung bzw. der großreumigen Referenzfapazität.4) Because the coupling between the oscillator and the receiving antenna is relative is small, the problem of insufficient voltage change described above does not apply or the large reference capacitance.

5) An der Empfangselektrode liegt nicht wie bisher eine hohe Grund- Amplitude, unabhängig von Änderungen, also sind Änderungen auch relativ gesehen größer, das bedeutet für die Auswertschaltung weniger Anforderungen an die Gleichtaktunterdrückung.5) The receiving electrode does not have a high basic Amplitude, regardless of changes, so changes are also relative larger, which means fewer requirements for the common-mode rejection for the evaluation circuit.

Erklärung eines Ausführungsbeispiels anhand Figur 1 (Schnitt), Figur 2 (Aufsicht Elektroden) und Figur 3 (Schaltplan,schemat.) Die Untere Gehäusewand des Sensors 1 besteht aus einer Epoxy- Platte,und die Sendeantenne 3 und Empfangsantenne -4 bestehen aus geätzter Kupferbeschichtung. Die Beschichtung kann hierbei auf der Innenseite der Epoxyplatte liegen.Explanation of an exemplary embodiment with reference to FIG. 1 (section), FIG. 2 (top view of electrodes) and FIG. 3 (circuit diagram, schematic) The lower housing wall of the sensor 1 consists of an epoxy plate, and the transmitting antenna 3 and receiving antenna -4 are made of an etched copper coating. The coating can be on the inside of the epoxy board.

Als Abschirmung ist nach Anspruch 5 urn die Empfangsantenne die Umrahmung 5 als Leiterbahn andeordnet, und hieran ist als rückwärtige Abschirmung das Blechkästchen 5 aufgelötet.According to claim 5, the frame around the receiving antenna is used as a shield 5 rearranged as a conductor track, and on this is the sheet metal box as a rear shield 5 soldered on.

3, 4 und 6 sind elektrisch mit der Elektronik 7 verbunden, Ihr Schaltausgangtsowie Speiseleitung 9 werden aus dem Gehäuse herausgeführt.3, 4 and 6 are electrically connected to the electronics 7, their switching output as well as Feed line 9 are led out of the housing.

Die Umrahmung 5 ist an der Seite zur Sendeantenne breiter, um die Abschirmwirkung des Meßobjekts zu unterstützen, gemäß Anspruch 8.The frame 5 is wider on the side to the transmitting antenna to the To support the shielding effect of the test object, according to claim 8.

Die Elektronikschaltung des eises Ausführungsbeispiels zeigt das Schematisierte Schaltschema Figur 3.Die Elektronik ist vorzugsweise in einem Integrierten Schaltkreis untergebracht, der auch die Schaltstufe für den Steuerausgang enthält.The electronic circuit of the exemplary embodiment shows the schematic Circuit diagram Figure 3. The electronics are preferably in an integrated circuit housed, which also contains the switching stage for the control output.

Der Operationsuerstärker 11 liegt mit seinem invertierenden Eingang an der Empfangsantenne 4 und ist also, neben dem Arbeitspunkt- Widerstand 14 , über die Sendeantenne 3 vom Ausgang kapazitiv gegengekoppelt. Das potentiometer 12 im itkoppelzweig ist so abgeglichen, daß sein Teilverhältnis gleich ist dem Teliverhältnis der Antennen. Bei Annäherung eines Objektes verringert sich die Gegenkopplung uno die Schaltung beginnt zu schwingen. Der Verstärker ist also gleichzeitig der Oszillator (Anspruch 2). Der Gleichrichter und eine nicht eingezeichnete Triggerstufe für den Ausgang der Schaltung folgen am Ausgang des Oszillators.The inverting input of the operational amplifier 11 is connected to the receiving antenna 4 and is thus, in addition to the operating point resistor 14, capacitively fed back from the output via the transmitting antenna 3. The potentiometer 12 in the coupling branch is adjusted so that its partial ratio is equal to the telephoto ratio of the antennas. When an object approaches, the negative feedback is reduced uno the circuit begins to oscillate. The amplifier is also the oscillator (claim 2). The rectifier and a trigger stage (not shown) for the output of the circuit follow at the output of the oscillator.

Die Abschirmelektrode 5 liegt am nichtinvertierenden Eingang, damit zwischen ihr und der Antenne 4 keine wesentliche Spannung auftritt und somit kein Feld. Die Abschirmung ist also als Wächter (Guard) angeschlossen.The shielding electrode 5 is at the non-inverting input, so no significant voltage occurs between it and the antenna 4 and thus no Field. The shield is therefore connected as a guard.

Gemäß Anspruch 6 bzw.7 kann die Speisespannung des Verstärkers 11 elektrisch dem Gleichtaktsignal bzw. der Guard- Spannung nachgsführt werden, indem die Speiseleitungen an Spanningsfolgern angekoppelt sind (nicht eingezeichnet), die ihrerseits eingangsseitig an den Schleifer des Potentiometers 12 angekoppelt sind. Diese Spannungsmitführung bewirkt, daß für den Operationsverstärker 11, bezogen auf seine Speiseleitungen, keine wesentlichen Gleichtaktsignale mehr auftreten, und dadurch die neben der Antenne 4 störende Eingangskapazität des Verstärkers 11 totgelegt wird, also nicht mehr das kapazitive Teilverhältnis beeinflußt.According to claim 6 or 7, the supply voltage of the amplifier 11 electrically track the common-mode signal or the guard voltage by the feed lines are coupled to voltage followers (not shown), which in turn are coupled on the input side to the wiper of the potentiometer 12 are. This voltage entrainment causes that for the operational amplifier 11, based on its feeder lines, no more significant common-mode signals occur, and thereby the input capacitance of the amplifier 11, which is disruptive in addition to the antenna 4 is dead, so no longer affects the capacitive part ratio.

