DE60109548T2

DE60109548T2 - Geräuschbeständiger elektronischer Anwesenheitsdetektor

Info

Publication number: DE60109548T2
Application number: DE60109548T
Authority: DE
Inventors: David D. Brandt
Original assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Current assignee: Rockwell Automation Technologies Inc
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: EP1193660B2; DE60109548D1; EP1193660A1; US6559658B1; EP1193660B1; DE60109548T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein aktive Sensoren zum elektronischen Erfassen der Anwesenheit eines Objekts, und insbesondere einen Sensor mit verbesserter Rauschimmunität.
Die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts kann ermittelt werden durch Messen der Interaktion des Objekts mit einem elektromagnetischen Feld, das in einem Erfassungsvolumen erzeugt wird. Wenn es sich im Erfassungsvolumen befindet, führt das Objekt eine neue oder geänderte Impedanz in die Schaltung bzw. den Stromkreis unter Erzeugung des elektromagnetischen Felds durch kapazitive oder induktive Kopplung ein. Sensoren, welche die Quelle des elektromagnetischen Feldes bereitstellen, das zur Erfassung genutzt wird, werden als "aktive" Sensoren bezeichnet.
In einem kapazitiven Anwesenheitssensor kann ein Objekt beispielsweise eine kapazitive Kopplung zwischen einer Elektrode der erzeugenden Schaltung und umgebenden Masserückführpfaden verstärken. In einem induktiven Anwesenheitssensor kann das Objekt mit einer Antenne der erzeugenden Schaltung induktiv koppeln, um die effektive Induktanz dieser Antenne zu ändern.
Diese Impedanzänderung, die durch die Einführung des Objekts in den Erfassungsbereich hervorgerufen wird, manifestiert sich als Energieübertragung von der erzeugenden Schaltung zu dem Objekt, wobei diese Energieübertragung durch eine Erfassungsschaltung ermittelt wird, beispielsweise durch einen erhöhten Stromfluss. Das Ausmaß der Energieübertragung kann verglichen werden mit einem Schwellenwert, um ein binäres, geschaltetes Ausgangssignal zu erzeugen, das die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts in dem erfassten Bereich anzeigt.
Derartige elektromagnetische Feldanwesenheitssensoren erfordern keinen direkten körperlichen oder elektrischen (Ohm'schen) Kontakt mit dem Objekt, wodurch sie problemlos gegenüber Wasser und Schmutz abgedichtet werden können für einen Einsatz in aggressiver Industrieumgebung.
Zwischen dem Empfindlichkeitsgrad derartiger Anwesenheitssensoren sowie ihrer Fähigkeit, durch kleine oder entfernte Objekte ausgelöst zu werden (beispielsweise eine von dem Sensor durch einen dicken Handschuh getrennte Hand), und ihrer Anfälligkeit für Rauschen existiert ein Nachteil. Wenn die Empfindlichkeit des Sensors erhöht wird (durch Erhöhen des Erfassungsvolumens oder Verringern der Größe des erfassten Objekts) durch Einstellen der Schwelle zur Ermittlung geringerer Energieübertragungen, besteht eine erhöhte Chance, dass elektrisches Rauschen aus der Umgebung oder durch die Stromleitung geleitetes Rauschen, hervorgerufen durch den Erfassungsschaltkreis, falsche Auslösevorgänge für den Sensor hervorruft.
Ein Mittelwertbildungsschaltkreis kann zusätzlich zu dem Erfassungsschaltkreis vorgesehen werden, um die Auswirkung von Rauschen relativ zu dem durch den Anwesenheitssensor erzeugten und gemessenen Signal längerer Dauer zu verringern. Ein derartiger Mittelwertbildungsschaltkreis verlangsamt jedoch auch die Reaktion des Anwesenheitssensors auf Änderungen der Anwesenheit oder Abwesenheit eines zu ermittelnden Objekts, wodurch die Anwendung derartiger Schalter auf Fälle be schränkt ist, in denen eine schnelle Reaktion erforderlich ist.
Die im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche berücksichtigte WO 9741458A nutzt zwei oder mehr unterschiedliche Frequenzen und misst die Energieübertragung bei diesen unterschiedlichen Frequenzen zur Bereitstellung mehrerer Frequenzsende- und -empfangselektroden zusätzlich zu üblichen physikalischen Elektroden, und um ein ermitteltes Objekt von möglichen weiteren Objekten zu unterscheiden oder die Position des Objekts und dergleichen präzise zu ermitteln. Die gemessenen Werte werden verarbeitet, um Information in Bezug auf die Zusammensetzung eines Objekts oder dergleichen zu gewinnen.
