CN102246417B - 用于检测检测区域中的物体的传感器装置 - Google Patents
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Abstract
一种传感器装置(2)，包括传感器垫(6)，用于通过测量所述传感器垫(6)的阻抗变化来检测检测区域中的物体(4)，所述传感器装置(2)还包括相对于检测区域布置在传感器垫(6)后面的后聚焦板(8)和围绕传感器垫(6)布置的第一环绕聚焦板(10)，所述传感器装置(2)包括信号发生器，该信号发生器用具有预定的恒定相位、频率和电压振幅的相同信号来驱动所述传感器垫(6)和所述板(8、10)。所述传感器装置(2)还包括至少一个围绕第一环绕聚焦板(10)布置的第二环绕聚焦板(14)，所述第二环绕聚焦板(14)被用与为传感器垫(6)提供馈送的信号不同的信号驱动。
Description
本发明涉及如下类型的传感器装置，该传感器装置包括传感器垫，用于通过测量由机动车附近的检测区域中的物体的存在所引起的所述传感器垫的阻抗变化来检测该检测区域中的物体，所述传感器装置还包括：相对于检测区域布置在传感器垫的后面的后聚焦板和围绕传感器垫布置的第一环绕聚焦板，所述传感器装置包括信号发生器，该信号发生器用具有预定的恒定相位、频率和电压振幅的相同信号来驱动所述传感器垫和所述板。
本发明还涉及包括这样的传感器装置的外部装配部件，以及涉及包括这样的外部装配部件的机动车。
这样的装置是已知的，并例如用于通过通知驾驶者机动车周围的障碍物的接近来帮助驾驶者停放其车辆。通常，这样的传感器装置在驾驶期间通知驾驶者机动车周围的障碍物的存在。
典型的单垫式电容传感器装置通过将电荷置于传感器垫上并测量由检测区域中的物体的存在而引起的电压变化来工作。物体的存在改变了传感器垫对环境的耦合电容。使用由增益接近1的、跟随输入信号的放大器驱动的邻近板是用于消除某些寄生电容(即，使向着对象的场变直)的众所周知的保护原理。通过使用由具有不同增益的、跟随输入信号的放大器驱动的其它邻近板，可以效地移动被测物体的体积。然而，在很多情况下这并不是实用的方案，这是因为由增益大于1的、跟随传感器垫上的信号的保护放大器来驱动邻近板可能容易引起系统振荡。
如果电容传感器装置被应用于与传感器垫的尺寸差不多的结构，则传感器可被用于进入以及穿过该结构进行感测，以检测在结构深处和/或在其另一侧的物体。然而，如果该结构大于传感器垫，则场力线还将从旁边移动进入该结构到达寄生接地附近，从而进入和/或穿过该结构进行感测的灵敏度将会降低。如果该结构具有高电容率或低电阻率或在任一表面上具有传导层，这种对在结构内部和/或另一侧上的物体的灵敏度的降低将最为显著。具体地，因为所使用的静电喷涂工艺留在保险杠(bumper)的表面上的传导基层(primer layer)，使得难以将电容传感器用作机动车碰撞传感器。
在机动车中，传感器装置通常被置于机动车的外部装配部件的后面或内部，而传导基层被置于外部装配部件的外表面上，这减小了传感器装置的功效。
本发明的目的之一是通过提供如下传感器装置来克服这些缺点，该传感器装置可以穿过具有高电容率或低电阻率或在任一表面上具有传导层的结构来有效地感测物体的存在。
为此，本发明涉及一种上述类型的传感器装置，其中传感器装置还包括至少一个围绕第一环绕聚焦板布置的第二环绕聚焦板，所述第二环绕聚焦板被用与为传感器垫提供馈送的信号不同的信号驱动。
使用被馈以不同信号的第二环绕聚焦板能够使由传感器装置发出的场力线变直。即使在内部电容率大或电阻率小的情况下，或者在其上放置有传感器装置的结构的表面上存在传导覆层的情况下，场力线也变得更加平行。这减小了对地的内部寄生电容，并增加了从传感器垫近似垂直地到检测区域中的物体的这部分场力线。因此，提高了传感器装置的功效。
根据该传感器装置的其它特征：
-与驱动传感器垫的信号相比，驱动第二环绕聚焦板的信号具有更大的电压振幅；
