WO2009015404A2 - Method and apparatus for determining capacitance values of capacitive sensors - Google Patents

Method and apparatus for determining capacitance values of capacitive sensors Download PDF

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WO2009015404A2 PCT/AT2008/000274 AT2008000274W WO2009015404A2 WO 2009015404 A2 WO2009015404 A2 WO 2009015404A2 AT 2008000274 W AT2008000274 W AT 2008000274W WO 2009015404 A2 WO2009015404 A2 WO 2009015404A2
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Definitions

  • the invention relates to a method and to a device for the calibrated determination of capacitance values in capacitive sensors with a plurality of partial capacitances
  • Capacitive measuring technology is used in many areas.
  • the capacitances between electrodes are influenced by one or more quantities to be detected.
  • the capacitances between electrodes are influenced by one or more quantities to be detected.
  • A stands for the area of the electrodes, D for the distance between the electrodes, ⁇ o for the dielectric constant of the empty space and ⁇ r for the relative dielectric constant of the respective medium between the electrodes.
  • the influencing of the measuring capacity by the measured variables M can be effected in various ways, for example by changing the geometry of the measuring capacitors or by changing the material properties between the electrodes.
  • Deviations from the ideal behavior of capacitive sensors can have different causes.
  • the readings may depend on environmental conditions (such as temperature) and the measurement systems used often have significant offset and gain errors. Therefore absolutely measurable systems are avoided in the capacitive measuring technique as far as possible. Instead, reference capacities are used that react in the same way to changed conditions as the measuring capacity. By ratio and difference formations, these similar effects can then be compensated.
  • FIG. 10 shows an exemplary flow diagram of the measurement phase for the autocalibration of capacitive sensors according to the invention.
  • Fig. 11 is an exemplary block diagram of an apparatus according to the invention for carrying out the method according to the invention and
  • FIG. 12 shows an example of a path measuring electrode arrangement in which the sum of the capacitance values remains constant and exhibits other known relative coupling capacitances.
  • FIG. 1 The simplest configuration of a capacitive sensor is shown in FIG. 1: Between two electrodes 1, a capacitance C influenced by the measured quantities M is formed.
  • FIG. 2 One possibility for influencing the capacitance in the sense of a change in position is illustrated in FIG. 2:
  • the electric field can be shielded by a shield 2 held between the electrodes at a constant potential, and thus the capacitance can be reduced. Due to the many possibilities of influencing many variables can be determined, such as angle, linear position, fill levels, distance, pressure, force, concentration, approach, seat occupancy etc.
  • FIG. 3 shows how a capacitor according to FIG. 1 is divided into a plurality of partial capacitances C 1 with divided electrodes 4.
  • a screen 3 maintained at a constant potential serves to match the behavior of the sub-electrodes at the edge to the behavior of the sub-electrodes in the interior and, if appropriate, to prevent interference signals or to reduce electromagnetic emissions.
  • Deviations of the partial capacities G from the nominal values are shown in the following figures. For example, 1 leads must be led to the electrodes, which also have capacitances with respect to the respective counter electrode. This is illustrated in FIG. 7 for a common electrode 6: A measuring circuit 10 must be connected to the divided electrodes 4 via leads 9. This results in different coupling capacitances 11 with respect to the common electrode 6. For geometric reasons, these lines can not have exactly the same capacity for all partial capacities or at least the effort to ensure this property would be very high. Another possible cause for deviating partial capacities occurs due to manufacturing tolerances. Examples of this are in FIG. 6 shown.
  • the widths 11 and 12 of the two illustrated electrodes should be the same, however, due to inaccuracies in the manufacturing process, a deviation arises and the corresponding capacities differ. Another cause for deviations from nominal values is shown in FIG.
  • the tilting of the common electrode 6 with respect to the divided electrodes 4 results in a coupling capacitance increasing from the left, electrode 7, to the right, electrode 8, due to the decreasing distance.
  • a number of manufacturing tolerances result in deviations from nominal values.
  • the deviations from the nominal values are carried out either by calibration of the sensors or by scaling with stored minimum and maximum values of the measured values. Both methods have the problem that they often give insufficient results when the environmental conditions change. This can be prevented by using the methods under different environmental conditions (e.g., temperature), but the cost is very high. It is an object of the present invention to provide a method that can provide satisfactory results with little effort and once performing autocalibration.
  • Each sub-capacitance C 1 has an individual offset capacitance C 01 and an equally individual variable capacitance C 1 , which may differ from the nominal values, due to the causes mentioned above.
  • sensors since the known algorithms emanate from the nominal values, sensors must be calibrated with a high accuracy requirement. To make matters worse, as already mentioned, capacitance values often depend on environmental conditions such as temperature, which requires calibration to be performed for the particular environmental conditions.
  • the offset capacitance C O ⁇ is the smallest value that C 1 assumes:
  • variable proportion of C 1 is determined by
  • the capacitance values determine the actual measured values (digital equivalent of an electrical voltage or a current), in which case a proportionality factor k and optionally an offset error O (due to the measuring circuit) are included:
  • a corresponding measuring arrangement is shown symbolically in FIG. 8.
  • a measuring circuit 12 supplies a digital value Y 1 , which is proportional to the relative capacitance value C 1 .
  • the capacities C 01 and C A ⁇ can not be measured directly.
  • the present invention provides a method by means of which the respective offset capacities and variable capacities for the individual partial capacities can be determined. As a result, the deviations from the nominal values can be corrected.
  • the process is simplified if the measured values have no (or a negligible) offset error O.
  • known methods for offset reduction eg chopping, Correlated Double Sampling, autozeroing, modulation method
  • the present invention solves the problems cited using the following exemplary method steps, the method comprising two phases: In the first phase (calibration phase), whose sequence is shown by way of example in FIG. 9, specific values for the offset capacitance C O ⁇ and the variable capacitance C A ⁇ the respective
  • Partial capacity determined and finally stored in a non-volatile memory Partial capacity determined and finally stored in a non-volatile memory.
  • the second phase (measuring phase), the sequence of which is shown by way of example in FIG. 10, the values stored as well as the values to be determined are also used
  • Proportionality factor k corrects the measured data and determines the measured variable (the measured variables) from the corrected data.
  • the measuring phase represents the normal operation of the sensor.
  • the index k (YKJ, c ⁇ i) in the calibration phase and the index M or m (in the measuring phase) are measured below for measured values Y 1 and relative capacitance values C 1.
  • the calibration phase After arbitrary determination of the proportionality factor in the calibration phase fe or an optional step 13 for determining the proportionality factor kv. and an optional step 14 for determining the offset error O in a step 15 by changing the measured variable, while largely maintaining the environmental conditions, minimum and maximum values of the respective partial capacities achieved.
  • the measured values YK 1 are determined and determined therefrom in a step 17 capacity values.
  • it is not necessary to know exactly the applied measured variable only the entire measuring range or at least a defined part of the total measuring range has to be determined for each partial capacity
  • C 1 Quantities from which they can be determined from the minimum and maximum values or other measured values, which were determined at known relative capacitance values C 1 , determined. For example, for a maximum Y 1 max , C 1 takes the value 1, and for a minimum Y 1 mm, the value 0. In this case, C 0 , and C may be Al by transforming the cited
  • Equations are determined as C ol . Everybody else
  • a pair of known values of C 1 can be used to determine C 01 and C Al .
  • Steps 15 to 18 are repeated in a loop 20 at least until the specific offset capacities and variable capacities have been determined for each sub-capacity.