Die FR-A-2712404 offenbart einen Sensor mit einer Ermittlungsschleife, die aus leitfähigem Material hergestellt ist. Der Sensor ist mit einem Frequenzgenerator verbunden, der einen Oszillator umfasst. Jegliche Änderung der Sensorumgebung löst eine Änderung der Frequenz aus, die durch dieses Aggregat erzeugt wird, das eine Ermittlungsschleife (eine Antenne) und einen Oszillator aufweist. Diese Änderung bildet das Messsignal und sie wird in Übereinstimmung mit dem Schema gemäß 2 dieser Druckschrift ermittelt. Mit anderen Worten besitzt dieses System eine bestimmte Frequenz abhängig von den elektrischen Eigenschaften des vorstehend genannten Aggregats in der speziellen Umgebung. Diese Frequenz ändert sich immer dann, wenn die Umgebung beeinflusst wird. Die Frequenzänderung reflektiert die Energiemenge, die zu dem Aggregat übertragen wird. Ein Programm prüft, ob ein gemessener Frequenzdifferenzwert P einen bestimmten Schwellenwert Q übersteigt. P selbst entspricht der Differenz zwischen einem Wert F1, der zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen wird, und einem Mittelwert F über zehn Sekunden. Um sicherzustellen, dass ein Objekt anwesend ist, verifiziert das Programm, dass die Energieübertragung andauert und ermittelt, ob der Schwellenwert Q über drei Messzyklen F1, F1', F1'' überstiegen wird. Falls dies der Fall ist, wird entschieden, dass ein Objekt (Hindernis) existiert, und ein entsprechendes Ausgangssignal wird erzeugt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen rauschbeständigen elektronischen Anwesenheitssensor und ein Verfahren zum rauschbeständigen Erfassen eines Objekts zu schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen festgelegt.
Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass eine Neigung besteht, dass elektrisches Rauschen nicht nur in der Zeitdomäne beschränkt ist, weshalb Signalstöße beschränkter Dauer auftreten, sondern dass es außerdem in der Frequenzdomäne während eines beliebigen gegebenen Signalstoßes in einem relativ schmalen Satz von Frequenzen beschränkt auftritt. Ein verbesserter Anwesenheitssensor kann deshalb erstellt werden durch Anlegen eines breitbandigen elektromagnetischen Signals an das Erfassungsvolumen und getrenntes Analysieren von Frequenzbändern dieses Signals, um unabhängig festzustellen, ob ein Objekt anwesend ist. Konflikte bei diesen Ermittlungsvorgängen bei unterschiedlichen Frequenzen, die beispielsweise durch elektrisches Rauschen hervorgerufen werden, werden auch gelöst mittels einer Votierschaltung, die das Ausgangssignal nutzt, das durch eine Mehrheit von Ermittlungsvorgängen angezeigt wird.
Insbesondere stellt die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objekts in einem Erfassungsvolumen bereit, aufweisend die Schritte: Erzeugen eines elektromagnetischen Signals, das aus mehreren unterschiedlichen Frequenzen besteht, und elektromagnetisches Übertragen des elektromagnetischen Signals in ein Erfassungsvolumen. Energieübertragungsvorgänge in das Erfassungsvolumen mit mehreren Frequenzen werden getrennt ermittelt und die Energieübertragungsvorgänge mit mehreren Frequenzen werden verglichen, um die Anwesenheit eines Objekt in dem Erfassungsvolumen zu ermitteln und ein Ausgangssignal bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung schafft demnach einen breitbandigen Anwesenheitssensor, der frequenzbeschränktem elektrischem Rauschen besser zu widerstehen vermag.
