CN110832292B - 电容传感器布置结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电容传感器布置结构，其包括：感测电极(2)，感测电极具有随物体(20)检测空间(12)中的存在情况而定的电容(CX)；测量装置(4)，测量装置连接到感测电极(2)并配置用于检测感测电极(2)的电容(CX)；传导结构(3)，其中感测电极(2)的电容(CX)随结构(3)的电位情况而定。为设置器具用于可靠的电容测量，本发明设置：测量装置(4)在第一电位(VS)与第二电位(GND)之间连接以便供电，测量装置(4)唯一地经由结构(3、13)连接到第二电位(GND)。

Description

电容传感器布置结构
技术领域
本发明总的涉及电容传感器布置结构。
背景技术
当今，电容传感器运用于广泛种类的应用，比如输入装置(例如，触摸板、电容滑动器、触摸轮等)、接近传感器或乘员检测***(occupant detection system)。
现有技术中已知许多不同类型的电容传感器，但这些电容传感器中的大多数倚赖以下原理。感测电极设置成使得趋近的物体(人、手、手指等)改变电极相对于大地的电容。该改变的电容通过测量电路或测量装置测量。例如，感测电极可连接到诸如方波电压的交流电压，并且通过感测电极的电流可借由测量电路转换成电压，所述电流取决于感测电极的电容。所述电压指示所述电容并因此可用于确定物体是否处于电极附近。
然而，在许多情况中，感测电极相对于大地的总电容还受到常设于电极附近的传导物或传导结构的影响。比如，在乘用传感器(occupancy sensor)的情况中，相应车座(座架等)的金属部件对感测电极的电容产生影响。在其它应用中，传感器布置结构可用于双手离开检测，即检测驾驶员是否至少有一只手与方向盘处于接触。在这种情况中，传导物或传导结构为车辆方向盘的一部分，比如方向盘架或方向盘芯。然而，这样的传导物也可以是接地电极，所述接地电极为传感器布置结构的专用部件并可用于成形或影响感测电极的电场。根据物体是否接地(如接地，则具有限定的电位)(如未接地，则具有未限定的或“浮动”的电位)，电极与相应物体之间的电场会有相当大的不同。如果接地被维持，则乃相应的物体导致电容测量中的偏移。然而，在一些应用中，确保持续传感器使用期的接地是困难的。因此，尤其是对于与安全相关的***，需要监测相应结构的接地情况。
目前，关于实施这样的监测有两种构思。根据第一种构思，结构通过两根分开的线连接到测量装置。一根线提供接地电位，并且第二根线用于监测测量装置与结构之间的连接。根据第二种构思，结构利用一根线连接到测量装置，在电容测量期间所述线提供接地电位。在诊断模式中，所述线用来向结构施加AC电流，测量该电流。如果AC电流高于阈值，则可以断定结构仍连接到连接线并接地。该方法被描述在WO 2014/122197 A1中，方法尽管可靠，但相当复杂，因为方法要求用于诊断模式的专用电路。
US 2010/0102833 A1公开了一种具有片状检测电极的就座检测***，所述片状检测电极被设置在座架附近并连接到一电子控制单元(ECU)，所述电子控制单元具有电压施加电路和电压检测电路。电极经由导线和屏蔽缆线连接到ECU。缆线的屏蔽一方面经由ECU接地且另一方面连接到具有独立于ECU的接地连接的座架。US 2011/0221459A1中也公开了相似的设置。
US 2002/0024344 A1公开了一种检测元件，所述检测元件具有检测电极、接地电极和设置在两者之间的电荷板。接地电极连接到一接地的附接部分。电路板设置在检测电极上并连接在供电装置的正极端子与负极端子之间。根据一些实施例，负极端子连接到接地电极。
WO 2014/122197 A1公开了一种用于车座的电容传感器，所述电容传感器具有天线电极和控制与评估电路，控制与评估电路在操作的第一模式中测量天线电极与大地之间的交变电流。座架连接器设置成将控制与评估电路连接到座架，并且在操作的第二模式中，控制与评估电路测量流入座架连接器中的电流。
发明之目的
因此，期望的是提供用于可靠电容测量的器具。
该问题通过一种用于检测物体的电容传感器布置结构被解决，所述电容传感器布置结构包括：感测电极，所述感测电极具有随物体在检测空间中的存在情况而定的电容；测量装置，所述测量装置连接到感测电极并配置用于检测感测电极的电容；传导结构，其中，所述感测电极的电容随结构的电位情况而定；其中，测量装置在第一电位与第二电位之间连接以便供电，测量装置唯一地经由结构连接到第二电位。
