DE102011079704A1

DE102011079704A1 - Suchgerät

Info

Publication number: DE102011079704A1
Application number: DE102011079704A
Authority: DE
Inventors: Tobias Zibold; Andrej Albrecht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2013013896A3; RU2014106759A; CN103688191A; US9429672B2; US20140239981A1; WO2013013896A2

Abstract

Ein Suchgerät zur kapazitiven Erfassung eines Objekts umfasst eine Sendeelektrode zur Beaufschlagung mit einem Anregungssignal, eine Empfangselektrode, einen Erfassungsbereich im Bereich der Sendeelektrode und der Empfangselektrode, eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Kapazität zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode, eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Anwesenheit des Objekts im Erfassungsbereich, falls sich die erfasste Kapazität von einer Referenzkapazität unterscheidet, und eine Abschirmelektrode, die im Bereich der Sendeelektrode und der Empfangselektrode angeordnet und mit einem Potential verbunden ist, um die Grundkapazität zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode zu verkleinern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Suchgerät. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Suchgerät für ein dielektrisches oder metallisches Objekt mittels kapazitiver Kopplung.
Zum Auffinden eines in einer Wand eines Gebäudes verborgenen Objekts, wie beispielsweise eines Holzbalkens, einer Stahlarmierung, einer Wasser- oder Gasleitung oder eines Stromkabels, sind verschiedene so genannte Balkendetektoren bekannt, die die genannten Objekte aufgrund ihres Einflusses auf ein elektrisches Feld erfassen.
Stand der Technik
DE 10 2008 054 445 A1 zeigt einen Balkenfinder, der eine zweidimensionale Anordnung mehrerer Elektroden zur Bereitstellung unterschiedlicher Sensorsignale umfasst.
DE 10 2008 054 460 A1 zeigt einen ähnlichen Balkenfinder mit einer matrixartigen Anordnung einer Vielzahl Sensorelemente.
DE 10 2007 058 088 A1 zeigt noch einen weiteren Balkenfinder und eine geometrische Anordnung eines Sendeelektroden-Systems bezüglich eines Empfangselektroden-Systems.
Weitere Balkenfinder werden in US 4,099,118 und DE 20 2009 017 vorgestellt.
Allgemein arbeiten bekannte Balkenfinder mit einer Sende- und eine Empfangselektrode, wobei die Sendeelektrode mit einem Anregungssignal beaufschlagt wird und dann eine Kapazität zwischen der Sende- und der Empfangselektrode bestimmt wird. Nähert sich ein dielektrisches oder metallisches Objekt der Anordnung aus Sende- und Empfangselektrode, so verändert sich die bestimmte Kapazität, so dass das Objekt erfasst werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Suchgerät mit einer Anordnung von Elektroden anzugeben, die ein empfindlicheres und trennschärferes Bestimmen des Objekts ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels eines Suchgeräts mit den Merkmalen von Anspruch 1. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Ein erfindungsgemäßes Suchgerät zur kapazitiven Erfassung eines Objekts umfasst eine Sendeelektrode zur Beaufschlagung mit einem Anregungssignal, eine Empfangselektrode, einen Erfassungsbereich im Bereich der Sendeelektrode und der Empfangselektrode, eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Kapazität zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode, eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Anwesenheit des Objekts im Erfassungsbereich, falls sich die erfasste Kapazität von einer Referenzkapazität unterscheidet, und eine Abschirmelektrode, die im Bereich der Sendeelektrode und der Empfangselektrode angeordnet und mit einem Potential verbunden ist, um die Grundkapazität zwischen Sendeund Empfangselektrode zu verkleinern.
Gegenüber dem Stand der Technik wird in dem erfindungsgemäßen Suchgerät eine zusätzliche Abschirmelektrode eingesetzt. Diese Abschirmelektrode reduziert die intendierte kapazitive Kopplung zwischen Sende- und Empfangselektrode in einem sensornahen Bereich, ohne die kapazitive Kopplung im Erfassungsbereich des Sensors wesentlich zu beeinflussen. Dadurch unterscheidet sich die Abschirmelektrode sowohl von einer Guardelektrode, die den inhomogenen Randbereich des elektrischen Feldes eines kapazitiven Sensors von der Messelektrode abschirmt und so ein homogenes Feld bis an den Rand der Sensorfläche gewährleistet, als auch von einer Shieldelektrode, mit der parasitäre kapazitive Kopplungen eliminiert werden.