Die Energieübertragung bei jeder Frequenz kann mit einer Schwelle verglichen werden, die eine Energieübertragung anzeigt, die mit der Anwesenheit des Objekts einhergeht, um ein frequenzverknüpftes Anwesenheitssignal bei jeder der Frequenzen zu erzeugen. Die Anzahl von frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen zur Anzeige der Anwesenheit eines Objekts kann mit der Anzahl von frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen verglichen werden, die die Anwesenheit eines Objekts anzeigen, um das Ausgangssignal zu ermitteln. Der Vergleich der Ausgangssignale erbringt bzw. beobachtet eine einfache Mehrheit.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein einfaches Votierverfahren zum Eliminieren von Artefakten zu schaffen, die durch elektromagnetische Interferenz hervorgerufen werden, wodurch ein hoher Grad an Rauschimmunität selbst dann bereitgestellt werden kann, wenn mehrere Frequen zen des elektromagnetischen Signals durch elektromagnetisches Rauschen verschleiert werden.
Das elektromagnetische Signal kann in das Erfassungsvolumen durch eine Elektrode übertragen werden, die mit einem Objekt in dem Erfassungsvolumen kapazitiv gekoppelt ist, oder durch einen Induktor, der mit dem Objekt in dem Erfassungsvolumen induktiv gekoppelt ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Technik zu schaffen, die für unterschiedliche Arten von elektromagnetischen Anwesenheitssensoren genutzt werden kann.
Jedes der frequenzverknüpften Sensorsignale kann in dem Vergleichsprozess getrennt gewichtet werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Erfassungsvorgang für ein Objekt zu schaffen, der auf eine spezielle frequenzabhängige Eigenschaft des Objekts zugeschnitten ist.
Das Ausmaß an Energieübertragung kann ermittelt werden durch Messen von Änderungen des Stroms oder der Spannung bei unterschiedlichen Frequenzen des elektromagnetischen Signals durch eine oder über einer bekannten Impedanz.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen einfachen Mechanismus zum Messen der Energieübertragung zu schaffen.
Die vorstehend genannten Aufgaben und Vorteile müssen nicht auf sämtliche Ausführungsformen der Erfindung zutreffen und sollen den Umfang der Erfindung nicht beschränken, für welchen Zweck die Ansprüche vorgesehen sind. In der nachfolgenden Beschreibung wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil derselben bilden, und in denen illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist. Diese Ausführungsform legt nicht den Umfang der Erfindung fest, zu welchem Zweck auf die Ansprüche Bezug zu nehmen ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Anwesenheitssensors, der die vorliegende Erfindung enthalten kann, unter Bereitstellung eines Gehäuses, das eine Erfassungsschaltung enthält, und aufweisend eine Oberseite, die eine Erfassungselektrode oder einen Induktor trägt, und ein Ausgangskabel, das ein Ausgangssignal führt, das die Anwesenheit eines Objekts in einem Erfassungsvolumen über der Oberseite anzeigt;
2 zeigt eine schematisch die Erfassungsschaltung und Elektrode von 1 unter Darstellung der Auswirkung eines Objekts in dem Erfassungsvolumen und unter Darstellung der Einführung von Rauschen in die Erfassungsschaltung; und
3 zeigt ein detailliertes Diagramm einer Erfassungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Darstellung der Erzeugung mehrerer Frequenzen zur Bildung des elektromagnetischen Signals und ihrer Trennabtrennung zur Bereitstellung getrennter frequenzverknüpfter Erfassungssignal, die durch eine Votierschaltung kombiniert werden, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Anwesenheitssensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 12, das auf einer Seite aufsteht, und ein oder mehrere Elektrodenanschlussfelder 14. Obwohl die Elektroden der Klarheit wegen gezeigt sind, sind sie üblicherweise von einem benachbarten Erfassungsvolumen 16 elektrisch isoliert. Ein Kabel 18 tritt am Anwesenheitssensor 10 aus und enthält Stromleiter 22 zum Leiten von Strom zu einem (nicht gezeigten) internen Erfassungsschaltkreis, und zumindest einen Ausgangsanschluss 25 zur Bereitstellung eines Anwesenheitssignals, das die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts in dem Erfassungsvolumen 16 bereitstellt.
