DE20121612U1 - Capacitive sensor for washrooms has separate electrode with larger capacitance - Google Patents
Capacitive sensor for washrooms has separate electrode with larger capacitanceInfo
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Abstract
Description
WEN 5120 GBMWEN 5120 GBM
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor, insbesondere zur Verwendung in Spendervorrichtungen, wie Papierhandtuchspender, Seifenspender, etc., wie sie in öffentlichen Bereichen wie Gastronomie, Raststätten, öffentlichen Toilettenanlage, öffentlichen Gebäuden, usw. eingesetzt werden.The present invention relates to a capacitive sensor, in particular for use in dispensing devices such as paper towel dispensers, soap dispensers, etc., as used in public areas such as restaurants, rest areas, public toilets, public buildings, etc.
Der erfindungsgemäße Sensor ist jedoch grundsätzlich für alle Anwendungen zur berührungslosen Detektion geeignet.However, the sensor according to the invention is basically suitable for all applications for non-contact detection.
Kapazitive Sensorsysteme wirken durch eine oder mehrere Wände, vorzugsweise aus Kunststoff hindurch nach außen, ohne daß spezielle Fenster in den betreffenden Wänden vorhanden sein müssen. Im Vergleich zu optischen Systemen werden sie dadurch nicht durch externe Einflüsse, wie Staub, Aerosol, Zigarettenrauch oder auch Aufkleben von Stickern, Kaugummi oder dergleichen beeinträchtigt.Capacitive sensor systems work through one or more walls, preferably made of plastic, without the need for special windows in the walls in question. In comparison to optical systems, they are therefore not affected by external influences such as dust, aerosols, cigarette smoke or the sticking of stickers, chewing gum or the like.
Bei herkömmlichen kapazitiven Sensorsystemen befinden sich die Wirkelektrode (Sensorflächenelektrode) und die Gegenelektrode der Kapazität auf der selben Platine, wobei die Bauelemente der Sensorelektronik auf der Rückseite dieser Platine angeordnet sind. Beispielsweise verläuft die Gegenelektrode bei bekannten Sensoren im wesentlichen parallel im Abstand von ca. 1 Millimeter zur Wirkelektrode. Die Kapazität dieser Anordnung ist so klein, daß die Toleranz der Bauelemente der Sensorelektronik einen großen Einfluß auf das System haben. Daneben wirken sich insbesondere Temperatureinflüsse negativ auf die Stabilität der Sensorleistung aus. So arbeiten herkömmliche Sensorsysteme nur mit einer Reichweite im Bereich bis maximal 20 Millimeter vor der Gehäusefront langzeitstabil im Temperaturbereich von 5 0C bis 45 0C.In conventional capacitive sensor systems, the active electrode (sensor surface electrode) and the counter electrode of the capacitance are on the same circuit board, with the components of the sensor electronics arranged on the back of this circuit board. For example, in known sensors the counter electrode runs essentially parallel to the active electrode at a distance of approx. 1 millimeter. The capacitance of this arrangement is so small that the tolerance of the components of the sensor electronics has a major influence on the system. In addition, temperature influences in particular have a negative effect on the stability of the sensor performance. Conventional sensor systems only work with a range of up to a maximum of 20 millimeters in front of the housing front and are stable over the long term in the temperature range of 5 0 C to 45 0 C.
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Zum Ausgleich der Toleranzen und zur Einstellung der Sensorreichweite und der Schalthysterese wird ein 20-Gang Spindeltrimmer vom Wert 2 &Kgr;&OHgr; eingesetzt, wobei der eigentliche Einstellbereich für die Reichweite des Sensors nur etwa 200&OHgr; beträgt.To compensate for the tolerances and to adjust the sensor range and the switching hysteresis, a 20-turn spindle trimmer with a value of 2 &Kgr;&OHgr; is used, whereby the actual adjustment range for the range of the sensor is only about 200&OHgr;.