Die Sendeelektrode, die Empfangselektrode und die Abschirmelektrode sind vorzugsweise in einer Ebene angeordnet. Die Abschirmelektrode ist vorzugsweise zwischen den anderen beiden Elektroden vorgesehen ist. Allgemein ist die Abschirmelektrode vorzugsweise so bezüglich der Sende- und Empfangselektroden zu platzieren, dass der Teil des elektrischen Felds der Sendeelektrode, der nicht durch einen Erfassungsbereich des Suchgeräts verläuft, zu einem möglichst großen Teil zwischen der Sende- und der Abschirmelektrode statt zwischen der Sende- und der Empfangselektrode aufgebaut wird. Dies ist gemeint, wenn im Weiteren insbesondere ausgeführt ist, dass die Abschirmelektrode im Bereich der Sendeelektrode und Empfangselektrode angeordnet ist.
Die Dynamik eines kapazitiven Messsystems ist prinzipiell beschränkt durch ein Verhältnis aus der Kapazitätsänderung unter Einfluss bzw. ohne Einfluss des Objekts zu einer Grundkapazität zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode ohne Einfluss von Objekten. Dieses Verhältnis beeinflusst unmittelbar das Signal-Rausch-Verhältnis („signal-to-noise ratio“, SNR). Durch das erfindungsgemäße Verkleinern der Grundkapazität wird das angegebene Verhältnis vergrößert, wodurch unmittelbar das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden kann. Dadurch können eine Empfindlichkeit, ein Erfassungsabstand und/oder eine Trennschärfe bei der Erfassung des Objekts verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abschirmelektrode derart angeordnet und mit dem Potential verbunden, dass ein durch das Objekt bewirkter Unterschied der Kapazitäten zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode minimiert, idealerweise unverändert ist. Somit können störende Kapazitäten verringert werden, ohne die gewünschte Kapazitätsdifferenz, die zur Bestimmung des Objekts verwendet wird, zu verringern.
Weiter vorteilhafterweise liegt der Erfassungsbereich außerhalb eines Einflussbereichs des Objekts auf die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und der Abschirmelektrode. Dadurch kann das Ziel, nur die Grundkapazität zu verringern, während gleichzeitig der durch das Objekt verursachbare Unterschied der Kapazitäten gleich bleibt, erreicht werden. Die genaue Anordnung der Abschirmelektrode bezüglich der Sende- bzw. Empfangselektrode kann somit von der Lage des Erfassungsbereichs abhängig sein. Dadurch kann es möglich sein, Form und Größe der Abschirmelektrode in Abhängigkeit eines vorbestimmten Erfassungsbereichs so zu wählen, dass die beschriebene Verbesserung des Verhältnisses aus Kapazitätsänderung und Grundkapazität optimiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sendeelektrode, die Empfangselektrode und die Abschirmelektrode in einer Ebene angeordnet. Diese Anordnung kann insbesondere zur Erfassung eines Objekts, das in einer Gebäudewand verborgen ist, von Vorteil sein. Eine Empfindlichkeit einer solchen planaren Sensoranordnung bezüglich eines Verkippens gegenüber der Wand kann minimiert sein.
Ferner bevorzugt sind die Sendeelektrode, die Abschirmelektrode und die Empfangselektrode radialsymmetrisch angeordnet. Dadurch kann eine Unabhängigkeit eines Bestimmungsergebnisses von einer Lage des Objekts bezüglich der Elektrodenanordnung erzielbar sein.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann eine zweite Abschirmelektrode vorgesehen sein, die die anderen Elektroden umläuft bzw. radial außerhalb der anderen Elektroden angeordnet ist.
Dadurch kann eine Empfindlichkeit der Sensoranordnung zu deren Rand hin verringert sein, so dass der Erfassungsbereich schärfer eingrenzbar ist. Die zweite Abschirmelektrode kann mit dem gleichen oder einem anderen Potential als die erste Abschirmelektrode verbunden sein.
Zur Beschränkung des Erfassungsbereichs kann eine Abschirmelektrode auf einer dem Erfassungsbereich abgewandten Seite der Sendeelektrode, der Empfangselektrode und der Abschirmelektrode angebracht sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung eine Gegentakt-Messbrücke. Die Gegentakt-Messbrücke kann zwei Sendeelektroden und eine Empfangselektroden umfassen, wobei jede der Sendeelektroden mit der Empfangselektrode eine der oben beschriebenen Anordnungen bildet. In einer alternativen Ausführungsform können auch zwei Empfangselektroden vorgesehen sein, wobei jede der Sendeelektroden mit je einer der Empfangselektroden eine der oben beschriebenen Anordnungen bildet. Die beiden Empfangselektroden können in einer bevorzugten Ausführungsform niederohmig miteinander verbunden sein. In einer anderen Ausführungsform können die zwei Empfangselektroden auch hochohmig, z.B. durch Impedanzwandler getrennt, verbunden sein. In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform kann auch nur eine Sendeelektrode vorgesehen sein und die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und der Empfangselektrode im Vergleich zu einer Referenzkapazität bestimmt werden, die beispielsweise durch ein Kompensationsnetzwerk an der Gegentakt-Messbrücke gebildet werden kann.