Wie in 2 gezeigt, enthält das Gehäuse 12 eine Erfassungsschaltung 20, die mit dem Stromleiter 22 und dem Ausgang 25 verbunden ist, zur Bereitstellung des Anwesenheitssignals. Während des Betriebs kann sich ein Objekt 24 (wie etwa die Hand eines Menschen) in das Erfassungsvolumen 16 bewegen, wodurch eine kapazitive Kopplung 26 mit dem Elektrodenanschlussfeld 14 hervorgerufen wird, die durch die Kapazität C_po angezeigt wird (Kapazität zwischen dem Anschlussfeld und dem Objekt). Die Kapazität C_po stellt einen Energieübertragungspfad von dem Elektrodenanschlussfeld 14 in das Objekt 24 hinein und durch die kapazitive Kopplung 28 zwischen dem Objekt und seiner Umgebung bereit, die durch eine Kapazität C_oe (Kapazität zwischen dem Objekt und Masse) angezeigt ist. Eine vervollständigte Schaltung zwischen der Erfassungsschaltung 20 und dem Objekt 24 wird bereitgestellt durch eine kapazitive Kopplung 30, die durch einen Kapazität C_se angezeigt ist (die Kapazität zwischen der Erfassungsschaltung und Erde). Alternativ, jedoch nicht gezeigt, kann die Erfassungsschaltung 20 direkt mit Masse verbunden sein. Die Kapazität C_oe und C_se resultiert aus der normalen Proximität und Verbindung des Objekts 24 und der Erfassungsschaltung 20 mit ihren Umgebungen.
Eine Rauschquelle 32 kann einen Rauschstrom in eine Verbindungsstelle zwischen der Erfassungsschaltung 20 und der Kapazität C_se unter Hervorrufen einer Störung bezüglich des Spannungspegels der Erfassungsschaltung 20 in Bezug auf Erde einführen bzw. induzieren. Diese Störung kann beispielsweise Ursache dafür sein, dass ein zusätzlicher Strom von dem Erfassungsschaltungselektrodenanschlussfeld 14 zu dem Objekt 24 fließt, insofern, als die Energieübertragung durch das Objekt 24 zur Masse teilweise proportional zur Spannungsdifferenz zwischen dem Elektrodenanschlussfeld 14 und Masse ist. Die Rauschquelle 32 dient zur Aufzeigung eines Mechanismus für die Einführung von Rauschen in die Signale, die durch die Erfassungsschaltung 20 erfasst werden; die vorliegende Erfindung betrifft jedoch auch andere Quellen von Rauscheinführung, die auf diesem Gebiet der Technik an sich bekannt sind, einschließlich kapazitiver Kopplung oder Induktion in andere Leitungen oder Punkte in der Schaltung.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass in zahlreichen Situationen die Rauschquelle 32 bandbeschränkt ist, was bedeutet, dass das Rauschen durch eine beschränkte Anzahl unterschiedlicher Frequenzen über einen willkürlichen Zeitintervall dargestellt wird. Ein spektralbreites Erfassungssignal kann deshalb genutzt werden, um den Einfluss dieser Rauschsignale zu verringern.
Wie in 3 gezeigt, kann die Erfassungsschaltung 20 mehrer Frequenzgeneratoren 34 umfassen, die jeweils ein relativ schmalbandiges Signal mit beabstandeten Mittenfrequenzen f₀ bis f_n erzeugen. Diese Signale können durch getrennte Oszillatorschaltungen an sich bekannter Art erzeugt und mit einer Summierschaltung 36 kombiniert werden, um eine zusammengesetzte Wellenform 38 zu erzeugen. Alternativ kann die zusammengesetzte Wellenform 38 durch digitale Synthese einer einzigen Welle erzeugt werden, bei der es sich um die Kombination der gewünschten Signale handelt, unter Verwendung eines digitalen Signalprozessors (DSP) einer auf diesem Gebiet der Technik an sich bekannten Art. Die Frequenzen liegen bevorzugt im Bereich von 150 kHz bis 1 MHz.
Gemäß noch einer weiteren alternativen Ausführungsform können verschiedene der Frequenzgeneratoren 34 aufeinander folgend aktiviert werden (wobei die Ausgangssignale der übrigen Frequenzgeneratoren 34 effektiv unterdrückt werden), so dass ein schmalbandiges momentanes Signal ausgegeben wird von der Summierschaltung 36, jedoch derart, dass die zusammengesetzte Wellenform 38 dessen ungeachtet aus zahlreichen Frequenzen besteht bei einer Betrachtung über eine Zeitperiode. Dieser Ansatz ist geeignet, die Synthese der zusammengesetzten Wellenform 38 zu vereinfachen und das Decodieren von frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen zu vereinfachen, wie nachfolgend erläutert.
