CN101815923B - 用于电容式距离确定的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器装置，尤其是用于车辆内的或上的传感器装置，用于电容式地确定传感器装置与物体之间的距离。该传感器装置具有用于与所述物体共同构成一个电容性装置的一个电极，以及用于形成与所述电容性装置的电容成比例的信号的一个装置。按照本发明，所述传感器装置具有用于与所述物体(2)共同构成一个电容性参考装置(9)的一个参考电极(7)，用于形成与所述电容性参考装置(9)的电容(C₂)成比例的参考信号(I_R)的另一个装置(13)，以及用于通过由所述信号(I)和所述参考信号(I_R)构成的关系来确定所述距离(d)的一个分析装置(16)，其中，所述参考电极(7)具有一种电极形状，其不同于所述电极(5)的电极形状。

Description

用于电容式距离确定的传感器装置

技术领域

本发明涉及一种传感器装置，尤其是用于车辆内的或上的传感器装置，用于电容式地确定传感器装置与物体之间的距离。该传感器装置具有一个电极以用于和所述物体共同构成一个电容性装置，以及一个用于形成与所述电容性装置的电容成比例的信号的装置。

背景技术

这种类型的传感器装置是公知的。其例如用在车辆内或上，以在所述车辆的周边用于所述车辆与位于所述车辆外部的物体比如其他车辆之间的测距。为此，在车辆上安装一个电极，所述电极与所述物体(作为对应电极)共同构成一个电容性装置。该电容性装置的电容将被确定，并由此确定所述传感器装置或所述车辆和所述物体之间的距离。在此，另外还引入位于所述电极和所述物体之间的物质——这里基本是指空气——的介电常数。对于此类电容性装置，其电容会由于水与空气的介电常数有大的差异而明显受天气影响比如波动的空气湿度或是温度波动的影响。

发明内容

为了消除介电常数的影响，设置如下：所述传感器装置具有一个参考电极用于与所述物体共同构成一个电容性参考装置，另一个装置用于形成与所述电容性参考装置的电容成比例的参考信号，以及一个分析装置用于通过由所述信号和所述参考信号构成的一个关系来确定所述距离，其中，所述参考电极具有一种电极形状，该电极形状不同于所述电极的电极形状。由于电极形状不同，所述电容性参考装置的电容与所述参考电极和物体之间距离的相关性不同于所述电容性装置的电容与所述电极和物体之间所对应的距离的相关性。如果借助所述分析装置来构成所述电容性装置的电容C₁和所述电容性参考装置的参考电容C₂之间的关系，就消去了位于所述电极和所述物体之间、或者位于所述参考电极和所述物体之间的物质的介电常数ε＝ε₀ε_r。得出的所述关系与距离的相关性仅仅与几何尺寸和所述电极/参考电极各自到物体的距离相关。所述传感器装置，尤其是一种在车辆内或上的传感器装置，且优选地用于确定所述车辆和一个优选位于车辆外部的物体之间的距离。这种位于车辆外部的物体例如是另外一辆车辆。

在本发明的一个有利的设计方案中有如下设置：所述两个电极(电极或参考电极)中的一个被构造为平板形的或者基本是平板形的电极，和/或所述两个电极中的另外一个被构造为圆柱形的或者基本是圆柱形的电极。平板形的和圆柱形的电极的电极形状有明显区别。一个广义上的圆柱形的电极例如可以由一个相应地成形的导体构成。对于一个平板形的电极/参考电极，所述电容性装置/参考装置可以近似地被看成平板电容器。对于一个圆柱形的电极/参考电极，在所述电极/参考电极与所述物体之间的距离明显大于所述圆柱形的电极的半径r的情况下，所述电容性装置/参考装置可以近似地被看作为圆柱电容器。优选地设置为，所述两个电极中的一个被构造为平板形的电极而另外一个被构造为圆柱形的电极。

在本发明的一个有利的设计方案中有如下设置：所述用于形成信号/参考信号的装置中的至少一个电隔离于另一个用于形成信号/参考信号的装置和所述分析装置。通过这种电隔离，所述信号/参考信号的形成可以在所述两个装置中彼此不相关地进行。

