DE60005522T2

DE60005522T2 - Elektronische schaltung zur detektion einer veränderung bezüglich eines ruhestands

Info

Publication number: DE60005522T2
Application number: DE60005522T
Authority: DE
Inventors: Jan Goezinne
Original assignee: Allsym BV
Current assignee: Allsym BV
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: ATE250825T1; US6847215B1; JP2003505968A; EP1198886B1; NL1012710C2; WO2001008309A3; KR20020061588A; EP1198886A2; AU6322000A; WO2001008309A2; DE60005522D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Detektion einer Veränderung bezüglich eines Ruhezustands entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 2.
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.
Zur Messung des Vorhandenseins, der Position oder Bewegung eines Gegenstandes ist es bekannt, kapazitive Sensoren, induktive Sensoren, Dehnungsmessstreifen und Hall-Effekt-Sensoren zu nutzen.
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.
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.
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.
Ein gemeinsamer Nachteil aller dieser bekannten Sensoren ist, dass sie nur für spezielle Anwendungsgebiete geeignet sind und oft eine komplexe Detektionsschaltung erfordern.
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.
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.
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.
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.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockschaltbild des Prinzips der Erfindung;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung entsprechend der Erfindung;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung entsprechend der Erfindung; und
4 eine spezielle Anwendung der elektronischen Schaltung entsprechend der Erfindung.
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.
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.
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.
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.
Nachstehend wird eine nicht erschöpfende Anzahl von möglichen Beispielen der äußeren Beeinflussung der Selbstinduktion einer Spule oder der Größenordnung eines Kapazitätswertes gegeben.
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.

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.

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.
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 V_S, 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.
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.
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.
Dem Fachmann wird ersichtlich, dass sehr viele andere Anwendungsmöglichkeiten innerhalb des Umfangs, wie es in den angefügten Ansprüchen der Erfindung definiert ist, denkbar sind.

Claims

Elektronische Schaltung zur Detektion einer Veränderung bezüglich eines Ruhezustands, die ein oszillierendes Organ einschliesst, das zumindest eine erste und eine zweite Oszillatorschaltung (1, 2; 11, 12, 13; 21, 22, 23) umfasst, wobei jede Schaltung einen Oszillator-Eingangsanschluss (2, 5) und einen Oszillator-Ausgangsanschluss (3, 6) hat, an dem ein Schwingungssignal vorliegt, der Oszillatoreingang (2) der ersten Oszillatorschaltung mit dem Oszillatorausgang (6) der zweiten Oszillatorschaltung und der Oszillatoreingang (5) der zweiten Oszillatorschaltung mit dem Ausgang (3) der ersten Oszillatorschaltung gekoppelt ist, und die auch ein Detektionsorgan einschliesst, das zumindest eine erste und eine zweite Detektionsschaltung (8, 11) umfasst, wobei jede Detektionsschaltung einen Detektions-Ausgangsanschluss (13, 14) hat, an dem ein Detektionssignal vorliegt, das Detektionsorgan so eingerichtet ist, dass es eine Veränderung erkennt, die im Ergebnis einer äusseren Beeinflussung zwischen den Schwingungssignalen der zumindest zwei Oszillatorschaltungen auftritt, und die Detektions- und Oszillatorschaltungen im Wesentlichen symmetrisch zu- oder identisch miteinander sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Detektionsschaltung (8, 11) einen Teil der ersten bzw. zweiten Oszillatorschaltung bildet, dadurch, dass jede Oszillatorschaltung zumindest einen bipolaren Transistor (11, 21) umfasst, dessen Basis sowohl den Oszillator-Eingangsanschluss als auch den Detektions-Eingangsanschluss bildet, dadurch, dass der Emitter den Detektions-Ausgangsanschluss bildet, und dadurch, dass im KoIlektorpfad eine Resonanzschaltung (12, 13; 22, 23) enthalten ist, wobei der Kollektor den Oszillator-Ausgangsanschluss bildet.
Elektronische Schaltung zur Detektion einer Veränderung bezüglich eines Ruhezustands, die ein oszillierendes Organ einschliesst, das zumindest eine erste und eine zweite Oszillatorschaltung (1, 2; 32, 33, 37; 42, 43, 41) umfasst, wobei jede Schaltung einen Oszillator-Eingangsanschluss (2, 5) und einen Oszillator-Ausgangsanschluss (3, 6) hat, an dem ein Schwingungssignal vorliegt, der Oszillatoreingang (2) der ersten Oszillatorschaltung mit dem Oszillatorausgang (6) der zweiten Oszillatorschaltung und der Oszillatoreingang (5) der zweiten Oszillatorschaltung mit dem Ausgang (3) der ersten Oszil latorschaltung gekoppelt ist, und die auch ein Detektionsorgan einschliesst, das zumindest eine erste und eine zweite Detektionsschaltung (8, 11) umfasst, wobei jede Detektionsschaltung einen Detektions-Ausgangsanschluss (13, 14) hat, an dem ein Detektionssignal vorliegt, das Detektionsorgan so eingerichtet ist, dass es eine Veränderung erkennt, die im Ergebnis einer äusseren Beeinflussung zwischen den Schwingungssignalen der zumindest zwei Oszillatorschaltungen auftritt( und die Detektions- und Osziliatorschaltungen im Wesentlichen symmetrisch zu- oder identisch miteinander sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Datektionsschaltung (8, 11) einen Teil der ersten bzw. zweiten Oszil-latarschaltung bildet, dadurch, dass jede Oszillatorschaltung zumindest einen Feldeffekttransistor umfasst, dessen Steuerelektrode sowohl den Oszillator-Eingangsanschluss als auch den Detektions-Eingangsanschluss bildet, dadurch, dass die Source den Detektions-Ausgangsanschluss bildet, und dadurch, dass im Drainepfad eine Resonanzschaltung enthalten ist, wobei der Drain den Oszillator-Ausgangsanschluss bildet.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzschaltung zumindest eine Selbstinduktion (33, 42) enthält; dadurch, dass eine Selbstinduktion (38, 48) in die Steuerelektrodenschaltung jedes Feldeffekttransistors (37, 47) eingeschlossen ist, und dadurch, dass die Kopplung zwischen dem Oszillatorausgang der ersten Oszillatorschaltung und dem Oszillatoreingang der zweiten Oszillatorschaltung bzw. zwischen dem Oszillatorausgang der zweiten Oszillatorschaltung und dem Oszillatoreingang der ersten Oszillatorschaltung eine induktive Kopplung ist.
Elektronische Schaltung nach zumindest einem der Ansprüche 1–3, gekennzeichnet durch n Oszillatorschaltungen und n Detektionsschaltungen (61, 62, 63, 64) mit n ≥ 2, wobei der Oszillatorausgang (67) der Oszillatorschaltung n –1 (63) mit dem Oszillatoreingang der Oszillatorschaltung n (64) und der Oszillatorausgang (68) der Oszillatorschaltung n (64) mit dem Oszillatoreingang der Oszillatorschaltung 1 (61) gekoppelt ist.
Elektronische Schaltung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Oszillatorschaltungen und die zumindest zwei Detektionschaltungen im Wesentlichen in integrierter Form auf dem gleichen Substrat angeordnet sind.