Die zusammengesetzte Wellenform 38 kann zu dem Elektrodenanschlussfeld 14 übertragen werden, wo sie eine sich ändernde Spannung erzeugt, die kapazitiv mit dem Objekt 24 koppeln kann. Alternativ kann in einer induktiven Version der Erfindung die zusammengesetzte Wellenform 38 zu einer induktiven Spulenantenne 40 geleitet werden unter Bereitstellung eines fluktuierenden Magnetfelds, das induktiv mit dem Objekt 24 koppeln kann.
Die von den Frequenzgeneratoren 34 und der Summierungsschaltung 36 (oder von einem Ausgang des DSP) zu dem Objekt 24 übertragene Energie kann durch einen Sensor 42 ermittelt werden. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Sensor 42 um einen Widerstand, dessen Anschlussspannungswerte Strom anzeigen, der durch das Elektrodenanschlussfeld 14 zu dem Objekt 24 fließt. Das Ausgangssignal des Sensors 42 kann dadurch eine modifizierte zusammengesetzte Wellenform 38' bereitstellen, wobei es sich bei der Modifikation typischerweise um eine Änderung (Amplitudenerhöhung oder -verringerung bzw. eine Phasenverschiebung) der Spannung der modifizierten zusammengesetzten Wellenform 38' im Vergleich zu der zusammengesetzten Wellenform 38 handelt, wobei die Änderung die Energieübertragung zu dem Objekt 24 anzeigt. Andere Erfassungssysteme können problemlos ersatzweise vorgesehen werden, einschließlich anderer Stromerfassungseinrichtungen oder Spannungssensoren über komplexeren Impedanzen als dem gezeigten Widerstand.
Die modifizierte zusammengesetzte Wellenform 38' umfasst eine Abfolge von Bandpassfiltern 44 mit Mittenfrequenzen entsprechend den Frequenzen f₀ bis f_n der Frequenzgeneratoren 34. Jeder Bandpassfilter 44 umfasst einen Spitzenwertdetektor zur Erzeugung eines Hüllensignals 46 unter Anzeige der Amplitude der modifizierten zusammengesetzten Wellenform 38' bei einer speziellen Frequenz f₀ bis f_n und einer nominalen Bandbreite entsprechend in etwa derjenigen der Mittenfrequenzen. Die Bandpassfilter 44 können wiederum als analoge Schaltungen implementiert sein oder mittels einer digitalen Schaltung, enthaltend einen DSP, ohne hierauf beschränkt zu sein, zur Ausführung einer Fourier-Transformation oder dergleichen.
Die Hüllensignale 46 werden zu Komparatoren 48 geleitet, die die Hüllensignale 46 mit einem entsprechenden Schwellenwert 50 vergleichen, einer vorbestimmten Spannung, und deren Hüllensignal 46 von den Bandpassfiltern 44 dazu neigen würde, anzuzeigen, dass im Erfassungsvolumen 16 kein Objekt 24 anwesend ist, und oberhalb von welchem das Hüllensignal 46 von den Bandpassfiltern 44 dazu neigen würde, anzuzeigen, dass in dem Erfassungsvolumen 16 ein Objekt 24 anwesend ist. Die Komparatoren 48 können problemlos implementiert sein entweder in einem analogen Schaltkreis in Übereinstimmung mit an sich bekannten Techniken, oder in einem digitalen Schaltkreis, bevorzugt in Übereinstimmung mit einer Verarbeitung eines Signals durch den DSP.
Binäre Signale 52 von den Ausgängen der Komparatoren 48 stellen dadurch frequenzverknüpfte Anwesenheitssignale bereit, die jeweils unabhängig die Anwesenheit oder Abwesenheit des Objekts 24 in dem Erfassungsvolumen 16 anzeigen, gemessen in einem schmalen Frequenzbereich. Die binären Signale 52 werden in einer Votierschaltung 56 kombiniert, die unter einem einfachen Mehrheitsprinzip arbeiten kann, um ein einziges Anwesenheitserfassungssignal 25 bereitzustellen entsprechend dem Zustand der Mehrheit der Ausgangssignale der Komparatoren 48. Wenn deshalb die meisten der Komparatoren 48 ein Signal bereitstellen, das die Anwesenheit eines Objekts 24 anzeigt, zeigt das Ausgangssignal 25 die Anwesenheit des Objekts ebenso an. Wiederum kann die Votierschaltung 56 als analoger Schaltkreis (beispielsweise durch Summierung der binären Spannung und Vergleichen derselben mit einem Schwellenwert gleich 50% der maximalen Summe) oder durch einen digitalen Schaltkreis implementiert sein, wie etwa ein einfaches Programm, das im DSP ausgeführt wird.
