CN102983851B - 电容传感器系统 - Google Patents

Abstract

电容传感器系统，其具有传感器评估和控制电路(4)、基准电极(2)和用于检测物体(10)接近的电容式传感器的与传感器评估和控制电路(4)联接的传感器电极(1)。传感器评估和控制电路(4)为检测传感器电极(1)与基准电极(2)之间的电容而构成。修正电极(6)与控制电路(4)联接，其中，传感器评估和控制电路(4)为调整修正电极的电位而构成。传感器评估和控制电路(4)如下方式地构成，即，依赖于通过传感器评估和控制电路(4)检测到的、传感器电极(1)与基准电极(2)之间电容的测量数据，修正电极(6)的电位能够改变，以改变传感器系统的灵敏度。

Description

电容传感器系统

技术领域

本发明涉及一种电容式接近传感器系统，其具有至少一个与基准电极相距设置的传感器电极和修正电极以及与至少一个传感器电极、修正电极和基准电极连接的控制电路，其中，控制电路具有用于测量至少一个传感器电极相对于基准电极的电容的测量电路。

本发明此外涉及一种用于使电容式接近传感器运行的方法，该电容式接近传感器具有至少一个与基准电极相距设置的传感器电极和修正电极并与连接至少一个传感器电极、修正电极和基准电极的控制电路联接，其中，至少一个传感器电极相对于基准的电容由控制电路的测量电路测量。

背景技术

开头所称类型的传感器电子装置例如用于检测操作者(驾驶员)的手接近机动车的门把手。在检测到操作者的手接近时，设置在机动车上的电子控制装置启动对操作者携带的ID发送器(电子钥匙)、也就是对操作者随身携带(例如衣服口袋里或公文包内)的发射应答器或无线电收发器的无线电查询。这种无线电查询例如利用在例如125kHz的频率范围内、也就是LF频率范围内无线电信号的发送而进行，其中，为发射而使用例如设置在门把手内部的线圈。只要ID发送器处于发送线圈的接收范围内，该ID发送器就接收无线电信号，识别其中的身份验证要求，并且还在该ID发送器方面在更高的频率范围(例如在兆赫的频率范围)内发送应答信号，该应答信号包括对ID发送器进行身份验证的代码。机动车的控制装置接收该应答，检验代码并且然后利用由操作者握住的门把手开放对门锁的操作。检测操作者接近的传感器因此特别是为此使用，以便不必由发送线圈一直发送查询信号。查询信号仅在检测到操作者的身体部分接近的情况下才发送。

这种类型的传感器系统其他方面例如也可以在可由驱动装置运动的门或盖板的防夹装置上应用。这种应用以及开头所称类型的电容式接近传感器系统例如在公开文献EP1 164 240 A2或DE 10 2006 044 778 A1中有所介绍。

相应的电容式接近传感器此外在文献EP 1 339 025 A1或文献EP 1 235 190中有所介绍。此外，传感器的基本原理例如在文献US 5.730.165 A中公开。

这种传感器方面重要的是电容的评估，该电容通过侵入检测范围内的物体而改变。在这种接近传感器中，用于检测传感器电极相对于地线的电容的测量电路在专利文献DE 196 81 725 B4中有所介绍。

为改善具有传感器电极的电容式传感器的灵敏度或为扩大传感器作用距离而提出，传感器电极与机动车侧处于后面的金属接地面(接地面也可以存在于门把手内部的电路内)之间设置屏蔽金属面、电极挡板或屏蔽电极，其中，这些屏蔽金属面的电位借助电压跟随电路跟踪传感器电极的电位(在两个电极没有直接相互联接的情况下)。这种类型的主动屏蔽例如在文献EP 0 518 836 A1中有所介绍。