Bei der Installation dieser Geräte am Einbauort muß somit bei jedem Gerät die Sensoreinstellung überprüft und ggf. neu justiert werden. Dabei muß sowohl die Sensorreichweite wie auch die Schaltshysterese des Systems als Stabilitätskriterium beurteilt werden. Die Justage erfolgt mittels des 20-Gang Spindeltrimmers, wobei eine Fehljustierung durch ein "Überdrehen" der Reichweite möglich ist, so daß Fehlfunktionen und Totalausfälle auftreten können. Zur Justierung des Sensors ist somit geschultes Personal notwendig.When installing these devices at the installation site, the sensor setting for each device must be checked and readjusted if necessary. Both the sensor range and the switching hysteresis of the system must be assessed as stability criteria. The adjustment is carried out using the 20-speed spindle trimmer, whereby incorrect adjustment is possible by "over-tightening" the range, which can lead to malfunctions and total failures. Trained personnel are therefore required to adjust the sensor.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen kapazitiven Sensor mit hoher Zuverlässigkeit und einfacher Bedienbarkeit zur Verfügung zu stellen.The present invention therefore has the object of providing a capacitive sensor with high reliability and easy operation.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einen kapazitiven Sensor gemäß Anspruch 1, umfassend eine Sensorelektronik und eine Sensoreinheit mit einer Kapazität aus einer Wirkelektrode und einer Gegenelektrode, angeordnet auf einer gemeinsamen Steuerplatine zusammen mit den Bauelementen der elektrischen Schaltung, wobei erfindungsgemäß die Wirkelektrode räumlich distanziert von der die Gegenelektrode und die Bauelemente enthaltenden Platine angeordnet ist und die Wirkelektrode nur Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung mit der Platine aufweist.This object is achieved with a capacitive sensor according to claim 1, comprising sensor electronics and a sensor unit with a capacitance consisting of an active electrode and a counter electrode, arranged on a common control board together with the components of the electrical circuit, wherein according to the invention the active electrode is arranged spatially distanced from the board containing the counter electrode and the components and the active electrode only has contact elements for electrical connection to the board.
Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors.The subclaims describe advantageous embodiments of the sensor according to the invention.
Die Wirkelektrode des kapazitiven Sensors ist erfindungsgemäß als eine homogene Fläche gestaltet, wobei an der Wirkelektrode lediglich Kontaktelemente, beispielsweise ein Steckkontakt zur elektrischen Verbindung mit der Steuerplatine vorgesehen sind.According to the invention, the active electrode of the capacitive sensor is designed as a homogeneous surface, with only contact elements, for example a plug contact for electrical connection to the control board, being provided on the active electrode.
Eirfindungsgemäß ist die Wirkelektrode nur über die elektrischen Kontakte mit der Steuerplatine verbunden und räumlich zur Steuerplatine beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen Wirkelektrode und Steuerplatine beträgt vorzugsweise >1 mm.According to the invention, the active electrode is only connected to the control board via the electrical contacts and is arranged at a spatial distance from the control board. The distance between the active electrode and the control board is preferably >1 mm.
Der Distanz zwischen Gegenelektrode und Wirkelektrode kann je nach Anwendungsgebiet festgelegt werden und beispielsweise ca. 7 cm betragen.The distance between the counter electrode and the active electrode can be determined depending on the area of application and can be, for example, approx. 7 cm.
Im Übrigen ist die Wirkelektrode erfindungsgemäß frei von elektrischen Bauelementen oder Leiterbahnen, so daß keine Beeinflussung des Sensorfeldes oder der Amplitude des Sensorsignals durch die genannten Bauelemente und Leiterbahnen erfolgen kann.Furthermore, according to the invention, the active electrode is free of electrical components or conductor tracks, so that the sensor field or the amplitude of the sensor signal cannot be influenced by the components and conductor tracks mentioned.
Die Gegenelektrode ist in an sich bekannter Weise auf der Steuerungsplatine zusammen mit der Sensorelektronik angeordnet.The counter electrode is arranged in a conventional manner on the control board together with the sensor electronics.
Vorteilhaft ist die Wirkelektrode als eine einseitig kupferkaschierte, 1,5 Millimeter starke FR4 Platine, beispielsweise in der Größe 54 mm &khgr; 44 mm ausgeführt, wobei das FR4 als Dielektrikum wirkt und so die Kapazität dieser Geometrie erhöht. Durch eine größere Kapazität der Wirkelektrode wird der Einfluß der Toleranzen der Bauelemente der Sensorelektronik verringert.The active electrode is advantageously designed as a 1.5 mm thick FR4 board with copper coating on one side, for example in the size 54 mm x 44 mm, where the FR4 acts as a dielectric and thus increases the capacity of this geometry. A larger capacity of the active electrode reduces the influence of the tolerances of the components of the sensor electronics.
Die Gesamtkapazität aus Wirkelektrode und Gegenelektrode beträgt < 10 pF, vorzugsweise 0,5 - 2 pF, insbesondere 1 pF.The total capacitance of the active electrode and counter electrode is < 10 pF, preferably 0.5 - 2 pF, especially 1 pF.
Die Wirkelektrode ist vorteilhaft so ausgeführt, daß sie die 3-fache Kapazität der Gegenelektrode aufweist.The active electrode is advantageously designed so that it has three times the capacity of the counter electrode.