  • the values for the offset capacities and variable capacities are stored in a nonvolatile memory, possibly after preceding filtering.
  • the previously mentioned steps can be done once per sensor or only once for a larger number of sensors; during the manufacture of the sensor. In the latter case, random differences between individual sensors are disregarded. If necessary, the data in the table can be updated during operation.
  • the proportionality factor k is determined in a step 21.
  • electrode arrangements must be chosen such that the determination of the proportionality factor k is made possible. For example, it can be ensured that the sum across all partial capacities must remain constant. In an alternative variant, it is ensured that at least one relative capacitance value is always known.
  • the measured values are determined in a step 23 and the relative capacitance values are determined therefrom in a step 24 using the data stored under step 19 and the proportionality factor k and the offset error O using the equations described above from which, in step 25, the measured variable which is output by the sensor in step 26 is determined.
  • the steps 21 to 26 are constantly repeated in a loop 27 during the measurement phase.
  • the autocalibration method can be used with various methods of measuring electrical capacitances, such as charge amplifiers, oscillators, and carrier frequency techniques.
  • 11 shows by way of example a block diagram of a measuring device for a sensor with partial capacitances using a carrier frequency method, wherein in a simplified example two partial capacitances Ci and C2 or the associated relative capacitance values ci and C2 are to be determined.
  • electrodes T1 and T2 are supplied, for example, in the time-division multiplex method, signals S1 and S2 from a signal generator SG via a multiplexer MUX controlled by a control and evaluation circuit STG.
  • the shift current to the electrode El occurring as a result can be detected as a voltage drop across a low-impedance Zl to ground potential.
  • This signal SE is amplified by an amplifier AMP, With the aid of a demodulator DEM, for example, the rectification values of the displacement currents are determined and converted into digital measured values Yi by means of an analog-digital converter ADU.
  • These are supplied to the control and evaluation circuit STG, which determines calibration data from these measured values by means of a calibration unit KE during the calibration phase according to the described method and stores them in a non-volatile memory NVM.
  • the signal generator SG further supplies an auxiliary signal H for the demodulator DEM for a synchronous demodulation (possibly by means of in-phase and quadrature signal).
  • the relative capacitance values c1 and c2 are determined with the aid of the calibration data KAL from the non-volatile memory NVM and the digital measured values Yi and Yi in an arithmetic circuit RS and forwarded to an evaluation unit OUT, at whose output the result ERG can be read or read Processible form is present.
  • the proportionality factor k represents the conversion factor of a capacitance C1 (C2) to a measured value Y1 (Y2).
  • the proportionality factor k is in turn influenced by the gains of the amplifier AMP and the demodulator DEM and the characteristics of the A / D converter ADU and the impedance Zl and has the same value for each sub-capacitance due to the common amplifier chain.
  • FIG. 12 An electrode arrangement which is well suited for determining the proportionality factor k is shown in FIG. 12.
  • the linear position of a screen 2 held at ground potential is to be determined.
  • the movable screen is formed in such a way that always at least one partial electrode 4 is completely covered or remains completely free, the corresponding partial capacitances can be easily recognized as minima or maxima in the measured values Y 1 and a respective relative coupling capacitance of 0 or 1 can be assigned and the remaining coupling capacities are determined by the method described.
  • the range of movement of the screen 4 is further limited so that it has a minimum distance to the ground screen 3, it can also be assumed that the sum of the partial capacitances remains constant, regardless of the position of the screen. Then, the current proportionality factor can simply match
  • Proportionality factor / CK can be chosen arbitrarily in the calibration phase and in the measurement phase only a correction of this value takes place. With any choice of proportionality factor / CK, offset capacitances and variable capacitances are not determined as absolute values, but are valid only relative to each other. Furthermore, it is also possible to arrange a sub-capacity Cj such that they are determined by the
  • a fill level sensor may be mentioned in which an empty container measurement and a filled container measurement are performed.
  • the unoccupied state as well as the state with occupancy by means of a defined object can be used to carry out the calibration phase.

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Abstract

An apparatus and a method for the calibrated determination of partial capacitances of capacitive sensors with a plurality of partial capacitances (Ci), having a signal source (SG) whose output signal can be selectively supplied to the individual electrodes (T1, T2) of a sensor, having an amplifier arrangement (AMP, DEM) for measurement signals (SE) which are tapped off at at least one electrode (E1), and having a non-volatile memory (NVM), wherein the control and evaluation circuit (STG) and the computation circuit (RS) are set up to record measured values (Yκi) in a calibration phase, wherein the relative capacitance values (cκi) for each pair of electrodes are known for at least two measurements, to store these measured values (Yκi) or values derived therefrom in the non-volatile memory (NVM), and, in a subsequent measuring phase, to record measured values (YMi) in a first step, to use them, in a further step, to determine a proportionality factor (k) using at least one relative capacitance value (cmj), and, in a further step, to use the measured values (YMi), the proportionality factor (k) and the values (Yki) from the non-volatile memory or variables derived from said values to determine the relative capacitance values (cmi).

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ERMITTLUNG VON KAPAZITÄTSWERTEN KAPAZITIVER METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING CAPACITIVE VALUE CAPACITIVE
SENSORENSENSORS
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur kalibrierten Ermittlung von Kapazitätswerten bei kapazitiven Sensoren mit mehreren TeilkapazitätenThe invention relates to a method and to a device for the calibrated determination of capacitance values in capacitive sensors with a plurality of partial capacitances
Kapazitive Messtechnik wird in vielen Bereichen eingesetzt. Dabei werden von einer oder mehreren zu erfassenden Größen die Kapazitäten zwischen Elektroden (den Messkapazitäten) beeinflusst. Für Plattenkondensatoren gilt näherungsweise folgende Beziehung:Capacitive measuring technology is used in many areas. In this case, the capacitances between electrodes (the measuring capacitances) are influenced by one or more quantities to be detected. For plate capacitors approximately the following relationship applies:
0 r D 0 r D
A steht für die Fläche der Elektroden, D für den Abstand zwischen den Elektroden, εo für die Dielektrizitätskonstante des leeren Raums und εr für die relative Dielektrizitätszahl des jeweiligen Mediums zwischen den Elektroden. Die Beeinflussung der Messkapazität durch die Messgrößen M kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise durch Änderung der Geometrie der Messkapazitäten oder durch Änderung der Materialeigenschaften zwischen den Elektroden.A stands for the area of the electrodes, D for the distance between the electrodes, εo for the dielectric constant of the empty space and ε r for the relative dielectric constant of the respective medium between the electrodes. The influencing of the measuring capacity by the measured variables M can be effected in various ways, for example by changing the geometry of the measuring capacitors or by changing the material properties between the electrodes.
Abweichungen vom idealen Verhalten kapazitiver Sensoren können verschiedene Ursachen haben. Die Messwerte können von Umgebungsbedingungen abhängen (wie zum Beispiel der Temperatur) und auch die verwendeten Messsysteme besitzen oft beträchtliche Offset- und Verstärkungsfehler. Daher werden in der kapazitiven Messtechnik absolut messende Systeme nach Möglichkeit vermieden. Stattdessen werden Referenzkapazitäten verwendet, die in gleicher Art auf geänderte Rahmenbedingungen reagieren wie die Messkapazität. Durch Verhältnis- und Differenzbildungen können dann diese gleichartigen Effekte kompensiert werden.Deviations from the ideal behavior of capacitive sensors can have different causes. The readings may depend on environmental conditions (such as temperature) and the measurement systems used often have significant offset and gain errors. Therefore absolutely measurable systems are avoided in the capacitive measuring technique as far as possible. Instead, reference capacities are used that react in the same way to changed conditions as the measuring capacity. By ratio and difference formations, these similar effects can then be compensated.