Im Fall der Gegentakt-Messbrücke ist die Abschirmelektrode vorzugsweise mit einem Potential verbunden, das im Wesentlichen dem der Empfangselektrode entspricht. In einer alternativen Ausführungsform kann anstelle der Gegentakt-Messbrücke auch ein niederohmiger Verstärker verwendet werden.
In noch einer alternativen Ausführungsform kann anstelle der Gegentakt-Messbrücke auch ein hochohmiger Verstärker verwendet werden, wobei die Abschirmelektrode vorzugsweise mit einem Potential verbunden ist, das im Wesentlichen dem der Sendeelektrode entspricht.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
1 eine Anordnung einer Sendeelektrode und einer Empfangselektrode mit einer Abschirmelektrode;
2 ein Schaltbild eines Suchgeräts; und
3 bis 6 weitere Anordnungen von Elektroden
darstellen.
Genaue Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Elektrodenanordnung 100 an einem Objekt 105. Die Elektrodenanordnung 100 umfasst eine Sendeelektrode 110, eine Empfangselektrode 115 und eine Abschirmelektrode 120. Die Elektroden 110 bis 120 sind in der nicht sichtbaren Dimension beispielsweise rechteckig mit konstanter Dicke ausgeführt, wobei auch andere Konstellationen denkbar sind. Die Sendelektrode 110 ist mit einem Potential Φ1, die Empfangselektrode 15 mit einem Potential Φ2 und die Abschirmelektrode 120 mit einem Potential Φ3 verbunden. In anderen Ausführungsformen müssen die Elektroden 110 bis 115 nicht in einer Ebene angeordnet sein, beispielsweise kann sich die Abschirmelektrode vertikal weiter nach oben in Richtung des Erfassungsbereichs 130 erstrecken.
Zwischen den Elektroden 110 bis 120 sind Feldlinien 125 eingezeichnet, die von einem elektrischen Feld herrühren, das zwischen den Enden der Feldlinien 125 besteht. Die eingezeichnete Richtung der Feldlinien 125 ist rein exemplarisch. Die Feldlinien 125 verlaufen so, dass an jedem Punkt einer Feldlinie 125 die Richtung der elektrostatischen Kraft durch eine Tangente an die Feldlinie in den Punkt angegeben ist. Das elektrische Potential in diesem Punkt bestimmt sich aus der Potentialdifferenz zwischen dem Anfangs- und dem Endpunkt der Feldlinie 125 und dem Verhältnis der Längen der Feldlinie 125 zum Anfangs- bzw. Endpunkt.
Das Objekt 105 befindet sich in einem Erfassungsbereich 130. Der Erfassungsbereich ist nur oberhalb der Elektroden 110 bis 120 dargestellt, ein symmetrisch unterhalb der Elektroden 110 bis 120 befindlicher Erfassungsbereich wird hier nicht weiter behandelt. Außerdem ist zwischen den Elektroden 110 bis 120 und dem Erfassungsbereich 130 ein sensornaher Bereich 132 definiert. Die Abschirmelektrode 120 liegt innerhalb des sensornahen Bereichs 132 und dort horizontal vorzugsweise zwischen der Sendeelektrode 110 und der Empfangselektrode 115.
Feldlinien 125, die auf der oberen Seite der Elektrodenanordnung 100 von der Sendeelektrode 110 zur Empfangselektrode 115 verlaufen, durchlaufen den Erfassungsbereich 130. Andererseits enden Feldlinien 125, die von der Sendeelektrode 110 ausgehen und innerhalb des sensornahen Bereichs 132 bleiben, den Erfassungsbereich 130 also nicht durchlaufen, an der Abschirmelektrode 120. So wird der Teil des elektrischen Feldes, das von der Sendeelektrode 110 ausgeht, der nicht durch das Objekt 105 beeinflusst werden kann, an die Abschirmelektrode 120 geleitet, so dass er nicht zu einer Grundkapazität beiträgt, die zwischen der Sendeelektrode 110 und der Empfangselektrode 115 besteht.