Bei dem Ausgangssignal 25 kann es sich um ein einfaches digitales Signal handeln oder um eine komplexere Netzwerkkompatible Mitteilung zur Kommunikation bzw. Übertragung auf standardmäßigen Industrienetzwerken, wie etwa DeviceNet oder dergleichen.
Die Schwellenwerte 60, mit denen die Hüllensignale 46 bei den unterschiedlichen Frequenzen verglichen werden, sind üblicherweise unterschiedlich und geben die Relativverteilung von jeder Frequenz f₀ bis f_n für die modifizierten zusammengesetzten Wellenformen 38' wieder. Die Schwellenwerte 50 sind nicht an diesen Anteil bzw. diese Proportion gebunden; vielmehr können sie alternativ empirisch gewählt werden, um die speziellen Objekte 24, die erfasst werden sollen, besser zu unterscheiden, oder sie können automatisch durch einen Hinzufügeprozess und Entfernungsprozess der Objekte 24 aus dem Erfassungsvolumen 16 kalibriert werden, um eine Unterscheidungslinie zwischen Spannungen, die die Anwesenheit eines Objekts 24 anzeigen, und dem Fehlen einer Anwesenheit eines Objekts 24 zu ermitteln, wodurch die Schwelle festgelegt wird. Eine Einstellung der Schwellenwerte 50 erlaubt ein willkürliches bzw. beliebiges Gewichten der frequenzverknüpften Anwesenheitssignale.
Wenn eine einfache Mehrheitsvotierregel durch die Votierschaltung 56 genutzt wird, ist es erwünscht, dass eine ungerade Anzahl von Frequenzen f₀ bis f_n nicht weniger als drei Frequenzen umfasst. Andere Votierregeln anstelle einer einfachen Mehrheit können eingesetzt werden, um eine mehr oder weniger starke Rauschimmunität bereitzustellen, einschließlich zwei Drittel-Mehrheitsregeln, die entweder mehr oder weniger Rauschimmunität bereitstellen können abhängig davon, ob zwei Drittel der Signale die Anwesenheit des Objekts anzeigen müs sen oder ob zwei Dritter der Signal nicht in der Lage sind, die Anwesenheit des Objekts anzuzeigen.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass die Techniken gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur auf aktive Sensoren angewendet werden können, die ein binäres Anwesenheitssignal erzeugen, sondern auch auf aktive Sensoren, die ein analoges Ausgangssignal bereitstellen, das beispielsweise eine Distanz von einem entfernten Objekt anzeigt, abgeleitet aus dem Ausmaß an Energieübertragung. In diesem Fall vergleicht die Votierschaltung die analoge Ausgangssignalablesung bei jeder Frequenz und ignoriert jegliche Minorität, was zu Ausgangssignalablesungen führen kann, die durch Rauschen korrumpiert bzw. verschlechtert sind. Daraus ergibt sich, dass der Begriff "Anwesenheitssensor" in der vorliegenden Verwendung genutzt wird, um aktive Sensoren, die sowohl binäre wie analoge Anwesenheitssignale erzeugen, einzuschließen, ohne dass die Erfindung auf eine der Arten beschränkt wäre.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorliegend angeführten Ausführungsformen und Illustrationen beschränkt; vielmehr liegen im Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifizierte Formen dieser Ausführungsformen, einschließlich Modifikationen von Abschnitten der Ausführungsformen und Kombinationen von Elementen unterschiedlicher Ausführungsformen.
Die vorliegende Erfindung kann wie folgt zusammengefasst werden:
Ein Anwesenheitssensor auf Grundlage eines elektromagnetischen Felds evaluiert unabhängig die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts in unterschiedlichen Frequenzbereichen.