-传感器垫的阻抗由受驱动导轨阻抗测量系统控制，该受驱动导轨阻抗测量系统包括反相器、振荡器、供电导轨驱动器以及开关，该供电导轨驱动器具有用于反相器的供电导轨的两路直流(DC)偏压跟随放大器输出，这些开关通过接通和断开振荡器对反相器的供电导轨驱动器的输入的驱动，将垫的功能从接收器变为发送器/阻抗测量器；以及
-该传感器装置包括多于两个环绕聚焦板，所述板彼此围绕，每个板被用电压振幅随所述板与传感器垫的距离增大而增大的信号驱动。
本发明还涉及一种用于机动车的外部装配部件，该外部装配部件包括其上安装有所述外部装配部件的机动车附近的检测区域中的物体的传感器装置，其中，传感器装置如上所述。
根据该外部装配部件的其它特征：
-该外部装配部件包括至少两个传感器装置，一个传感器装置用作电压或电流发送器，而另一个装置用作电压或电流接收器，测量传感器装置之间的耦合电容来判断检测区域中的物体的存在，或者测量所述传感器装置中的每个传感器垫的阻抗来判断检测区域中的物体的存在；
-传感器装置被固定至外部装配部件的内表面；
-传感器装置由外部装配部件的材料包覆模制；以及
-外部装配部件的外表面上布置有传导层。
本发明还涉及一种包括至少一个如上所述的外部装配部件的机动车。
通过阅读以下以示例方式给出并参照附图的描述，本发明的其它方面和优点会变得显而易见，附图中：
图1是包括根据本发明的传感器装置的外部装配部件的一部分的剖视图，
图2是根据本发明的传感器装置的一部分的平面图，
图3是用于控制根据本发明的传感器装置的受驱动导轨阻抗测量系统的示意图。
在描述中，术语“内”、外”、“前”、“后”等是相对于所安装的机动车中的通常方向来定义的。
参照图1，描述了要安装到机动车(未示出)的前部或后部的外部装配部件1。外部装配部件例如为保险杠。本发明可被应用于机动车的前部以及后部。当传感器装置被安装到机动车的前部和后部以便提供较大的检测区域时尤为有利。传感器装置还可以安装到机动车的侧面以便提供更大的检测区域。通常，本发明还可被应用于机动车的任意外部装配部件，包括装饰条(fascia)。当需要穿过结构或在结构后面检测物体或对象时，本发明还可被应用于除汽车工业以外的其它领域。以下将针对用于对在机动车附近的检测区域中的物体进行检测的传感器装置来描述本发明。
如图1所示，传感器装置2被在外部装配部件1的后侧上固定至外部装配部件1。或者，传感器装置2可以由外部装配部件1包覆模制，即，将传感器装置2置于形成外部装配部件的材料中。
传感器装置2被设置成检测在外部装配部件1的前面(即在机动车周围)延伸的检测区域中的物体4的存在。因此，传感器装置2必须“穿过”由外部装配部件1形成的结构来检测物体。
传感器装置2包括传感器垫6，用于通过测量由检测区域中的物体4的存在所引起的所述传感器垫6的阻抗变化来检测在该检测区域中的物体4。传感器装置2还包括：相对于检测区域布置在传感器垫6后面的后聚焦板8和围绕传感器垫6布置的第一环绕聚焦板10。在图1所示的实施例中，传感器垫6和第一环绕聚焦板10两者均对着外部装配部件1的后侧布置，并在同一平面上延伸，而后聚焦板8与传感器垫6和第一环绕聚焦板10间隔开，并在平行于传感器垫6所延伸的平面的平面中延伸。第一环绕聚焦板还通过形成外部装配部件1的材料的区域12与传感器垫6间隔开，如图2所示。
传感器装置2还包括围绕第一环绕聚焦板10布置的第二环绕聚焦板14，该第二环绕聚焦板14通过形成外部装配部件1的材料的区域16与所述第一聚焦板10间隔开，如图2所示。传感器垫6、第一环绕聚焦板10和第二环绕聚焦板14均在同一平面上延伸。
在传感器垫6的后面和/或周围布置保护板16，以使传感器垫在一个方向上更灵敏。
传感器垫6、后聚焦板8以及第一环绕聚焦板10和第二环绕聚焦板14由传导材料制成，并连接到如图3所示的用于控制传感器装置2的受驱动导轨阻抗测量系统18。受驱动导轨阻抗测量系统18向传感器装置2提供驱动信号。
