CN103217185B

CN103217185B - 用于诊断电容传感器的装置及方法

Info

Publication number: CN103217185B
Application number: CN201310019571.5A
Authority: CN
Inventors: 马克·多马尔·赫赖斯; 劳拉·卡斯蒂罗-瓦兹奎兹; 安东尼·费雷·法布雷加斯
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: US9791494B2; DE102013200871A1; US20130187664A1; CN103217185A

Abstract

本发明公开了用于诊断电容传感器的装置及方法。在至少一个实施方案中，提供了用于诊断电容传感器的状态的装置。装置包括用于被可操作地耦合到表现漂移状态的去耦装置和电容传感器的控制单元。控制单元被配置成至少基于阻抗来确定电容传感器的阻抗和确定电容传感器的特性。控制单元还被配置成基于电容传感器的特性来确定去耦设备的特性，并基于去耦设备的特性提供估计电容，估计电容指示电容传感器的状态。

Description

用于诊断电容传感器的装置及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年1月20日提交的美国临时申请号61/588969的权益，并要求在2013年1月8日提交的美国申请号13/736303的优先权，其公开内容通过引用的方式全部并入本文。

技术领域

本文公开的实施方案通常涉及用于诊断电容传感器的装置和方法。

背景技术

可期望的是对电容传感器实施诊断。对电容传感器实施诊断的一个示例在Garrard等的美国出版号2010/0043531(“′531出版物”)中提出。

′531出版物提供了用于检测具有至少两个经由包括一个或更多电容器的保护电路连接的端子的远程电容传感器的存在的检测器电路。检测器电路包括用于改变在传感器上的电荷的电流源和保护电路以及用于测量一个或更多的端子的电压的检测器。传感器的存在通过以预定的方式改变电容传感器和保护电路的一个或更多的电容器上的电荷来确定，以使当传感器存在时的一个或更多的端子上的电压测量与当没有传感器时的电压测量显著地不同。

发明内容

在至少一个实施方案中，提供了用于诊断电容传感器的状态的装置。装置包括用于可操作地耦合到表现出漂移状态的去耦设备和耦合到电容传感器的控制单元。控制单元被配置来确定电容传感器的阻抗，并至少基于阻抗确定电容传感器的特性。控制单元还被配置基于电容传感器的特性来确定去耦设备的特性，并基于去耦设备的特性提供估计电容，估计电容指示电容传感器的状态。

