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Störungsunterdrückung bei kapazitiven Sensoren

(Deutsche Patentanmeldung DE 198 03 643 A1)

 

 

 

Problemstellung

Kapazitive Sensoren reagieren empfindlich auf Umgebungseinflüsse.

 

Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft 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. Erfindungsgemäß ist eine Unterdrückung von Störungen im Ausgangssignal eines derartigen, bekannten Sensors dadurch gewährleistet, 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.

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Detail-Information

Kapazitiver Sensor 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 A!uswerteschaltung 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. 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. 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. 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. 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. 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 Netzsspannungsperiode zur Unterdrückung von Störungen elektromagnetischer Störstrahlungen mit der Netzspannungsfrequenz, die im Störstrahlungsspektrum besonders häufig sind. 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. 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. 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 Stð6rsignal 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. Eine Unterdrückung der aus einer äußeren elekromagnetischen Störung resultierenden Veränderungen im Ausgangssignal ist dadurch gewährleistet, daß das Störsignal von einem ein Signal bei Vorliegen einer elektromagnetischen Störung erzeugenden Störsensor geliefert wird. 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. 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 Ablegen eines Gegenstandes in der Nähe des kapazitiven Sensors oder auch elekromagnetische Störungen, die sich beispielsweise aufgrund der Kürze ihres Auftretens deutlich von den erwarteten Beeinflussungen der Kapazität unterscheiden. 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. Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung 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. 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 im 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. GS/wa 980049 23. Januar 2001

Patentansprüche

1. Kapazitiver 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 Beeinflu!ssung der Kapazität der nicht geerdeten Kondensatorplatte anzeigendes Ausgangssignal liefert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß 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.

2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß ein hochohmiger Eingang eines Verstärkers oder Logikgatters den Störsensor bildet.

3. 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, insbesondere zur Verwirklichung in einem kapazitiven Sensor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß eine die Beeinflussung der Kapazität anzeigende Veränderung des Ausgangssignals bei einem gleichzeitig anliegenden Störsignal bei der Auswertung unterdrückt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß das Störsignal von einem ein Signal bei Vorliegen einer elektromagnetischen Störung erzeugenden Störsensor geliefert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß bei gleichzeitiger Änderung in einer Mehrzahl, insbesondere allen Kondensatorplatten zugeordneten Ausgangssignalen, ein Störsignal erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß bei Veränderung im zumindest einer Kondensatorplatte zugeordneten Ausgangssignal länger oder kürzer als die zu erwartenden Veränderungen durch zu detektierende Objekte mindestens f_fcr die betreffende Kondensatorplatte ein Störsignal erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß bei Veränderungen im zumindest einer Kondensatorplatte zugeordneten Ausgangssignal schwächer oder stärker als die zu erwartenden Veränderungen durch zu detektierende Objekte mindestens für die betreffende Kondensatorplatte ein Störsignal erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a ß bei Zeit-Amplituden-Mustern im mindestens einer Kondensatorplatte zugeordneten Ausgangssignal abweichend von zu erwartenden Zeit-Amplituden-Mustern durch zu detektierende Objekte mindestens fðcr die betreffende Kondensatorplatte ein Störsignal erzeugt wird.

 

 

 

 

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