Die Grundkapazität zwischen der Sendeelektrode 110 und der Empfangselektrode 115 ist die Kapazität, die sich einstellt, wenn das Objekt 105 nicht im Erfassungsbereich 130 anwesend ist. Befindet sich das Objekt 105 jedoch im Erfassungsbereich 130, so wird es von einer Feldlinie 125 erfasst. Je nachdem, ob das Objekt 105, wie in 1 dargestellt ist, mittels eines Widerstandes 135 mit Masse bzw. Erde verbunden ist oder nicht und ob das Objekt 105 metallische oder dielektrische Eigenschaften hat, kann die Kapazität zwischen der Sendeelektrode 110 und der Empfangselektrode 115 durch die Anwesenheit des Objekts 105 gegenüber der Grundkapazität verkleinert oder vergrößert werden. Die Feldlinie 125, die das Objekt 105 berührt, kann am Objekt 105 enden oder zur Empfangselektrode 115 weiterführen.
Um die Feldlinien 125 in der beschriebenen Weise zu formen, muss die Abschirmelektrode 120 nicht nur eine passende Position bezüglich der Sendeelektrode 110 und der Empfangselektrode 115 einnehmen, sondern auch mit einem entsprechenden Potential verbunden sein. Dieses Potential ist unter anderem abhängig vom Aufbau einer Messschaltung, mit der die Kapazität zwischen den Elektroden 110 und 115 bestimmt wird. Im dargestellten Fall entspricht das Potential Φ3 der Abschirmelektrode 120 im Wesentlichen dem Potential Φ2 der Empfangselektrode 115. Diese Anordnung kann vorteilhaft bei der Bestimmung der Kapazität mittels eines niederohmigen Verstärkers oder einer Gegentakt-Messbrücke verwendet werden. Wird ein hochohmiger Verstärker verwendet, so kann das Potential Φ3 im Wesentlichen dem Potential Φ2 der Empfangselektrode 115 entsprechen. In diesem Fall muss das Potential Φ3 jedoch aktiv auf das Potential Φ2 nachgeführt werden. Hierzu wird beispielsweise das Potential Φ2 an der Empfangselektrode 115 mit einem Impedanzwandler hochohmig erfasst und niederohmig an die Abschirmelektrode 120 angelegt.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Gegentakt-Messbrücke 200. Die Gegentakt-Messbrücke 200 ist Teil eines Suchgeräts 205 zum Erfassen des Objekts 105 aus 1. Das Objekt 105 kann insbesondere ein dielektrisches Objekt 105, ein geerdetes metallisches Objekt 105 oder ein erdfreies metallisches Objekt 105 umfassen. In anderen Ausführungsformen des Suchgeräts 205 kann eine Elektrodenanordnung wie die aus 1 auch mit einer anderen Messeinrichtung verbunden sein, beispielsweise mit einem Schwingkreis oder einem Sigma-Delta-Modulator.
Ein Taktgenerator 210 der Gegentakt-Messbrücke 200 hat zwei Ausgänge, an denen er phasenverschobene, vorzugsweise um 180° phasenverschobene, periodische Wechselsignale bereitstellt. Die Wechselsignale können insbesondere Rechteck-, Dreieck- oder Sinussignale umfassen. Die Ausgänge des Taktgenerators sind mit einem ersten steuerbaren Verstärker 215 bzw. einem zweiten steuerbaren Verstärker 220 verbunden. Jeder der steuerbaren Verstärker 215, 220 verfügt über einen Steuereingang, über den er ein Signal entgegennimmt, welches einen Verstärkungsfaktor des jeweiligen steuerbaren Verstärkers 215, 220 steuert. Ein Ausgang des ersten steuerbaren Verstärkers 215 ist mit einer ersten Sendeelektrode 225 und ein Ausgang des zweiten steuerbaren Verstärkers 220 mit einer zweiten Sendeelektrode 230 verbunden. Eine Empfangselektrode 235 dient als Potentialsonde. Die Sendeelektroden 225 bzw. 230 entsprechen der Sendeelektrode 110 und die Empfangselektrode 235 der Empfangselektrode 115 in 1.
Die Empfangselektrode 235 ist mit einem Eingangsverstärker 240 verbunden; ein im Bereich der ersten Empfangselektrode 225 dargestelltes Kompensationsnetzwerk 265 wird zunächst nicht betrachtet. Der Eingangsverstärker 240 ist mit einem konstanten Verstärkungsfaktor dargestellt; in anderen Ausführungsformen kann jedoch ein Verstärkungsfaktor des Eingangsverstärkers 240 auch steuerbar sein. Dadurch kann beispielsweise eine räumliche Auflösung und/oder Empfindlichkeit der Gegentakt-Messbrücke 200 beeinflussbar und beispielsweise in Abhängigkeit eines Messsignals am Eingangsverstärker 240 steuerbar sein.
Der Ausgang des Eingangsverstärkers 240 ist mit einem Synchrondemodulator 245 verbunden. Der Synchrondemodulator 245 ist ferner mit dem Taktgenerator 210 verbunden und empfängt von diesem ein Taktsignal, welches auf die Phasenlage der an den Ausgängen des Taktgenerators 210 bereitgestellten Signale hinweist. In einer einfachen Ausführungsform, bei der die vom Taktgenerator 210 bereitgestellten Signale symmetrische Rechtecksignale sind, kann eines der an die steuerbaren Verstärker 215, 220 geführten Ausgangssignale als Taktsignal verwendet werden. Der Synchrondemodulator 245 schaltet im Wesentlichen auf der Basis des vom Taktgenerator 210 bereitgestellten Taktsignals das vom Eingangsverstärker 240 empfangene Messsignal alternierend an seinen oberen bzw. unteren Ausgang durch.
Die beiden Ausgänge des Synchrondemodulators 245 sind mit einem Integrator (integrierenden Komparator) 250 verbunden, der hier als mit zwei Widerständen und zwei Kondensatoren beschalteter Operationsverstärker dargestellt ist. Andere Ausführungsformen sind ebenfalls möglich, beispielsweise als aktiver Tiefpass. Auch eine digitale Ausführung im Anschluss an den Synchrondemodulator 245 ist denkbar, bei der das Signal an den Ausgängen des Synchrondemodulators 245 zu einem oder mehreren Zeitpunkten innerhalb einer Halbwelle analog zu digital gewandelt wird und dann mit dem korrespondierenden Wert aus einer folgenden bzw. vorangehenden Halbwelle verglichen wird. Die Differenz wird integriert und z.B. wieder in ein analoges Signal überführt und zur Steuerung der Verstärker 215, 220 verwendet. Während der Synchrondemodulator 245 das vom Eingangsverstärker 240 empfangene Messsignal am unteren seiner Ausgänge bereitstellt, integriert der Integrator 250 dieses Signal über die Zeit und stellt das Resultat an seinem Ausgang bereit. Während der Synchrondemodulator 245 das vom Eingangsverstärker 240 empfangene Messsignal an seinem oberen Ausgang bereitstellt, wird dieses vom Integrator 250 invertiert über die Zeit integriert und das Resultat am Ausgang des Integrators 250 bereitgestellt. Die Spannung am Ausgang des Integrators 250 ist das Integral der Differenz der tiefpassgefilterten Ausgänge des Synchrondemodulators 245.
Ist die Kapazität der Empfangselektrode 235 bezüglich der ersten Sendeelektrode 225 genau so groß wie die Kapazität der Empfangselektrode 235 bezüglich der zweiten Sendeelektrode 230, so sind die an den Ausgängen des Synchrondemodulators 245 bereitgestellten Signale im Mittel über die Zeit gleich groß und am Ausgang des Integrators 250 wird ein Signal bereitgestellt, das gegen Null (Masse) geht. Sind jedoch die bestimmten Kapazitäten ungleich groß, etwa weil das Objekt 105 die Kapazität zwischen der Empfangselektrode 235 und der ersten Sendeelektrode 225 anders beeinflusst als die Kapazität zwischen der Empfangselektrode 235 und der zweiten Sendeelektrode 230, so sind die an den Ausgängen des Synchrondemodulators 245 bereitgestellten Signale im zeitlichen Mittel nicht mehr gleich, und am Ausgang des Integrators 250 wird ein positives oder negatives Signal bereitgestellt. Vorzeichen und Betrag des Signals weisen auf das Verhältnis der bestimmten Kapazitäten hin, wobei ein Signal von Null einem Verhältnis der Kapazitäten von Eins entspricht.
Das vom Integrator 250 bereitgestellte Signal wird über einen Anschluss 255 an eine nicht dargestellte Auswerte- und Ausgabeeinrichtung des Suchgeräts 205 bereitgestellt. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen Vergleich mit einem Schwellenwert durchführen, so dass ein Benutzer des Suchgeräts 205 eine optische, akustische und/oder haptische Ausgabe erhält, wenn das vom Integrator 250 bereitgestellte Signal eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Dabei kann das gesamte Signal oder ein Betrag des Signals mit dem Schwellenwert verglichen werden.