Nicht zutreffende Anzeigen der Anwesenheit des Objekts in diesen unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise hervorgerufen durch elektromagnetische Interferenz, werden durch ein Votiersystem aufgelöst bzw. unterbunden. Auf diese Weise kann bandbeschränktem Rauschen unter Verbesserung der Empfindlichkeit des Sensors und ohne Verringern seiner Reaktionsgeschwindigkeit entgegengewirkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 9741458 A [0008]
- FR 2712404 A [0009]

Claims

Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) in einem Erfassungsvolumen (16), aufweisend die Schritte: a) Erzeugen eines elektromagnetischen Signals bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen (F0, F1, ... Fn); b) elektromagnetische Übertragung der elektromagnetischen Signale in das Erfassungsvolumen (16); c) separates Detektieren (20) von Energieübertragungen auf das Erfassungsvolumen (16) bei den mehreren unterschiedlichen Frequenzen; und d) Vergleichen der Energieübertragungen bei den mehreren unterschiedlichen Frequenzen zur Detektion des Objektes (24) im Erfassungsvolumen (16) und zum Vorsehen eines Ausgangssignals (25); dadurch gekennzeichnet, dass: im Schritt (d) die Energieübertragung bei den Frequenzen mit einem Schwellwert (50) oder Schwellwerten (50) verglichen wird, der bzw. die eine Energieübertragung anzeigen, welche mit dem Vorhandensein eines Objektes im Erfassungsvolumen (16) verknüpft ist, um frequenzverknüpfte Anwesenheitssignale zu erzeugen, und dass der Vergleich das Ausgangssignal (25), welches eine Anwesenheit eines Objektes (24) anzeigt, setzt, wenn eine Votierregel unter den frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen erfüllt ist.
Verfahren zur Erfassung der Anwesenheit eines Objektes (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich das Ausgangssignal (25), welches eine Anwesenheit des Objektes (24) anzeigt, setzt, wenn die Anzahl von frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen, die die Anwesenheit des Objektes (24) anzeigen, größer als die Anzahl von die Abwesen heit des Objektes (24) anzeigenden frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen ist.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich das eine Anwesenheit des Objektes (24) anzeigende Ausgangssignal (25) setzt, wenn ein von einer einfachen Majoritäts-Votierregel abweichendes Votier-Kriterium erfüllt ist.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich das die Anwesenheit des Objektes (24) anzeigende Ausgangssignal (25) setzt, wenn 2/3 der frequenzverknüpften Anwesenheitssignale eine Anwesenheit des Objektes anzeigen oder wenn 2/3 der frequenzverknüpften Anwesenheitssignale möglicherweise keine Anwesenheit des Objektes anzeigen.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, vorausgesetzt, dass die Energieübertragungsdetektion im Schritt (c) analoge Ausgangssignale liefert, diese analogen Ausgangssignale bei den Frequenzen verglichen werden und eine Votierschaltung, die jegliche Minorität ignoriert, das Ausgangssignal, welches von einer Majorität von Detektionen angezeigt wird, heranzieht.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, vorausgesetzt, dass die Energieübertragungsdetektion im Schritt (c) binäre Spannungen liefert, die binären Spannungen summiert werden und von einer analogen Votierschaltung mit einem Schwellwert verglichen werden, wie einem Schwellwert entsprechend 50% einer maximalen Summe.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal ein binäres Signal ist, das die Anwesenheit oder Abwesenheit des Objektes (24) anzeigt.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Signal mit einer Elektrode (14), die im Erfassungsbereich kapazitiv mit dem Objekt (24) gekoppelt ist, in das Erfassungsvolumen (16) übertragen wird.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragung durch Spannungsmessung bei den unterschiedlichen Frequenzen des elektromagnetischen Signals über einer Impedanz (42) erfasst wird.
Verfahren zum Erfassen der Anwesenheit eines Objektes (24) nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (24) eine menschliche Hand ist.