发明之总体描述
本发明提供一种用于检测物体的电容传感器布置结构。对发明的传感器布置结构的应用不以任何方式被限制，但发明的传感器布置结构可尤其用于汽车***中，比如作为用于车座的乘用传感器或用于智能后备箱开启器的传感器或用于方向盘中双手离开检测的电容传感器。
传感器包括感测电极，所述感测电极具有随物体在检测空间中的存在情况而定的电容。换言之，感测电极的电容随物体是否处在检测空间中而定。在本上下文中，“检测空间”指的是其中物体的存在情况对电容产生(显著)影响的空间。理解的是，这样的检测空间至少部分地处在感测电极的附近，并且这样的检测空间尤其可邻近所述感测电极。当然，传感器布置结构可包括多个感测电极。
测量装置连接到感测电极并配置用于检测感测电极的电容。此处及在以下中，除非另有说明，否则“连接”将作“电连接”理解。“检测电容”表示的是，测量装置测量至少一个可由之得到电容的量。大体上，测量装置配置为对感测电极施加交变电压。优选的是，所述交变电压是周期性的并因此可由频率(基频)表征。测量装置可直接连接到感测电极，但中间也可存在其它元件。为了检测电容，测量装置可施加具有已知特征的电压并检测所得的、流入感测电极中的电流。
此外，传感器布置结构包括传导结构，其中感测电极的电容随结构的电位情况而定。这样的传导结构的示例是常设于感测电极附近的金属结构，所述金属结构比如出于机械方面的原因会是必需的。比如，传导结构可以是用于其它元件(或甚至感测电极自身)的支撑件。大体上，传导结构并未直接电连接到感测电极。当对感测电极施加电压时，生成电场，电场对传导结构内的电荷载体也产生影响。如果结构比如接地因而具有限定的电势，则流入感测电极中的一部分电流经由所述接地的结构流向大地，并因此以明确限定的方式影响电容感测。然而，如果传导结构具有未限定的或浮动的电位，则将不会有显著的电流通过传导结构流向大地，且因此流入感测电极中的感测电流减少。即使电位明确限定，感测电极与结构之间的电场及因此的电容也会受电位的值影响。换言之，如果传导结构的电位在传感器布置结构的服务时间期间发生变化，那么这也会使对物体的基于电容的检测失真(fasify)。应注意的是，结构的电位不一定是DC接地电位，它也可以是车辆电池或供电线路的12V电位。重要的是，所监测的结构对于测量信号表现为限定的(AC)GND。甚至供电线路对于电容测量***中常规使用的测量频率经由电池处于AC-GND。
测量装置在第一电位与第二电位之间连接以便供电，测量装置唯一地经由所述结构连接到第二电位。为向测量装置供电，测量装置一方面(直接地或间接地)连接到第一电位，且另一方面(直接地或间接地)连接到第二电位。理解的是，第一电位和第二电位须得是不同的。测量装置作为电负载连接在第一电位与第二电位之间。
为了操作测量装置，电流在第一电位与第二电位之间流过测量装置。换言之，测量装置的可操作性取决于测量装置到第一电位和到第二电位的连接。只有在测量装置至少间接地连接到第一电位和连接到第二电位时，测量装置才是(完全)可操作的。在一些实施例中，即使这些连接中的一个不存在，测量装置也可保持减弱的可操作性。比如，测量装置可具有一些附加的、与第一和/或第二电位无关的供电。
在发明的传感器布置结构中，测量装置唯一地经由传导结构连接到第二电位。“唯一地经由结构”表示的是，除通过结构外没有别的到第二电位的连接。换言之，在正常操作期间，结构电连接在第二电位与测量装置之间。还可领会，第二电位通过传导结构导引到测量装置。测量装置与第二电位之间没有独立于结构的(其它)连接。因此，只要结构被连接到第二电位并且结构到测量装置的连接完好无损，那么测量装置就是(完全)可操作的。如果测量装置并非(完全)可操作的，那么要么结构未连接到第二电位，要么结构已与测量装置断开连接。在第一种情况中，结构不再具有限定的电位，因此电容的任何测量都将失真。在第二种情况中，监测结构的电位将是不可能的，这也将使测量不可靠。在两种情况中，任何测量都将是不可靠的，测量装置变得(至少部分地)不可操作，使得大体上不再有测量被施行。换言之，结构的限定电位的任何丢失或不确定借由测量装置的不可操作变得显而易见。因此，发明的传感器布置结构不需要任何诊断模式或复杂的附加电路来核验结构的限定电位。