Das vom Integrator 250 bereitgestellte Signal wird auch zur Steuerung der Verstärkungsfaktoren der steuerbaren Verstärker 215 und 220 verwendet, wobei der zweite steuerbare Verstärker 220 unmittelbar mit dem Ausgang des Integrators 250 verbunden ist und der erste steuerbare Verstärker 215 mittels eines Inverters 260 mit dem Ausgang des Integrators 250 verbunden ist. Der Inverter 260 bewirkt eine Umkehrung des ihm bereitgestellten Signals derart, dass in Abhängigkeit des Ausgangssignals des Integrators 250 der Verstärkungsfaktor des ersten steuerbaren Verstärkers 215 in dem Maß zunimmt wie der Verstärkungsfaktor des zweiten steuerbaren Verstärkers 220 abnimmt bzw. umgekehrt. Es ist auch denkbar, dass nur der Verstärkungsfaktor eines der steuerbaren Verstärker 215, 220 gesteuert wird, während der Verstärkungsfaktor des zweiten steuerbaren Verstärkers 220, 215 auf einem festen Wert gehalten wird.
Die Verstärkungsfaktoren der steuerbaren Verstärker 215 und 220 nehmen zu bzw. ab, bis ein Wechselspannungsanteil, der zu der an den Sendeelektroden 225 und 230 anliegenden alternierenden Spannung synchron ist und an der Empfangselektrode anliegt, betragsmäßig minimiert ist.
Die Gegentakt-Messbrücke 200 ist ein Regelkreis, der dazu eingerichtet ist, ein vorbestimmtes Verhältnis von Potentialdifferenzen an den Sendeelektroden 225 und 230 jeweils zur Empfangselektrode 235 aufrecht zu erhalten, indem die Sendeelektroden 223 und 230 in einem passenden Verhältnis mit Signalen beaufschlagt werden.
Das vom Integrator 250 bereitgestellte Signal ist ein Steuersignal zur Kompensation eines asymmetrischen Einflusses der variablen Kapazitäten auf die Potentialdifferenzen, etwa durch das dielektrische Objekt. In anderen Ausführungsformen wird das variable Verhältnis an den Elektroden auf der Basis von Strömen oder Spannungen an den Elektroden bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die erste Sendeelektrode 225 durch das Kompensationsnetzwerk 265 ersetzt. Das Kompensationsnetzwerk 265 besteht aus einem Spannungsteiler aus zwei Impedanzen, dessen Ausgang mittels einer dritten Impedanz an den Eingang des Eingangsverstärkers 240 gekoppelt ist. Somit werden die alternierenden Spannungen der steuerbaren Verstärker 215, 220 zwischen der Kapazität, die zwischen der an der zweiten (und einzigen) Sendeelektrode 230 und der Empfangselektrode 235 besteht, und einer durch das Kompensationsnetzwerk 265 gebildeten Referenzkapazität ausbalanciert. Die Referenzkapazität ist invariant gegenüber dem dielektrischen Objekt 105. Zur Messung werden nur noch die erste Sendeelektrode 225 und die Empfangselektrode 235 benötigt.
Je nach Messverfahren muss die Referenzkapazität nicht als physikalische Kapazität realisiert sein. Es kann sich auch um eine „virtuelle“ Referenzkapazität handeln. In einer Ausführungsform kann beispielsweise eine Zeitkonstante einer Ladekurve eines Kondensators bestimmt und mit einer Referenzzeit verglichen. Diese Referenzzeit ist dann ein Maß für die Referenzkapazität, ohne dass die Referenzkapazität physikalisch in der Gegentakt-Messbrücke 200 vorhanden ist.
Die Anordnung jeder der Sendeelektroden 225, 230 bezüglich der Empfangselektrode ist vorzugsweise mit einer Abschirmelektrode 120 versehen, wie oben mit Bezug auf 1 genauer erklärt ist.
3 zeigt eine Anordnung von Elektroden, die sich zur Verwendung mit der Gegentakt-Messbrücke 200 aus 2 eignet. 3A zeigt einen Längsschnitt, 3B eine Draufsicht.
Die Sendeelektroden 225 und 230, die Empfangselektrode 235 und zwei Abschirmelektroden 120 sind in einer Ebene angeordnet. Die Abschirmelektroden 120 sind elektrisch miteinander verbunden und an ein Potential Φ3 gelegt, wie oben mit Bezug auf 1 genauer beschrieben ist. Durch die Breite und Position der Abschirmelektroden 120 in den Zwischenräumen zwischen der Empfangselektrode 235 und den Sendeelektroden 225 bzw. 230 kann beeinflusst werden, um welchen Betrag die Grundkapazität zwischen den Sendeelektroden 225, 230 und der Empfangselektrode 235 verringert wird. Gleichzeitig kann dadurch die Lage und Größe des Erfassungsbereichs 130 (nicht eingezeichnet) beeinflusst werden, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben ist.