这种挡板作用拓展了电极，如其在地线与传感器电极之间安置并在其电位上跟踪传感器电极。在这种情况下，传感器电极的电场场线在(处于相同电位上的)屏蔽电极周围分布和传感能力得到改善。传感器电极与基准电极之间屏蔽的接入减少了传感器评估和控制电路内流动的电流或施有的电压对传感器电极的影响。

但这种对传感能力灵敏度的影响并非在所有外部条件下均足够。

发明内容

本发明的目的因此在于，提供一种用于改变接近传感器系统灵敏度的简单可能性。

该目的依据本发明通过如下电容式接近传感器系统得以实现，其具有：传感器评估和控制电路；基准电极，该基准电极与传感器评估和控制电路联接；用于检测物体接近的电容式传感器的、与所述传感器评估和控制电路联接的传感器电极，其中，传感器评估和控制电路为检测传感器电极与基准电极之间的电容而构成；修正电极，该修正电极与传感器评估和控制电路联接，其中，传感器评估和控制电路为调整修正电极的电位而构成，其特征在于，传感器评估和控制电路如下方式地构成，即，修正电极的电位能依赖于通过传感器评估和控制电路检测到的传感器电极与基准电极之间的电容测量数据地且不依赖于传感器电极的电位地改变，以改变传感器系统的灵敏度。

传感器系统首先具有传感器评估和控制电路。此外，基准电极与传感器评估和控制电路联接。同样与传感器评估和控制电路联接的是用于检测物体接近的电容式传感器的传感器电极。

传感器评估和控制电路为检测传感器电极与基准电极之间的电容而构成。对传感器电极和基准电极来说额外的、与控制电路联接的修正电极就其相对于基准电极的电位或电压可以进行调整。

依据本发明，传感器评估和控制电路如下方式地构成，即，依赖于通过传感器评估和控制电路检测到的、从传感器电极导出的测量数据，修正电极的电位可以改变，以改变传感器系统的灵敏度。

该目的依据本发明此外通过如下用于检测操作者接近的方法得以实现，其中，使用一种系统，该系统具有：传感器评估和控制电路；基准电极，该基准电极与传感器评估和控制电路联接；用于检测物体接近的电容式传感器的、与传感器评估和控制电路联接的传感器电极，其中，传感器评估和控制电路为检测传感器电极与基准电极之间的电容而构成；设置在传感器电极与基准电极之间的修正电极，该修正电极与所述传感器评估和控制电路联接，以便调整修正电极的电位，该方法具有以下步骤：利用传感器评估和控制电路检测与传感器电极相对于基准电极的电容相关的测量数据；对测量数据进行评估，并且从测量数据的时序中确定传感器系统的灵敏度的表征值；偏离于传感器电极的电位地、并依赖于表征值地提高或降低修正电极的电位，以改变传感器系统的灵敏度。

依据这种用于检测操作者接近的方法使用一种系统，其具有传感器评估和控制电路、基准电极，该基准电极与传感器评估和控制电路联接。此外，设置有用于检测物体接近的电容式传感器的、与传感器评估和控制电路联接的传感器电极。

利用传感器评估和控制电路检测传感器电极与基准电极之间的电容。对传感器电极和基准电极来说额外设置的修正电极与控制电路联接，以便调整修正电极的电位。

依据本发明，利用传感器评估和控制电路检测体现传感器电极相对于基准电极的电容的测量数据。电极系统的灵敏度在依赖于测量数据的情况下通过提高或降低屏蔽电极的电位(或也通过提高或降低屏蔽电极相对于基准电极的电压)加以改变。

传感器电极(或多个传感器电极)的形状和设置主要依赖于电容式接近传感器所希望的使用目的，特别是依赖于传感器电极设置地点的结构情况、所希望的灵敏度和使用地点处预期的环境条件。传感器电极可以构成为扁平带、电缆的导电元件或同轴电缆的组成部分(特别是外导线)。上述参考意见给出传感器电极的可能构成。

