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Für Anwendungen mit kapazitiv arbeitenden Näherungssensoren, wie sie in den deutschen Patenten
DE 101 31 243 C1 und
DE 10 2009 053 077 B3 beschrieben sind, ist ein rückgekoppelter Verstärker erforderlich, der unter verschiedenen Einsatzbedingungen stabil arbeiten muss. Durch die Rückkopplung wird jede Änderung der Verstärkung entsprechend der Rückkopplung verstärkt. Besonders kritisch ist die Verstärkung in der Umgebung des Schwingungseinsatzes des Sensors. Dabei machen sich insbesondere schwankende Amplituden des Eingangssignals sowie die Temperaturempfindlichkeit der elektronischen Bauteile störend auf die Konstanz der Verstärkung bemerkbar.
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Aus der
DE 10 2011 075 083 A1 ist eine kapazitive Bedieneinrichtung für ein Haushaltsgerät bekannt, deren Empfindlichkeit durch ein vollständiges Entladen der Kapazität gesteigert wird.
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Die
DE 10 2009 057 934 A1 betrifft einen kapazitiven Näherungssensor mit einer Sende- und einer Empfangselektrode sowie einer Verstärkerschaltung für das Signal der Empfangselektrode, das mit mehreren Schwellwerten verglichen wird.
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In der
DE 695 15 459 T2 ist ein kapazitiver Näherungssensor beschrieben, bei dem die Frequenzverschiebung eines Oszillators gemessen wird und mehrere Abschirmmittel vorgesehen sind, um die Genauigkeit zu erhöhen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Näherungssensor mit rückgekoppeltem Verstärker mit hoher Betriebsstabilität bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen kapazitiven Näherungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Beim erfindungsgemäßen Näherungssensor wird die Amplitude des verstärkten Signals durch die beiden Dioden gedämpft, von der eine mit ihrer Kathode und die andere mit ihrer Anode mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Der Vorwärtsstrom von Dioden steigt mit der Spannung von der Spannung 0 an gemäß einer e-Funktion an. Die Dioden wirken also nicht kappend ab einer bestimmten Spannung. Dieser nach einer e-Funktion verlaufende Vorwärtsstrom der Dioden wird erfindungsgemäß eingesetzt, um ein Verstärkungsmaximum des Verstärkers herzustellen. Im normalen Betrieb begrenzen die Dioden den Schwingkreis, sodass ein stabiler Betrieb des Sensors innerhalb der Begrenzungen durch die Dioden möglich ist.
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Das Trägersignal ist durch ein impulsweises Zuschalten einer Kapazität modulierbar.
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Dabei können die Dioden vorzugsweise parallel zur Spule des Schwingkreises oder parallel zu einer anderen, nicht zu kleinen Impedanz der Sensorschaltung angeordnet sein, damit die Impedanz der Dioden ihre Wirkung entfalten kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn eine dritte Diode, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist, vorgesehen ist, wobei die an der dritten Diode anliegende Spannung nicht invertiert als Vorspannung an der ersten Diode und invertiert als Vorspannung an der zweiten Diode anliegt. Durch diese Vorspannung kann das Maximum der Verstärkung in der gewünschten Weise eingestellt werden. Außerdem kann die Temperaturempfindlichkeit der Verstärkung durch diese Maßnahme reduziert werden. Die anti-parallel geschalteten Dioden verändern ihren Durchlassstrom bei gegebener Spannung bei einer Änderung der Temperatur deutlich. Entsprechend verändert sich auch ihre Durchlassspannung bei gegebenem Strom. Die dritte Diode ist den gleichen Temperaturschwankungen ausgesetzt wie die beiden anti-parallel geschalteten Dioden. Daher ändert sich auch ihre Spannung entsprechend mit der Temperatur. Diese Spannungsänderung wird an die beiden Dioden übertragen, wirkt an diesen aber den Temperaturänderungen ihrer eigenen Kennlinien entgegen.
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Dabei ist es weiter von Vorteil, wenn die an der dritten Diode anliegende Spannung über Operationsverstärker den beiden Dioden zugeleitet wird. Die an der dritten Diode anliegende Spannung kann dadurch verstärkt oder abgeschwächt an die beiden Dioden angelegt werden.
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Das Trägersignal des Sensors kann bei einer ersten Ausführungsform von einem Trägergenerator erzeugt werden, der vorzugsweise als Phasendetektor ausgeführt ist, der einen spannungsgesteuerten Oszillator ansteuert und das Ausgangssignal des Operationsverstärkers mit dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators vergleicht. Der Phasendetektor vergleicht das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators mit dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers. Dadurch wird erreicht, dass die Phasenlage des vom Operationsverstärker verstärkten Signals zwischen Ein- und Ausgang des Operationsverstärkers immer konstant bleibt, auch wenn sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ändert.
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Es ist jedoch nicht zwingend, einen Trägergenerator einzusetzen. Das Trägersignal kann auch ein selbsterregtes Signal sein, das beispielsweise dadurch erzeugt werden kann, dass der Verstärker mit dem Sensor durch Erhöhung der Rückkopplung zum Schwingen gebracht wird.
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Sollen mehrere Sensoren und Sensorverstärker mit einer Frequenz und Phase betrieben werden, kann parallel zur Spule des Schwingkreises eine variable Kapazität in Serie zu einem Phasendetektor angeordnet werden, wobei der Phasendetektor mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist.
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Durch den Phasendetektor wird erreicht, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zusammen mit der variablen Kapazität jederzeit so ist, dass die Verstärkung der Anordnung unabhängig von anderen Einflüssen konstant ist. Der Phasendetektor stellt eine zu einer Referenzfrequenz konstante Phase her.
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Die Kapazität des Schwingkreises kann die Eigenkapazität der Spule des Schwingkreises sein, aber selbstverständlich auch durch ein separates Bauteil realisiert werden.
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Auch für die Realisierung der Kapazität in der Rückkopplung des Ausgangs des Operationsverstärkers gibt es verschiedenen Möglichkeiten. Sie kann beispielsweise von der Kapazität zwischen einer Abschirmelektrode des Sensors und der Sensorelektrode gebildet sein.
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Die Kapazität in der Rückkopplung des Ausgangs des Operationsverstärkers kann jedoch auch alternativ oder zusätzlich von der Kapazität zwischen der Abschirmung und dem Innenleiter eines Koaxialkabels zur Verbindung der Sensorelektrode mit der Sensorschaltung gebildet sein. Auch der Einsatz eines separaten Kondensators ist selbstverständlich möglich.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn an die Sensorelektrode ein Testsignalgenerator angeschlossen ist, der Rechteckpulse mit einer niedrigeren Frequenz als das Trägersignal erzeugt. Dies führt dazu, dass die an der Sensorelektrode gemessene Spannung die Form eines mit der Frequenz des Rechteckimpulssignals amplitudenmodulierten Signals mit der Trägerfrequenz des Trägersignals annimmt.
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Dabei kann der Testsignalgenerator vorzugsweise von der Phasenlage des Trägersignals gesteuert sein. Dies hat gegenüber einer rein zeitlichen Steuerung des Testsignalgenerators den Vorteil, dass der Rechteckimpuls nicht je nach Frequenz und Phasenlage des Trägersignals einmal mit einer positiven Halbwelle und einmal mit einer negativen Halbwelle oder einem Nulldurchgang des Trägersignals zusammenfällt und dadurch ein unterschiedlich starkes Abfallen der Amplitude des Trägersignals bewirkt.
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Im Folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Näherungssensors näher beschrieben.
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Das Schaltbild zeigt eine Sensorelektrode S, deren Signal hier von einem Trägergenerator erzeugt wird. Im dargestellten Beispiel wird der Trägergenerator von einem Phasendetektor PD gebildet, der einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO ansteuert. Das Signal des spannungsgesteuerten Oszillators wird über eine Kapazität C3 der Sensorelektrode S zugeführt. Es gelangt dann über einen als Sourcefolger geschalteten Transistor T1 auf einen Schwingkreis, der von einer Spule L1 sowie den Kapazitäten C1 und CD1 gebildet wird. Die Kapazität C1 kann dabei auch von der Eigenkapazität der Spule L1 gebildet sein. Das Signal wird dann durch einen Operationsverstärker OP1 in einem Maße verstärkt, das durch ein Potentiometer P1 bestimmt wird. Zur Kompensation unerwünschter Kapazitäten der Sensorelektrode S gegen Masse wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP1 über eine Kapazität C2 auf die Sensorelektrode S rückgekoppelt. Die Kapazität C2 kann dabei auch die Kapazität zwischen dem Mantel und dem Innenleiter eines Koaxialkabels und/oder die Kapazität zwischen einer hier nicht gezeigten Abschirmelektrode und der Sensorelektrode sein. In diesem Fall werden der Mantel des Koaxialkabels und/oder die Abschirmelektrode mit dem Ausgang des Operationsverstärker OP1 verbunden.
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Wenn man das Potentiometer aus R1 und R2 in Richtung größerer Verstärkung verstellt, d. h. das Verhältnis R1/R2 vergrößert, ist es wichtig, dass beim Schwingungseinsatz keine Hysterese auftritt. Viele Schaltungen neigen dazu, mit dem Schwingungseinsatz die Amplitude nennenswert zu erhöhen. Stellt man dann das Potentiometer wieder etwas zurück, geht die Amplitude nicht auf den ursprünglichen, niedrigeren Wert zurück, sondern das Selbstschwingen hält an. Stellt man das Potentiometer dann so weit zurück, dass die Schwingung abreißt, ist die Empfindlichkeit nicht mehr ausreichend. Deshalb ist es erforderlich, dass in jeder sinnvollen Position des Potentiometers die Signalamplitude der Potentiometerstellung ohne Hysterese in beiden Richtungen stetig folgt. Das ist besonders auch im Hinblick auf Störungen erforderlich, die von außen auf den Sensor einwirken.
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Der Grund für die unerwünschte Hysterese ist die Zunahme des Verstärkungsfaktors der Schaltung mit zunehmender Signalamplitude. Speziell Feldeffekttransistoren haben eine mit zunehmendem Source-Drain-Strom steigende Steilheit und damit eine zunehmende Verstärkung. Bei einem Einsatz des Selbstschwingens steigt der Strom und damit die Verstärkung. Auch bei einem Betrieb knapp unterhalb des Schwingungseinsatzes kann es durch Störungen zu einem Stromanstieg kommen, wodurch dann Selbstschwingen ausgelöst wird, das nicht mehr von selbst aufhört.
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Zur Vermeidung dieser Probleme sind bei der erfindungsgemäßen Schaltung am Eingang des Operationsverstärkers OP1 zwei anti-parallel geschaltete Dioden D1 und D2 vorgesehen, die die Amplitude des verstärkten Signals dämpfen. Über die Vorspannung der Dioden D1 und D2 kann die Verstärkung eingestellt werden. Über die Einstellung der Vorspannung können außerdem Temperatureinflüsse kompensiert werden. Erfindungsgemäß wird dazu eine weitere Diode D3 eingesetzt. Diese Diode ist derselben Temperatur ausgesetzt, wie die die Verstärkung dämpfenden Dioden D1 und D2. Diese Diode D3 wird an eine temperaturstabile Spannung U1 sowie über einen hochohmigen Widerstand R3 an eine Spannung, die einen Strom in Durchlassrichtung bewirkt, hier die Batteriespannung, angeschlossen. Durch die Spannung U1 wird der Einsatz der Wirkung der Dioden D1 und D2 eingestellt. Die an D3 anliegende Spannung wird von einem Operationsverstärker OP2 – evtl. verstärkt – als Vorspannung an D1 gegeben. Eine durch Temperaturanstieg an D3 gesunkene Durchflussspannung wird also an D1 den Strom verringern und so der Temperaturänderung der Kennlinie entgegenwirken. Genau im selben Maße wird D2 durch einen invertierenden OP3 beeinflusst. U1 ist typischerweise negativ und in einer Größenordnung, dass die Spannungen an den Ausgängen der Operationsverstärker OP2 und OP3 bei Zimmertemperatur ungefähr 0 V betragen.
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Der Trägergenerator ist als Phasendetektor PD, der einen spannungsgesteuerten Oszillator ansteuert, ausgebildet. Der Phasendetektor PD vergleicht dabei das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP1 mit dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO. Dadurch wird erreicht, dass die Phasenlage des vom OP1 verstärkten Signals zwischen Ein- und Ausgang des OP1 immer konstant bleibt, auch wenn sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ändert.
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Der erfindungsgemäße Sensor soll auch in Anwendungen eingesetzt werden können, in denen mehrere solche Sensoren mit der gleichen Frequenz und auch mit der gleichen Phasenlage arbeiten. Das phasengleiche Signal eines Nachbarsensors würde die Amplitude des gerade betrachteten Sensors erhöhen, während eine z. B. um 180° gedrehte Phase die Amplitude schwächen würde. Um eine gleiche Phasenlage bei mehreren Sensoren zu ermöglichen, wird parallel zur Spule L1 eine variable Kapazität zugeschaltet, die hier als Kapazitätsdiode CD1 ausgeführt ist. Durch einen Phasendetektor PD1 wird erreicht, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus L1, C1 und CD1 jederzeit so ist, dass die Verstärkung der Anordnung unabhängig von anderen Einflüssen konstant ist. Der Phasendetektor PD1 stellt eine einer Referenzfrequenz f konstante Phase her.
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Weiter ist ein Testfrequenzgenerator vorgesehen, der Rechteckpulse synchron zum Trägersignal erzeugt. Die Testimpulse starten zu einem immer gleichen Zeitpunkt bezogen auf die Phase des Trägersignals. Auch die Länge der Impulse ist auf die Frequenz des Trägersignals abgestimmt. Das an der Sensorelektrode S gemessene Signal entspricht dadurch dem durch das Testsignal amplitudenmodulierten Trägersignal. Das Testsignal wird dabei über eine Kapazität C4 auf die Sensorelektrode S gegeben.
