DE19803643A1

DE19803643A1 - Capacitive sensor, e.g. proximity switch

Info

Publication number: DE19803643A1
Application number: DE19803643A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Wiesemann
Original assignee: THEIS RUEDIGER 42489 WUELFRATH DE
Current assignee: THEIS RUEDIGER 42489 WUELFRATH DE
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-05

Abstract

The sensor has a control and evaluation circuit which delivers at least one output signal indicating the influencing of the capacitance of the non-earthed capacitor plate. An interference sensor is provided, which produces an electric signal with the existence of an electromagnetic interference. The measurement duration of the capacitance stands in a whole number ratio to the duration of the half wave of a mains voltage cycle.

Description

Die Erfindung betrifft nach einer ersten Lehre einen kapazitiven Sensor mit mindestens einer Kondensatorplatte und mit mindestens einer mindestens eine nicht geerdete Kondensatorplatte ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung mindestens ein eine Beeinflussung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte anzeigendes Ausgangssignal liefert. Weiter betrifft die Erfindung gemäß einer zweiten Lehre ein Verfahren zur Auswertung mindestens eines Ausgangssignals eines kapazitiven Sensors.The invention relates to a first teaching capacitive sensor with at least one capacitor plate and with at least one at least one ungrounded Capacitor control and control Evaluation circuit, the control and Evaluation circuit at least one influencing the Capacitance of the ungrounded capacitor plate output signal. Further concerns the Invention according to a second teaching a method for Evaluation of at least one output signal capacitive sensor.

Kapazitive Sensoren, teilweise auch als kapazitive Näherungsschalter bezeichnet, werden in einer Vielzahl von Anwendungsfällen zur Detektion von Gegenständen eingesetzt. Besonders im Bereich der Automatisierungstechnik werden heute kapazitive Sensoren in großer Vielzahl eingesetzt. Auch der Einsatz kapazitiver Sensoren zur Detektion von Personen ist an sich bekannt. Kapazitive Sensoren sind prinzipiell so aufgebaut, daß sie zumindest eine nicht geerdete Kondensatorplatte aufweisen, die von einer Steuer- und Auswerteschaltung angesteuert wird. In diesem Zusammenhang ist der Begriff Kondensatorplatte so zu verstehen, daß es sich bei dem so bezeichneten Bauteil um einen leitfähigen Gegenstand beliebiger Form handelt. Kapazitive Sensoren sind insbesondere nicht darauf beschränkt, daß das Bauteil der Kondensatorplatte dem Wortsinne nach als Platte, also als ebenes Bauteil geringer Dicke, ausgebildet ist. Für das als Kondensatorplatte bezeichnete Bauteil kommt nahezu jede, an den jeweiligen Anwendungszweck angepaßte räumliche Gestaltung in Frage. Bei einem kapazitiven Sensor weist nun diese nicht geerdete Kondensatorplatte eine veränderliche Kapazität gegenüber weiteren, in der Umgebung vorhandenen Gegenständen-. insbesondere der Einfachheit halber ebenfalls als Kondensatorplatten bezeichneten, geerdeten, leitfähigen Gegenständen, auf. Teilweise ist bei kapazitiven Sensoren eine Verbindung zum Erdpotential hergestellt, so daß eine leitende Verbindung zwischen dem kapazitiven Sensor und in der Umgebung angeordneten geerdeten Kondensatorplatten besteht. Alternativ sind kapazitive Sensoren auch derart ausgestaltet, daß eine zweite Kondensatorplatte, geerdet oder nicht geerdet, direkt mit der Steuer- und Auswerteschaltung verbunden ist. Insgesamt gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, einen funktionsfähigen kapazitiven Sensor aufzubauen, die zusammengefaßt den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bilden.Capacitive sensors, sometimes also as capacitive Proximity switches are called in a variety of use cases for the detection of objects used. Especially in the area of Automation technology are becoming capacitive sensors today used in large variety. The use too capacitive sensors for detecting people is on known. In principle, capacitive sensors are like this built that they at least one ungrounded Have capacitor plate by a control and Evaluation circuit is controlled. In this Context is the term capacitor plate so too understand that the so-called component is is a conductive object of any shape. Capacitive sensors in particular are not on it limited that the component of the capacitor plate Literally as a plate, i.e. as a flat component small thickness, is formed. For that as Component labeled component comes almost every spatial adapted to the respective application Design in question. With a capacitive sensor now this ungrounded capacitor plate one variable capacity compared to others in the Environment of existing objects. especially the Also for the sake of simplicity as capacitor plates designated, grounded, conductive objects. In some cases there is a connection with capacitive sensors made to earth potential so that a conductive Connection between the capacitive sensor and in the Grounded capacitor plates arranged in the vicinity consists. Alternatively, capacitive sensors are also of this type designed that a second capacitor plate, grounded or not grounded, directly with the control and Evaluation circuit is connected. Overall there is one Variety of ways to get a working build capacitive sensor that summarized the Form the starting point of the present invention.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten kapazitiven Sensoren, von denen die Erfindung ausgeht, ist problematisch, daß teilweise Veränderungen im Ausgangssignal der Steuer- und Auswerteschaltung auf Störungen zurückgehen. Da nun die Ursache für eine Veränderung des Ausgangssignals für eine im oder außerhalb des kapazitiven Sensors angeordnete Steuereinrichtung bei den bekannten kapazitiven Sensoren nicht erkennbar ist, wird eine solche Änderung im Ausgangssignal mit einer Beeinflussung der Kapazität der Kondensatorplatte bzw. der Kondensatorplatten des kapazitiven Sensors gleichgesetzt. Eine solche Gleichsetzung ist selbstverständlich unerwünscht, da sie in der Konsequenz beispielsweise zur Fehlsteuerung in automatisierten Fertigungsabläufen oder auch zu Fehlzählungen bei etwa der Zählung von Personen führt.In the capacitive known from the prior art Sensors from which the invention is based problematic that partial changes in Output signal of the control and evaluation circuit Interference go back. Now that the cause of one Change the output signal for an im or arranged outside the capacitive sensor Control device in the known capacitive sensors such a change is not recognizable in the Output signal with an influence on the capacity of the Capacitor plate or the capacitor plates of the capacitive sensor equated. Such Equating is of course undesirable as it as a consequence, for example, in incorrect control automated production processes or too Incorrect counting results in the counting of people.

Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Problem liegt also der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor bzw. ein Verfahren zur Auswertung mindestens eines Ausgangssignals eines kapazitiven Sensors zur Verfügung zu stellen, der bzw. das eine deutlich verbesserte Störunterdrückung der die Ausgangssignale des kapazitiven Sensors beeinflussenden Störungen gewährleistet.Proceeding from the problem described above the invention has for its object a capacitive Sensor or a method for evaluating at least one Output signal of a capacitive sensor is available to provide a significantly improved Interference suppression of the output signals of the capacitive Guaranteed interference affecting sensors.

Gemäß der ersten Lehre der Erfindung ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein, ein elektrisches Signal bei Vorliegen einer elektromagnetischen Störung erzeugender Störsensor vorgesehen ist und/oder daß die Meßdauer der Kapazitätsmessung durch die Steuer- und Auswerteschaltung in einem ganzzahligen Verhältnis zur Dauer der Halbwelle einer Netzspannungsperiode steht. Die erfindungsgemäße Anordnung eines Störsensors zur Detektion von elektromagnetischen Störungen ermöglicht die Unterdrückung von Veränderungen in dem Ausgangssignal oder den Ausgangssignalen der Steuer- und Auswerteschaltung bei Vorliegen Einer elektromagnetischen Störung, die ohne Störunterdrückung eine Veränderung des Ausgangssignals verursacht hätte. Ein solcher Störsensor sollte so angeordnet sein, daß er möglichst keinen Einflüssen durch die eigentlich zu detektierenden Gegenstände ausgesetzt ist. Er sollte nach Möglichkeit nur auf Einflüsse durch elektromagnetische Störungen reagieren, um zu vermeiden, daß Veränderungen im Ausgangssignal unterdrückt werden, die tatsächlich auf eine Beeinflussung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte zurückgehen. According to the first teaching of the invention, that is before derived and shown problem solved in that on, an electrical signal in the presence of a electromagnetic interference generating interference sensor is provided and / or that the measurement duration of the Capacity measurement by the control and evaluation circuit in an integer ratio to the duration of the half wave a mains voltage period. The invention Arrangement of an interference sensor for the detection of electromagnetic interference enables the Suppression of changes in the output signal or the output signals of the control and Evaluation circuit in the presence of an electromagnetic Disorder that changes without interference suppression Output signal would have caused. Such a disturbance sensor should be arranged in such a way that he has no Influences through the actually to be detected Objects is exposed. He should if possible only due to influences from electromagnetic interference react to avoid changes in the Output signal that are actually suppressed an influence on the capacity of the ungrounded Go back the capacitor plate.

Alternativ oder kumulativ zur Anordnung des Störsensors führt die Wahl der Meßdauer der Kapazitätsmessung durch die Steuer- und Auswerteschaltung in einem ganzzahligen Verhältnis zur Dauer der Halbwelle einer Netzspannungsperiode zur Unterdrückung von Störungen elektromagnetischer Störstrahlungen mit der Netzspannungsfrequenz, die im Störstrahlungsspektrum besonders häufig sind.Alternatively or cumulatively to the arrangement of the interference sensor performs the selection of the measurement duration of the capacitance measurement the control and evaluation circuit in an integer Relationship to the duration of the half-wave one Line voltage period to suppress interference electromagnetic interference with the Mains voltage frequency in the interference radiation spectrum are particularly common.

Eine geeignete und preiswerte Ausgestaltung des Störsensors besteht darin, einen hochohmigen Eingang eines Vorverstärkers oder Logikgatters als Störsensor zu verwenden. Alternativ ist es auch möglich, als Störsensor eine von einer Steuer- und Auswerteschaltung angesteuerte nicht geerdete Kondensatorplatte zu verwenden, die so angeordnet ist, daß sie vorzugsweise nicht durch die zu detektierenden Gegenstände beeinflußbar ist.A suitable and inexpensive design of the Fault sensor is a high impedance input a preamplifier or logic gate as a noise sensor use. Alternatively, it is also possible as a fault sensor one controlled by a control and evaluation circuit to use ungrounded capacitor plate that way is arranged that it is preferably not by the Detectable objects can be influenced.

Gemäß einer zweiten Lehre betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Auswertung mindestens eines Ausgangssignals eines kapazitiven Sensors, mit Hilfe mindestens einer Kondensatorplatte und mit Hilfe mindestens einer mindestens eine nicht geerdete Kondensatorplatte ansteuernden Steuer- und Auswerteschaltung, bei welchem von der Steuer- und Auswerteschaltung mindestens ein eine Beeinflussung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte anzeigendes Ausgangssignal geliefert wird.According to a second teaching, the invention relates to a Method for evaluating at least one output signal a capacitive sensor, with the help of at least one Capacitor plate and with the help of at least one at least one ungrounded capacitor plate driving control and evaluation circuit, in which at least one one from the control and evaluation circuit Influencing the capacity of the ungrounded Capacitor plate indicating output signal supplied becomes.

Die einleitend hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist gemäß der zweiten Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß eine die Beeinflussung der Kapazität anzeigende Veränderung des Ausgangssignals bei einem gleichzeitig anliegenden Störsignal bei der Auswertung unterdrückt wird. Das Verfahren gemäß der zweiten Lehre der Erfindung gewährleistet also, daß gleichzeitig mit einem Störsignal auftretende Veränderungen des Ausgangssignals nicht in die abschließende Auswertung mit einbezogen werden.The task derived and shown in the introduction is solved according to the second teaching of the invention in that an indication of the influence on the capacity Change the output signal at the same time pending interference signal suppressed during evaluation becomes. The method according to the second teaching of the invention thus ensures that at the same time with an interference signal changes occurring in the output signal not in the final evaluation should be included.

Eine Unterdrückung der aus einer äußeren elektromagnetischen Störung resultierenden Veränderungen im Ausgangssignal ist dadurch gewährleistet, daß das Störsignal von einem ein Signal bei Vorliegen einer elektromagnetischen Störung erzeugenden Störsensor geliefert wird.Suppression of an outside electromagnetic interference resulting changes in the output signal it is ensured that the Interference signal from a a signal when one is present electromagnetic interference generating interference sensor is delivered.