In einer Ausführungsform wird eine Shieldelektrode verwendet, die sich parallel zu der Ebene erstreckt, in der die Elektroden 225 bis 230 und 120 liegen. Die Shieldelektrode ist mit einem geeigneten Potential verbunden, beispielsweise Masse bzw. Erde, und beschränkt den Erfassungsbereich 130 auf eine Seite bezüglich der Ebene der Elektroden 225 bis 235 und 120.
Auf der Basis der in 3 dargestellten Ausführungsform sind zahlreiche Varianten möglich. Beispielsweise können die Elektroden 225 bis 235 und 120 statt rechteckig auch in einer beliebigen anderen Form ausgebildet sein, beispielsweise rautenförmig, dreieckig, elliptisch, kreisförmig oder polygonal. Es ist auch möglich, die Sendeelektroden 225 und 230 und/oder die Empfangselektrode 235 in mehrere topologisch unzusammenhängende Bereiche zu zergliedern, die jedoch elektrisch miteinander verbunden sind. Es ist auch möglich, mehrere Sendeelektroden 225, 230 mit mehreren Empfangselektroden 235 zu kombinieren. Die Elektroden 225 bis 235 und 120 müssen auch nicht unbedingt in einer Ebene angeordnet sein, sondern können unterschiedliche Abstände zu einer Ebene einnehmen oder allgemein eine beliebige dreidimensionale Form bilden.
4 zeigt eine weitere Anordnung von Elektroden, die sich zur Verwendung an der Gegentakt-Messbrücke 200 aus 2 eignet. Die Ansichten in 4A und 4B entsprechen denen von 3A und 3B.
Im Unterschied zur in 3 dargestellten Ausführungsform umlaufen die Abschirmelektroden 120 die Sendeelektroden 225 bzw. 230 in der Ebene der Sendeelektroden 225, 230. Wieder befinden sich alle Elektroden 225 bis 235 und 120 in einer Ebene. In einer dazu parallelen Ebene sind zwei Shieldelektroden 405 gezeigt, die jeweils eine Fläche aufweisen, die eine der Sendeelektroden 225, 230 und die dazugehörige Abschirmelektrode 120 abdeckt. In der dargestellten Ausführungsform besteht keine Shieldelektrode 405 im Bereich der Empfangselektrode 235, in anderen Ausführungsformen kann jedoch auch hier eine Shieldelektrode 405 vorgesehen sein. Es kann auch nur eine Shieldelektrode 405 vorgesehen sein, die die Fläche aller Elektroden 225 bis 235 und 120 abdeckt.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform kann variiert werden, wie oben mit Bezug auf 3 hinsichtlich der Form und Anordnung der Elektroden 225 bis 235 und 120 beschrieben ist.
5 zeigt eine Anordnung von Elektroden, die bezüglich eines Drehwinkels von 90° rotationssymmetrisch ist. Vier Sendeelektroden 505, 510, 515 und 520 sind in gleichen Abständen jeweils um 90° versetzt um eine Empfangselektrode 525 angeordnet. Die Abschirmelektrode 110 umläuft die Empfangselektrode 525 und erstreckt sich zusätzlich zwischen benachbarten Sendeelektroden 505 bis 520 nach außen. Die Sendeelektroden 505 bis 520 können bei Verwendung der Gegentakt-Messbrücke 200 aus 2 in beliebiger Weise den Sendeelektroden 225 bis 230 zugeordnet sein. Die Empfangselektrode 525 entspricht der Empfangselektrode 235. Es kann auch eine komplexere Messschaltung verwendet werden, bei der die vier Sendeelektroden 505 bis 520 in vier unterschiedlichen Phasen angesteuert sind.
Größe, Form und Position der Elektroden 505 bis 525 können variiert werden, wie oben mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben ist. Außerdem können eine oder mehrere Abschirmelektroden einseitig in einem vorbestimmten Abstand zu den Elektroden 505 bis 525 angeordnet sein.
6 zeigt eine weitere Anordnung von Elektroden, die sich ebenfalls zur Verwendung an der Gegentakt-Messbrücke 200 eignet.
