Entwicklung eines Oszillatorschaltkreises mit Schleifenverstärkungsregelung für kapazitive Näherungssensoren

Diplomarbeit von Christoph Eckl

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen integrierbaren, kapazitiven Näherungsschalter zu entwickeln. Ein kapazitiver Näherungsschalter ist ein Sensor, der aufgrund einer Kapazitätsänderung ein Messobjekt detektiert. Der eigentliche Sensorkopf besteht im wesentlichen nur aus einer veränderbaren Kapazität C zwischen zwei Kontaktelektroden. Die eine Kontaktelektrode wird als aktive Fläche bezeichnet, die andere als Ringelektrode oder Abschirmung. Tritt nun ein Messobjekt in den Bereich des elektrischen Streufeldes ein, so wird die Sensorkapazität um den Betrag DC vergrößert. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Messobjekt ein Leiter oder ein Isolator, fest oder flüssig ist. Durch die Präsenz eines anderen Mediums als Luft wird die Dielektrizitätszahl e vergrößert, und damit die Kapazität C(er, Geometrie). Je größer die Veränderung des Dielektrikums im Bereich der Feldlinien des Kondensators, desto leichter ist ein Material zu detektieren. Es gibt dabei drei grundsätzliche Möglichkeiten zu untersuchen. Die Kapazitätsänderung kann durch, einen Isolator, eine isolierte Metallplatte, oder eine geerdete Metallplatte hervorgerufen werden. Metalle rufen die größte Kapazitätsänderung hervor, da sie bei Annäherung eine zweite Kapazität parallel zur Sensorkapazität bewirken. Sie sind somit am besten zu detektieren.

Die bisher verwendeten kapazitiven Näherungsschalter beruhen auf einem Relaxations Oszillatorprinzip und sind diskret aufgebaut. Bei einer solchen Schaltung ist der Oszillator im Ruhezustand solange das Messobjekt außerhalb des Schaltabstandes liegt. Durch Annäherung auf den Schaltabstand wird die Sensorkapazität so weit vergrößert, dass die Dämpfung kleiner als die Verstärkung des Oszillators wird. Das System beginnt zu schwingen. Dieses Oszillatorprinzip wurde bereits in untersucht, mit dem Ergebnis, dass es nicht integrierbar war. Es wird im folgenden nun ein Konzept für einen Oszillator entwickelt, der bereits ohne das Vorhandensein eines Messobjektes schwingt und bei dessen Detektion sich die Schwingungsamplitude ändert.

Gang der Untersuchung:

Kapitel 2 fasst das Konzept herkömmlicher Näherungsschalter zusammen, sowie den Aufbau der verschiedenen Sensorköpfe. Weiterhin werden ein Wien-Robinson-Oszillator und ein Schwingkreis auf Multipliziererbasis untersucht. In Kapitel 3 werden Zwei- und Vierquadrantenmultiplizierer als Verstärker für einen Oszillator verglichen. Die Theorie der Schaltungen wird erörtert und anhand von PSpice-Simulationen verifiziert. Das Kapitel 4 beschreibt die integrierbare Sensorschaltung und einen Steckkastenaufbau um das Schaltungsprinzip und die Sensorköpfe zu testen. Kapitel 5 gibt eine Zusammenfassung der Arbeit.

Inhaltsverzeichnis: