DE19708330C1

DE19708330C1 - Evaluation method for capacitive sensor esp pressure sensor

Info

Publication number: DE19708330C1
Application number: DE19708330A
Authority: DE
Inventors: Heinz Walter
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 1997-02-16
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2017-03-04

Abstract

the method involves using a reference capacitor, a measurement capacitor with a measurement capacitance influenced by the measured physical parameter and a periodic, essentially symmetrical input signal (U0). An intermediate signal (U1) is produced by integrating the input signal in the measurement or reference capacitor. The measurement signal (U2) is produced by differentiating the intermediate signal in the reference or measurement capacitor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren, insbesondere für Drucksensoren, unter Einsatz eines Referenzkondensators, eines Meßkondensa tors mit einer von einer zu erfassenden physikalischen Meßgröße beeinflußbaren Meßkapazität und eines periodischen, im wesentlichen symmetrischen Eingangssi gnals U₀.The invention relates to an evaluation method for capacitive sensors, in particular for pressure sensors, using a reference capacitor, a measuring capacitor with a measuring capacitance which can be influenced by a physical measured variable and a periodic, essentially symmetrical input signal U ₀ .

Es sind verschiedene Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren bekannt. Dabei geht es immer darum, den Kapazitätswert oder eine Kapazitätsänderung eines kapa zitiven Bauelementes qualitativ oder quantitativ zu erfassen. Meistens handelt es sich bei dem kapazitativen Bauelement um einen Kondensator oder um die Elektrode ei nes kapazitiven Näherungsschalter. Häufig wird auch ein zweites kapazitives Bau element verwendet, dessen Kapazitätswert als Referenzgröße zur Auswertung mit herangezogen wird. Nachfolgend wird statt von einem kapazitiven Bauelement vom einem Kondensator gesprochen, ohne daß damit eine Einschränkung auf einen Kon densator im engeren Sinne verbunden ist. Im Rahmen der Erfindung wird unter Kon densator auch die Elektrode eines kapazitiven Näherungsschalters verstanden.Various evaluation methods for capacitive sensors are known. Here it is always about the capacity value or a capacity change of a kapa qualitative or quantitative citation component. Mostly it is in the capacitive component around a capacitor or around the electrode capacitive proximity switch. A second capacitive building is also common element, whose capacity value is used as a reference variable for evaluation is used. In the following, instead of a capacitive component from spoken a capacitor, without being restricted to a Kon is connected in the narrower sense. In the context of the invention under Kon capacitor also understood the electrode of a capacitive proximity switch.

Bei bekannten Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren, wie sie beispielsweise in der DE 30 07 426 A1 beschrieben sind, wird der gesuchte Kapazitätswert beispiels weise über eine Brückenschaltung bestimmt oder als frequenzbestimmendes Element in einer Oszillatorschaltung eingesetzt. Bei einem anderen Auswerteverfahren, wie es aus der DE 44 23 907 A1 und der DE 44 35 877 A1 bekannt ist, wird der Ladungs transport beim Auf- oder Entladen eines Kondensators gemessen und so der Kapazi tätswerts bzw. die Kapazitätsänderung im Vergleich zu einem Referenzkondensator bestimmt. Die bekannten Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren weisen typen spezifisch unterschiedliche Vor- und Nachteile auf.In known evaluation methods for capacitive sensors, as for example in described in DE 30 07 426 A1, the capacity value sought is for example determined via a bridge circuit or as a frequency-determining element used in an oscillator circuit. In another evaluation method like this is known from DE 44 23 907 A1 and DE 44 35 877 A1, the charge transport measured when charging or discharging a capacitor and so the capaci value or the change in capacitance compared to a reference capacitor certainly. The known evaluation methods for capacitive sensors have types specifically different advantages and disadvantages.

Bei dem Auswerteverfahren, von dem die Erfindung ausgeht (DE 44 35 877 A1), werden der Referenzkondensator und der Meßkondensator mittels einer gemeinsa men Stromquelle gleichzeitig be- und entladen, wobei der erzeugte Strom ein Vielfa ches des tatsächlichen Ladestroms beträgt. Dies ist notwendig, um den Einfluß der parasitären Kriechströme und Kapazitäten in der Gesamtschaltung möglichst klein zu halten. Erst unmittelbar vor den Kondensatoren wird der für die Ladung tatsächlich benötigte Ladestrom mittels Stromteiler abgezweigt. Das Generieren des Vielfachen des Ladestromes zusammen mit dem Strombedarf der getakteten Stromquelle selbst und dem einer notwendigen Linearisierungsmaßnahme schließt eine störsichere An wendung in einem Zweileitertransmitter für 4 bis 20 mA nahezu aus.In the evaluation method on which the invention is based (DE 44 35 877 A1), are the reference capacitor and the measuring capacitor by means of a common Men load and unload the power source at the same time, the electricity generated a variety ches the actual charging current. This is necessary to avoid the influence of the parasitic leakage currents and capacitances in the overall circuit should be as small as possible hold. Only immediately before the capacitors does the charge actually become required charging current is branched off using a current divider. Generating the multiple of the charging current together with the power requirement of the clocked power source itself and that of a necessary linearization measure includes an interference-proof connection application in a two-wire transmitter for 4 to 20 mA almost.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Auswerteverfahren für kapa zitive Sensoren anzugeben, das einen geringen Strombedarf aufweist, mit wenigen Bauteilen realisiert werden kann und eine schnelle Ansprechzeit hat.The invention is therefore based on the object of an evaluation method for kapa specify zitive sensors that have a low power consumption, with few Components can be realized and has a fast response time.

Das erfindungsgemäße Auswerteverfahren, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Referenzkondensators oder des Meßkondensators durch Integration des Ein gangssignals U₀ ein Zwischensignal U₁ und mittels des Meßkondensators oder des Referenzkondensators durch Differenziation des Zwischensignals U₁ das Meßsignal U₂ erzeugt wird.The evaluation method according to the invention, in which the above-mentioned object is achieved, is now initially and essentially characterized in that by means of the reference capacitor or the measuring capacitor by integrating the input signal U ₀ an intermediate signal U ₁ and by means of the measuring capacitor or the reference capacitor by differentiating the Intermediate signal U _1, the measurement signal U _{2 is} generated.

Bei dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren wird vorzugsweise das Eingangssi gnal U₀ in Form einer Rechteckspannung niederohmig dem Referenzkondensator oder dem Meßkondensator zugeführt.In the evaluation method according to the invention, the input signal U ₀ is preferably supplied in the form of a low-impedance square-wave voltage to the reference capacitor or the measuring capacitor.

Die Rechteckspannung wird auf dem Wege der Integration in eine Dreieckspannung
The square wave voltage is integrated into a triangular voltage

umgewandelt, wobei C₁ die zur Integration notwendige Kapazität darstellt. Anschlie ßend erfolgt die Differenziation des so erhaltenen Dreiecksignals, wodurch erneut eine Rechteckspannung
converted, where C ₁ represents the capacity required for integration. Subsequently, the triangular signal obtained in this way is differentiated, again causing a square-wave voltage

entsteht. Hierbei ist C₂ die zur Differenziation notwendige Kapazität.arises. Here C _{2 is} the capacity required for differentiation.