受驱动导轨阻抗测量系统18被设置成使得驱动传感器6被用具有恒定的相位、频率和电压振幅的固定信号驱动。后聚焦板8和第一环绕板10被用具有与驱动传感器垫6的信号相同的恒定的相位、频率和电压振幅的固定信号驱动。
第二环绕板14被用如下信号驱动，这些信号具有与驱动传感器垫的信号相同的恒定的相位和频率，但其电压振幅比驱动传感器垫的信号的电压振幅大。
被用不同信号驱动的第二环绕聚焦板14的使用使得由传感器装置发射的场力线变直，如图1中的箭头所示。即使在内部电容率大或电阻率小的情况下，或者在其上放置有传感器装置的结构的表面上存在传导覆层的情况下，场力线也变得更加平行。这减小了对地的内部寄生电容，并增加了从传感器垫近似垂直地到检测区域中的物体的这部分场力线。因此，提高了传感器的功效。
具体地，对于外部装配部件1，在外部装配部件的前侧上留有传导层19。该传导层19为由所使用的静电喷涂工艺留在外部装配部件的表面上的传导基层。第二环绕聚焦板14的使用有助于克服传导层19的影响，否则，该影响会降低传感器装置2的灵敏度。
被驱动的聚焦板的这种系统在由外部装配部件1形成的结构中建立了内部电势，该内部电势等于在围绕传感器6的三维环中的传感器垫6上的电势。这用于通过使场力线变直来增加对传感器垫6之上的对象的灵敏度。如果期望穿过该结构来查看，则驱动聚焦板使得等于传感器6上的电势的该内部电势延伸到该结构的另一表面。同时，被驱动的聚焦板的这种系统使得传感器垫6所查看到的寄生阻抗在远离对象的方向上大得多，以使得对象4在该结构内部或该结构外部的传感器上的阻抗变化略微变大。在上述受驱动导轨阻抗检测系统18中，因为反相器(具有将其围绕的反馈)的供电导轨被用固定交流(AC)振荡器信号驱动，因此在没有反馈通路时不存在振荡的问题，如随后所述。
与传感器垫6相比，第二环绕聚焦板14以较高的交流电压进行驱动，其通过在环边界体积(ring boundary volume)中穿过由外部装配部件形成的结构将较高的电压施加至该聚焦环板的右侧，使得场力线变直。随着该电压抵达表面，其由于接近接地而减小。现在可以看出，即使在内部电容率大或电阻率小的情况下，或者在表面上存在传导覆层19的情况下，场力线也变得更加平行，如图1中的箭头所示。任一种或全部影响均被用该较高的电压驱动第二环绕聚焦板14而抵消。这减小了对地的内部寄生电容，并增加了从传感器垫6近似垂直地到对象4的这部分场力线。对象4可以是导体，或者是部分导体或绝缘体。它被假定为接地或电容性接地。
根据一种实施例，传感器装置2包括多于两个环绕聚焦板10和14，所述板彼此围绕，每个板被用电压振幅随所述板与传感器垫的距离增大而增大的信号驱动。
当多个传感器装置2被用来检测检测区域中的物体的存在时，上述传感器装置2可被用作阻抗要被测量的垫，或者用作电压或电流发送器，或者用作电压或电流接收器。
受驱动导轨阻抗测量系统18使用反相器20。反相器20可以由两个极性相反的漏极连接的增强型金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)构成，或者由具有建立在导轨之间的某点处的非反相输入的运算放大器构成。保护板16连接到反相器20的VSS导轨。供电导轨驱动器22具有至反相器20的VDD导轨和VSS导轨的直流(DC)偏压输出24和26。
至供电导轨驱动器22的输入28来自开关30，该开关30是形成线路35的三个开关30、32、34的T形排布的一部分。开关32连接到振荡器36，而开关34连接到接地端38。开关34被置于开关30和32之间。如果开关30和32闭合而开关34断开，则振荡器36连接到供电导轨驱动器22的输入28，使得直流(DC)偏压输出24和26交流(AC)地跟随振荡器36。当电路要被用作接收器时，即，当不欲驱动导轨时，开关34被用来通过将线路35连接到0V来增大隔离。
