Hohe Empfindlichkeit für sichere kapazitive Sensoren

Empfindlichkeit

Kapazitive Sensoren werden millionenfach eingesetzt. Für industrielle Anwendungen, z.B. an Robotern, wird aber eine deutlich höhere Empfindlichkeit verlangt.

Ein kapazitiver Sensor besteht aus einer leitenden Fläche, deren Kapazität gegenüber der Umgebung benutzt wird, um Schlussfolgerungen auf die Entfernung zu dieser Umgebung zu ziehen. Unser Sensor wird über eine hohe Impedanz mit einer Trägerfrequenz beaufschlagt. Die Kapazitätsänderung durch einen sich nähernden Körper wird dadurch festgestellt, dass die Trägerfrequenzspannung an der Sensorelektrode abnimmt, weil die Kapazität des Sensors gegenüber der Umgebung steigt. Wir haben hier einen kapazitiven Spannungsteiler. Je höher die Impedanz (je kleiner die Kapazität) der Einspeisung ist, desto stärker macht sich eine Kapazitätsänderung gegen Masse bemerkbar.

In aller Regel wird die Umgebung des Sensors primär von der Maschine geprägt, an der er montiert ist. Die Änderung der Umgebungskapazität durch eine sich nähernde Hand ist also relativ klein und entsprechend schwer zu entdecken. Deshalb kann zwischen Maschine und Sensorelektrode eine Abschirmung angebracht werden, die am Ausgang eines Verstärkers genau der Spannung der Sensorelektrode folgt. Hierdurch wird die Maschine für den Sensor „unsichtbar“.  Die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber der Hand, die sich der gefährlichen Position der Maschine nähert, steigt so um mehr als das Tausendfache.

Zu den störenden Kapazitäten gehört auch die Eingangskapazität der Elektronik. Wir haben einen Verstärker mit extrem geringer Eingangskapazität entwickelt, weit weniger als 0,1 pF. Im Abschnitt Temperaturstabilität können Sie mehr hierzu lesen.

Wir gehen bei unseren Sensoren ganz knapp über den Schwingungseinsatz, wo die Empfindlichkeit ebenso hoch ist, wie knapp darunter. Falls wir mehrere Sensoren in enger Nachbarschaft betreiben müssen, wie etwa an Robotern, können wir die von den einzelnen Sensoren erzeugten Signale phasenstarr synchronisieren. Auf diese Weise erzeugen wir eine durchgehende Sicherheitshaut über den ganzen Roboter.

Das folgende Bild zeigt die prinzipielle Anordnung.

SensorKonzept

Die Rückkopplung geschieht durch den entsprechend eingestellten Operationsverstärker und über die Abschirmelektrode auf die Sensorelektrode, die mit dem Verstärkereingang verbunden ist. Diese Methode der Rückkopplung erlaubt eine gleichbleibende Empfindlichkeit unter verschiedenen Umständen, etwa in der Nähe von benachbarten Sensoren.

Das Ergebnis dieser Maßnahmen ist eine Reichweite von bis zu etwa 40 cm für eine Hand. Unser Video zeigt ein Modell mit einer Erkennung in 30 cm Entfernung.

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