重要的是，传感器电极设置在靠近使用位置的区域内，以便使进入检测范围内的物体改变传感器电极周围的电介质。因为由传感器电极与基准电极之间的场线穿过的电介质的这种改变也改变系统的电容并造成可检测的测量改变。

概念“修正电极”在本申请的框架内应这样理解，即电场能够受到该电极介入的影响、畸变和定向。

修正电极在其他申请的语境中和在受限的功能性下也称为“屏蔽电极”或英文“Shield Electrode”。但在本发明的框架内，修正电极的功能超出屏蔽电极的功能，从而在这里使用扩展修正电极概念的其他概念。

修正电极的电位在本发明的框架内可偏离于传感器电极的电位地选择并不仅跟随、而且明显偏离于该电位。因此电场在与外部情况的匹配下偏离地修改。因此修正电极的概念比屏蔽电极的概念广泛。

如何检测传感器系统的电容以便探测物体进入检测范围时电容的变化的基本方案例如由上述文献公知。适用于检测电容的示例电路在EP 2 013 A2中公开。

检测电容的途径依据一种得到验证的情况而在于，与传感器电极联接的控制和评估电路以如下方式检测传感器电极相对于基准电极电位(例如地线电位)的电容变化，即，该控制和评估电路将传感器电极以预先规定的频率周期性反复地与预先规定的第一电位，例如与工作电压电位联接，并且为检测电容变化对依赖于传感器电极的周期性充电和放电的电流变化曲线和电压变化曲线的至少一个参数进行评估。所述电压变化曲线例如可以是传感器电极接线端上的电压变化曲线。所述参数例如可以是在聚集电荷的电容器上测量的电压，或特定数量的、直到传感器电极上测量的电压超过开关阈值的充电和放电周期。

这种检测反复进行，从而使得例如由使用者介入导致的电介质改变引起参数跃变。参数通常通过同步的平均值进行匹配，从而在滑动平均值内考虑缓慢变化的、但也影响电容的环境影响。只有明显偏离于滑动平均值的值才识别为介入或接近。

本发明对电容检测的这种方案没有任何改变，这是因为修正电极并不直接影响测量过程。修正电极电压的改变虽然影响测定值，但所述测定值的检测如在依据现有技术的电容式装置中那样进行。因为电容测量的这一方面是公知的且对本发明不重要，所以表述上参考那些公开文献，以便为电容测定提供一种可能的途径。

本发明的一个重要元素在于，扩展屏蔽电极迄今为止的方案，并且使用屏蔽电极作为修正电极用于有针对性地影响传感器系统的灵敏度。

依据本发明的修正电极原则上在其基本功能上可以发挥与屏蔽电极相同的作用。于是，修正电极的电位跟踪传感器电极的电位，也就是将修正电极的电位调整到如传感器电极上存在的电位那样的同一电位上。但如果借助测量值测定出，传感器系统的灵敏度偏离于预先规定的额定范围，那么修正电极的电位相对于传感器电极有所改变。

修正电极通过这种电位改变引起传感器电极与基准电极之间、必要的话从修正电极旁经过地分布的场线变形。修正电极的电位相对于传感器电极既可以提高，也可以降低，但一般使用传感器电极的电位作为下限。如果相对于传感器电极提高修正电极的电位，那么传感器电极与基准电极之间的场线从修正电极周围的空间区域被排挤出并被扩展。如果修正电极设置在传感器电极与基准电极之间，那么超过传感器电极的电位的、修正电极的电位提高进一步向外挤压例如电场的场线(参见下部)。通过电容测量来评估的电场在其延伸和形状上因此可以通过本身测量过程不涉及的修正电极改变。