尤其有如下设置，所述用于形成所述信号/参考信号的装置中的至少一个和与其对应的电容性装置/参考装置共同构成了一个振荡回路。在此，优选地设置：所述信号/参考信号是所述振荡回路的时间常数或频率。

有利的是，所述用于形成所述信号/参考信号的装置中的至少一个具有用于屏蔽其他电势的屏蔽电极。如果所述传感器装置是在车辆内或上的，所述屏蔽电极则屏蔽所述电极或所述参考电极，尤其是相对于所述车辆的电势。

此外有利的是，所述用于形成信号/参考信号的装置将所述信号和/或所述参考信号作为数字信号输出到所述分析装置。为此，所述信号/参考信号优选地通过对应的装置的一个模数转换器转换成数字信号或者数字参考信号。随后该数字信号/参考信号被输出到所述分析装置。通过所述作为数字信号/参考信号的输出，所述电隔离可以被简单且可靠地实现。

最后有利的是，所述分析装置具有一个计算单元以用于构成所述信号和所述参考信号之间的关系且由所述关系确定所述距离。

附图说明

下面将在一个实施例中借助于所属的附图来进一步阐述本发明。附图示出：

图1：一个传感器装置的示意图，以及

图2：具有一个电极和一个参考电极的、位于一车辆上的传感器装置以及另一车辆。

具体实施方式

图1在示意图中示出了一个传感器装置1，用于电容式地确定其与物体2之间的距离，所述物体2位于一个确定区3内。所述传感器装置被安装在一辆未被示出的车辆上——如图2所示——用于确定其与车辆外部物体之间的距离。因而，所述确定区是一个所述车辆外部的区域。所述传感器装置1具有一个被构造为基本是圆柱形的电极4的电极5和一个被构造为基本是平板形的电极6的参考电极7。所述电极5与所述物体2构成了一个电容性装置8，所述电容性装置8通过所述电极5和所述物体2间的场线表示。所述参考电极7和所述物体2构成了一个电容性参考装置9，所述电容性参考装置9通过相应的场线表示。为了将所述电容性装置8和所述电容性参考装置9各自限制在所述确定区3中，用一个第一屏蔽电极10包围所述电极5并且用一个第二屏蔽电极11包围所述参考电极7。所述屏蔽电极10、11相对于所述确定区3以外的电势屏蔽所述两个电极5、7。所述电极5与一个装置12相连接，该装置12用于形成一个与所述电容性装置8的电容C₁成比例的信号。所述参考电极7与另一个装置13相连接，该另一个装置13用于形成一个与所述电容性参考装置9的电容C₂成比例的参考信号。为形成所述信号I，所述装置12具有一个测量电路14(尤其是振荡回路)，以形成固有的信号。所述电容性装置8电连接至所述测量电路14。所述固有的信号随后被输出到一个模数转换器15，所述模数转换器15由所述固有的信号形成一个相应的数字信号I并且输出到一个分析装置16。所述另一个装置具有一个测量电路17。所述电容性参考装置9电连接至所述测量电路17。通过所述测量电路17形成一个固有的参考信号I_R，所述固有的参考信号I_R与电容性参考装置9的电容C₂成比例。这个固有的参考信号I_R被输出到所述另一个装置13的一个模数转换器18。所述模数转换器18由这一固有的参考信号I_R形成一个数字参考信号I_R，所述数字参考信号I_R同样也被输出到分析装置16。所述分析装置16具有一个计算单元19以用于由所述信号和所述参考信号构成一个关系并且由此关系确定所述距离d。所确定的距离随后通过一个输出端20被输出。

所述传感器装置1用于电容式地确定其与物体2之间的距离d，有如下功能：通过电极5和参考电极7不同的电极形状得出电容性装置8和电容性参考装置9的电容C₁、C₂与所述距离d的不同的相关性。含广义圆柱形电极4的电容性装置(单芯导线装置)的电容C₁可以通过一个圆柱电容器的电容来近似。得出所述装置的电容C₁为：

$C_1=2\·\mathrm{\π}\·\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\·A}{\ln (d\√)}---\left(1\right)$

所述电容性参考装置9的电容C₂可以近似为一个平板电容器的电容并得出：

$C_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r\·A}{d}---\left(2\right)$