其中所述电容传感器的所述特性可与所述电容传感器的电阻相对应。

其中所述电容传感器的所述电阻可与所述电容传感器的最小电阻值相对应。

其中所述去耦设备的所述特性可与所述去耦设备的电容相对应。

其中所述电容传感器的所述特性和所述去耦设备的所述特性可补偿表现在所述去耦设备的漂移。

其中所述控制单元还可被配置来比较所述估计电容和预定的电容值，以诊断所述电容传感器。

其中所述控制单元还可被配置为，如果所述估计电容超出所述预定的电容值，则确定所述电容传感器表现出故障状态。

在另一实施方案中，提供了一种用来诊断电容传感器的状态的方法，所述方法包括：

确定所述电容传感器的阻抗；

至少基于所述阻抗，确定所述电容传感器的特性；

基于所述电容传感器的所述特性，确定表现出漂移状态的去耦设备的特性；和

基于所述去耦设备的所述特性，提供估计电容，所述估计电容指示所述电容传感器的状态。

所述方法还可包括使用所述电容传感器的所述特性和所述去耦设备的所述特性来补偿表现在所述去耦设备的漂移。

所述方法还可包括比较所述估计电容和预定的电容值，以诊断所述电容传感器。

所述方法还可包括如果所述估计电容超出所述预定的电容值，则确定所述电容传感器表现出故障状态。

在另一实施方案中，还提供了一种用于诊断电容传感器的状态的装置，所述装置包括：

控制单元，其被可操作地耦合到去耦设备和所述电容传感器，所述去耦设备表现出漂移状态并被配置成防止能量转移到所述电容传感器，所述控制单元被配置来：

确定所述电容传感器的阻抗；

至少基于所述阻抗，确定所述电容传感器的特性；

基于所述电容传感器的所述特性，确定所述去耦设备的特性；及

其中所述控制单元还可被配置成比较所述估计电容和预定的电容值，以诊断所述电容传感器。

附图说明

通过参照下面的详细描述并配合所附的图，不同的实施方案的特性将变得更加清楚，并将被最好的理解，其中：

图1示出了根据一个实施方案的用于诊断电容传感器的装置；

图2示出了根据一个实施方案的用于诊断电容传感器的装置；

图3示出了表示图1的装置的方框图的实现；

图4示出了根据一个实施方案的用于校准电容的值的装置；

图5A-5B每个示出了根据一个实施方案的作为电容的函数的电阻的值；

图6示出了对于一范围内的不同值的电阻的相对误差；

图7示出了用于实施电容传感器的诊断的方法，其补偿了去耦设备的漂移。

具体实施方式

如所需要的，本发明的详细的实施方案在本文中被公开；然而，可以理解的是，公开的实施方案仅是本发明的示例，其可以体现在不同的和替代的形式中。图不一定按照比例；一些特性可能被夸大或缩小，以显示特定组件的细节。因此，本文所公开的具体的结构和功能细节不能被解释为限制，而仅是作为用于指导本领域内的技术人员来不同地使用本发明的代表性基础。

本公开内容的实施方案通常被提供用于多个电路或其它电子设备。所有对电路和其它电子设备以及由其每个提供的功能的引用，不旨在被限制到仅涵盖本文所示出的和描述的。虽然特定的标签可能被分配到公开的不同电路或其它电子设备，该标签并不旨在限制电路和其它电子设备的操作的范围。该电路和其它电子设备也可以基于所需的特定类型的电气实现以任何方式相互组合和/或分离。应认识到的是，本文所公开的任何电路或其他电子设备可以包括任意数量的微处理器、集成电路、存储器设备(例如，FLASH、RAM、ROM、EPROM、EEPROM，或它们的其它合适的变体)和软件，这些部件相互合作以实施本文所述的操作。

本文中所提到的不同方面通常提供装置和方法来诊断通过去耦设备连接到测量电路的电容传感器。本公开内容的不同的特性可包括：(i)通过数字信号处理(DSP)技术在频域中实施的诊断。因为可使用测量电路的操作范围内的任何频率(或频率的组合)，这可能会引入大的灵活性，和(ii)不需要在使用期限内使用去耦设备的校准，并可以确保电容传感器的诊断误差在预定的范围内。

一个方面可以是确定具有电容行为的传感器(和/或元件)具有的并联电阻，以诊断由于该并联电阻的变化导致的泄漏。不同的实施方案可用于监视系统中的故障，例如但不限于，通过电容传感器探测座椅占用情况(例如，汽车工业)或使用大的去耦电容(例如，作为汽车(或交通工具)高压(HV)系统中的C_Y电容器)的系统。

图1示出了根据一个实施方案的用于诊断电容传感器12的装置10。装置10包括用于诊断电容传感器12的测量电路14。测量电路14包括微控制器单元(MCU)16，其被配置来产生数字域中的命令信号(例如，x[n])，并通过测量信号(例如，r[n]，基准信号)和(例如，v[n]，电压信号)来确定电容传感器12的阻抗，并将应用DSP技术用于测量相同的信号。数字到模拟转换器(DAC)18被配置来将命令信号的数字形式x[n]转换成相应的模拟信号x(t)。第一模拟到数字转换器(ADC)20被配置来将基准信号(例如r(t))的基于模拟的信号转换成相应的数字信号r[n]。第二ADC22被配置为将基于模拟的信号v(t)转换成相应的数字信号v[n]。

第一电压传感器24通常被配置来感测模拟域中的信号r(t)。此外，第二电压传感器26通常被配置来感测模拟域中的信号v(t)。这样的信号可由具有大的阻抗隔离以防止误差被引入到所测量的阻抗的第一电压传感器24和第二电压传感器26感测。例如为电容器(C_x)的去耦设备28被提供以将电容传感器12从测量电路14去耦。例如，去耦设备28通常被布置来防止能量从测量电路14转移到电容设备12。图1的去耦设备28通常被布置为半去耦电路，其中在电容传感器12和测量电路14之间使用共地。

图2总体示出装置10′，其与图1的装置10类似。然而，装置10′提供了具有全去耦电路的形式的去耦设备28a-28b(“28”)，其中电容传感器12从测量电路14完全地隔离。通常，可以预期的是，去耦设备28可能不需要在其使用期限内进行校准。还认识到的是，电容传感器12的诊断误差通常在预定的范围内。电容传感器12通常被建模为与电容器C_x并联的电阻。

装置10和10′可以被配置来实施以下操作：(i)测量电容传感器12以及去耦装置28的总阻抗，和(ii)不需要校准去耦设备28，在预定义的误差内确定电容传感器12的R_y和C_y的值。通常情况下，R_y和C_y的值由MCU16通过基于信号x[n]、y[n]和v[n]应用欧姆定律来计算。