Diese Verfahren beruhen im Allgemeinen darauf, dass sich die ursprüngliche Kapazität entsprechend gewünschter Teilungsverhältnisse auf die einzelnen Teilkapazitäten aufteilen. Das ist jedoch in vielen Fällen nicht exakt gewährleistet und die Teilkapazitäten weichen von ihren Nominalwerten ab. Dafür gibt es zwei Hauptgründe: Zum einen müssen zu Elektroden Anschlussleitungen geführt werden, die ebenfalls Kapazitäten gegenüber der jeweiligen Gegenelektrode aufweisen. Zum anderen können die Teilungen aufgrund von Herstellungstoleranzen nicht exakt hergestellt werden. Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, auf möglichst einfache Weise und mit geringem Aufwand die genannten Fehlermöglichkeiten zu berücksichtigen, um zuverlässige Kapazitätswerte zu ermitteln.These methods are generally based on the fact that the original capacity divided according to the desired division ratios on the individual sub-capacities. However, this is not exactly guaranteed in many cases and the partial capacities differ from their nominal values. There are two main reasons for this: On the one hand, connecting leads must be led to the electrodes, which also have capacities opposite the respective counterelectrode. On the other hand, the divisions can not be produced exactly due to manufacturing tolerances. An object of the invention is to take into account the above-mentioned possibilities of error in the simplest possible way and with little effort in order to determine reliable capacitance values.
Die gestellte Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 ebenso gelöst, wie mit einer Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 7, wobei vorteilhafte Varianten in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet sind.The object is achieved by a method according to the independent claim 1 as well as with a device according to the independent claim 7, wherein advantageous variants are characterized in the dependent claims.
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen ist im Folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser:The invention together with further advantages is explained in more detail below by way of example embodiments, which are illustrated in the drawing. In this:
Fig. 1 einen einfachen Plattenkondensator,1 a simple plate capacitor,
Fig. 2 einen Sensor zur Positionsbestimmung,2 a sensor for position determination,
Fig. 3 einen Sensor mit Teilkapazitäten,3 shows a sensor with partial capacities,
Fig. 4 einen Sensor mit Teilkapazitäten, wobei alle Teilkapazitäten eine gemeinsame Elektrode aufweisen,4 shows a sensor with partial capacitances, wherein all partial capacitances have a common electrode,
Fig. 5 einen Sensor mit Abweichungen der nominellen Teilkapazitätswerte infolge einer Verkippung der Elektroden zueinander,5 shows a sensor with deviations of the nominal partial capacitance values as a result of tilting of the electrodes relative to one another,
Fig. 6 einen Sensor mit Abweichungen der nominellen Teilkapazitätswerte infolge unterschiedlicher Elektrodengrößen,6 shows a sensor with deviations of the nominal partial capacitance values due to different electrode sizes,
Fig. 7 einen Sensor mit Abweichungen der nominellen Teilkapazitätswerte infolge unterschiedlicher Zuleitungseinflüsse,7 shows a sensor with deviations of the nominal partial capacitance values as a result of different supply influences,
Fig. 8 eine erfindungsgemäße Messvorrichtung für die Teilkapazitätswerte in prinzipieller Darstellung,8 shows a measuring device according to the invention for the partial capacitance values in a basic representation,
Fig. 9 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm der Kalibrierphase zur Autokalibrierung kapazitiver Sensoren gemäß der Erfindung,9 shows an exemplary flow diagram of the calibration phase for the autocalibration of capacitive sensors according to the invention,
Fig. 10 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm der Messphase zur Autokalibrierung kapazitiver Sensoren gemäß der Erfindung. Fig. 11 ein beispielhaftes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung und10 shows an exemplary flow diagram of the measurement phase for the autocalibration of capacitive sensors according to the invention. Fig. 11 is an exemplary block diagram of an apparatus according to the invention for carrying out the method according to the invention and
Fig. 12 eine beispielhafte Elektrodenanordnung zur Wegmessung, bei der die Summe der Kapazitätswerte konstant bleibt und weitere bekannte relative Kopplungskapazitäten aufweist.12 shows an example of a path measuring electrode arrangement in which the sum of the capacitance values remains constant and exhibits other known relative coupling capacitances.
Die einfachste Konfiguration eines kapazitiven Sensors ist in Fig. 1 dargestellt: Zwischen zwei Elektroden 1 bildet sich eine durch die Messgrößen M beeinflusste Kapazität C aus.The simplest configuration of a capacitive sensor is shown in FIG. 1: Between two electrodes 1, a capacitance C influenced by the measured quantities M is formed.
Eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Kapazität im Sinne einer Positionsänderung ist in Fig. 2 dargestellt: Durch einen auf konstantem Potential gehaltenen Schirm 2 zwischen den Elektroden kann das elektrische Feld geschirmt und somit die Kapazität verkleinert werden. Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten der Beeinflussung können viele Größen ermittelt werden, wie zum Beispiel Winkel, lineare Position, Füllstände, Abstand, Druck, Kraft, Konzentration, Annäherung, Sitzbelegung usw.One possibility for influencing the capacitance in the sense of a change in position is illustrated in FIG. 2: The electric field can be shielded by a shield 2 held between the electrodes at a constant potential, and thus the capacitance can be reduced. Due to the many possibilities of influencing many variables can be determined, such as angle, linear position, fill levels, distance, pressure, force, concentration, approach, seat occupancy etc.
Oft ist es vorteilhaft, die Messkapazitäten in mehrere kleinere Teilkapazitäten aufzuteilen und auf dedizierte Referenzelektroden zu verzichten. Fig. 3 zeigt, wie ein Kondensator entsprechend Fig. 1 in mehrere Teilkapazitäten C1 mit geteilten Elektroden 4 aufgeteilt wird. Ein auf konstantem Potential gehaltener Schirm 3 dient dazu, das Verhalten der Teilelektroden am Rand an das Verhalten der Teilelektroden im Inneren anzugleichen und gegebenenfalls Störsignale abzuhalten oder elektromagnetische Emissionen zu reduzieren.Often it is advantageous to divide the measuring capacitances into several smaller partial capacitances and to dispense with dedicated reference electrodes. FIG. 3 shows how a capacitor according to FIG. 1 is divided into a plurality of partial capacitances C 1 with divided electrodes 4. A screen 3 maintained at a constant potential serves to match the behavior of the sub-electrodes at the edge to the behavior of the sub-electrodes in the interior and, if appropriate, to prevent interference signals or to reduce electromagnetic emissions.
Es ist auch möglich, eine einzelne, gemeinsame Elektrode 6 für mehrere Kondensatoren zu verwenden, wie in Fig. 4 dargestellt. Verschiedene, zumeist anwendungsspezifische Verfahren wurden entwickelt, um mit Hilfe der unterteilten Kapazitäten bessere Ergebnisse zu erzielen als dies mit einfachen Kapazitäten entsprechend Fig. 1 möglich ist.It is also possible to use a single, common electrode 6 for a plurality of capacitors, as shown in Fig. 4. Various, mostly application-specific, methods have been developed in order to achieve better results with the aid of the subdivided capacities than is possible with simple capacitances corresponding to FIG. 1.