在此，l是所述电极5的长度，r是所述电极5的半径，d是到物体2的表面的距离。对于平板电容器，A是有效电极面积，d是平板间距。此外，将电场常数ε₀以及ε_r引入方程1和2。所述介电常数ε_r是所述电极/参考电极5、7和所述物体2之间的物质的特有的材料常数。如果所述传感器装置1被用于测量所述传感器装置1和车辆外物体2之间的距离，则所述电容性装置8、9的电容会由于水的介电常数比空气的介电常数高得多而明显受天气影响比如波动的空气湿度和温度波动的影响。采用被构造为不同电极形状的电极5和参考电极7来测量，可以消除这些与天气的相关性。

电容C₁、C₂的测量是借助于测量电路14、17进行的，例如通过测量作为时间常数的上升时间。电容C₁、C₂的测量或者与所述电容C₁，C₂成比例的信号I、I_R的形成在此必须相互独立地进行。这将通过用模数转换器15、18的电隔离来实现，所述模数转换器15、18的输出信号与电极5或者参考电极7的电势无关。所述模数转换器15、18的输出信号(数字信号和数字参考信号)输到分析装置16，所述分析装置16形成由所述信号和参考信号组成的一个关系(C₁∶C₂)。这个比例形成消去了与天气相关的介电常数ε_r。由此得出以下的距离关系：q(d)，该关系只取决于几何尺寸以及所述电极5、7到作为对应电极的物体的表面的距离d。

$\frac{C_1}{C_2}=2\·\mathrm{\π}\·\frac{l}{A}\·\frac{d}{\ln (d/2r)}---\left(3\right)$

图2示出了一个将带有电极5和参考电极7的传感器装置1安装在车辆21上的实施例。电容性装置8和电容性参考装置9的相应的对应电极由被构造为另一辆车辆22的物体构成。未被示出的屏蔽电极用于相对车辆21的地来屏蔽所述电极5、7。通过所述距离d的连续确定或者所述距离d的有时间间隔的确定，可以得到物体2对所述传感器装置的相对速度。图2中的传感器装置1安装在车辆21的侧面区域，并且可用来在明显早于真正的碰撞的时候检测到与朝向车辆21运动的另一车辆22(箭头23)的碰撞，并例如采取保护车辆21的乘客24的措施。

Claims (9)

1.一种传感器装置，用于电容式地确定所述传感器装置与物体(2)之间的距离，所述传感器装置具有一个电极(5)以用于与所述物体(2)共同构成一个电容性装置(8)，以及一个装置(12)以用于形成一个与所述电容性装置(8)的电容(C₁)成比例的信号(I)，其特征在于，一个和所述物体(2)共同构成一个电容性参考装置(9)的参考电极(7)，另一个装置(13)用于形成一个与所述电容性参考装置(9)的电容(C₂)成比例的参考信号(I_R)，以及一个分析装置(16)用于通过由所述信号(I)和所述参考信号(I_R)构成的一个关系来确定所述距离(d)，其中所述参考电极(7)具有一种电极形状，所述参考电极(7)的电极形状不同于所述电极(5)的电极形状。

2.按照权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置是用于车辆内的或上的传感器装置。

3.按照权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述物体(2)是一个位于车辆(21)外部的物体(2)。

4.按照上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述电极(5)和所述参考电极(7)中的一个被构造为平板形的或者基本是平板形的电极(6)和/或所述两个电极(5，7)中的另一个被构造为圆柱形的或者基本是圆柱形的电极(4)。

5.按照权利要求1-3中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述一个装置(12)和所述另一个装置(13)中的一个至少电隔离于另一个并电隔离于所述分析装置(16)。

6.按照权利要求1-3中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述一个装置(12)和所述另一个装置(13)中的至少一个和与其对应的电容性装置/电容性参考装置共同构成一个振荡回路。

7.按照权利要求1-3中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述一个装置(12)和所述另一个装置(13)中的至少一个具有一个屏蔽电极(10，11)以用于屏蔽其他的电势。

8.按照权利要求1-3中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述一个装置(12)和所述另一个装置(13)将所述信号(I)和/或所述参考信号(I_R)作为数字信号输出到所述分析装置(16)。

9.按照权利要求1-3中任一项所述的传感器装置，其特征在于，所述分析装置(16)具有一个计算单元(19)以用于构成所述关系且确定所述距离(d)。

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