修正电极的电位相对于传感器电极何时进行改变，依赖于传感器电极的电容的评估方法。

如果选择上面介绍的方法，那么由基准电极-传感器电极组成的电容以高频逐步充电。根据充电需要的持续时间，也就是何时电容上的电压值超过阈值，通过评估电路可以测定电容的值。如果确定，充电周期的数量(脉冲串长度)偏离出预先规定的额定范围(其可以在多个充电周期上取平均)，那么这是系统的灵敏度的不适当调整的标志。电容变化虽然也可能是对操作或接近的提示，但是导致修正电极的电位进行匹配的改变发生在比由于接近而出现改变明显更长的时间常数的情况下。例如需要的充电周期的取平均可以在多秒或甚至多分钟内进行，以便考虑变化的环境影响(天气等)。

如果在这种评估后直到达到预先规定的充电阈值的持续时间例如过长，那么改变修正电极的电压，以便影响从传感器电极到基准电极的场线和改变系统的灵敏度。依据本发明，使测量场有针对性地成型，但无需对测量原理进行改变。在电极的绝对电位或电极之间的电压方面一般不涉及。在依据本发明的电容式接近传感器系统的一种优选实施方式中，基准电极的电位相当于地线。备选地可以设想的实施方式是，在该实施方式中基准电位相当于处在供电电位或供电电位与地线之间的恒定的中间电位。

修正电极的设置还有与传感器电极的距离和电极彼此的定向以及还有修正电极的形状本身在依赖于使用领域的情况下大幅度变化。例如修正电极以及传感器电极可以构成为板或金属层。电极也可以构成为圆柱体或圆柱体段以及球段，特别是当有针对性的场成型应当通过修正电极及其形状和电位的影响达到时。特别是除了第一修正电极外，其他修正电极也可以设置在其他位置上，以便给予场以更加复杂的形状，其中，这些修正电极甚至可以占据不同的电位。

在具有屏蔽电极的传感器系统中，该屏蔽电极大多设置在传感器电极与基准电极之间。这一点也可以依据本发明进行，如果修正电极在传感器电极与基准电极之间安置的话。但修正电极也可以取得其他位置和其他几何形状，例如以便有针对性地在传感器电极的段内使电场畸变。

传感器电极的和基准电极的电位优选脉冲式地改变。

实践中的驱控和评估经常在动态的、不是在静态的电场中进行，正如前面对可能的测量原理的参考意见示意的那样。电极系统的电位改变以高频进行。这样做的优点是，可以监测在电压脉冲之间、在所参与的电容的电荷交换(Umladung)时出现的充电和放电过程，并能够用于电容值的评估。频率通常为几kHz至几百kHz并允许时间分辨地检测电容。

传感器电极和修正电极优选以同一频率和相位以相对于基准电极的电压加载，或其电位以同一频率和相位进行调整。

在这种情况下，传感器电极和修正电极的时钟计时和驱控可以利用一个共同的系统进行控制，但其中，电极的电位可以不同。

在本发明的改进中，传感器电极驱控的相位利用电压脉冲相对于修正电极上的电压脉冲移动。

情况表明，通过彼此相对移动传感器电极和修正电极上(不同)的电压脉冲，可以进一步影响检测性能。传感器电极上的电压脉冲既可以超前于，也可以滞后于修正电极上的电压脉冲。脉冲长度也可以不同选取，用于传感器电极的电位调整的脉冲可以比修正电极的脉冲短或长，并且此外超前于该脉冲或滞后于该脉冲。