大体上，第二电位应是任何种的限定电位，并可以是例如汽车电池的12V电压。在这种情况中，结构将具有接地移位电压，即不同于接地电位但仍为限定电位的电位。然而，优选地，第二电位为接地电位。在车辆中，所述接地电位大体上为车身的电位。
大体上，测量装置通过第一连接线路连接到结构。第一接地线路可以是适于传导电流的任何种导体路径、线或缆线。测量装置也可以是一束线。大体上，第一连接线路是单纯的导体，但在测量装置与结构之间也可连接有一些电子元件比如电阻器、电感器和/或电容器。以下提及的所有其它的线路大体也是单纯的导体，但所述其它的线路也可以可选地包含一些电子元件。
尤其但非唯一地，如果第二电位为接地电位，则第一电位需为非零电位。根据一个实施例，第一电位是由电源供应的供给电压，测量装置经由供电线路连接到所述电源。所述电源可以是电压源或电流源。换言之，所述供给电压不一定是恒定电压。供电线路——如第一接地线路一样——可以是适于传导电流的任何种导体路径、线或缆线。供电线路也可以是一束线。
结构可直接连接到第二电位，比如结构可机械连接到一具有第二电位的部件。然而，在许多情况中，这样的连接是不可靠的。根据优选的实施例，结构通过第二连接线路连接到第二电位。第二连接线路可与第一连接线路相似地设计。
在该上下文中，优选的是，结构的至少一部分串联连接在第一连接线路与第二连接线路之间。换言之，第一连接线路和第二连接线路仅间接地经由结构连接。从而，这可确保测量装置在结构未连接到第二电位的情况下变得不可操作。
根据一个实施例，结构可以是一框架，比如车座的座架或方向盘的构架，感测电极至少间接地安装到所述框架。根据另一实施例，结构是接地电极，即应维持在接地电位的电极。该电极可设置在感测电极附近，并且该电极根据其接地状况影响由感测电极生成的电场。在该实施例中，第二电位为接地电位。在一些应用中，事实上会有利的是，具有靠近传感器的限定GND电极，以放大比如耦合信号。这些意图的GND结构是理应的，并且这些结构可以以像座架之类的依附性结构相同的方式来监测。
还可行的是，核验多个传导结构(比如，接地电极)具有特定的电位(比如，接地电位)。根据这样的实施例，多个传导结构串联连接在第二电位与第一连接线路之间。换言之，测量装置通过第一连接线路连接到第一结构，第一结构进而连接到第二结构。可选地，第三结构、第四结构等等可以以串联的方式连接，最后的结构连接到第二电位。根据该设置，只有在所有结构都连接到第二电位时，测量装置才会是(完全)可操作的。这可通过简单的布线来实现：在每对相接续的结构之间仅需一连接线路。尤其，所述结构可以是接地电极，并且第二电位可以是接地电位。
在许多应用中，需将测量装置的测量结果通信到一些其它的装置。比如，在乘用传感器的情况中，须得将测量结果通信到像安全带提醒器之类的其它***或像安全气囊激活器之类的一些主动安全***。因此，优选的是，测量装置连接到用于与另一装置通信的通信线路。通信线路可以是(比如，与供电线路一起的)总线***的一部分，并且通信线路可包括多根线。通信可以是单向或双向的、数字或模拟的。
优选的是，测量装置的可操作性可经通信线路被另一装置检测到。换言之，另一装置可根据经通信线路接收到通信或未接收到这样的通信来判定测量装置是否是(完全)可操作的。大体上，如果测量装置未连接到第二电位，则测量装置处于关机状态或未通信状态。从而，其它装置无法经通信线路从测量装置接收到任何信号。
大体上，除检测感测电极的电容外，测量装置还处理测量结果，以便识别检测空间中是否存在物体。尤其，测量装置可配置成输出指示物体的存在情况的信号。这样的信号可经由通信线路输出到其它装置。这样的信号可以是像“物体存在/不存在”之类的简单的“二态”信号，或者这样的信号可包括关于物体类别的一些信息，比如(对于)乘用传感器的情况坐在相应座位上的是成人还是儿童。
如上所述，发明的传感器布置结构可用于乘用传感器。在这种情况中，传导结构大体为车辆内部、尤其是车座的一部分。例如，传导结构可以是由金属制成的座板或座架。另外，测量装置可配置用于检测车座上乘员的存在情况。在其它应用中，传感器布置结构可用于双手离开检测，即检测驾驶员是否至少有一只手与方向盘处于接触。在该情况中，传导结构是车辆方向盘的一部分，比如方向盘架或方向盘芯。
附图的简要说明
参考附图，本发明的另外的细节及优点将从以下非限制性实施例的详细描述中显见，其中：
图1是示意图，示出了发明的电容传感器布置结构的第一实施例；以及
图2是示意图，示出了发明的电容传感器布置结构的第二实施例。
优选实施例的描述
图1以示例的方式图示出根据本发明的电容传感器布置结构1的第一实施例。传感器布置结构1包括感测电极2，所述传感器布置结构可布置在车座中作为乘用传感器。感测电极2关联有相对于大地的电容CX。电容CX是未知的且随进入感测电极2的检测空间12的物体20的存在情况而变化。物体20可以是人的身体。电容CX与物体20关联的部分可描述为CO。然而，感测电极2的总电容还包括因感测电极2附近传导结构3的存在所引起的贡献CS。传导结构3可以是像车辆中的座架或方向盘的金属芯之类的金属结构。传导结构也可以是接地电极，即需保持在接地电位的电极。该电容CS及因此的总电容CX很大程度上取决于结构3是否接地。
感测电极2连接到测量装置4，测量装置配置用于检测感测电极2的总电容CX。出于该目的，测量装置4可对感测电极2施加正弦电压并检测流动电流。众所周知，电容与电流、电压以及交变电压的频率直接相关。为了操作，测量装置4需外部供电。供电线路5连接到测量装置并连接到控制装置30，供电线路供应比如来自车辆电池、发电机等的第一电位，即供给电压VS。测量装置4还通过通信线路6连接到控制装置30，所述通信线路可以是一个与供电线路5相同的总线连接的一部分。测量装置4可配置用于：判定物体20是否存在，并经由通信线路6输出指示物体20的存在情况的信号。另外，控制装置30会能借助通信线路的状态来检测测量装置4是否是可操作的。例如，如果持续预定的时间量没有接收到来自测量装置4的通信，那么控制装置30可将之解译为是测量装置4的不可操作状态或关机状态。
测量装置4串联连接在供电线路5与第一连接线路7之间。尽管供电线路5为测量装置4供应供给电压VS，然而仅当测量装置经由第一连接线路7连接到第二电位(即，接地电位GND)时，测量装置才变得可操作。第一连接线路7在第一连接点8处连接到结构3。因此，测量装置4的可操作性取决于结构3是否连接到接地电位GND。
第二连接线路10在第二连接点9处连接到结构3。该第二连接线路10直接连接到接地电位GND。因此，只要第一连接线路7和第二连接线路10完好无损，那么测量装置4就是可操作的，并且由于结构3连接到接地电位GND，因此测量结果也是可靠的。应注意的是，结构3可还通过辅助连接11连接到接地电位GND，辅助连接可因接地的机械连接而产生。比如，如果结构3是车座架，则该座架直接或间接地安装至车身，这也可暗含电连接。然而，与第二连接线路10相比，这样的电连接会是不可靠的。
如果第一连接线路7断开或者第二连接线路10和辅助连接11两者都断开，则测量装置4变得不可操作。在这种情况中，测量装置无法与控制装置30通信，控制装置检测到测量装置4的不可操作并可输出对应的警告信号。
在所示的实施例中，连接点8、9两者以间隔开的方式定位在结构3上，以使得结构3的至少一部分串联连接在第一连接线路7与第二连接线路10之间。因此，测量装置4唯一地经由结构3连接到接地电位GND，即：除了通过结构3外，测量装置4到接地电位GND没有别的连接。
图2图示了根据本发明的电容传感器布置结构1的第二实施例。该实施例很大程度上与图1中所示的实施例相同，且这些相同的部分将不再阐述。然而，在该实施例中，存在两个传导结构3、13，所述两个传导结构可代表传感器布置结构的接地电极，即假定保持在接地电位GND的电极。如图中指示的，感测电极2与结构(接地电极)3、13中的每个之间的电场引起对总电容CX的贡献CS1、CS2。这些电容CS1、CS2——且因此总电容CX——随结构3、13是否连接到接地电位GND而定。
第一结构3通过第一连接线路7连接到测量装置4。第二结构13通过第二连接线路10连接到第一结构3并通过第三连接线路14连接到接地电位GND。总而言之，测量装置4连接在供给电压VS与接地电位GND之间以便供电。如果第一连接线路7、第二连接线路10或第三连接线路14中的任何断开，则测量装置4变得不可操作。同时，第二连接线路10或第三连接线路14的断开意味着结构3、13中的至少一者不再连接到接地电位GND。在这种情况中，至少一个结构3、13的电位将会是浮动的，这将使总电容CX的任何测量都变得不可靠。由于结构3、13串联连接在接地电位GND与第一连接线路7之间，因此两个结构3、13的接地情况可通过监测测量装置4的操作状态而容易地被监测。理解的是，图2中所示的实施例可扩展到多于两个结构3、13，所述结构中的所有结构都以串联方式连接。