图3示出了表示图1的装置10的方框图实现。为测量总阻抗，装置10将生成由在所期望的频率的一个或多个子载波组成的信号(例如，x[n])，并在去耦装置28之前实施电压和电流信号(例如，分别为v(t)和r(t))的频域分析。换句话说，所测得的总阻抗是使用如在C_y(例如，去耦电路28)的左边示出的电压(例如，如在图3中示出为V)和电流(例如，如在图3中示出为I)的值来计算。

通常，产生多载波信号的概念是在不同的频率确定总阻抗，以使装置10、10′可确定哪些是确定元件R_y和C_y的值最适于使用的频率。这可能包括(i)放弃那些存在干扰的频率(例如，举个例子，存在AC功率信号的情况，装置10、10′可以检测到在50Hz(或60Hz)存在干扰，并自动放弃这个频率)，和/或(ii)放弃可能发生不需要的电路响应可将大的测量误差引入测量这一情况的频率。

产生的信号x(t)包括N个正交子载波，如下所示：

x (t) = Σ_{k = - N / 2}^{N / 2 - 1} X_{k} \cdot e^{j 2 {πf}_{k} t}, 0 \leq t \leq T_{s}

其中X_k是在频率f_k＝k/T_s的子载波的振幅以及T_s是信号的持续时间。每个子载波的振幅可允许(i)如果不使用子载波，X_k采用0，如果使用子载波则采用{-1，1}，或(ii)对于信号x(t)是实数值，子载波振幅应该为对称的：(例如，厄米对称)，其中星号表示复共轭。

由于信号x[n]由MCU16产生，离散的(数字)公式可被使用来替代如上面直接提供的连续的(模拟)公式。例如，x[n]可以用来表示在数字域的时间域信号x(t)，以及X_k可被用来表示在数字域中的频域信号。可以示出的是，x(n)可以通过采用N/N_s-比例的、由{X_k}：[X₀，X₁，...，X_N-1]所构成的矢量的逆离散傅立叶变换(IDFT)获得：

x [n] = \frac{1}{N_{s}} Σ_{k = 0}^{N - 1} X_{k} e^{\frac{j 2 π k n}{N}}, n = 0, 1, ..., N - 1,,

其中N_s是有效子载波的数目(例如，具有不等于0的振幅)以及N是的IDFT的大小。

为潜在地避免初始的过渡状态，并因此确保在稳态中计算阻抗，长度N_cp的循环前缀被添加到信号的开始处。这可以通过简单地将所产生的时域信号的最后样本复制到开始处来完成。所以，循环前缀的长度N_cp应被选择，以使N_cp·T_s大于初始过渡。

要测量电容传感器12的总阻抗，装置10、10′可能需要(i)在去耦设备28的输入端获得相应的电压和电流信号，(ii)放弃第一N_cp样本，(iii)将剩余的信号变换到频域中(例如，v[n]和r[n])，和(iii)通过使相应的电压和电流值相除确定电容传感器12在特定频率的阻抗。例如，让我们在DFT窗口内(参见图1和图2)分别地定义r[n]，n∈[0，N-1]为参考信号(例如，来自DAC18的输出端)以及定义v[n]，n∈[0，N-1]为电压信号(例如，在去耦装置28的输入端)。电容传感器12的阻抗可以计算如下：

1.确定输入电流如i[n]＝(r[n]-v[n])/R_x

2.通过N_s/N-比例的DFT的方式将电压信号转换到频域：

V [k] = \frac{N_{s}}{N} Σ_{n = 0}^{N - 1} v [n] \cdot e^{- j 2 π k n / N}, k &Element; Q

其中Q是子载波的索引的集合，其振幅不等于零而且值在范围[0，N/2]内。

3.通过N_s/N-比例的DFT方式将电流信号转换到频域：

I [k] = \frac{N_{s}}{N} Σ_{n = 0}^{N - 1} i [n] \cdot e^{- j 2 π k n / N}, k &Element; Q

4.在如下的子载波k确定电容传感器12的总阻抗：

Z [k] = \frac{V [k]}{I [k]}, k &Element; Q

认识到的是，2011年10月31日提交的共同未决的美国专利申请13/286174(“′174申请”)还公开了至少一个用于确定阻抗的实现。在′174申请中提出的实现其全部内容通过引用并入本文。

通常，子载波的数目也许比DFT的大小要小。因此，为了减少计算的复杂性，可能没有必要采用整体的DFT(或FFT)。而是，可以在所需的子载波处计算复振幅。此外，由于离散时间域信号r[n]和v[n]是实数，其遵循频域信号是厄米对称的。因此，计算索引在[0，N/2]范围内的子载波的复振幅是足够的。考虑到这一点，装置10、10′可如下确定电容传感器12的总阻抗：

1.确定输入电流如i[n]＝(r[n]-v[n])/R_x

2.通过将其投射到每个DFT系数矢量确定电压信号在N_s频率分量的复数振幅：

V [q_{k}] = Σ_{n = 0}^{N - 1} v [n] \cdot w^{q_{k}} [n], k = [1, 2, ..., N_{s}]

其中

w^{q_{k}} = [w^{q_{k}} [0], w^{q_{k}} [1], ..., w^{q_{k}} [N - 1]]

和

w^{q_{k}} [n] = \frac{N_{s}}{N} e^{- j 2 {nq}_{k} n / N} .

3.通过将其投射到每个DFT系数矢量确定电流信号在N_s频率分量的复数振幅：

4.确定在N_s频率分量处的总阻抗为：

Z [q_{k}] = \frac{V [q_{k}]}{I [q_{k}]}, k = [1, 2, ..., N_{s}]

可选的是，按照傅里叶变换的线性属性，装置10、10′可确定阻抗为：

Z [q_{k}] = \frac{V [q_{k}] \cdot R_{x}}{R [q_{k}] - V [q_{k}]}, k = [1, 2, ..., N_{s}]

(公式A)

其可能会导致降低计算复杂度。项R[q_k]是基准信号在N_s频率分量上的复振幅，这是通过将基准信号投射到每个DFT系数矢量而计算得到的。

通常，去耦设备28a(例如，电容器C_x)，可因为老化或环境出现一些随时间偏移的形式。这种漂移可能影响装置10、10′测量电容传感器12的阻抗的能力，并因此影响电容传感器12被诊断的方式。以下说明的本公开内容可补偿在去耦装置28的该漂移。例如，假定去耦电容C_x的值是已知的。在这样的情况下，来确定如在图1中说明的半去耦实现中的测量电路12和电容传感器12的R_y和C_y，确定可包括求解有两个未知数的两个方程：

Z - Z_{C_{x}} = {(R_{y}^{- 1} + Z_{C_{y}}^{- 1})}^{- 1}

其中和分别是C_x和C_y的阻抗。其结果是：

其中和分别表示实部和虚部部分，对于完全去耦电容传感器，方程变成：

Z - 2 \cdot Z_{C_{x}} = {(R_{y}^{- 1} + Z_{C_{y}}^{- 1})}^{- 1}

其结果为：

在实际中，由于公差、老化、温度漂移等，电容器C_x的实际值可能不已知为具有足够的精度。对于电容传感器12的诊断目的，这在R_y和C_y的估计中引入了较大的误差。如在图4中示出的，这样的实现包括测量R_y和C_y之前校准C_x的值。然而，这个实现可能是昂贵的，因为可能需要额外的硬件。认识到的是，在图4中的实现在某些情况下可以不被实现。

正如上文所述，本公开的不同的方面可无需详细的校准而从总阻抗Z确定R_y和C_y，同时确保电容传感器12的诊断误差在预定的范围内。本公开内容的数学背景可以基于测量电路14和电容传感器12被实现在半去耦布置中。认识到的是，如本文所提供的公开内容还可以被扩展以适用于全去耦布置。

装置10、10′(例如，MCU16)实施关于R_y的下限的第一计算、然后确定C_y。这可能适合于Ry的估计应在负的相对误差范围内给出的应用。也就是说，被估计的R_y应该是小于R_y的实际值，但具有预定义的精度。

如本文所提供的实现可以基于的事实是，假设使用了足够小的频率，该表达式

(公式B)

对于给定的Z和w，实际值为C_x时为最小的，以及该最小值是R_y的实际值(或至少具有预定义的精度的下界)。在频率不足够小的情况下，则表达式的最小值不再处于R_y的精确的实际值中，但误差可以被预定义。图5a-5b描述了R_y＝f(C_x)的值。如可在图5a中观察到的，表达式(例如，R_y＝f(C_x))的最小值与R_y的实际(分析)值相一致，而在图5b中，R_y＝f(C_x)的值通常是较小的，因为所使用的频率不足够小。