虚地输入40以交流(AC)方式紧随反相器导轨。这意味着保护板16可以被VSS导轨26或VDD导轨或者至导轨驱动器22的输入28所驱动，以减小传感垫6和保护板16之间的有效电容。
当开关30和32断开时，振荡器36不再连接到供电导轨驱动器22的输入28。开关34闭合，使得连接开关32与开关30的线路35通过开关34连接到接地端38。这消除了振荡器信号越过开关30两端的电容的所有馈通。
与采用在前部的多路复用器(这些多路复用器的供电线路被驱动，以使得对导轨的电容有效地小)的电路所实现的相似功能相比，上述系统可以使用连接到传感器垫6的长同轴线缆来测量高频率和小电容，而没有寄生振荡(spurious oscillation)。
在输入线路中无需多路复用器地对功能(阻抗测量器、发送器或者接收器)进行选择的这种方式消除了假信号，特别是所述选择是使用周期数量固定的发射振荡器、在过零点处完成的时。因为这种转换是在低阻抗下完成的，所以实现了这样的效果，从而，在相对高的阻抗下出现的、由开关的电容产生的所有假信号的影响将小得多。该无假信号(non-glitch)的性能提高了不同的板被选择作为发送器或接收器的速度。
Claims (7)
1.一种用于机动车的外部装配部件(1)，包括传感器装置(2)，所述传感器装置(2)用于检测其上安装有所述外部装配部件的机动车附近的检测区域中的物体，其中，所述传感器装置(2)包括传感器垫(6)，所述传感器垫(6)用于通过测量由机动车附近的检测区域中的物体(4)的存在所引起的所述传感器垫(6)的阻抗变化来检测所述检测区域中的物体(4)，所述传感器装置(2)还包括相对于所述检测区域布置在所述传感器垫(6)后面的后聚焦板(8)和围绕所述传感器垫(6)布置的第一环绕聚焦板(10)，所述传感器装置(2)包括信号发生器，所述信号发生器用具有预定的恒定相位、频率和电压振幅的相同信号来驱动所述传感器垫(6)、所述后聚焦板(8)和所述第一环绕聚焦板(10)，所述传感器装置(2)还包括至少一个围绕所述第一环绕聚焦板(10)布置的第二环绕聚焦板(14)，所述第二环绕聚焦板(14)被用与驱动所述传感器垫(6)的信号相比具有更大电压振幅的信号驱动，其特征在于，在所述外部装配部件的外表面上布置有传导层(19)。
2.根据权利要求1所述的外部装配部件，其特征在于，所述传感器垫(6)的阻抗由受驱动导轨阻抗测量系统(18)控制，所述受驱动导轨阻抗测量系统(18)包括反相器(20)、振荡器(36)、供电导轨驱动器(22)以及开关(30、32、34)，所述供电导轨驱动器(22)具有用于所述反相器的供电导轨的两路直流偏压跟随放大器输出，所述开关(30、32、34)通过接通和断开所述振荡器对所述反相器(20)的所述供电导轨驱动器(22)的输入的驱动，将所述垫的功能从接收器变为发送器／阻抗测量器。
3.根据权利要求1或2所述的外部装配部件，其特征在于，其还包括多于两个的环绕聚焦板(10、14)，所述板彼此围绕，每个板被用电压振幅随着所述板与所述传感器垫(6)的距离增大而增大的信号进行驱动。
4.根据权利要求1所述的外部装配部件，其特征在于，其包括至少两个传感器装置(2)，一个传感器装置(2)用作电压或电流发送器，而另一个装置用作电压或电流接收器，测量所述传感器装置(2)之间的耦合电容以判断所述检测区域中的物体的存在，或者测量所述传感器装置(2)的每个传感器垫(6)的阻抗以判断所述检测区域中的物体的存在。
5.根据权利要求1所述的外部装配部件，其特征在于，所述传感器装置(2)被固定至所述外部装配部件(1)的内表面。
6.根据权利要求1所述的外部装配部件，其特征在于，所述传感器装置(2)由所述外部装配部件的材料包覆模制。
7.一种机动车，包括至少一个外部装配部件(1)，其特征在于，所述外部装配部件(1)为根据权利要求1至6中任一项所述的外部装配部件。
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