Die geometrische Anordnung von Wirkelektrode und Gegenelektrode kann in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzgebietes festgelegt werden. Die Größen der Flächen absolut und deren Verhältnis ist auf die jeweilige Anordnung anpaßbar.The geometric arrangement of the active electrode and counter electrode can be determined depending on the respective area of application. The absolute sizes of the surfaces and their ratio can be adapted to the respective arrangement.
Bevorzugt sind Wirkelektrode und Gegenelektrode im wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet. Aber auch eine im wesentlichen parallele Ausrichtung, wobei beide Elektroden mit hinreichendem Abstand hintereinander oder nebeneinander angeordnet sind ist denkbar, wobei der Abstand so gewählt wird, daß Störeinflüsse ausgeschlossen sind.Preferably, the active electrode and counter electrode are arranged essentially at right angles to each other. However, an essentially parallel alignment is also conceivable, with both electrodes being arranged one behind the other or next to each other at a sufficient distance, with the distance being selected so that interference is excluded.
Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Sensorfunktion ist die Wirkelektrode vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Wirkrichtung, d. h. in Richtung auf das zu detektierende Objekt ausgerichtet.To ensure reliable sensor function, the effective electrode is preferably aligned essentially perpendicular to the direction of action, i.e. in the direction of the object to be detected.
Die Wirkelektrode und Gegenelektrode sind mit einer Sensorelektronik verbunden. Die Sensorelektronik ist als eine Oszillatorschaltung ausgeführt und umfaßt darüber hinaus einen Gleichrichter, einen Komparator und einen Verstärker. Bevorzugt ist auf der Steuerplatine zusätzlich ein Mikro-Controller angeordnet.The active electrode and counter electrode are connected to a sensor electronics. The sensor electronics are designed as an oscillator circuit and also include a rectifier, a comparator and an amplifier. Preferably, a microcontroller is also arranged on the control board.
Damit der erfindungsgemäße Sensor in einem weiten Temperaturbereich (z. B. 20 0C - + 70 0C) stabil, d. h. ohne Drift arbeitet, ist vorteilhaft eine geeignete Temperaturkompensation für die Oszillatorschaltung vorgesehen.In order for the sensor according to the invention to operate stably, ie without drift, over a wide temperature range (e.g. 20 0 C - + 70 0 C), a suitable temperature compensation is advantageously provided for the oscillator circuit.
Anhand der beiliegenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert, ohne daß dadurch eine Einschränkung des Schutzumfangs beabsichtigt ist.The invention is explained in more detail with reference to the accompanying figures, without this being intended to restrict the scope of protection.
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Dabei zeigenShow
Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen SensorsFigure 1 is a schematic block diagram of the sensor according to the invention
mit der Sensoreinheit und der dazugehörigen Sensorelektronik;with the sensor unit and the associated sensor electronics;
Figur 2 einen schematischen Schaltplan des erfindungsgemäßen Sensors mit einer zusätzlichen Einstellhilfe, wobei die Figuren 2.1, 2.2 und Ausschnittsvergrößerungen von Fig. 2 zur besseren Lesbarkeit des Schalltplans darstellen.Figure 2 shows a schematic circuit diagram of the sensor according to the invention with an additional adjustment aid, wherein Figures 2.1, 2.2 and 2.3 are enlarged sections of Figure 2 for better readability of the circuit diagram.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors mit der dazugehörigen Sensorelektronik. In der Sensoreinheit 1 ist die Wirkelektrode 2 im wesentlichen rechtwinklig zur Gegenelektrode 3 angeordnet. Die beiden Elektroden sind mit der Sensorelektronik verbunden, welche als Oszillatorschaltung 4 mit einer entsprechenden Temperaturkompensation 5 versehen ist. Nach dem Oszillator ist ein Gleichrichter 6 geschaltet dessen Signal auf einen Komparator 7 und auf einen DC-Verstärker 8 geleitet wird. Dadurch erhält man ein digitales Signal und ein analoges Signal, die jeweils an die entsprechenden Eingänge eines geeigneten Mikro-Controllers 11 angeschlossen sind. An den Mikro-Controller 11 ist ein Signalempfänger 12 angeschlossen. Dieser Signalempfänger entspricht der jeweiligen Anwendung, z. B. Motoren, Pumpen, Signalleitungen, weitere Steuerungen oder Prozessoren. Die gesamte Schaltung wird über eine Spannungsquelle 13 gespeist, vorzugsweise eine stabilisierte, temperaturstabile und driftarme Spannungsquelle, wie z. B. Batterien.Figure 1 shows a schematic of the structure of the sensor according to the invention with the associated sensor electronics. In the sensor unit 1, the active electrode 2 is arranged essentially at right angles to the counter electrode 3. The two electrodes are connected to the sensor electronics, which are provided as an oscillator circuit 4 with a corresponding temperature compensation 5. A rectifier 6 is connected after the oscillator, the signal of which is passed to a comparator 7 and to a DC amplifier 8. This produces a digital signal and an analog signal, each of which is connected to the corresponding inputs of a suitable microcontroller 11. A signal receiver 12 is connected to the microcontroller 11. This signal receiver corresponds to the respective application, e.g. motors, pumps, signal lines, other controls or processors. The entire circuit is fed via a voltage source 13, preferably a stabilized, temperature-stable and low-drift voltage source, such as batteries.