Auf einen separaten Störsensor kann u. U. für den Fall verzichtet werden, in dem der kapazitive Sensor eine Mehrzahl von mit der Steuer- und Auswerteschaltung verbundenen, nicht geerdeten Kondensatorplatten aufweist. Für diesen Fall ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß bei gleichzeitiger Änderung in einer Mehrzahl, insbesondere in allen Kondensatorplatten zugeordneten Ausgangssignalen, ein Störsignal erzeugt wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens macht sich die Tatsache zu eigen, daß die Wahrscheinlichkeit für eine gleichzeitige Beeinflussung der Kapazität mehrerer nicht geerdeter Kondensatorplatten durch einen zu detektierenden Gegenstand, je nach Anordnung der nicht geerdeten Kondensatorplatten, gering ist und somit bei einer gleichzeitigen Änderung in einer Mehrzahl von Ausgangssignalen davon ausgegangen werden kann, daß diese Änderungen auf eine elektromagnetische Störung zurückzuführen sind.On a separate interference sensor u. In the event can be dispensed with in which the capacitive sensor Plurality of with the control and evaluation circuit connected, ungrounded capacitor plates. In this case, the method according to the invention advantageously designed in that at the same time Change in a majority, especially in all Output signals associated with capacitor plates Interference signal is generated. This configuration of the The fact that the Probability of simultaneous influence the capacity of several ungrounded capacitor plates through an object to be detected, depending on Arrangement of the ungrounded capacitor plates, small and thus with a simultaneous change in one A plurality of output signals can be assumed can that these changes to an electromagnetic Disturbance.

Ist für die entsprechende Anwendung des kapazitiven Sensors überschaubar, in welchem Spektrum in Hinblick auf Dauer und Stärke die Kapazitäten durch einen zu detektierenden Gegenstand beeinflußt werden, so ist eine vorteilhafte Störunterdrückung dadurch gewährleistet, daß bei Veränderung im zumindest einer Kondensatorplatte zugeordneten Ausgangssignal länger oder kürzer als die zu erwartenden Veränderungen durch zu detektierende Objekte mindestens für die betreffende Kondensatorplatte ein Störsignal erzeugt wird und/oder das bei Veränderungen im zumindest einer Kondensatorplatte zugeordneten Ausgangssignal schwächer oder stärker als die zu erwartenden Veränderungen durch zu detektierende Objekte mindestens für die betroffene Kondensatorplatte ein Störsignal erzeugt wird. In Frage kommen hier etwa dauerhafte Beeinflussungen der Kapazitäten einer Kondensatorplatte durch das unbeabsichtigte oder unerwünschte Pflegen eines Gegenstandes in der Nähe des kapazitiven Sensors oder auch elektromagnetische Störungen, die sich beispielsweise aufgrund der Kürze ihres Auftretens deutlich von den erwarteten Beeinflussungen der Kapazität unterscheiden.Is for the appropriate application of the capacitive Sensors manageable in what spectrum with regard to Duration and strength the capacities through one too Detectable object are affected, so is advantageous interference suppression ensures that when changing in at least one capacitor plate assigned output signal longer or shorter than that to expected changes due to objects to be detected at least for the capacitor plate in question Interference signal is generated and / or that changes in the associated with at least one capacitor plate Output signal weaker or stronger than that too expected changes due to objects to be detected at least for the affected capacitor plate Interference signal is generated. For example, here come into question lasting influence on the capacities of a Capacitor plate by the unintentional or unwanted maintenance of an object near the capacitive sensor or electromagnetic Disruptions, for example, due to the brevity their appearance clearly from the expected Distinguish influences on capacity.