附图标记列表
1 电容传感器布置结构
2 感测电极
3、13 传导结构
4 测量装置
5 供电线路
6 通信线路
7、10、14 连接线路
8、9 连接点
11 辅助连接
12 检测空间
20 物体
30 控制装置
CX、CO、CS、CS1、CS2 电容

Claims (16)

1.一种用于检测物体(20)的电容传感器布置结构(1)，包括
感测电极(2)，所述感测电极具有随物体(20)在检测空间(12)中的存在情况而定的电容(CX)；
测量装置(4)，所述测量装置连接到感测电极(2)并配置用于检测感测电极(2)的电容(CX)；
传导结构(3、13)，其中，所述感测电极(2)的电容(CX)随传导结构(3、13)的电位情况而定；
其中，测量装置(4)在第一电位与第二电位之间连接以便供电，测量装置(4)唯一地经由传导结构(3、13)连接到第二电位。
2.根据权利要求1所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述第二电位为接地电位(GND)。
3.根据权利要求1或2所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述测量装置(4)通过第一连接线路(7)连接到所述传导结构(3、13)。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述第一电位是由电源供应的供给电压(VS)，所述测量装置(4)经由供电线路(5)连接到所述电源。
5.根据权利要求3所述的电容传感器布置结构，其特征在于，只有在第一连接线路(7)至少间接地连接到第二电位时，所述测量装置(4)才是可操作的。
6.根据权利要求3所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述传导结构(3、13)通过第二连接线路(10)连接到第二电位。
7.根据权利要求6所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述传导结构(3、13)的至少一部分串联连接在第一连接线路(7)与第二连接线路(10)之间。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述传导结构(3、13)是接地电极。
9.根据权利要求3所述的电容传感器布置结构，其特征在于，多个传导结构(3、13)串联连接在第二电位与第一连接线路(7)之间。
10.根据权利要求1-2中任一项所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述测量装置(4)连接到用于与控制装置(30)通信的通信线路(6)。
11.根据权利要求10所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述测量装置(4)的可操作性能够经所述通信线路(6)由控制装置(30)检测。
12.根据权利要求1-2中任一项所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述测量装置(4)配置用于输出指示物体(20)的存在情况的信号。
13.根据权利要求1-2中任一项所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述传导结构(3、13)是车辆内部的一部分。
14.根据权利要求13所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述传导结构(3、13)是车座或方向盘的一部分。
15.根据权利要求14所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述测量装置(4)配置用于检测车座上乘员的存在情况。
16.根据权利要求14所述的电容传感器布置结构，其特征在于，所述测量装置(4)配置用于检测驾驶员是否至少有一只手与方向盘接触。
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