附图说明

下面借助附图所示的优选实施方式对本发明进行详细说明。其中：

图1a和1b示出具有各自不同电极电位的第一实施方式中依据本发明的系统；

图2示出修正电极上的电压的测量分布和电压改变的预定值的示意图。

具体实施方式

图1a示出依据本发明的接近传感器系统的示意图。电容式接近传感器包括至少一个传感器电极1，该传感器电极与接地面2相距设置。传感器电极1和接地面2在图1的示意图中作为矩形板示出。实践中接地面2由任意造型的导电表面，例如由车身结构件或也由印制电路板的金属化平面形成。传感器电极1同样可以采用几乎任何的形状。但优选是必要时具有外皮的电线或同轴电缆的导线。传感器电极1与至少一个连接线3连接，该连接线将传感器电极1与控制电路4联接，其中，也称为电子驱控装置的控制电路4在图1中作为方框示出。控制电路4此外包括电子评估装置或测量电路，用于相对于地线确定传感器电子装置的电容。控制电路4在图1示意示出的实施方式中通过其他连接线5与接地面2形式的地线连接。传感器电极1与地线之间可以测量确定的电容，该电容一方面依赖于传感器电极1相对于接地面2的形状和设置，以及另一方面既依赖于设置在传感器电极1与接地面2之间的介质，而且依赖于停留在传感器电极1周围的物体。如果通过连接线3和5在传感器电极1与接地面2之间施加电压，则传感器电极1与地线之间构成电场，该电场通常在传感器电极1与接地面2有最小距离的位置上取得其最高密度(最高场强)。最强的电场会直接在传感器电极1与接地面2之间的间隙内构成，而且仅小部分电场会伸入周围空间内。这一点又会意味着，处于空间内的物体的改变对电场并因此对传感器电极1与接地面2之间测量到的电容具有相对小的影响。为提高电容式传感器的灵敏度，传感器电极1与接地面2之间设置有修正电极6。修正电极6通过引线7同样与控制电路4连接。控制电路4负责在考虑到测量值的情况下不依赖于传感器电极1的电位地引导修正电极6的电位。使用这种具有相应驱控的修正电极6的后果是，传感器电极1与接地面2之间的间隙内不再构成强电场，而是电场主要扩散到传感器系统之上的空间内。这一点又导致整个系统的场强或电容更强地依赖于处于空间内的物体，也就是说，导致电容式接近传感器更高的灵敏度。

控制电路4包括用于测量至少一个传感器电极1相对于接地面2的电容的测量电路。为了测量该电容，存在各种各样的做法。在大多数方法中，在传感器电极1与地线2之间施加变化的电压，这一点又意味着，修正电极6的电位在考虑到传感器电极1的电位的情况下，但必要时必须与传感器电极1的电位不同地进行跟踪。测量电容和跟踪电位方面的基本做法由现有技术、例如由文献EP 1 164 240 A2、EP 0 518 836 A1、DE 196 81 725 D4或DE10 2006 044 778 A1公知。所以，修正电极电位的测量原理和跟踪技术在这里因此无需详细介绍。

图1a示出修正电极和传感器电极相对于基准电极处于相同电位上情况下的场线。这种情况与在其电位上跟踪传感器电极的、已经公知的屏蔽电极相同。在该示例中，传感器电极与基准电极之间的以及修正电极与基准电极之间的压差为5V。

图1b示出修正电极的电位相对于传感器电极的电位提高情况下的场线分布。传感器电极-基准电极的电压仍为5V。但修正电极-基准电极的电压为8V。从传感器电极到基准电极的场线由额外的场畸变进一步排挤到外部空间内。这些场线在此方面虽然在其距离上扩张，但穿过更大的空间。传感器电极与基准电极之间的电容受到影响。因为修正电极上的电压给定依赖于反复测定的测量数据进行，所以灵敏度和电容可以依赖于需要进行调整。

图1a与图1b之间存在的唯一区别在于，修正电极与基准电极之间的电压变大。但图1a中未被场线穿过的物体10在提高电压的情况下被检测到。

图2示意示出修正电极的电压的可能的调节能够如何进行。

反复通过测量和评估电路检测传感器电极-基准电极传感器系统的即时电容。正如上面介绍的那样，为此例如测定电容器充电到预先规定的充电状态(直至达到电容器上的阈值电压)需要的持续时间。这些时间作为竖条20在曲线图中示出。

滑动平均值22整平单次测量的波动，并可以表达电容发展关于中等和较长的持续时间(几十分之一秒到数秒或甚至数分钟)的趋势。

滑动平均值可接受的值范围通过范围23(虚线)示出。滑动平均值应当分布在该范围界线的内部。在时间点t1上，滑动平均值22离开该范围23，这是因为单次测量持续降到该范围以下。这一点可以说明环境条件(例如天气)的变化使传感器的电容下降，从而检测到更短的充电时间。