Abweichungen der Teilkapazitäten G von den Nominalwerten sind in den folgenden Figuren dargestellt. Beispielsweise müssen zu den Elektroden 1 Anschlussleitungen geführt werden, die ebenfalls Kapazitäten gegenüber der jeweiligen Gegenelektrode aufweisen. Für eine gemeinsame Elektrode 6 ist das in Fig. 7 dargestellt: Eine Messschaltung 10 muss mit den geteilten Elektroden 4 über Zuleitungen 9 verbunden werden. Daraus ergeben sich unterschiedlich Kopplungskapazitäten 11 gegenüber der gemeinsamen Elektrode 6. Aus geometrischen Gründen können diese Leitungen nicht für alle Teilkapazitäten genau eine der Teilung entsprechende Kapazität aufweisen oder wenigstens wäre der Aufwand, diese Eigenschaft sicherzustellen, sehr hoch. Eine andere mögliche Ursache für abweichende Teilkapazitäten treten aufgrund von Herstellungstoleranzen auf. Beispiele dazu sind in Fig. 6 dargestellt. Die Breiten 11 und 12 der beiden dargestellten Elektroden sollten gleich sein, durch Ungenauigkeiten im Herstellungsprozess entsteht jedoch eine Abweichung und die entsprechenden Kapazitäten unterscheiden sich. Eine weitere Ursache für Abweichungen von Nominalwerten ist in Fig. 5 dargestellt. Durch die Verkippung der gemeinsamen Elektrode 6 gegenüber den geteilten Elektroden 4 ergibt sich eine von links, Elektrode 7, nach rechts, Elektrode 8, zunehmende Kopplungskapazität aufgrund des abnehmenden Abstandes. Auf ähnliche Art und Weise führt eine Reihe von herstellungsbedingten Toleranzen zu Abweichung von Nominalwerten.Deviations of the partial capacities G from the nominal values are shown in the following figures. For example, 1 leads must be led to the electrodes, which also have capacitances with respect to the respective counter electrode. This is illustrated in FIG. 7 for a common electrode 6: A measuring circuit 10 must be connected to the divided electrodes 4 via leads 9. This results in different coupling capacitances 11 with respect to the common electrode 6. For geometric reasons, these lines can not have exactly the same capacity for all partial capacities or at least the effort to ensure this property would be very high. Another possible cause for deviating partial capacities occurs due to manufacturing tolerances. Examples of this are in FIG. 6 shown. The widths 11 and 12 of the two illustrated electrodes should be the same, however, due to inaccuracies in the manufacturing process, a deviation arises and the corresponding capacities differ. Another cause for deviations from nominal values is shown in FIG. The tilting of the common electrode 6 with respect to the divided electrodes 4 results in a coupling capacitance increasing from the left, electrode 7, to the right, electrode 8, due to the decreasing distance. Similarly, a number of manufacturing tolerances result in deviations from nominal values.
Gemäß dem Stand der Technik werden die Abweichungen gegenüber den Nominalwerten entweder durch Kalibrierung der Sensoren oder durch Skalierung mit abgespeicherten Minimal- und Maximalwerten der Messwerte durchgeführt. Beide Verfahren haben das Problem, dass sie bei Änderung der Umgebungsbedingungen oft unzureichende Ergebnisse liefern. Das kann durch Anwendung der Verfahren bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur) verhindert werden, jedoch ist der Aufwand dafür sehr hoch. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass mit geringem Aufwand und einmaliger Durchführung der Autokalibrierung zufrieden stellende Ergebnisse liefern kann.According to the prior art, the deviations from the nominal values are carried out either by calibration of the sensors or by scaling with stored minimum and maximum values of the measured values. Both methods have the problem that they often give insufficient results when the environmental conditions change. This can be prevented by using the methods under different environmental conditions (e.g., temperature), but the cost is very high. It is an object of the present invention to provide a method that can provide satisfactory results with little effort and once performing autocalibration.
Jede Teilkapazität C1 besitzt aufgrund der oben angeführten Ursachen eine individuelle Offsetkapazität C01 und eine ebenso individuelle variable Kapazität CΛι , die jeweils von den nominellen Werten abweichen können. Da die bekannten Algorithmen jedoch von den nominellen Werten ausgehen, müssen Sensoren mit hoher Genauigkeitsanforderung kalibriert werden. Erschwerend kommt hinzu, dass - wie bereits erwähnt - Kapazitätswerte oft von Umweltbedingungen wie zum Beispiel der Temperatur abhängen, wodurch eine Kalibrierung für die jeweiligen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden muss.Each sub-capacitance C 1 has an individual offset capacitance C 01 and an equally individual variable capacitance C 1 , which may differ from the nominal values, due to the causes mentioned above. However, since the known algorithms emanate from the nominal values, sensors must be calibrated with a high accuracy requirement. To make matters worse, as already mentioned, capacitance values often depend on environmental conditions such as temperature, which requires calibration to be performed for the particular environmental conditions.
Es ergibt sich folgendes Modell für die i Teilkapazitäten C1 :The following model results for the i subcapacities C 1 :
C1 = C1Cj1 + C0,C 1 = C 1 C j 1 + C 0 ,
Die Offsetkapazität COι ist der kleinste Wert, den C1 annimmt:The offset capacitance C Oι is the smallest value that C 1 assumes:
COι = min C,C oi = min C,
Der variable Anteil von C1 ist bestimmt durchThe variable proportion of C 1 is determined by
CA = max(C, - CO/) Ratiometrisch arbeitende Algorithmen benötigen nur Kenntnis der relativen Kapazitätswerte C1.C A = max (C, -Co / ) Ratiometric algorithms need only knowledge of the relative capacitance values C 1 .
Die Kapazitätswerte bestimmen die eigentlichen Messwerte (digitale Entsprechung einer elektrischen Spannung oder eines Stroms), wobei hier noch ein Proportionalitätsfaktor k und gegebenenfalls ein Offsetfehler O (bedingt durch die Messschaltung) einfließen:The capacitance values determine the actual measured values (digital equivalent of an electrical voltage or a current), in which case a proportionality factor k and optionally an offset error O (due to the measuring circuit) are included:
Y, = k{ClCAι + COι) + OY, = k { Cl C Aι + C Oι ) + O
Eine entsprechende Messanordnung ist in Fig. 8 symbolisch dargestellt. Eine Messschaltung 12 liefert einen digitalen Wert Y1 , der dem relativen Kapazitätswert C1 proportional ist.A corresponding measuring arrangement is shown symbolically in FIG. 8. A measuring circuit 12 supplies a digital value Y 1 , which is proportional to the relative capacitance value C 1 .
Bei Kenntnis von Offsetkapazität und variablem Anteil ergibt sich eine einfache Möglichkeit zur korrekten Bestimmung VOnC1 :With knowledge of offset capacity and variable component, there is an easy way to correctly determine VOnC 1 :
Figure imgf000006_0001
Figure imgf000006_0001
Allerdings können die Kapazitäten C01 und CAι nicht direkt gemessen werden. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren vor, mit dessen Hilfe die jeweiligen Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten für die einzelnen Teilkapazitäten ermittelt werden können. Dadurch können die Abweichungen von den Nominalwerten korrigiert werden.However, the capacities C 01 and C Aι can not be measured directly. The present invention provides a method by means of which the respective offset capacities and variable capacities for the individual partial capacities can be determined. As a result, the deviations from the nominal values can be corrected.