Bei dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren kann grundsätzlich sowohl der Re ferenzkondensator als auch der Meßkondensator zur Integration des Eingangssignals U₀ und - entsprechend - der Meßkondensator oder der Referenzkondensator zur Dif ferenziation des Zwischensignals U₁ verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch zur Integration des Eingangssignals U₀ der Referenzkondensator und zur Diffe renziation des Zwischensignals U₁ der Meßkondensator verwendet. In den Glei chungen (1) und (2) entspricht dann C₁ der Kapazität des Referenzkondensators und C₂ der Kapazität des Meßkondensators. Der Wert des Meßsignals U₂ ist also abhän gig vom Verhältnis von C₂ zu C₁, d. h. vom Verhältnis der Meßkapazität zur Refe renzkapazität.In the evaluation method according to the invention, both the reference capacitor and the measuring capacitor can be used to integrate the input signal U ₀ and, accordingly, the measuring capacitor or the reference capacitor can be used to differentiate the intermediate signal U ₁ . However, the reference capacitor is preferably used to integrate the input signal U ₀ and the measuring capacitor is used to differentiate the intermediate signal U ₁ . In equations (1) and (2), C ₁ then corresponds to the capacitance of the reference capacitor and C ₂ corresponds to the capacitance of the measuring capacitor. The value of the measurement signal U ₂ is therefore dependent on the ratio of C ₂ to C ₁ , ie on the ratio of the measurement capacitance to the reference capacitance.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung können das Eingangssignal U₀ und das Meßsignal U₂ in einem Subtrahierer miteinander verglichen und somit der Span nungshub _ΔU ermittelt werden. Dabei gilt
According to a further teaching of the invention, the input signal U ₀ and the measurement signal U ₂ can be compared with one another in a subtractor, and thus the voltage swing _Δ U can be determined. The following applies

_ΔU = U₂ - U₀ (3) _Δ U = U ₂ - U ₀ (3)

Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Auswerteverfahren für kapazitive Senso ren weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal U₀ und das Meßsignal U₂ jeweils während der positiven und der negativen Periodenhälfte auf den Subtra hierer gegeben werden und anschließend zur Bestimmung des Spannungshubes _ΔU das Teilergebnis während der negativen Periodenhälfte _ΔU⁻ vom Teilergebnis wäh rend der positiven Periodenhälfte _ΔU⁺ subtrahiert wird. Während der positiven Peri odenhälfte wird somit die Differenzspannung
The evaluation method according to the invention for capacitive sensors is advantageously further characterized in that the input signal U ₀ and the measurement signal U ₂ are given to the subtra here during the positive and the negative half of the period and then to determine the voltage swing _Δ U the partial result during the negative half period _Δ U⁻ the subtotal currency rend subtracting the positive half cycle _Δ U⁺. The differential voltage thus becomes during the positive half of the period

_ΔU⁺ = U₂⁺ - U₀⁺ (4)
_Δ U⁺ = U ₂ ⁺ - U ₀ ⁺ (4)

und während der negativen Periodenhälfte die Differenzspannung
and the differential voltage during the negative half of the period

_ΔU⁻ = U₂⁻ - U₀⁻ (5)
_Δ U⁻ = U ₂ ⁻ - U ₀ ⁻ (5)

getrennt erfaßt. Anschließend werden die beiden Differenzspannungen, da sie unter schiedliches Vorzeichen haben, voneinander subtrahiert. Man erhält also für den Spannungshub
recorded separately. The two differential voltages are then subtracted from one another, since they have a different sign. So you get for the voltage swing

Diese Art der Auswertung hat den Vorteil, daß Offsetfehler, die an verwendeten Ope rationsverstärkern auftreten, sich gegenseitig kompensieren. Außerdem wird sowohl der Auf- als auch der Entladezyklus des Referenzkondensators und des Meßkonden sators zur Signalauswertung genutzt.This type of evaluation has the advantage that offset errors caused by Ope ration amplifiers occur, compensate each other. In addition, both the charging and discharging cycle of the reference capacitor and the measuring capacitor sators used for signal evaluation.

Im Idealfall ist U₀⁺ = -U₀⁻ = U₀ und R₁ = R₂ = R, so daß sich für den Spannungshub folgender Zusammenhang ergibt:
Ideally, U ₀ ⁺ = -U ₀ ⁻ = U ₀ and R ₁ = R ₂ = R, so that the following relationship results for the voltage swing:

Der Spannungshub ist somit lediglich abhängig vom Eingangssignal U₀ und vom Verhältnis der Meßkapazität zur Referenzkapazität.The voltage swing is therefore only dependent on the input signal U ₀ and on the ratio of the measuring capacitance to the reference capacitance.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren weiterzubilden. Dazu wird verwiesen ei nerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigenIn detail, there are now a multitude of possibilities for the inventive method To further develop evaluation methods for capacitive sensors. Reference is made to this on the one hand on the claims subordinate to claim 1, on the other hand to the description of preferred embodiments in connection with the Drawing. Show in the drawing