修正电极的电压V_Ri以例如1V的步长上调。传感器电极与基准电极之间的电场由此变形或重新定向。这一点由电极上改变的电荷分布造成。测量值20立即重新提高到额定范围23内，此后不久，滑动平均值22也达到额定范围。

但在时间点t2上，滑动平均值向上离开范围23，因此评估电路触发电压V_Ri的降低。测量值重新又运动到额定范围内。

范围23优选经验性地针对各自的传感器构成而测定，同样正如对修正电极上的电压提高进行分级那样。

重要的是，不参与测量评估的电极用于场成型，其中，其电位虽然受到考虑，但可与其余电极的电位偏离地调整，以改变传感器系统的灵敏度。

Claims (7)

1.传感器系统，其具有：

传感器评估和控制电路(4)，

基准电极(2)，所述基准电极与所述传感器评估和控制电路(4)联接，

用于检测物体(10)接近的电容式传感器的、与所述传感器评估和控制电路(4)联接的传感器电极(1)，其中，所述传感器评估和控制电路(4)为检测传感器电极(1)与基准电极(2)之间的电容而构成，

修正电极(6)，所述修正电极与所述传感器评估和控制电路(4)联接，其中，所述传感器评估和控制电路(4)为调整所述修正电极的电位而构成，

其特征在于，

所述传感器评估和控制电路(4)如下方式地构成，即，所述修正电极(6)的电位能依赖于通过所述传感器评估和控制电路(4)检测到的传感器电极(1)与基准电极(2)之间的电容测量数据且不依赖于所述传感器电极(1)的电位的改变，以改变所述传感器系统的灵敏度。

2.按权利要求1所述的传感器系统，其中，所述传感器评估和控制电路(4)利用同一频率的电压脉冲驱控所述传感器电极(1)和所述修正电极(6)。

3.按权利要求2所述的传感器系统，其中，所述传感器评估和控制电路(4)利用不同相位的电压脉冲驱控所述传感器电极(1)和所述修正电极(6)。

4.按权利要求2或3所述的传感器系统，其中，所述传感器评估和控制电路(4)利用不同脉冲宽度的电压脉冲驱控所述传感器电极(1) 和所述修正电极(6)。

5.用于检测操作者接近的方法，其中，使用一种系统，所述系统具有：

传感器评估和控制电路(4)，

基准电极(2)，所述基准电极与所述传感器评估和控制电路(4)联接，

用于检测物体(10)接近的电容式传感器的、与所述传感器评估和控制电路(4)联接的传感器电极(1)，其中，所述传感器评估和控制电路(4)为检测传感器电极(1)与基准电极(2)之间的电容而构成，

设置在所述传感器电极(1)与所述基准电极(2)之间的修正电极(6)，所述修正电极与所述传感器评估和控制电路(4)联接，以便调整所述修正电极的电位，

所述方法具有以下步骤：

利用所述传感器评估和控制电路(4)检测与所述传感器电极(1)相对于所述基准电极(2)的电容相关的测量数据，

对所述测量数据进行评估，并且从所述测量数据的时序中确定所述传感器系统的灵敏度的表征值，

不依赖于所述传感器电极的电位的、并依赖于所述表征值地提高或降低所述修正电极(6)的电位，以改变所述传感器系统的灵敏度。

6.按权利要求5所述的方法，其中，所述传感器系统的灵敏度的表征值从电容值的滑动平均值中推导出。

7.按权利要求5或6所述的方法，其中，对所述传感器电极和所述修正电极在同一频率下脉冲式地加载电压，以及其中，依赖于所述表征值地改变所述传感器电极和所述修正电极上的电压脉冲的相位，以改变所述传感器系统的灵敏度。