Vier kreisförmige Elektroden 605, 610, 615 und 620 sind in einer Ebene konzentrisch angeordnet. In einer Ausführungsform entspricht die innerste Elektrode 605 der Empfangselektrode 235, die nächst äußere Elektrode 610 der Abschirmelektrode 620 und die wiederum nächst äußere Elektrode 615 der Sendeelektrode 230. In einer anderen Ausführungsform sind die Zuordnungen der Elektroden 605 und 615 vertauscht. Optional kann in beiden Ausführungsformen die noch weiter außen liegende Elektrode 620 als zweite Abschirmelektrode 120 vorgesehen sein, die mit dem gleichen oder einem anderen Potential als die weiter innen liegende Abschirmelektrode 120 verbunden ist.
Die Elektroden 605 bis 620 müssen sich nicht in einer Ebene befinden und können anstelle von Kreisen auch beliebige andere geschlossene Kurven bilden. Wie oben mit Bezug auf die 3 bis 5 bereits erläutert wurde, können auch hier eine oder mehrere Abschirmelektroden einseitig der Elektroden 605 bis 620 eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008054445 A1 [0003]
DE 102008054460 A1 [0004]
DE 102007058088 A1 [0005]
US 4099118 [0006]
DE 202009017 [0006]

Claims

Suchgerät (205) zur kapazitiven Erfassung eines Objekts (105), umfassend: – eine Sendeelektrode (225, 230) zur Beaufschlagung mit einem Anregungssignal; – eine Empfangselektrode (235); – einen Erfassungsbereich (130) im Bereich der Sendeelektrode (225, 230) und der Empfangselektrode (235); – eine Messeinrichtung (200) zur Erfassung einer Kapazität zwischen der Sendeelektrode (225, 230) und der Empfangselektrode (235); – eine Verarbeitungseinrichtung (200) zur Bestimmung der Anwesenheit des Objekts (105) im Erfassungsbereich (130), falls sich die erfasste Kapazität von einer Referenzkapazität unterscheidet, gekennzeichnet durch – eine Abschirmelektrode (120), die im Bereich der Sendeelektrode (225, 230) und der Empfangselektrode (235) angeordnet und mit einem Potential (Ф3) verbunden ist, um die Grundkapazität zwischen der Sendeelektorde (225, 230) und der Empfangselektrode (235) zu verkleinern.
Suchgerät (205) nach Anspruch 1, wobei die Abschirmelektrode (120) derart angeordnet und mit dem Potential (Ф3) verbunden ist, dass ein durch das Objekt (105) bewirkter Unterschied der Kapazitäten zwischen der Sendeelektrode (225, 230) und der Empfangselektrode (235) unverändert ist.
Suchgerät (205) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Erfassungsbereich (130) außerhalb eines Einflussbereichs des Objekts (105) auf die Kapazität zwischen der Sendeelektrode (225, 230) und der Abschirmelektrode (120) liegt.
Suchgerät (205) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sendeelektrode (225, 230), die Empfangselektrode (235) und die Abschirmelektrode (120) in einer Ebene angeordnet sind.
Suchgerät (205) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sendeelektrode (225, 230), die Abschirmelektrode (120) und die Empfangselektrode (235) radialsymmetrisch angeordnet sind.
Suchgerät (205) nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine zweite Abschirmelektrode (120) vorgesehen ist, die radial außerhalb der anderen Elektroden (225–235, 110) angeordnet ist.
Suchgerät (205) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Shieldelektrode (405) auf einer dem Erfassungsbereich (130) abgewandten Seite der Sendeelektrode (225, 230), der Empfangselektrode (235) und der Abschirmelektrode (120) angebracht ist.
Suchgerät (205) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung eine Gegentakt-Messbrücke (200) umfasst.
Suchgerät (205) nach Anspruch 8, wobei die Gegentakt-Messbrücke dazu eingerichtet ist, die Kapazität zwischen einer weiteren Sendeelektrode (225, 230) und der Empfangselektrode (235) oder zwischen einer weiteren Sendeelektrode (225, 230) und einer weiteren Empfangselektrode (235) zu bestimmen.
Suchgerät (205) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Abschirmelektrode (120) mit einem Potential (Ф3) verbunden ist, das im Wesentlichen dem Potential (Ф2) der Empfangselektrode (235) entspricht.
Suchgerät (205) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (200) einen mit der Empfangselektrode (235) verbundenen niederohmigen Verstärker (240) umfasst und die Abschirmelektrode (120) mit einem Potential (Ф3) verbunden ist, das im Wesentlichen dem Potential (Ф2) der Empfangselektrode (235) entspricht.
Suchgerät (205) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (200) einen mit der Empfangselektrode (235) verbundenen hochohmigen Verstärker (240) umfasst und die Abschirmelektrode (120) mit einem Potential (Ф3) verbunden ist, das im Wesentlichen dem Potential (Ф2) der Empfangselektrode (235) entspricht.