Immer mehr Funktionen in der Industrie, aber auch im täglichen Leben werden von elektronischen Helfern übernommen. Auch bei der Sicherheit von Personen wird die Elektronik in einem Maße eingesetzt, das früher nicht denkbar erschien. Die alte Philosophie, nach der jeder Halbleiter unsicher ist, gilt nicht mehr. Durch Anwendung geeigneter Konzepte gibt es die komplizierteste Elektronik bis hin zu SPSn in sicherheitstauglicher Ausführung.

Bei Sensoren funktionieren bisher alle für die Sicherheit von Personen zugelassenen  Bauarten immer als Schranke, typischerweise als Lichtschranke. Das schränkt ihre praktische Anwendbarkeit ein. Will man etwa die Annäherung eines Menschen an eine beliebige Oberfläche feststellen, muß man in einem gewissen Sicherheitsabstand einer weitere Oberfläche bilden, deren Durchdringen erkannt wird. Mit (Licht)Schranken ist das nur in einfachen Fällen realisierbar. 

Die Annäherung eines Menschen kann aber auch auf andere Weise festgestellt werden, etwa durch die Kapazität, die er gegenüber seiner Umgebung darstellt. Als Ziel hatte ich mir eine Lösung vorgenommen, die es erlaubt, Roboter ohne Schutzgitter einzusetzen. Ein hierfür tauglicher Sensor müßte dann auch mit Airbag-Auslösegeräten im Automobil nützlich einsetzbar sein. Die Roboteranwendung ist insofern komplizierter, als der Roboter sich ja bestimmten Gegenständen nähern muß, ohne daß Nothalt ausgelöst wird, etwa dem Werkstück oder einer Werkzeugwechselvorrichtung. Von allen Wirkungsmechanismen, die mir einfielen, scheint mir nur das kapazitive Prinzip alle Forderungen nach Sicherheit und Funktionalität zu erfüllen.

Bei der Sicherung von Robotern wird durch eine genügende Zahl der kostengünstig herstellbaren Sensoren eine lückenlose Fläche in einem Abstand um alle bewegten Teile des Roboters gelegt, der zum sicheren Anhalten des Roboters ausreicht. Für die Anwendung im Innenraum von Kraftfahrzeugen können die Sensoren aus nachgiebigem Kunststoff gefertigt werden, damit nicht durch die Anbringung der Sensoren selbst eine Gefahr entsteht.

Was ich im folgenden beschreibe, der sichere kapazitive Sensor, befindet sich im Stadium der Entwicklung, es gibt noch keinerlei Zulassung usw. Mir wurde das deutsche Patent DE 101 31 243 C 1 erteilt. Ich beschreibe den Aufbau des Sensors in drei Abschnitten:

1.    Hochempfindlicher kapazitiver Sensor
2.    Anordnung zur Störungsunterdrückung
3.    Sichere Überwachung der Funktion
4.    Erwünschte Annäherung

1.    Hochempfindlicher kapazitiver Sensor

Ein kapazitiver Sensor besteht aus einer leitenden Platte, deren Kapazität gegenüber der Umgebung benutzt wird, um Schlußfolgerungen über die Entfernung zu dieser Umgebung zu ziehen. Natürlich muß die Umgebung eine Dielektrizitätskonstante haben, die von der der Luft abweicht. Das Signal eines sich annähernden Körpers wird außer von seiner Entfernung auch von seiner Ausdehnung und seiner Dielektrizitätskonstante abhängen.

Wenn wir uns eine Platte vorstellen, die auf einem Roboterarm montiert ist, sehen wir sofort, daß ihre Kapazität gegenüber der Unterlage wegen der sehr geringen Entfernung ziemlich groß ist, jedenfalls viel größer als gegenüber dem fernen Körper, den wir eigentlich entdecken wollen. Wir müssen also die Kapazität gegenüber der Unterlage beseitigen. Dazu bringen wir zwischen die Unterlage und die Kondensatorplatte eine Abschirmelektrode. Damit wäre nun noch nichts verbessert. Wir schließen aber an die Kondensatorplatte einen Verstärker an, dessen Eingangsimpedanz möglichst unendlich groß ist, und der einen Verstärkungsfaktor von 1 oder etwas darüber hat. Dessen Ausgang verbinden wir mit der Abschirmelektrode, woraufhin diese für die Kondensatorplatte nicht mehr "sichtbar" ist. Diese Idee ist übrigens nicht neu.