Elektronischer Anwesenheitssensor, welcher ein Ausgangssignal liefert, das auf die Anwesenheit eines Objektes (24) in einem Erfassungsvolumen (16) bezogen ist, welcher elektronischer Anwesenheitssensor aufweist: einen Signalgenerator (24), der ein elektromagnetisches Signal bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Frequenzen (F0, F1, ... Fn) erzeugt; einen Leiter (14; 40), der nahe dem Erfassungsvolumen (16) positioniert ist, um das elektromagnetische Signal zu empfangen und es elektromagnetisch in das Erfassungsvolumen zu übertragen; eine Erfassungsschaltung (42), die eine Energieübertragung in das Erfassungsvolumen bei den mehreren unterschiedlichen Frequenzen detektiert; und eine Votierschaltung (44, 46, 48, 50, 52, 56), die die Energieübertragung bei den mehreren unterschiedlichen Frequenzen vergleicht, um ein Objekt (24) im Erfassungsvolumen (16) zu detektieren und das Ausgangssignal (25) zu liefern; dadurch gekennzeichnet, dass die Votierschaltung (56) dazu ausgelegt ist, die Energieübertragung bei den Frequenzen mit einem Schwellwert (50) oder Schwellwerten (50) zu vergleichen, der bzw. die eine Energieübertragung anzeigen, die mit der Anwesenheit eines Objektes im Erfassungsvolumen (16) verknüpft ist, um frequenzverknüpfte Anwesenheitssignale zu erzeugen, und das Ausgangssignal (25), welches eine Anwesenheit des Objektes (24) anzeigt, setzt, wenn unter den frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen eine Votierregel erfüllt ist.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Votierschaltung (56) das Ausgangssignal (25), welches eine Anwesenheit des Objektes (24) anzeigt, setzt, wenn die Anzahl von frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen, die die Anwesenheit des Objektes anzeigen, größer als die Anzahl von frequenzverknüpften Anwesenheitssignalen, die die Abwesenheit eines Objektes (24) anzeigen, ist.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Votierschaltung (56) das die Anwesenheit eines Objektes (24) anzeigende Ausgangssignal (25) setzt, wenn ein von einer einfachen Majoritätsvotierregel abweichendes Votier-Kriterium erfüllt ist.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Votierschaltung (56) das Ausgangssignal (25), welches eine Anwesenheit des Objektes (24) anzeigt, setzt, wenn 2/3 der frequenzverknüpften Anwesenheitssignale eine Anwesenheit des Objektes anzeigen, oder wenn 2/3 der frequenzverknüpften Anwesenheitssignale möglicherweise keine Anwesenheit des Objektes anzeigen.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Votierschaltung (56), vorausgesetzt, dass die Energieübertragungsdetektion analoge Ausgangssignale liefert, dazu ausgelegt ist, die analogen Ausgangssignale bei den Frequenzen zu vergleichen und jedwede Minorität zu ignorieren, und das Ausgangssignal heranzieht, welches von einer Majorität von Detektionen angezeigt wird.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Votierschaltung (56) eine analoge Votierschaltung ist und, vorausgesetzt, die Energieübertragungsdetektion binäre Spannungen liefert, dazu ausgelegt ist, diese binäre Spannungen zu summieren und mit einem Schwellwert zu vergleichen, wie mit einem Schwellwert entsprechend 50% einer maximalen Summe.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal ein binäres Signal ist, welches die Anwesenheit bzw. Abwesenheit des Objektes (24) anzeigt.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach den Ansprüchen 11 bis 14 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Votierschaltung (44, 46, 48, 50, 52, 56) umfasst: a) eine Filterbank (44), die die Energieübertragung bei den unterschiedlichen Frequenzen extrahiert; b) eine Schwellwert-Vergleichsschaltung (48), die die extrahierte Energieübertragung bei den unterschiedlichen Frequenzen mit Schwellwerten (50) vergleicht, welche eine mit der Anwesenheit des Objektes (24) im Erfassungsvolumen (16) verknüpfte Energieübertragung anzeigen; und c) einen Komparator, der die Energieübertragungen, welche die Schwellwerte (50) bei bestimmten Frequenzen überschreiten, mit den die Schwellwerte (50) bei bestimmten Frequenzen nicht überschreitenden Energieübertragungen vergleicht, um das Ausgangssignal (25) zu erzeugen.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator das Ausgangssignal (25) zur Anzeige der Anwesenheit des Objektes setzt, wenn die Energieübertragungen, welche bei bestimmten Frequenzen die Schwellwerte (50) überschreiten, größer als die Energieübertragungen, welche die Schwellwerte (50) bei bestimmten Frequenzen nicht überschreiten, sind, um das Ausgangssignal (25) zu erzeugen.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (14; 40) eine Elektrode (14) ist, die kapazitiv mit einem Objekt (24) im Erfassungsbereich (16) gekoppelt ist.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (24) mit dem Leiter (14; 40) über eine Impedanz verbunden ist und das der Sensor (42) Änderungen in einem Signal über der Impedanz detektiert.
Elektronischer Anwesenheitssensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14 oder 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (24) und die Votierschaltung (44, 46, 48, 50, 52, 56) in einem programmierbaren, digitalen Signalprozessor implementiert sind.