Schließlich erfährt das erfindungsgemäße Verfahren eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dadurch, daß bei Zeit- Amplituden-Mustern im mindestens einer Kondensatorplatte zugeordneten Ausgangssignal abweichend von zu erwartenden Zeit-Amplituden-Mustern durch zu detektierende Objekte mindestens für die betreffende Kondensatorplatte ein Störsignal erzeugt wird. Es sind eine Reihe von Anwendungsfälle für kapazitive Sensoren bekannt oder denkbar, bei denen die Beeinflussung der kapazitiven Sensoren durch die zu detektierenden Objekte in bestimmten Zeit-Amplituden-Mustern erfolgt. Beispielsweise ist für einen am Fußboden angeordneten kapazitiven Sensor zur Detektion vorbeigehender Personen entweder mit einer starken, langen Beeinflussung durch einen im Vorbeigehen direkt auf eine Kondensatorplatte gesetzten Fuß oder zwei kurzen, schwachen Beeinflussungen durch im Vorbeigehen an der Kondensatorplatte vorbeibewegte Füße einer Person zu rechnen. Beiden Ereignissen kann ein bestimmtes Zeit-Amplituden-Muster zugeordnet werden. Diese Information über das zu erwartende Zeit-Amplituden-Muster läßt sich vorteilhaft zur Unterdrückung von störenden Veränderungen im Ausgangssignal verwenden, die dadurch erkennbar sind, daß ihr Zeit-Amplituden-Muster von den zu erwartenden Mustern abweicht.Finally, the method according to the invention experiences one further advantageous embodiment in that at time Amplitude patterns in at least one capacitor plate assigned output signal deviates from expected Time-amplitude patterns through objects to be detected at least for the capacitor plate in question Interference signal is generated. There are a number of Use cases for capacitive sensors known or conceivable in which influencing the capacitive Sensors through the objects to be detected in certain time-amplitude patterns. For example, one is arranged on the floor capacitive sensor for the detection of people passing by either with a strong, long-term influence one walking past directly on a capacitor plate set foot or two short, weak influences by passing the capacitor plate moving feet of a person to count. Both Events can have a certain time-amplitude pattern be assigned. This information about that too Expected time-amplitude patterns can be advantageous to suppress disturbing changes in the Use output signal that can be recognized by the fact that their time-amplitude pattern from the expected patterns deviates.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufwertung mindestens eines Ausgangssignals eines kapazitiven Sensors auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 3 nachgeordneten Patenansprüche sowie andererseits auf die Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel für ein Zeit-Amplituden-Muster anhand dessen ein Störsignal erzeugt wird.In particular, there are now a multitude of options the capacitive sensor according to the invention and that Method according to the invention for the upgrade at least an output signal of a capacitive sensor to design and develop. On the one hand to the subordinate to claims 1 and 3 Patent claims and on the other hand to the description in Reference to the drawing. In the drawing the only figure shows an embodiment of a Time-amplitude pattern based on this an interference signal is produced.

Das in der einzigen Figur dargestellte Ausführungsbeispiel eines Zeit-Amplituden-Musters ist so konstruiert, daß es kein Störsignal nur für den Fall ausgibt, in dem die Veränderung in einer Kondensatorplatte zugeordneten Ausgangssignal eine vorgegebene untere Zeitschwelle nicht unterschreitet und eine vorgegebene obere Zeitschwelle nicht überschreitet sowie eine vorgegebene untere Amplitudenschwelle nicht unterschreitet und eine vorgegebene obere Amplitudenschwelle nicht überschreitet.That shown in the single figure An embodiment of a time-amplitude pattern is like this constructed that there was no noise just in case issues in which the change in a Output signal associated with capacitor plate does not fall below the specified lower time threshold and does not exceed a predetermined upper time threshold as well as a predetermined lower amplitude threshold falls below and a predetermined upper Amplitude threshold does not exceed.

Claims

1.Capacitive sensor with at least one capacitor plate and with at least one control and evaluation circuit which drives at least one ungrounded capacitor plate, the control and evaluation circuit providing at least one output signal which indicates an influence on the capacitance of the ungrounded capacitor plate, characterized in that an electrical Signal is provided in the presence of an electromagnetic interference generating interference sensor and / or that the measurement duration of the capacitance measurement by the control and evaluation circuit is in an integer ratio to the duration of the half-wave of a mains voltage period.

2. Capacitive sensor according to claim 1, characterized in that a high impedance input of an amplifier or Logic gate forms the interference sensor.

3. Procedure for evaluating at least one Output signal of a capacitive sensor, with the help at least one capacitor plate and with the help at least one at least one ungrounded Capacitor control and control Evaluation circuit, in which of the control and Evaluation circuit at least one influencing the Capacitance of the ungrounded capacitor plate indicating output signal is provided, in particular for implementation in a capacitive sensor Claim 1 or 2, characterized in that an indication of the influence on the capacity Change the output signal at the same time pending interference signal suppressed during upgrading becomes.

4. The method according to claim 3 characterized in that the interference signal from a a signal in the presence of a electromagnetic interference generating interference sensor is delivered.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that with simultaneous change in a plurality, in particular assigned to all capacitor plates Output signals, an interference signal is generated.

6. The method according to any one of claims 3 to 5, characterized in that when changing in at least one capacitor plate assigned output signal longer or shorter than that to expected changes due to objects to be detected at least for the capacitor plate in question Interference signal is generated.

7. The method according to any one of claims 3 to 6, characterized in that with changes in at least one capacitor plate assigned output signal weaker or stronger than the expected changes due to be detected Objects at least for the capacitor plate in question an interference signal is generated.

8. The method according to any one of claims 3 to 7, characterized in that with time-amplitude patterns in at least one Output signal assigned to the capacitor plate deviates of expected time-amplitude patterns through to detecting objects at least for the relevant one Capacitor plate an interference signal is generated.