Der Vorgang vereinfacht sich, wenn die Messwerte keinen (oder einen vernachlässigbaren) Offsetfehler O aufweisen. Dazu bzw. zur Bestimmung des Offsetfehlers O können bekannte Verfahren zur Offsetverminderung (z.B. Chopping, Correlated Double Sampling, Autozeroing, Modulationsverfahren) verwendet werden. Man erhält vereinfacht
Figure imgf000006_0002
The process is simplified if the measured values have no (or a negligible) offset error O. For this purpose or for determining the offset error O, known methods for offset reduction (eg chopping, Correlated Double Sampling, autozeroing, modulation method) can be used. You get simplified
Figure imgf000006_0002
Die vorliegende Erfindung löst die angeführten Problemstellungen unter Verwendung folgender beispielhafter Verfahrensschritte, wobei das Verfahren zwei Phasen umfasst: In der ersten Phase (Kalibrierphase), deren Ablauf beispielhaft in Fig. 9 dargestellt ist, werden spezifische Werte für die Offsetkapazität COι und die variable Kapazität CAι der jeweiligenThe present invention solves the problems cited using the following exemplary method steps, the method comprising two phases: In the first phase (calibration phase), whose sequence is shown by way of example in FIG. 9, specific values for the offset capacitance C Oι and the variable capacitance C Aι the respective
Teilkapazität ermittelt und schließlich in einem nicht flüchtigen Speicher abgelegt. In der zweiten Phase (Messphase), deren Ablauf beispielhaft in Fig. 10 dargestellt ist, werden mit Hilfe der abgespeicherten Werte sowie des ebenfalls zu bestimmenden Proportionalitätsfaktors k die Messdaten korrigiert und die Messgröße (die Messgrößen) aus den korrigierten Daten ermittelt. Die Messphase stellt den normalen Betrieb des Sensors dar. Zur einfachem Unterscheidung zwischen den Phasen wird im Folgenden für Messwerte Y1 und relative Kapazitätswerte C1 in der Kalibrierphase der Index k (YKJ, cκi) und in der Messphase der Index M bzw. m (YM1, Cmi) beigefügt .Partial capacity determined and finally stored in a non-volatile memory. In the second phase (measuring phase), the sequence of which is shown by way of example in FIG. 10, the values stored as well as the values to be determined are also used Proportionality factor k corrects the measured data and determines the measured variable (the measured variables) from the corrected data. The measuring phase represents the normal operation of the sensor. In order to make it easy to distinguish between the phases, the index k (YKJ, cκi) in the calibration phase and the index M or m (in the measuring phase) are measured below for measured values Y 1 and relative capacitance values C 1. YM 1 , Cmi).
In der Kalibrierphase werden nach willkürlicher Festlegung des Proportionalitätsfaktors in der Kalibrierphase fe oder einem optionalen Schritt 13 zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors kv. und einem optionalen Schritt 14 zur Bestimmung des Offsetfehlers O in einem Schritt 15 durch Veränderung der Messgröße, unter weitgehender Konstanthaltung der Umgebungsbedingungen, Minimal- und Maximalwerte der jeweiligen Teilkapazitäten erreicht. In einem Schritt 16 werden die Mess werte YK1 ermittelt und daraus in einem Schritt 17 Kapazitätswerte bestimmt. Im Gegensatz zu einer Kalibrierung ist es nicht erforderlich, die angelegte Messgröße genau zu kennen, es muss lediglich für jede Teilkapazität der gesamte Messbereich oder wenigstens ein definierter Teil desIn the calibration phase, after arbitrary determination of the proportionality factor in the calibration phase fe or an optional step 13 for determining the proportionality factor kv. and an optional step 14 for determining the offset error O in a step 15 by changing the measured variable, while largely maintaining the environmental conditions, minimum and maximum values of the respective partial capacities achieved. In a step 16, the measured values YK 1 are determined and determined therefrom in a step 17 capacity values. In contrast to a calibration, it is not necessary to know exactly the applied measured variable, only the entire measuring range or at least a defined part of the total measuring range has to be determined for each partial capacity
Messbereiches durchlaufen werden. Dass heißt, es ist lediglich erforderlich, dass für wenigstens zwei Messungen die relativen Kapazitätswerte C1 bekannt sein müssen.Passing through the measuring range. That is, it is only necessary that the relative capacitance values C 1 must be known for at least two measurements.
In einem weiteren Schritt 18 werden spezifische Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten (Abweichungen von den Nominalwerten) der einzelnen Teilkapazitäten oderIn a further step 18, specific offset capacities and variable capacities (deviations from the nominal values) of the individual partial capacities or
Größen, aus denen sich diese bestimmen lassen, aus den Minimal- und Maximalwerten oder anderen Messwerten, die bei bekannten relativen Kapazitätswerten C1 ermittelt wurden, bestimmt. Zum Beispiel, für ein Maximum Y1 max nimmt C1 den Wert 1 und für ein Minimum Y1 mm den Wert 0 an. In diesem Fall können C0, und CAl durch Umformung der angeführtenQuantities from which they can be determined from the minimum and maximum values or other measured values, which were determined at known relative capacitance values C 1 , determined. For example, for a maximum Y 1 max , C 1 takes the value 1, and for a minimum Y 1 mm, the value 0. In this case, C 0 , and C may be Al by transforming the cited
Gleichungen als COl ermittelt werden. Auch jedes andere
Figure imgf000007_0001
Equations are determined as C ol . Everybody else
Figure imgf000007_0001
Paar an bekannten Werten von C1 kann zur Bestimmung von C01 und CAl herangezogen werden.A pair of known values of C 1 can be used to determine C 01 and C Al .
Die Schritte 15 bis 18 werden in einer Schleife 20 mindestens solange wiederholt, bis für jede Teilkapazität die spezifischen Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten ermittelt sind.Steps 15 to 18 are repeated in a loop 20 at least until the specific offset capacities and variable capacities have been determined for each sub-capacity.