In Abb. 1 (meiner Patentschrift entnommen) ist die Anordnung z.B. mit den Nummern 201, 202 und 204 enthalten. Die Zeichnung ist keineswegs maßstäblich.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, eine Kapazitätsänderung zu bemerken. Häufig bildet die Kondensatorplatte die Kapazität eines Schwingkreises, der durch einen Oszillator zu Schwingungen angeregt wird. Durch die Frequenzänderung, die Phasenänderung oder auch ganz platt durch das Abreißen der Schwingung kann man eine zunehmende Kapazität bemerken. Ich verwende einen anderen Weg und speise den Kondensator über eine sehr hohe Impedanz mit einer Frequenz f0. Es bildet sich also ein Spannungsteiler aus der Impedanz (im Bild die Nummer 203) und der Kapazität, die durch die Kondensatorplatte mit ihrer Umgebung bebildet wird. Eine zunehmende Kapazität wird also eine abnehmende Spannung an der Kondensatorplatte und auch am Ausgang des Verstärkers bewirken.

2.    Anordnung zur Störungsunterdrückung

Kapazitiv empfindliche Sensoren sind auch empfindlich gegenüber elektrischen Störungen. Um diese unerwünschte Empfindlichkeit zu reduzieren, verwende ich eine Anordnung mit zwei Sensoren gleicher empfindlicher Fläche, aus deren Signalen die Differenz gebildet und ausgewertet wird. Da eine seitliche Richtungsabhängigkeit unerwünscht ist, werden zwei konzentrische Sensoren als Kreis bzw. Kreisring verwendet. Einer von beiden muß nun ein Stück hervorstehen, in Abb. 2 ist das der innere. Weit entfernte Störquellen können nun nicht mehr wirken, weil sie beide Sensoren gleich beaufschlagen.

3.    Sichere Überwachung der Funktion

Man kann sich nun verschieden Ursachen vorstellen, die dazu führen, daß das Ausgangssignal nicht die tatsächlichen Verhältnisse widerspiegelt, daß also der Sensor nicht funktioniert. Solche Ursachen können in der Auswerteelektronik liegen, sie können durch mechanische Schäden am Sensor verursacht werden, je nach der äußeren Form des Sensors ist auch eine elektrisch leitende Verschmutzung denkbar, die die Umgebung abschirmt. Es ist also nötig, die tatsächliche Funktion ständig zu überwachen. Das geschieht durch einen kleinflächigen Leiter (Nummer 106), der vor einem Sensor angebracht wird. Ist dieser Leiter isoliert, gleitet sein Potential, und er spielt kapazitiv keine Rolle. Eine etwaige Restkapazität wird durch eine entsprechend erhöhte Verstärkung des Verstärkers kompensiert. (Die wirkliche Größe des Leiters 106 und sein Abstand zur Fläche 101 müssen eine sehr kleine Kapazität weit unter 1 pF bewirken.)

Schaltet man den Leiter aber auf ein festes Potential, z.B. Masse, erzeugt seine dann spürbare Kapazität einen Ausschlag des Differenzsignals. Wählt man eine Impulsansteuerung des Schalters mit der Frequenz f1, wird man diese Frequenz f1 am Differenzsignal feststellen. Ihr Fehlen oder das Absinken des Signals auf einen zu kleinen Wert deutet auf einen Funktionsfehler hin oder auf eine zu große Annäherung. (Welche Annäherung noch toleriert wird, hängt auch vom gegenseitigen Verhältnis der Flächen von 101 und 106 ab.)

4.    Erwünschte Annäherung

Wir haben bisher bei einer Annäherung immer mit einer steigenden Kapazität und damit einem stärkeren Absinken der Spannung  am vorstehenden Sensor gerechnet. An Stellen, denen sich der Sensor nähern soll, ohne einen Alarm auszulösen, wird nun eine kapazitive Antenne angebracht, die mit einem phasenrichtigen Signal der Frequenz f0 gespeist wird. Nun führt eine Annäherung an diese Stelle nicht mehr zu einem Abfall der Spannung, sondern zu einem Anstieg. Durch eine geeignete Schaltung entsteht ein Gleichspannungssignal aus dem Differenzsignal, das z.B. bei unerwünschter Annäherung negativ, bei erwünschter Annäherung aber positiv wird. Dem Signal ist immer das Signal mit der Frequenz f1 überlagert, das zur Feststellung der korrekten Funktion ausgewertet wird.

Die Kennzeichnung der Räume mit erwünschter Annäherung wird in der Praxis die Hauptschwierigkeit bilden und die Anwendung des Verfahrens in manchem Fall verhindern. Es wird in jedem Fall einen gewissen konstruktiven Aufwand erfordern. Eventuell auftretende Fehler führen wiederum aber zum Abschalten des Roboters, das Fail-Safe-Verhalten bleibt also bestehen.

Abb. 1 zeigt die Prinzipschaltung:

Abb. 2 zeigt den prinzipiellen mechanischen Aufbau des Sensors: