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Diese Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung
zur Detektion einer Veränderung
bezüglich
eines Ruhezustands entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 und
2.
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Das US-Patent
4 574 986 offenbart
eine solche elektronische Schaltung in Form eines Münzverkaufsautomaten.
Zum Vergleichen zweier Münzen
ist ein induktiver Nullindikator mit einem symmetrischen dualen
Rückkopplungsgenerator
vorgesehen, der nicht im Gleichgewicht ist, wenn sich eine eingeworfene
Münze von
einer Testmünze
unterscheidet. Das in dieser Patentschrift beschriebene Anwendungsgebiet
ist auf das Vergleichen von Münzen
beschränkt.
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Zur Messung des Vorhandenseins, der
Position oder Bewegung eines Gegenstandes ist es bekannt, kapazitive
Sensoren, induktive Sensoren, Dehnungsmessstreifen und Hall-Effekt-Sensoren zu nutzen.
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Für
kapazitive Sensoren gilt, dass mit zunehmendem Abstand zur elektronischen
Messschaltung mit der darin zu beeinflussenden Kapazität die Anwendbarkeit
als Ergebnis des Vorhandenseins von parasitärer Kapazität, möglicherweise zeitveränderlich
abnimmt.
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Vorhandene induktive Sensoren und
induktive Näherungsschalter
nutzen elektrische Oszillatoren, Spulen, Ferritkerne und dergleichen,
während das
Material des Messobjektes typischerweise Eisen, Stahl, Kupfer oder
Aluminium ist und für
jedes Messobjektmaterial eine andere Ansprechempfindlichkeit gilt.
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Es werden häufig Hall-Effekt-Sensoren eingesetzt
und messen in erster Linie eine Veränderung des lokalen Magnetfeldes,
deren Veränderung
durch eine relative Bewegung des Sensors bezüglich eines oder mehrerer Magneten
oder anderer Gegenstände verursacht
werden kann.
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Ein gemeinsamer Nachteil aller dieser
bekannten Sensoren ist, dass sie nur für spezielle Anwendungsgebiete
geeignet sind und oft eine komplexe Detektionsschaltung erfordern.
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Es gibt Bedarf an einer einfachen,
elektronischen Schaltung, die in einfacher Weise für vielfältige Anwendungen,
die auf das Auftreten einer Veränderung
in einem Ruhezustand basieren, angepasst werden kann. Als Anwendungen
werden zum Beispiel die Messung von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung
eines Gegenstandes, jedoch auch die Schichtdickenmessung, Bestimmung
von Materialeigenschaften, Erfassung von Haarrissen, usw. betrachtet.
Eine Anwendung zur Bestimmung einer Position ist die Verwendung
als analoger oder digitaler Näherungsschalter.
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Die Erfindung zieht die Bereitstellung
einer elektronischen Schaltung in Betracht, die diesen Bedarf erfüllt und
zu diesem Zweck eine elektronische Schaltung zur Detektion einer
Veränderung
bezüglich
eines Ruhezustands vorsieht, wie sie in den Ansprüchen 1 und
2 definiert ist.
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Dadurch, dass die Schaltung entsprechend der
Erfindung in weitreichendem Umfang symmetrisch ist, ist sie gegenüber Temperatur-
oder Versorgungsspannungsänderungen
unempfindlich. Im Ruhezustand gibt es zwischen den Ausgangsanschlüssen, einen
völlig
symmetrischen Aufbau vorausgesetzt, keinen Spannungsunterschied.
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Die Erfindung basiert auf dem Prinzip
der Veränderung
des Q-Faktors von einer oder beiden Oszillatorschaltungen der elektronischen
Detektionsschaltung. Der Q-Faktor eines Oszillators kann durch die Änderung
des Kapazitätswertes
oder des Wertes der Selbstinduktion eines induktiv-kapazitiven Oszillators
oder durch eine Änderung
der Dämpfung
des Oszillators beeinflusst werden. Dieses verursacht eine Asymmetrie
in der Schaltung, die zu unterschiedlichen Spannungen an den Ausgangsanschlüssen der
Detektionsschaltungen führt.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit
Bezug auf die Zeichnungen weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild des Prinzips der Erfindung;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der elektronischen Schaltung entsprechend der Erfindung;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der elektronischen Schaltung entsprechend der Erfindung; und
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4 eine
spezielle Anwendung der elektronischen Schaltung entsprechend der
Erfindung.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung zur Detektion einer
Veränderung bezüglich eines
Ruhezustands entsprechend der Erfindung. Eine erste Oszillatorschaltung 1 umfasst
einen Eingang 2 und einen Ausgang 3; eine zweite
Oszillatorschaltung 4 umfasst einen Eingang 5 und
einen Ausgang 6. Weiterhin sind eine erste Detektionsschaltung 8 und
eine zweite Detektionsschaltung 11 vorgesehen. Über eine
Verbindung 7 empfängt
die Detektionsschaltung 8 an deren Eingangsanschluss 9 ein
Signal, das zum Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 1 proportional
ist. Über
eine Verbindung 10 empfängt
die Detektionsschaltung 11 an deren Eingangsanschluss 12 ein
Signal, das sich, zum Beispiel proportional, auf das Ausgangssignal
der Oszillatorschaltung 4 bezieht. Die Signaldifferenz
zwischen dem Ausgangsanschluss 13 der Detektionsschaltung 8 und
dem Ausgangsanschluss 14 der Detektionsschaltung 11 ist
im Ruhezustand stabil. Wenn sich jedoch der Q-Wert der Oszillatorschaltung 2 oder
der Oszillator schaltung 4 oder beider Schaltungen durch einen äußeren Einfluss ändert, verändert sich
das Signal zwischen den Ausgangsanschlüssen der Detektionsschaltungen 8 und 11.
Gemäß der Erfindung kann
dieses Signal für
verschiedene Zwecke genutzt werden. Die Oszillatorschaltungen sind
vorzugsweise Oszillatoren mit Oberwellen 2. Ordnung mit komplexen
Polen. Solche Schaltungen weisen einen niedrigen Rauschpegel und
einen hohen Q-Faktor auf. Als Detektor kann zum Beispiel ein nichtlineares, elektronisches
Bauteil wie ein Transistor oder MOS-Feldeffekttransistor verwendet
werden, der die Hüllkurve
der oszillierenden Spannung detektiert. Andere Möglichkeiten sind ein Schalter
zur gleichzeitigen Detektion der Hüllkurve oder ein Phasendetektor.
Einige dieser Anwendungen, in denen eine oder mehrere Schaltungen
entsprechend der Erfindung eingesetzt werden, sind: ein Näherungssensor,
ein Phasenverschiebungssensor zur Messung von Position und Drehzahl
eines Zahnrades oder einer Zahnstange, ein Drucksensor, Mittel zum
Positionieren oder Ausrichten einer Metallwelle in einer Öffnung oder
einem Lager, wobei vorzugsweise vier Schaltungen symmetrisch um
die Welle angeordnet werden, usw.
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2 zeigt
ein erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Die Schaltung besteht aus zwei Teilen, die im Verhältnis zueinander symmetrisch
sind. Die Symmetrielinie wird in der Abbildung durch eine unterbrochene
Linie angezeigt. Die Teile im linken Abschnitt der Schaltungsanordnung
in der Abbildung werden durch die gleichen Bezugszahlen wie die
Teile im rechten Abschnitt gekennzeichnet, wobei den entsprechenden
Zahlen im linken Abschnitt die Zahl 1 und denen im rechten Abschnitt
die Zahl 2 vorangestellt ist.
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Die Schaltungsanordnung umfasst bipolare Transistoren 11, 21,
die sowohl die Funktion eines Verstärkers als auch eines Detektors
erfüllen.
Im Kollektorpfad jedes Transistors 11, 21 ist
eine Oszillatorschaltung enthalten, die aus paral lel verbundenen Spulen 12, 22 und
Kondensatoren 13, 23 besteht. In der Emitterschaltung
jedes Transistors 11, 21 ist eine Schaltung enthalten,
die aus einem parallel geschalteten Widerstand 14, 24 und
einem Kondensator 15, 25 besteht. Die Emitteranschlüsse der
Transistoren 11, 21 bilden die beiden Ausgangsanschlüsse 16, 26 der
Schaltungsanordnung. Der Kol-lektor
des Transistors 11, der den Ausgang der ersten Oszillatorschaltung
bildet, ist mit der Basis des Transistors 21 verbunden,
die den Eingang der zweiten Oszillatorschaltung bildet. Der Kollektor
des Transistors 21, der den Ausgang der zweiten Oszillatorschaltung
bildet, ist mit der Basis des Transistors 11 verbunden, die
den Eingang der ersten Oszillatorschaltung bildet.
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Im Prinzip kann jede der Komponenten 12, 22; 13, 23; 14, 24 und 15, 25 allein
oder in Kombination in dem elektronischen Schaltkreis die Impedanz bilden,
deren Größenordnung
mit Hilfe eines äußeren Einflusses
verändert
wird, um dadurch an den Ausgangsanschlüssen 16, 26 eine
Störung
des Ruhezustands detektieren zu können. Vorzugsweise wird jedoch
von außen
entweder die Größenordnung der
Impedanz einer oder beider Selbstinduktionen 12, 22 oder
die Größenordnung
einer oder beider kapazitiven Widerstände 13, 23 beeinflusst.
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Nachstehend wird eine nicht erschöpfende Anzahl
von möglichen
Beispielen der äußeren Beeinflussung
der Selbstinduktion einer Spule oder der Größenordnung eines Kapazitätswertes
gegeben.
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Die Stärke der Selbstinduktion kann
beeinflusst werden durch:
- – Vorhandensein eines beweglichen
elektrischen Leiters, in dem Wirbelströme erzeugt werden;
- – Vorhandensein
eines beweglichen ferromagnetischen Gegenstandes;
- – mechanische
Verzerrung der Selbstinduktion;
- – Veränderung
magnetischer Eigenschaften von Material in der Nähe der Selbstinduktion, indem zum
Beispiel dieses Material mechanischen Kräften und/oder äußeren Magnetfeldern
ausgesetzt wird.
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Die Größenordnung einer Kapazität kann von
außen
beeinflusst werden durch:
- – Vorhandensein eines beweglichen
elektrischen Leiters;
- – Vorhandensein
eines beweglichen elektrischen Nichtleiters mit besonderen dielektrischen
Eigenschaften;
- – mechanische
Verzerrung des kapazitiven Widerstands;
- – Veränderung
elektrischer Eigenschaften von Material, das in der Nähe des kapazitiven
Widerstands angeordnet ist, indem zum Beispiel das Material mechanischen
Kräften
und/oder äußeren Magnetfeldern
oder elektrischen Feldern ausgesetzt wird.
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3 zeigt
ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Wiederum wird die Symmetrielinie angezeigt, wobei
Teile in der gleichen Weise wie in 2 und
insoweit identisch und auch durch die gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet werden,
denen jedoch jetzt die Zahl 3 für den linken Abschnitt in der
Abbildung und die Zahl 4 für den rechten Abschnitt in
der Abbildung vorangestellt ist. Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel
nach 2 besteht darin,
dass die Kopplung zwischen den beiden Schaltungshälften jetzt
induktiv ist, und dass anstelle von bipolaren Transistoren die Feldeffekttransistoren 37, 47 verwendet
werden. Die induktive Kopplung wird durch Selbstinduktionen 38, 48 realisiert,
die zwischen der Steuerelektrode der beiden Feldeffekttransistoren 37, 47 und
Masse gekoppelt sind. Die induktive Kopplung besteht zwischen den
Selbstinduktionen 38 und 42 sowie zwischen den Selbstinduktionen 48 und 32.