Fig. 1 eine Schaltung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren, Fig. 1 shows a circuit according to a first embodiment of he inventive evaluation method for capacitive sensors,

Fig. 2 eine Schaltung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren, Fig. 2 shows a circuit according to a second embodiment of the evaluation method according to the invention for capacitive sensors,

Fig. 3 ein Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren und Fig. 3 is a diagram of another embodiment of the evaluation method according to the invention for capacitive sensors and

Fig. 4 eine Darstellung der Auswirkung von Kriechströmen auf das Meßsignal und das dadurch bedingte zeitlich kürzere Auswertefenster der Sample- und Hold-Schaltung. Fig. 4 shows the effect of leakage currents on the measurement signal and the resulting shorter time evaluation window of the sample and hold circuit.

Fig. 1 zeigt eine Schaltung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren. Auf die Schaltung wird ein Eingangssignal U₀ gegeben, welches hier in Form einer Rechteckspannung aus gebildet ist. Die Schaltung besteht aus einem Integrator 1, einem Differenziator 2 und einem Subtrahierer 3. Der Integrator 1 besteht aus einem Referenzkondensator 4, der eine Kapazität C₁ aufweist, einem Widerstand 5 mit einem Widerstandswert R₁ und einem Operationsverstärker 6. Der Differenziator 2 besteht aus dem Meßkondensator 7, der eine Kapazität C₂ aufweist, einem Widerstand 8 mit einem Widerstandswert R₂ und einem weiteren Operationsverstärker 9. Fig. 1 shows a circuit according to a first embodiment of the inventive evaluation method for capacitive sensors. An input signal U _{0 is} given to the circuit, which is formed here in the form of a square wave voltage. The circuit consists of an integrator 1 , a differentiator 2 and a subtractor 3 . The integrator 1 consists of a reference capacitor 4 , which has a capacitance C ₁ , a resistor 5 with a resistance value R ₁ and an operational amplifier 6 . The differentiator 2 consists of the measuring capacitor 7 , which has a capacitance C ₂ , a resistor 8 with a resistance value R ₂ and a further operational amplifier 9 .

Vorteilhafterweise sind der Referenzkondensator 4 und der Meßkondensator 7 mit einander verbunden, so daß von außen auf den kapazitiven Sensor einwirkende Störeinflüsse nur eine geringe Auswirkung auf die Messung haben. Da die nicht-in vertierenden Eingänge der Operationsverstärker 6 und 9 beide auf Masse liegen, wir ken ihre invertierenden Eingänge als "virtuelle Masse". Dadurch hat sowohl der Ver bindungspunkt zwischen dem Referenzkondensator 4 und dem Widerstand 5 als auch der Verbindungspunkt zwischen dem Meßkondensator 7 und dem Widerstand 8 Nullpotential, und es treten somit keine Kriechströme gegen Masse auf.Advantageously, the reference capacitor 4 and the measuring capacitor 7 are connected to one another, so that interference from the outside on the capacitive sensor has only a minor effect on the measurement. Since the non-in inverting inputs of operational amplifiers 6 and 9 are both grounded, we know their inverting inputs as "virtual ground". As a result, both the connection point between the reference capacitor 4 and the resistor 5 and the connection point between the measuring capacitor 7 and the resistor 8 have zero potential, and therefore no leakage currents occur against ground.