图6示出了作为实际值的函数的R_y的估计的相对误差。对于R_y的低值，如可被观察到的，误差是可以忽略的，对于大的值，误差被限制在给定的值(例如，-19％)。

图7示出了用于实施电容传感器12的诊断的方法70，其补偿了去耦装置28的漂移。

在操作72中，MCU16(或测量电路14)通过如上面所列出的等式A确定电容传感器12和去耦设备28(例如，如结合图1和图2所指出的)的总阻抗(Z)。

在操作74中，MCU16确定对于Z和w_x的R_y的值(例如，电容传感器12的特性)，假定C_x的不同的值在标称值(或C_x的实际值)周围：

R_y＝f(C_x)，

C_{x} &Element; [1 - Δ, 1 + Δ] \cdot C_{x}^{(n o m)}

其中Δ应被选择为大于由公差、老化、温度漂移等所造成的在C_x(或去耦设备28)(参见公式B)的标称值周围的最大变化。可选的是，在测线终点的C_x的初始校准可被实施以减少估计范围。要注意的是，在这种情况下，充分考虑由公差所导致的变化可能不是必须的。

在操作76中，MCU16确定或估计作为f(·)的最小值的R_y的最小值和作为最小化函数f(·)的自变量的C_x：

R_{y}^{(e s t)} = \min {f (C_{x})}

C_{x}^{(e s t)} = \arg \min {f (C_{x})}

换句话说，MCU16确定R_y的最小值(或如上文所列出的公式B的最小值)来确立R_y ^(est)。此外，MCU16确定最小{f(C_x)}的复数部分(或虚部)以提供C_x的估计值或C_x ^(est)(或去耦电路28的特性)。通常，R_y和C_x ^(est)的最小值的确定，可补偿出现在去耦装置28的漂移。

在操作78中，MCU16如下基于C_x ^(est)、总阻抗(Z)，和w估计C_y以实施电容传感器12上的诊断：

MCU16比较C_y ^(est)和预定值来确定电容传感器12是否正处于故障中。如果C_y ^(est)超过预定值，则MCU78确定电容传感器12出现故障并电子发送通知来通知用户该故障状态。如果没有，则MCU16确定电容传感器12正在正常工作。

认识到的是，当在车辆或其它设备中时，方法70可被周期性地实施，而装置10、10′按要求实施。

虽然示例性实施方案在上面进行了描述，其目的不是这些实施方案描述了本发明的所有可能的形式。而是在本说明书中使用的词语是描述性的而不是限制性的词语，以及应理解的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出不同的改变。另外，不同的实现实施方案的特性可以被组合以形成本发明的另外的实施方案。

Claims

1.一种用于诊断电容传感器的状态的装置，所述装置包括：

控制单元，其被可操作地耦合到表现漂移状态的去耦设备并耦合到所述电容传感器，所述控制单元被配置来：

确定所述电容传感器的阻抗；

至少基于所述阻抗，确定所述电容传感器的特性；

2.如权利要求1所述的装置，其中所述电容传感器的所述特性与所述电容传感器的电阻相对应。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述电容传感器的所述电阻与所述电容传感器的最小电阻值相对应。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述去耦设备的所述特性与所述去耦设备的电容相对应。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述电容传感器的所述特性和所述去耦设备的所述特性补偿所述去耦设备所表现的漂移。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述控制单元还被配置来比较所述估计电容和预定的电容值，以诊断所述电容传感器。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述控制单元还被配置为，如果所述估计电容超出所述预定的电容值，则确定所述电容传感器表现出故障状态。

8.一种用来诊断电容传感器的状态的方法，所述方法包括：

确定所述电容传感器的阻抗；

至少基于所述阻抗，确定所述电容传感器的特性；

9.如权利要求8所述的方法，其中所述电容传感器的所述特性与所述电容传感器的电阻相对应。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述电容传感器的所述电阻与所述电容传感器的最小电阻值相对应。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述去耦设备的所述特性与所述去耦设备的电容相对应。

12.如权利要求8所述的方法，还包括使用所述电容传感器的所述特性和所述去耦设备的所述特性来补偿所述去耦设备所表现的漂移。

13.如权利要求8所述的方法，还包括比较所述估计电容和预定的电容值，以诊断所述电容传感器。

14.如权利要求13所述的方法，还包括如果所述估计电容超出所述预定的电容值，则确定所述电容传感器表现出故障状态。

15.一种用于诊断电容传感器的状态的装置，所述装置包括：

确定所述电容传感器的阻抗；

至少基于所述阻抗，确定所述电容传感器的特性；

16.如权利要求15所述的装置，其中所述电容传感器的所述特性与所述电容传感器的电阻相对应。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述电容传感器的所述电阻与所述电容传感器的最小电阻值相对应。

18.如权利要求15所述的装置，其中所述去耦设备的所述特性与所述去耦设备的电容相对应。

19.如权利要求15所述的装置，其中所述电容传感器的所述特性和所述去耦设备的所述特性补偿所述去耦设备所表现的漂移。

20.如权利要求15所述的装置，其中所述控制单元还被配置成比较所述估计电容和预定的电容值，以诊断所述电容传感器。