In Figur 2 und den Ausschnittsvergrößerungen 2.1, 2.2 und 2.3 ist der erfindungsgemäße kapazitive anhand eines schematischen Schaltplans näher erläutert. Die Wirkelektrode und Gegenelektrode der Sensoreinheit bildenIn Figure 2 and the enlarged sections 2.1, 2.2 and 2.3, the capacitive sensor according to the invention is explained in more detail using a schematic circuit diagram. The active electrode and counter electrode of the sensor unit form
zusammen den Kondensator C7. Das Prinzip der Schaltung ist ein verstimmter Oszillator, wobei die Kapazität der Sensoranordnung C7 kleiner ist, als die des Kondensatorbauelements C6 der Sensorelektronik. Dabei gilt C7<C6 (in Luft).together the capacitor C7. The principle of the circuit is a detuned oscillator, whereby the capacitance of the sensor arrangement C7 is smaller than that of the capacitor component C6 of the sensor electronics. C7<C6 applies (in air).
Durch Einbringen eines Dielektrikums vor den Sensor mit sr>1, vorzugsweise die menschliche Hand mit ihrem hohen Wasseranteil mit er = 81, erhöht sich nun die Kapazität der Sensoreinheit, so daß gilt: C7 > C6.By placing a dielectric in front of the sensor with sr>1, preferably the human hand with its high water content with er = 81, the capacitance of the sensor unit increases so that: C7 > C6.
Dadurch beginnt der Oszillator zu schwingen bzw. je nach Einstellung am Potentiometer TR1 steigt die Amplitude des Sensorsignals.As a result, the oscillator begins to oscillate or, depending on the setting on the potentiometer TR1, the amplitude of the sensor signal increases.
Der Oszillator besteht neben C6 und den Elektroden C7 bevorzugt aus nur einem PNP-TransistorT1, einem NPN-TransistorT2 (vorteilhaft beide mit hoher Stromverstärkung) und den zugehörigen Widerständen zur Arbeitspunkteinstellung, wobei der Emitterwiderstand RE_T2 aus der Kombination von R18, NTC1 und RTC1 gebildet wird, die als Temperaturkompensation wirkt und dem Temperaturverlauf der Stromverstärkung des T2 entgegenwirkt.In addition to C6 and the electrodes C7, the oscillator preferably consists of only one PNP transistor T1, one NPN transistor T2 (advantageously both with high current gain) and the associated resistors for setting the operating point, whereby the emitter resistor RE_T2 is formed from the combination of R18, NTC1 and RTC1, which acts as temperature compensation and counteracts the temperature curve of the current gain of T2.
Die Kombination R16, R12 und Potentiometer TR1 bestimmt die Empfindlichkeit bzw. die Reichweite des Sensorsystems. Die Werte der Bauelemente werden in Abhängigkeit von der gewählten Elektrodengeometrie ausgewählt.The combination of R16, R12 and potentiometer TR1 determines the sensitivity or range of the sensor system. The values of the components are selected depending on the selected electrode geometry.
Die Kondensatoren C5 und C8 dienen der Entkopplung von AC zu DC-Signalen.The capacitors C5 and C8 are used to decouple AC to DC signals.
Das so gewonnene hochfrequente Sensorsignal wird über einen Kondensator C4 DC-entkoppelt und mittels einer Diode D4 gleichgerichtet.The high-frequency sensor signal obtained in this way is DC-decoupled via a capacitor C4 and rectified by a diode D4.
Die Bauelemente C3, R3, R6, R7 und R8 dienen der Glättung und Potentialanpassung.The components C3, R3, R6, R7 and R8 are used for smoothing and potential adjustment.