In einem weiteren Schritt 19 werden die Werte für die Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten (oder Werte, aus denen diese Größen ermittelt werden können) in einem nichtflüchtigen Speicher, eventuell nach vorangehender Filterung, abgelegt. Die bisher angeführten Schritte können einmal pro Sensor oder auch nur einmal für eine größere Anzahl an Sensoren erfolgen; während der Herstellung des Sensors. In letzterem Fall bleiben zufällige Unterschiede zwischen einzelnen Sensoren unberücksichtigt. Gegebenenfalls kann während des Betriebs eine Aktualisierung der Daten in der Tabelle erfolgen. In der Messphase wird in einem Schritt 21 der Proportionalitätsfaktors k bestimmt. Dazu müssen Elektrodenanordnungen derart gewählt werden, dass die Bestimmung des Proportionalitätsfaktors k ermöglicht wird. Beispielsweise kann sichergestellt werden, dass die Summe über alle Teilkapazitäten konstant bleiben muss. In einer alternativen Variante wird sichergestellt, dass immer wenigstens ein relativer Kapazitätswert bekannt ist. Das kann wiederum dadurch erreicht werden, dass immer zumindest eine Teilkapazität einen Maximal- oder Minimalwert annehmen muss. Bei einem Winkelsensor oder einem Wegsensor entsprechend Fig. 12 kann beispielsweise sichergestellt sein, dass immer zumindest eine Elektrode j entweder völlig freigestellt oder völlig abgedeckt ist. Da dann der relative Kapazitätswert cmj und der Messwert YMj für dieses Segment bekannt sind, lässt sich aus den oben angeführten Gleichungen der Proportionalitätsfaktor k bestimmen:In a further step 19, the values for the offset capacities and variable capacities (or values from which these quantities can be determined) are stored in a nonvolatile memory, possibly after preceding filtering. The previously mentioned steps can be done once per sensor or only once for a larger number of sensors; during the manufacture of the sensor. In the latter case, random differences between individual sensors are disregarded. If necessary, the data in the table can be updated during operation. In the measuring phase, the proportionality factor k is determined in a step 21. For this purpose, electrode arrangements must be chosen such that the determination of the proportionality factor k is made possible. For example, it can be ensured that the sum across all partial capacities must remain constant. In an alternative variant, it is ensured that at least one relative capacitance value is always known. This can in turn be achieved by the fact that always at least a partial capacity must assume a maximum or minimum value. In the case of an angle sensor or a displacement sensor according to FIG. 12, it can be ensured, for example, that at least one electrode j is always either completely isolated or completely covered. Since the relative capacitance value c mj and the measured value Y Mj are known for this segment, the proportionality factor k can be determined from the equations given above:
Cmj C AJ + 0OJ C mj C AJ + 0 OJ
Nimmt eine Teilkapazität C/ gerade ein Minimum an, ergibt sich demnachIf a partial capacity C / just assumes a minimum, the result is accordingly
Y, k = 1 MjY, k = 1 Mj
Nach einem optionalen Schritt 22 zur Bestimmung des Offsetfehlers werden in einem Schritt 23 die Messwerte bestimmt und in einem Schritt 24 daraus unter zu Hilfenahme der unter Schritt 19 abgespeicherten Daten sowie des Proportionalitätsfaktors k und des Offsetfehlers O mit Hilfe der oben beschriebenen Gleichungen die relativen Kapazitätswerte ermittelt, aus denen in Schritt 25 die Messgröße ermittelt wird, die vom Sensor in Schritt 26 ausgegeben wird. Die Schritte 21 bis 26 werden in einer Schleife 27 während der Messphase ständig wiederholt.After an optional step 22 for determining the offset error, the measured values are determined in a step 23 and the relative capacitance values are determined therefrom in a step 24 using the data stored under step 19 and the proportionality factor k and the offset error O using the equations described above from which, in step 25, the measured variable which is output by the sensor in step 26 is determined. The steps 21 to 26 are constantly repeated in a loop 27 during the measurement phase.
Das Verfahren zur Autokalibrierung kann mit verschiedenen Messverfahren für elektrische Kapazitäten wie beispielsweise Ladungsverstärker, Oszillatoren und Trägerfrequenzverfahren angewendet werden. Fig. 11 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild einer Messvorrichtung für einen Sensor mit Teilkapazitäten unter Verwendung eines Trägerfrequenzverfahrens, wobei in einem vereinfachten Beispiel zwei Teilkapazitäten Ci und C2 bzw. die zugehörigen relativen Kapazitätswerte ci und C2 ermittelt werden sollen. Dazu werden Elektroden Tl und T2 beispielsweise im Zeitmultiplexverfahren Signale Sl und S2 aus einem Signalgenerator SG über einen von einer Steuer- und Auswerteschaltung STG gesteuerten Multiplexer MUX zugeführt. Der dadurch auftretende Verschiebungsstrom zur Elektrode El kann als Spannungsabfall an einer niederohmigen Impedanz Zl gegen Massepotential erfasst werden. Dieses Signal SE wird mit einem Verstärker AMP verstärkt, mit Hilfe eines Demodulators DEM werden z.B. die Gleichrichtwerte der Verschiebungsströme ermittelt und mittels eines Analog-Digital Umsetzers ADU in digitale Messwerte Yi umgesetzt. Diese werden der Steuer- und Auswerteschaltung STG zugeführt, die aus diesen Messwerten mittels einer Kalibriereinheit KE während der Kalibrierungsphase nach dem beschriebenen Verfahren Kalibrierungsdaten bestimmt und in einem nicht-flüchtigen Speicher NVM ablegt. Der Signalgenerator SG liefert weiters ein Hilfssignal H für den Demodulator DEM für eine Synchrondemodulation (gegebenenfalls mittels Inphase- und Quadratursignal). Während der Messphase werden mit Hilfe der Kalibrierdaten KAL aus dem nicht-flüchtigen Speicher NVM und den digitalen Messwerten Yi und Yi in einer Rechenschaltung RS die relativen Kapazitätswerte cl und c2 ermittelt und an eine Auswerteeinheit AUS weitergegeben, an derem Ausgang das Ergebnis ERG in lesbarer bzw. verarbeitbarer Form vorliegt. Der Proportionalitätsfaktor k repräsentiert dabei den Umrechnungsfaktor einer Kapazität Cl (C2) auf einen Messwert Yl (Y2). Der Proportionalitätsfaktor k wird wiederum von den Verstärkungen des Verstärkers AMP und des Demodulators DEM sowie den Eigenschaften des A/ D-Umsetzers ADU und der Impedanz Zl beeinflusst und weist aufgrund der gemeinsamen Verstärkerkette für jede Teilkapazität den selben Wert auf.The autocalibration method can be used with various methods of measuring electrical capacitances, such as charge amplifiers, oscillators, and carrier frequency techniques. 11 shows by way of example a block diagram of a measuring device for a sensor with partial capacitances using a carrier frequency method, wherein in a simplified example two partial capacitances Ci and C2 or the associated relative capacitance values ci and C2 are to be determined. For this purpose, electrodes T1 and T2 are supplied, for example, in the time-division multiplex method, signals S1 and S2 from a signal generator SG via a multiplexer MUX controlled by a control and evaluation circuit STG. The shift current to the electrode El occurring as a result can be detected as a voltage drop across a low-impedance Zl to ground potential. This signal SE is amplified by an amplifier AMP, With the aid of a demodulator DEM, for example, the rectification values of the displacement currents are determined and converted into digital measured values Yi by means of an analog-digital converter ADU. These are supplied to the control and evaluation circuit STG, which determines calibration data from these measured values by means of a calibration unit KE during the calibration phase according to the described method and stores them in a non-volatile memory NVM. The signal generator SG further supplies an auxiliary signal H for the demodulator DEM for a synchronous demodulation (possibly by means of in-phase and quadrature signal). During the measuring phase, the relative capacitance values c1 and c2 are determined with the aid of the calibration data KAL from the non-volatile memory NVM and the digital measured values Yi and Yi in an arithmetic circuit RS and forwarded to an evaluation unit OUT, at whose output the result ERG can be read or read Processible form is present. The proportionality factor k represents the conversion factor of a capacitance C1 (C2) to a measured value Y1 (Y2). The proportionality factor k is in turn influenced by the gains of the amplifier AMP and the demodulator DEM and the characteristics of the A / D converter ADU and the impedance Zl and has the same value for each sub-capacitance due to the common amplifier chain.