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Claims (8)

Käpazitiver Annäherungsmelder Ansprüche Verfahren zur kapazitiven Messung des Abstandes zu einem Objekt, und entsprechendes Gerät (Sensor) hierzu, das einen elektrischen Oszillator und eine Antennen-Anordnung enthält, gekennzeichnet dadurch, daß als Antennenanordnung mindestens ZWEi voneinender isolierte Elektroden vorhanden sind, die beide eine direkte Kapazität zum Außenraum des Sensors hin aufweisen, und von denen eine, die Sendeelektrode, mit dem Ausgang des Oszillators verbunden ist, und eine andere, die Empfangselektrode, mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist. Capacitive proximity detector claims method for capacitive Measurement of the distance to an object, and a corresponding device (sensor) for this, which contains an electrical oscillator and an antenna arrangement, characterized in that at least TWO electrodes isolated from one another as an antenna arrangement are available, both of which have a direct capacitance to the outside of the sensor, and one of which, the transmitting electrode, is connected to the output of the oscillator and another, the receiving electrode, is connected to the input of an amplifier is. 2) Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator mit einer Verstärkerschaltung aufgebaut ist, die rückgekoppelt ist bis zum kritischen Zustand des Anschwingens, und deren invertierender oder nichtinvertierender Eingang mit der Empfangselektrode verbunden ist, wadurch die Elektrodenanordnung und der Verstärker Bestandteile des Oszillators darstellen. 2) Sensor according to claim 1, characterized in that the oscillator is constructed with an amplifier circuit which is fed back to the critical state of the oscillation, and the inverting or non-inverting input is connected to the receiving electrode, whereby the electrode arrangement and the amplifier components of the oscillator represent. 3) Sonde oder zum Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer isolierenden Platine besteht, auf der die Sende- und Empfangs-Elektrode als metallische Leiterbahnen oder Flächen angebracht sind.3) probe or for the method according to claim 1, characterized in that it consists of an insulating board on which the transmitting and receiving electrodes are attached as metallic conductor tracks or surfaces. 4) Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sendeelektrodi und Empfangselektrode in getrennten Geräteteilen eingebaut sind.4) Device according to claim 1, characterized in that transmission electrodes and receiving electrode are installed in separate parts of the device. 5) Sensor nach einer der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine innenseitige Abschirmung hinter der Empfangselektrode enthält, die elektrisch als Wächter (Guard) wirkt, indem sie an einen Punkt der Schaltung angeschlossen ist mit einer im Wesentlichen gleichen Amplitude wie an der Empfangselektrode,zum Beispiel an einen komplementären Differenzeingang, odar den Ausgang eines Spannungsfolgers.5) Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that that it contains an inside shield behind the receiving electrode, which is electrically acts as a guard by being connected to a point in the circuit is with an essentially the same amplitude as at the receiving electrode, for Example of a complementary differential input or the output of a voltage follower. 6) Elektronische Schaltung des Sensors nach Anspruch 1, 2, oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß ihre wesentlichen Bestandteile als integrierter Schaltkreis aufgebaut sind, der mindestens einen Operationsverstärker enthält und einen Verstärker oder Spannungsfolger, dessen Ausgang mit der Speiseleitung des Operationsverstärkers verbunden ist, weiterhin einen Gleichrichter und eine Schaltstufe, deren Eingang mit dem Gleichrichter verbunden ist.6) Electronic circuit of the sensor according to claim 1, 2, or 5, characterized in that its essential components as an integrated circuit are constructed, which contains at least one operational amplifier and an amplifier or voltage follower whose output connects to the feed line of the operational amplifier is connected, furthermore a rectifier and a switching stage, the input of which connected to the rectifier. 7) Integrierter Schaltkreis für den Aufbau von Sensoren nach Anspruch 1, 2 oder 5, dessen Innenscnaltung einen Differenzverstärker und mindestens zwei Spannungsfolger enthält, gekennzeichnet dadurch, daß die positive und die negative Speiseleitung des Differenzverstärkers an je einen Ausgang der Spannungsfolger ist, und die Eingänge der Spannungefolger miteinender sind.7) Integrated circuit for building sensors according to claim 1, 2 or 5, the internal circuit of which contains a differential amplifier and at least two voltage followers, characterized in that the positive and negative feed lines of the differential amplifier to one output each of the voltage follower is, and the inputs of the voltage follower with each other are. 8) Sensor nach einem der vorausgegengenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen elektrischen Leiter, der'aids Abschirmung zwischen Sendeelektrode und Empfangselektrode wirkt, indem er sich zwischen ihnen befindet.8) Sensor according to one of the preceding claims, characterized by an electrical conductor, der'aids shielding between the transmitter electrode and Receiving electrode works by being between them.
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