Das gleichgerichtete Signal wird einem Komparator (IC2.A) zugeführt, welcher ein digitales Signal erzeugt. In einer Ausgestaltung kann eine LED (LED 1) vorgesehen sein, die die Funktion der Sensorelektronik signalisiert.The rectified signal is fed to a comparator (IC2.A), which generates a digital signal. In one embodiment, an LED (LED 1) can be provided to signal the function of the sensor electronics.
Das gleichgerichtete Signal wird zudem einem Gleichspannungsverstärker (IC2:B) zugeleitet, der ein analoges Signal erzeugt.The rectified signal is also fed to a DC amplifier (IC2:B), which generates an analog signal.
An besonderen Installationsorten mit extremer Kälte, Hitze oder Umgebungen die das Sensorfeld negativ beeinflussen ist bevorzugt eine Einstellhilfe für die Sensorreichweite vorgesehen. Dazu ist der Mikro-Controller (IC3) vorteilhaft so ausgeführt, daß eine direkte Verarbeitung des Analogsignals möglich ist.In special installation locations with extreme cold, heat or environments that have a negative effect on the sensor field, an adjustment aid for the sensor range is preferably provided. For this purpose, the microcontroller (IC3) is advantageously designed in such a way that direct processing of the analog signal is possible.
Das Sensorsignal wird dabei einem AD-Wandler des Mikro-Controllers zugeführt. Dieser überwacht die Sensoramplitude im Langzeitbereich, um nur umgebungsbedingte Einflüsse zu bewerten. Falls die Amplitude des Sensorsignals in diesem "stationären" Fall zu groß ist, wird dies , z. B. mittels einer Leuchtdiode durch schnelles Blinken (50 ms ein - 50 ms aus) angezeigt. Bei Betätigung des Einstellpotentiometers TR1 für die Sensorreichweite zeigt die Leuchtdiode z. B. durch langsameres Blinken (50 ms ein - 2 s aus) das Erreichen eines zulässigen Wertes an.The sensor signal is fed to an AD converter of the microcontroller. This monitors the sensor amplitude over a long period of time in order to evaluate only environmental influences. If the amplitude of the sensor signal is too high in this "stationary" case, this is indicated, e.g. by means of a LED that flashes quickly (50 ms on - 50 ms off). When the setting potentiometer TR1 for the sensor range is operated, the LED indicates that a permissible value has been reached, e.g. by flashing more slowly (50 ms on - 2 s off).
Es kann auch eine automatische Kalibrierung des Systems oder einer Anpassung an veränderte Umgebungsbedingungen vorgesehen werden, wobei beispielsweise der NTC1 mit einem analog Eingang des Mikro-Controllers verbunden ist oder weitere Umweltsensoren adaptiert werden.It is also possible to provide for automatic calibration of the system or adaptation to changing environmental conditions, for example by connecting the NTC1 to an analog input of the microcontroller or adapting other environmental sensors.
Durch die implementierte Software können Störeinflüsse ausgeschlossen werden und nur die Annäherung einer Hand oder Objekte mit hohem sr als "wahres"The implemented software can exclude interference and only the approach of a hand or objects with high sr can be considered as "true"
Ereignis zur Signalgenerierung, z. B. zur Papierausgabe eines Handtuchspenders, anerkannt werden.Event for signal generation, e.g. for paper dispensing from a towel dispenser, can be recognized.
Der erfindungsgemäße Sensor besteht im wesentlichen aus der Wirkelektrode und der Gegenelektrode, welche die Sensoreinheit bilden, einem Oszillator, einem Gleichrichter und einen Komparator als Sensorelektronik. Der Sensor kann so vorzugsweise in Mikro-Controller oder Mikro-Prozessor gesteuerte Applikationen direkt integriert werden.The sensor according to the invention essentially consists of the active electrode and the counter electrode, which form the sensor unit, an oscillator, a rectifier and a comparator as sensor electronics. The sensor can thus preferably be directly integrated into microcontroller or microprocessor-controlled applications.
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Cited By (3)
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| DE102007060402A1 (en) | 2007-12-15 | 2009-06-18 | Venoplas Ag | Capacitive sensor for e.g. soap dispenser, in public area, has control circuit arranged to switchoff power supply and to switch on power supply after lapse of intervals so that recalibration of electronic circuit is performed at points |
| CN109238314A (en) * | 2018-07-17 | 2019-01-18 | 上海阿柚信息科技有限公司 | For the detection method and device close to induction |
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2001
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20030213 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20041108 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20071115 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20091102 |
|
| R071 | Expiry of right | ||
| R071 | Expiry of right |