Die Quellenelektroden der beiden Feldeffekttransistoren bilden die
Ausgangsanschlüsse
der Schaltung. Eine externe Änderung
der Impedanz einer der Komponenten der Schaltung nach 3 kann in der gleichen Weise vorgenommen
werden wie in der Schaltung gemäß 2.
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4 zeigt
eine Anwendung der Erfindung zur Messung einer zweidimensionalen
Verschiebung. Vier Hälften
der Schaltungen gemäß 2 oder 3 werden durch die Bezugszahlen 61, 62, 63 und 64 bezeichnet
und wechselseitig gekoppelt, so dass der Oszillatoreingang von einer
Schaltung in jedem Fall mit dem Oszillatorausgang der vorhergehenden
Schaltung gekoppelt ist. Dieses wird durch die Pfeile 65, 66, 67 und 68 angezeigt.
Die Ausgangsanschlüsse 69, 70, 71 und 72 der
Schaltungen 61, 62, 63 bzw. 64 liefern
Ausgangssignale, mit deren Hilfe die Position eines Metallgegenstandes
VS, der in der Mitte zwischen den Schaltungen 61 bis 64 angeordnet
ist, auf der Basis von Ausgangssignalen der Schaltungen 61 und 63 zur
Veränderung
in der y-Richtung einerseits und von Ausgangssignalen der Schaltungen 62 und 64 für Veränderungen
in der x-Richtung
andererseits genau bestimmt werden kann. Eine Anwendung ist das
Positionieren oder Ausrichten einer Metallwelle in einer Öffnung oder
in einem Lager durch eine vorzugsweise differentielle, zweifache
Messung mit den vier symmetrisch um die Welle angeordneten Schaltungen.
Eine andere Anwendung ist die Messung von zwei eingestellten Winkelpositionen
eines klappbaren Rückspiegels
für ein Auto,
eines Scheinwerfers von einem Auto und dergleichen, durch eine zweifache,
vorzugsweise differentielle Messung mit den vier Schaltungen, die
in einer Ebene um den Schwenkpunkt des Mechanismus vorzugsweise
symmetrisch angeordnet sind. Wahlweise werden ein oder mehrere Metalle
oder ferromagnetische Teile hinzugefügt, um die gegenwirkende Bewegung
beobachten zu können.
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Die Schaltung entsprechend der Erfindung kann
auf einem einzelnen Substrat angeordnet werden, was einen kompakten
Detektor ergibt, der gegen unerwünschte äußere Einflüsse zweckmäßig geschützt werden
kann. Auch Temperatureinflüsse
werden dann optimal kompensiert. Die Schaltung entsprechend der
Erfindung kann außerdem
in ähnlicher Art
und Weise für
Hall-Sensoren eingesetzt
werden. Die Schaltung entsprechend der Erfindung kann um differenzierende
Glieder und/oder integrierende Glieder erweitert werden, die ein
oder mehrere Ausgangssignale differenzieren oder integrieren. Infolgedessen
kann zum Beispiel, ausgehend von einem Positionssignal, durch Differenzierung
ein Signal erzielt werden, das der Geschwindigkeit oder Beschleunigung
entspricht.
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Andere exemplarische Ausführungsbeispiele sind
die Verwendungen von mehreren induktiv-kapazitiven Schaltungen mit
einem Transistor wie zum Beispiel dem Transistor 11, wobei
eine induktiv-kapazitive Schaltung in jedem Fall mittels eines Multiplexers
mit dem Transistor gekoppelt ist. Mit dieser Möglichkeit kann mit einigen
wenigen zusätzlichen
Komponenten auf einfache Art und Weise eine Mehrpunktmessung realisiert
werden. Es ist außerdem möglich, den
Oszillatoren der Schaltung nicht zu erlauben, frei zu schwingen,
sondern ihnen mittels eines externen Oszillators eine feste Oszillationsfrequenz
aufzuerlegen.
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Dem Fachmann wird ersichtlich, dass
sehr viele andere Anwendungsmöglichkeiten
innerhalb des Umfangs, wie es in den angefügten Ansprüchen der Erfindung definiert
ist, denkbar sind.