Eine Elektrodenanordnung, die zur Bestimmung des Proportionalitätsfaktors k gut geeignet ist, zeigt Fig. 12. Die lineare Position eines auf Massepotential gehaltenen Schirms 2 soll bestimmt werden. Dazu werden mehrere, hier zehn Teilkapazitäten Cl bis ClO, gegen eine gemeinsame Elektrode 6 gemessen. Wird der bewegliche Schirm derart ausgeformt, dass immer wenigstens eine Teilelektrode 4 vollständig abgedeckt ist oder vollständig frei bleibt, können die entsprechenden Teilkapazitäten einfach als Minima bzw. Maxima in den Messwerten Y1 erkannt werden und jeweils eine relative Kopplungskapazität von 0 bzw. 1 zugeordnet werden und die restlichen Kopplungskapazitäten mittels des beschriebenen Verfahrens ermittelt werden. Schränkt man den Bewegungsbereich des Schirms 4 weiters so ein, dass er einen Mindestabstand zum Masseschirm 3 aufweist, kann auch davon ausgegangen werden, dass die Summe der Teilkapazitäten konstant bleibt, unabhängig von der Position des Schirms. Dann kann der aktuelle Proportionalitätsfaktor einfach entsprechendAn electrode arrangement which is well suited for determining the proportionality factor k is shown in FIG. 12. The linear position of a screen 2 held at ground potential is to be determined. For this purpose, several, here ten partial capacities Cl to ClO, measured against a common electrode 6. If the movable screen is formed in such a way that always at least one partial electrode 4 is completely covered or remains completely free, the corresponding partial capacitances can be easily recognized as minima or maxima in the measured values Y 1 and a respective relative coupling capacitance of 0 or 1 can be assigned and the remaining coupling capacities are determined by the method described. If the range of movement of the screen 4 is further limited so that it has a minimum distance to the ground screen 3, it can also be assumed that the sum of the partial capacitances remains constant, regardless of the position of the screen. Then, the current proportionality factor can simply match
10 k = kκ -^ ermittelt werden. Anzumerken ist, dass der Wert für den10 k = k κ - ^ can be determined. It should be noted that the value for the
∑y κ,Σ y κ ,
Proportionalitätsfaktor /CK in der Kalibrierungsphase beliebig gewählt werden kann und in der Messphase lediglich eine Korrektur dieses Werts erfolgt. Bei beliebiger Wahl des Proportionalitätsfaktors /CK werden Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten nicht als Absolutwerte bestimmt, sondern haben nur relativ zueinander Gültigkeit. Weiters ist es auch möglich, eine Teilkapazität Cj derart anzuordnen, dass diese durch dieProportionality factor / CK can be chosen arbitrarily in the calibration phase and in the measurement phase only a correction of this value takes place. With any choice of proportionality factor / CK, offset capacitances and variable capacitances are not determined as absolute values, but are valid only relative to each other. Furthermore, it is also possible to arrange a sub-capacity Cj such that they are determined by the
Messgröße nicht beeinflusst werden kann. Für diese Teilkapazität Cj ergibt sich demnach Yj = kCOj , woraus wiederum der Proportionalitätsfaktor mittels k - Y} l COj .Measured variable can not be influenced. For these sub-capacitance Cj results therefore Y j = kC Oj, which in turn by means of the proportionality factor k - Y} C l Oj.
Als weiteres Beispiel zur Ermittlung von bekannten Werten für die relativen Kapazitätswerte sei ein Füllstandsensor genannt, bei dem eine Messung mit leerem Behälter und eine Messung mit gefülltem Behälter durchgeführt werden. Ebenso kann bei einem Sitzbelegungssensor der unbelegte Zustand sowie der Zustand mit Belegung mittels eines definiertes Objekt zur Durchführung der Kalibrierphase verwendet. As a further example for the determination of known values for the relative capacitance values, a fill level sensor may be mentioned in which an empty container measurement and a filled container measurement are performed. Likewise, in the case of a seat occupancy sensor, the unoccupied state as well as the state with occupancy by means of a defined object can be used to carry out the calibration phase.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur kalibrierten Ermittlung von Kapazitätswerten bei kapazitiven Sensoren mit mehreren Teilkapazitäten (Ci), dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kalibrierphase Messwerte (Yκi) aufgenommen werden, wobei die relativen Kapazitätswerte (cki) für jedes Elektrodenpaar für wenigstens zwei Messungen bekannt sind und die entsprechenden Messwerte (Yκi) oder daraus abgeleitete Werte (CAI, Ca) als Kalibrierdaten in einem nichtflüchtigen Speicher (NVM) abgelegt werden und in einer später folgenden Messphase in einem ersten Schritt Messwerte (YMI ) aufgenommen werden, aus diesen in einem weiteren Schritt ein Proportionalitätsfaktor (k) unter Verwendung wenigstens eines relativen Kapazitätswertes (cmj) ermittelt wird und in einem weiteren Schritt aus den Messwerten (YMI,), dem Proportionalitätsfaktor (k) und den Kalibrierdaten aus dem nichtflüchtigen Speicher die relativen Kapazitätswerte (dm) ermittelt werden.1. A method for the calibrated determination of capacitance values in capacitive sensors having a plurality of partial capacitances (Ci), characterized in that measured values (Yκi) are recorded in a calibration phase, wherein the relative capacitance values (cki) for each electrode pair are known for at least two measurements and the corresponding measured values (Yκi) or values derived therefrom (CAI, Ca) are stored as calibration data in a nonvolatile memory (NVM) and measured values (Y MI ) are recorded in a subsequent measurement phase in a first step, from these in a further step Proportionality factor (k) is determined using at least one relative capacitance value (c mj ) and in a further step from the measured values (YMI,), the proportionality factor (k) and the calibration data from the nonvolatile memory, the relative capacitance values (dm) are determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messwerten (YKJ) der2. The method according to claim 1, characterized in that from the measured values (Y KJ ) of
Kalibrierphase Werte (CAI, Ca) als Kalibrierdaten abgeleitet werden und derCalibration phase values (CAI, Ca) are derived as calibration data and the
Y Proportionalitätsfaktor (k) entsprechend k = Mj cmJcAj +cOJ Y Proportionality factor (k) corresponding to k = Mj c mJ c Aj + c OJ
sowie die relativen Kapazitätswerte (cmi) entsprechend cmι =
Figure imgf000011_0001
and the relative capacitance values (cmi) corresponding to c m =
Figure imgf000011_0001
ermittelt werden.be determined.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt der Kalibrierphase für die bekannten relativen Kapazitätswerte (CKI) der Teilkapazitäten (c) den Minima der Teilkapazitäten über den gesamten oder einen Teil des Messbereichs der relative Kapazitätswert CKI = 0 zugeordnet wird und/ oder den Maxima der Teilkapazitäten über den gesamten oder einen Teil des Messbereichs der relative Kapazitätswert CKI =1 zugeordnet wird.3. The method according to claim 1, characterized in that in a step of the calibration phase for the known relative capacitance values (C KI ) of the partial capacitances (c) the minima of the partial capacitances over the entire or a part of the measuring range the relative capacitance value C KI = 0 assigned and / or the maxima of the partial capacities over the entire or part of the measuring range, the relative capacitance value CKI = 1 is assigned.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kalibrierphase aus den Messwerten bei wenigstens zwei bekannten relativen Kapazitätswerten die Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten der Teilkapazitäten (C1) oder Größen, aus denen diese bestimmt werden können, ermittelt und in dem nichtflüchtigen Speicher (NVM) abgelegt werden. 4. The method according to claim 1, wherein in the calibration phase the offset capacities and variable capacities of the partial capacitances (C 1 ) or variables from which these can be determined are determined from the measured values for at least two known relative capacitance values and stored in non-volatile memory (NVM).
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Elektrodenanordnung, bei der die Summe der Teilkapazitäten (Ci) unabhängig von den Messgrößen konstant bleibt, die Summe der Messwerte (Yi) gebildet wird und der Proportionalitätsfaktor (k) aus dieser Summe der Messwerte (Yi) und der bekannten Summe der Teilkapazitäten (Ci) ermittelt wird.5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that starting from an electrode arrangement in which the sum of the partial capacitances (Ci) remains constant independently of the measured variables, the sum of the measured values (Yi) is formed and the proportionality factor (k) is determined from this sum of the measured values (Yi) and the known sum of the partial capacitances (Ci).