Das rechteckförmige Eingangssignal U₀ wird durch die Integration in das Zwischen signal U₁ umgewandelt, welches die Form einer Dreieckspannung hat. Anschließend wird diese Dreieckspannung durch die Differenziaton in das Meßsignal U₂ umge wandelt, welches wieder rechteckförmig ist. Das Meßsignal U₂ und das Eingangssi gnal U₀ werden auf den Subtrahierer 3 gegeben und man erhält am Ausgang des Subtrahierers 3 den Spannungsschub _ΔU, welcher ebenfalls die Form einer Rechteck spannung hat.The rectangular input signal U ₀ is converted by the integration into the intermediate signal U ₁ , which has the form of a triangular voltage. This triangular voltage is then converted by the differential into the measurement signal U ₂ , which is again rectangular. The measurement signal U ₂ and the input signal U ₀ are given to the subtractor 3 and you get at the output of the subtractor 3, the voltage _{surge Δ} U, which also has the shape of a square wave voltage.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren. Auch hier besteht die Schaltung aus einem Integrator 1, der sich wiederum aus einem Referenzkondensator 4, einem Widerstand 5 und einem Operationsverstärker 6 zusammensetzt. Ebenso ist mit C₁ die Kapazität des Referenzkondensators 4 und mit R₁ der Widerstandswert des Widerstandes 5 gekennzeichnet. Entsprechend Fig. 1 enthält die Schaltung auch einen Differenziator 2 mit einem Meßkondensator 7, einem Widerstand 8 und einem Operationsverstärker 9. Auch hier ist mit C₂ die Kapazität des Meßkondensators 7 und mit R₂ der Widerstandswert des Widerstandes 8 gekennzeichnet. Fig. 2 shows a circuit according to a second embodiment of the inventive evaluation method for capacitive sensors. Here, too, the circuit consists of an integrator 1 , which in turn is composed of a reference capacitor 4 , a resistor 5 and an operational amplifier 6 . Likewise, the capacitance of the reference capacitor 4 is marked with C ₁ and the resistance value of the resistor 5 with R ₁ . According to Fig. 1, the circuit also includes a differentiator 2 with a measuring capacitor 7, a resistor 8 and an operational amplifier 9. Here, too, the capacitance of the measuring capacitor 7 is identified by C ₂ and the resistance value of the resistor 8 by R ₂ .

Anders als in der Schaltung nach Fig. 1 ist hier dem Differenziator 2 ein Regelglied 10 nachgeschaltet, das durch Ladestromkorrektur die Differenz zwischen dem Eingangs signal U₀ und dem Meßsignal U₂ zu Null werden läßt. Dabei kann die Ladestromkor rektur nicht nur als Regelgröße sondern zusätzlich auch noch als Ausgangssignal herausgestellt werden.In contrast to the circuit shown in FIG. 1, the differentiator 2 is followed by a control element 10 , which makes the difference between the input signal U ₀ and the measurement signal U ₂ zero by charging current correction. The charging current correction can be emphasized not only as a controlled variable but also as an output signal.

Fig. 3 zeigt ein Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Auswerteverfahrens für kapazitive Sensoren. Auch hier besteht das Auswerteverfah ren wieder aus der Integration des Eingangssignals U₀ in einem Integrator 1 und der anschließenden Differenziation des Zwischensignals U₁ in einem Differenziator 2. Der Referenzkondensator 4 ist wieder Bestandteil des Integrators 1 und der Meßkonden sator 7 wieder Bestandteil des Differenziators 2. Fig. 3 is a diagram showing a further embodiment of the evaluation method according to the invention for capacitive sensors. Here too, the evaluation process again consists of the integration of the input signal U ₀ in an integrator 1 and the subsequent differentiation of the intermediate signal U ₁ in a differentiator 2 . The reference capacitor 4 is again part of the integrator 1 and the measuring capacitor 7 is again part of the differentiator 2 .

Der Ausgang des Integrators 1 ist mit einer Vergleichseinheit 11 verbunden, die aus einem Pegeldetektor 12 und einem Komparator 13 besteht. Der Ausgang des Kompa rators 13 ist so mit dem Eingang eines Rechteckgenerators 14 verbunden, daß bei je dem erreichen einer Hystereseschwelle eine Invertierung des Rechteckgenerator ausgangssignals erfolgt. Durch diese Maßnahme werden Anfang und Ende eines Pul ses des Eingangssignals U₀ durch das Erreichen eines bestimmten Spannungspegels des Zwischensignals U₁ festgelegt. Die Schaltung benötigt somit keinen gesonderten Taktgenerator. Dadurch, daß die Auf- bzw. Entladephase der Kondensatoren durch das Erreichen eines bestimmten Spannungspegels des Zwischensignals U₁ festgelegt wird, bleiben verwendete Operationsverstärker in ihrem Arbeitsbereich und warten somit nicht auf eine externe Umschaltung, wodurch ein Zeitverlust entstehen würde. Ein kapazitiver Sensor nach dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren weist somit eine schnellere Ansprechzeit auf.The output of the integrator 1 is connected to a comparison unit 11 , which consists of a level detector 12 and a comparator 13 . The output of the compa rator 13 is connected to the input of a square wave generator 14 so that when the hysteresis threshold is reached, the square wave generator output signal is inverted. This measure determines the start and end of a pulse of the input signal U ₀ by reaching a certain voltage level of the intermediate signal U ₁ . The circuit therefore does not require a separate clock generator. Because the charging and discharging phase of the capacitors is determined by reaching a certain voltage level of the intermediate signal U ₁ , operational amplifiers used remain in their working range and thus do not wait for an external switchover, which would result in a loss of time. A capacitive sensor according to the evaluation method according to the invention thus has a faster response time.

Dem Differenziator 2 folgt wieder ein Subtrahierer 3, dem bei dieser Ausführung noch eine Amplitudenauswerteeinheit 15 nachgeschaltet ist. Die Amplitudenauswerteein heit 15 besteht vorteilhaft aus einer Sample- und Hold-Schaltung mit einem Integrati onskondensator. Vorzugsweise ist das Auswertefenster der Sample- und Hold-Schal tung über eine Zeitverzögerungseinheit 16 mit dem Ausgang des Komparators 13 verbunden, so daß eine Synchrondetektion stattfindet.The differentiator 2 is again followed by a subtractor 3 , which is followed by an amplitude evaluation unit 15 in this embodiment. The amplitude evaluation unit 15 advantageously consists of a sample and hold circuit with an integrati on capacitor. Preferably, the evaluation window of the sample and hold switching device is connected via a time delay unit 16 to the output of the comparator 13 , so that a synchronous detection takes place.

Vorzugsweise wird noch, wie in Fig. 3 dargestellt, zur Kennlinienkorrektur ein Li nearisierer 17 verwendet, der aus einem vierpoligen Widerstandsnetzwerk besteht. Ein Pol ist mit der Betriebsspannung ein anderer mit Masse verbunden. Um einen ge ringen Stromverbrauch der Schaltung zu gewährleisten, wird vorzugsweise ein passi ves Widerstandsnetzwerk ohne Operationsverstärker verwendet.Preferably, as shown in FIG. 3, a linearizer 17 , which consists of a four-pole resistance network, is used for the characteristic curve correction. One pole is connected to the operating voltage and another to ground. In order to ensure low power consumption of the circuit, a passive resistance network without an operational amplifier is preferably used.

Dem Linearisierer 17 ist noch ein Impedanzwandler 18 nachgeschaltet, der zur Ent koppelung von Linearisierer 17 und Rechteckgenerator 14 dient.The linearizer 17 is followed by an impedance converter 18 , which is used for decoupling the linearizer 17 and the square wave generator 14 .

In Fig. 3 ist noch gestrichelt dargestellt, daß das Meßsignal U₂ als Ausgangssignal des Differenziators 2 auch direkt, das heißt ohne einen Subtrahierer 3 wie in Fig. 1 oder ein Regelglied 10 wie in Fig. 2, als Ausgangssignal herausgeführt werden kann.In Fig. 3 it is also shown in broken lines that the measurement signal U ₂ as the output signal of the differentiator 2 can also be brought out directly, that is to say without a subtractor 3 as in FIG. 1 or a control element 10 as in FIG. 2, as an output signal.

Da, wie weiter oben bereits beschrieben, durch die "virtuelle Masse" der invertieren den Eingänge der Operationsverstärker 6 und 9 keine Kriechströme entstehen, tritt auch keine Abschrägung des auszuwertenden Signalhubs _ΔU auf. Wenn eine solche Abschrägung auftreten würde, so müßte diese durch eine zum Nulldurchgang des Zwischensignals U₁ symmetrisch angeordnete Sample-Zeit kompensiert werden. Da der Sample- und Hold-Zugriff nach der Ladestromumkehr den Einschwingvorgang der Operationsverstärker abwarten muß, muß er - um die Symmetrie nicht zu verzerren - nach dem Nulldurchgang des Zwischensignals U₁ entsprechend vorzeitig abschal ten, obwohl das Zwischensignal U₁ noch weit im auswertbaren Bereich liegt.Since, as already described above, the “virtual ground” of the inverting inputs of the operational amplifiers 6 and 9 does not produce any leakage currents, there is also no beveling of the signal swing _Δ U to be evaluated. If such a beveling were to occur, it would have to be compensated for by a sample time arranged symmetrically to the zero crossing of the intermediate signal U ₁ . Since the sample and hold access must wait for the transient response of the operational amplifier after the charge current has been reversed, it must be switched off prematurely after the zero crossing of the intermediate signal U ₁ , in order not to distort the symmetry, although the intermediate signal U _{1 is} still far in the evaluable range lies.

Der zuvor beschriebene Zusammenhang ist in Fig. 4 dargestellt. Der Signalhub _ΔU, den man am Ausgang der Subtrahierers 3 erhält, ist dargestellt einmal für denn Fall, daß Kriechströme gegen Masse auftreten (Bezugszeichen 19), und einmal für den Fall, daß diese Kriechströme, wie bei dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren, verhin dert werden (Bezugszeichen 20). Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Auswer teverfahren für kapazitive Sensoren Kriechströme, die zur Abschrägung des Span nungsschubes _ΔU führen, vermieden werden, kann die Sample- and Hold-Schaltung der Auswerteeinheit 15 über ein wesentlich größeres Auswertefenster integrieren. In Fig. 4 ist das Auswertefenster der Sample- und Hold-Schaltung nach dem erfin dungsgemäßen Auswerteverfahren mit S_neu und das Auswertefenster der Sample und Hold-Schaltung eines herkömmlichen Auswerteverfahrens mit S_alt gekennzeichnet. Es ergibt sich ein beträchtlicher Dynamikgewinn für einen kapazitiven Sensor nach dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren.The relationship described above is shown in FIG. 4. The signal deviation _Δ U which is obtained at the output of subtractor 3 is shown again for because event that leakage to ground occur (reference numeral 19), and once for the case that these leakage currents, as in the inventive evaluation method, verhin changed are (Reference number 20 ). The fact that in the evaluation method according to the invention for capacitive sensors, leakage currents which lead to the beveling of the voltage surge _Δ U, are avoided, the sample and hold circuit of the evaluation unit 15 can be integrated over a substantially larger evaluation window. In FIG. 4, the evaluation window of the sample and hold circuit according to the invention the OF INVENTION evaluation with S is _new and the evaluation window of the sample and hold circuit of a conventional evaluation technique with in S _old. There is a considerable gain in dynamics for a capacitive sensor according to the evaluation method according to the invention.

Claims

1. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren, insbesondere für Drucksensoren, unter Einsatz eines Referenzkondensators, eines Meßkondensators mit einer von einer zu erfassenden physikalischen Meßgröße beeinflußbaren Meßkapazität und eines peri odischen, im wesentlichen symmetrischen Eingangssignals U₀, dadurch gekenn zeichnet, daß mittels des Referenzkondensators oder des Meßkondensators durch In tegration des Eingangssignals U₀ ein Zwischensignal U₁ und mittels des Meßkonden sators oder des Referenzkondensators durch Differenziation des Zwischensignals U₁ das Meßsignal U₂ erzeugt wird.1. Evaluation method for capacitive sensors, in particular for pressure sensors, using a reference capacitor, a measuring capacitor with a measuring capacitance which can be influenced by a physical measured variable and a periodic, essentially symmetrical input signal U ₀ , characterized in that by means of the reference capacitor or the Measuring capacitor by integrating the input signal U _0, an intermediate signal U ₁ and by means of the measuring capacitor or the reference capacitor by differentiating the intermediate signal U _1, the measuring signal U _{2 is} generated.

2. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Eingangssignal U₀ in Form einer Rechteckspannung hochohmig dem Referenzkondensator oder dem Meßkondensator zugeführt wird.2. Evaluation method for capacitive sensors according to claim 1, characterized in that the input signal U ₀ in the form of a square wave voltage is supplied to the reference capacitor or the measuring capacitor with high impedance.

3. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Integration des Eingangssignals U₀ der Referenzkondensator und zur Differenziation des Zwischensignals U₁ der Meßkondensator verwendet wird.3. Evaluation method for capacitive sensors according to claim 1 or 2, characterized in that the reference capacitor is used to integrate the input signal U ₀ and the measuring capacitor is used to differentiate the intermediate signal U ₁ .

4. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß Referenzkondensator und Meßkondensator miteinander verbunden sind.4. Evaluation method for capacitive sensors according to one of claims 1 to 3, because characterized in that the reference capacitor and measuring capacitor together are connected.

5. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß Anfang und Ende eines Pulses des Eingangssignals U₀ durch das Erreichen eines bestimmten Spannungspegels des Zwischensignals U₁ festgelegt werden.5. Evaluation method for capacitive sensors according to one of claims 1 to 4, characterized in that the beginning and end of a pulse of the input signal U _{0 are} determined by reaching a certain voltage level of the intermediate signal U ₁ .

6. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal U₀ und das Meßsignal U₂ in einem Subtra hierer miteinander verglichen werden und somit der Spannungshub _ΔU ermittelt wird. 6. Evaluation method for capacitive sensors one of claims 1 to 5, characterized in that the input signal U ₀ and the measurement signal U ₂ are compared in a subtra here and thus the voltage swing _Δ U is determined.

7. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Eingangssignal U₀ und das Meßsignal U₂ jeweils während der posi tiven und der negativen Periodenhälfte auf den Subtrahierer (3) gegeben werden und anschließend zur Bestimmung des Spannungshubs _ΔU das Teilergebnis _ΔU⁻ während der negativen Periodenhälfte vom Teilergebnis _ΔU⁺ während der positiven Perioden hälfte subtrahiert wird.7. Evaluation method for capacitive sensors according to claim 6, characterized in that the input signal U ₀ and the measurement signal U ₂ are given to the subtractor ( 3 ) during the positive and the negative half of the period and then to determine the voltage _{swing Δ} U Partial result _Δ U⁻ during the negative half of the period is subtracted from partial result _Δ U⁺ during the positive half of the period.

8. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Subtrahierer eine Amplitudenauswerteeinheit, bestehend aus einer Sample- und Hold-Schaltung mit Integrationskondensator, nachgeschaltet ist.8. evaluation method for capacitive sensors according to claim 6 or 7, characterized ge indicates that the subtractor has an amplitude evaluation unit consisting of a sample and hold circuit with an integration capacitor.

9. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß dem Meßsignal U₂ ein Regelglied (10) nachgeschaltet ist, das durch Ladestromkorrektur die Differenz zwischen dem Eingangssignal U₀ und dem Meßsignal U₂ zu Null werden läßt.9. Evaluation method for capacitive sensors according to one of claims 1 to 5, characterized in that the measurement signal U _{2 is followed by} a control element ( 10 ) which can make the difference between the input signal U ₀ and the measurement signal U ₂ zero by charging current correction .

10. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ladestromkorrektur als Regelgröße zusätzlich als Ausgangssignal herausgestellt wird.10. Evaluation method for capacitive sensors according to claim 9, characterized records that the charge current correction as a controlled variable additionally as an output signal is highlighted.

11. Auswerteverfahren für kapazitive Sensoren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kennlinienkorrektur ein Linearisierer, bestehend aus einem vierpoligem Widerstandsnetzwerk, vorzugsweise einem passivem Wider standsnetzwerk, verwendet wird.11. Evaluation method for capacitive sensors according to one of claims 1 to 10, characterized in that there is a linearizer for the correction of the characteristic curve from a four-pole resistor network, preferably a passive resistor stand network, is used.