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Elektrodenanordnung, bei der unabhängig von den Messgrößen stets wenigstens eine Teilkapazität (Ci) ein Maximum oder ein Minimum annimmt, diesen ein relativer Kapazitätswert von 1 für ein Maximum und 0 für ein Minimum zugeordnet und daraus und aus den entsprechenden Messwerten der Proportionalitätsfaktor (k) ermittelt wird.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that starting from an electrode arrangement in which regardless of the measured variables always at least a partial capacitance (Ci) assumes a maximum or a minimum, this a relative capacitance value of 1 for a Maximum and 0 are assigned to a minimum and from this and from the corresponding measured values, the proportionality factor (k) is determined.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Elektrodenanordnung, bei der unabhängig von den Messgrößen stets wenigstens ein relativer Kapazitätswert ermittelt werden kann, daraus und den entsprechenden Messwerten der Proportionalitätsf aktor (k) ermittelt wird.7. The method according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that, starting from an electrode arrangement in which independent of the measured variables always at least a relative capacitance value can be determined from it and the corresponding measured values of the Proportionalitätsf actuator (k) is determined ,
8. Vorrichtung zur kalibrierten Ermittlung von Teilkapazitäten kapazitiver Sensoren mit mehreren Teilkapazitäten (Ci),8. Device for the calibrated determination of partial capacitances of capacitive sensors with several partial capacitances (Ci),
mit einer Signalquelle (SG), deren Ausgangssignal den Einzelelektroden (Tl, T2) eines Sensors selektiv zugeführt werden kann,with a signal source (SG) whose output signal can be selectively supplied to the individual electrodes (T1, T2) of a sensor,
mit einer Verstärkeranordnung (AMP, DEM) für an zumindest einer Elektrode (El) abgenommene Messsignale (SE)with an amplifier arrangement (AMP, DEM) for measuring signals (SE) taken at at least one electrode (El)
und mit einem nichtflüchtigen Speicher (NVM),and with a nonvolatile memory (NVM),
wobei die Steuer- und Auswerteschaltung (STG) sowie die Rechenschaltung (RS) dazu eingerichtet sind, in einer Kalibrierphase Messwerte (YK) aufzunehmen, wobei die relativen Kapazitätswerte (cw) für jedes Elektrodenpaar für wenigstens zwei Messungen bekannt sind, diese Messwerte (Yiα) oder daraus abgeleitete Werte in dem nichtflüchtigen Speicher (NVM) abzulegen und in einer später folgenden Messphase in einem ersten Schritt Messwerte (YMI ) aufzunehmen, aus diesen in einem weiteren Schritt einen Proportionalitätsfaktor (k) unter Verwendung wenigstens eines relativen Kapazitätswertes (cmj) zu ermitteln und in einem weiteren Schritt aus den Messwerten (YMI,), dem Proportionalitätsfaktor (k) und den Werten (YM) aus dem nichtflüchtigen Speicher oder daraus abgeleiteter Größen die relativen Kapazitätswerte (cπύ) zu ermitteln. wherein the control and evaluation circuit (STG) and the arithmetic circuit (RS) are adapted to record measured values (YK) in a calibration phase, the relative capacitance values (cw) for each electrode pair being known for at least two measurements, these measured values (Yiα) or to store values derived therefrom in the non-volatile memory (NVM) and to record measured values (YMI) in a subsequent measurement phase in a first step, from these in a further step a proportionality factor (k) using at least one relative capacitance value (c m j) to determine and in a further step from the measured values (YMI,), the proportionality factor (k) and the values (Y M ) from the non-volatile memory or variables derived therefrom to determine the relative capacitance values (cπύ).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibriereinheit (KE) vorgesehen ist, welche zusammen mit der Steuer- und Auswerteschaltung (STG) sowie der Rechenschaltung (RS) dazu eingerichtet ist, aus den Messwerten (Yn) der Kalibrierphase9. Apparatus according to claim 8, characterized in that a calibration unit (KE) is provided, which together with the control and evaluation circuit (STG) and the arithmetic circuit (RS) is adapted to, from the measured values (Yn) of the calibration phase
Werte (CAI, Coi) als Kalibrierdaten abzuleiten und den Proportionalitätsfaktor (k)Derive values (CAI, Coi) as calibration data and calculate the proportionality factor (k)
Y entsprechend k = MJ cmjCAj +COj Y corresponding to k = MJ c mj C Aj + C Oj
sowie die relativen Kapazitätswerte (cmi) entsprechend cm = — — C01 and the relative capacitance values (cmi) corresponding to c m = - - C 01
C Ai V ^C Ai V ^
zu ermitteln.to investigate.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteschaltung (STG) sowie die Kalibriereinheit (KE) dazu eingerichtet sind, in einem Schritt der Kalibrierphase für die bekannten relativen Kapazitätswerte (cκi) der Teilkapazitäten (Ci) den Minima der Teilkapazitäten über den gesamten oder einen Teil des Messbereichs den relativen Kapazitätswert c*a = 0 zuzuordnen und/ oder den Maxima der Teilkapazitäten über den gesamten oder einen Teil des Messbereichs den relativen Kapazitätswert Qa =1 zuzuordnen.10. Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the control and evaluation circuit (STG) and the calibration unit (KE) are adapted to in a step of the calibration phase for the known relative capacitance values (cκi) of the partial capacitances (Ci) Minima of the partial capacitances over the entire or a part of the measuring range to the relative capacitance value c * a = 0 assign and / or the maxima of the partial capacitances over the entire or a part of the measuring range the relative capacitance value Qa = 1.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteschaltung (STG) sowie die Rechenschaltung (RS) dazu eingerichtet sind, in der Kalibrierphase aus den Messwerten bei wenigstens zwei bekannten relativen Kapazitätswerten die Offsetkapazitäten und variablen Kapazitäten der Teilkapazitäten (Ci) oder Größen, aus denen diese bestimmt werden können, zu ermitteln und in dem nichtflüchtigen Speicher (NVM) abzulegen.11. Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the control and evaluation circuit (STG) and the arithmetic circuit (RS) are adapted, in the calibration phase from the measured values at least two known relative capacitance values, the offset capacitances and variable capacitances the partial capacities (Ci) or quantities from which they can be determined and stored in the nonvolatile memory (NVM).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass, die Steuer- und Auswerteschaltung (STG) sowie die Rechenschaltung (RS) dazu eingerichtet sind, ausgehend von einer Elektrodenanordnung, bei der unabhängig von den Messgrößen stets wenigstens ein relativer Kapazitätswert ermittelt werden kann, daraus und den entsprechenden Messwerten den Proportionalitätsfaktor (k) zu ermitteln.12. Device according to one of claims 8 to 10, characterized in that, the control and evaluation circuit (STG) and the arithmetic circuit (RS) are adapted, starting from an electrode assembly, in which regardless of the measured variables always at least a relative capacitance value can be determined to determine the proportionality factor (k) from it and the corresponding measured values.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquelle (SG) über einen Multiplexer (MUX) mit den Einzelelektroden (Tl, T2) des Sensors verbunden ist.13. The device according to claim 8, characterized in that the signal source (SG) via a multiplexer (MUX) with the individual electrodes (Tl, T2) of the sensor is connected.
14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkeranordnung (AMP, DEM) einen Demodulator (DEM) für Synchrondemodulation beinhaltet. 14. The device according to claim 8, characterized in that the amplifier arrangement (AMP, DEM) includes a demodulator (DEM) for synchronous demodulation.
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