CN103391863A - 电容式占用者检测系统 - Google Patents

Abstract

一种电容式占用者检测系统，包括：至少一个感测电极，其被布置在座位坐垫的底侧上；座位加热器之类的结构，其将被布置在所述座位坐垫的顶侧上；以及评估单元，其可操作地耦合到所述至少一个感测电极，用于确定表示所述至少一个感测电极和所述座位加热器之类的结构之间的电容的值。

Description

电容式占用者检测系统

技术领域

概括地，本发明涉及电容式占用者（occupant）检测系统的领域，该系统例如在对汽车的辅助约束系统（例如安全气囊、安全带预紧器等）的调配的控制过程中或者在座位安全带提醒系统中使用。

背景技术

电容式测量和/或检测系统具有广泛的应用，并且尤其广泛地用于检测在系统的电极附近的导体的存在和/或位置。电容式传感器（被称为电场传感器或接近传感器）表示一种传感器，该传感器根据电场响应于被感测到的情况（人、人体的部分、宠物、物体等）的影响而产生信号。电容式传感器通常包括至少一个天线电极，当传感器工作时，振荡电信号被施加到所述天线电极且所述天线电极据此发射电场到邻近天线电极的空间区域中。该传感器包括至少一个感测电极，其自身可以包括一个或多个天线电极，在感测电极处检测物体或生物对电场的影响。

J.R.Smith所著，刊登于Computer Graphics I/O Devices，Issue May/June1998，pp54-60，标题为“Electric Field Sensing for Graphical Interfaces”的技术文献描述了电场感测的概念，其用于进行无接触的三维位置测量，且尤其用于感测人手的位置，从而向计算机提供三维位置的输入。在电容式感测的一般概念中，作者把其提及的不同机制区分为与各种可能的电流通道相对应的“加载模式”、“分流（shunt）模式”和“发射模式”。在“加载模式”中，将振荡电压信号施加到发射电极，这建立了对地的振荡电场。被感测的物体改变了发射电极和地之间的电容。在“分流模式”（或者被认为是“耦合模式”）中，将振荡电压信号施加给发射电极，建立对接收电极的电场，且测量在接收电极上引起的位移电流，由此被感测的身体可能改变位移电流。在“发射模式”中，使发射电极与用户的身体接触，则该发射电极变成相对于接收器的发射器，要么通过直接电连接要么借助于电容耦合。

通常通过施加交流电压信号到电容式天线电极并且通过测量从所述天线电极流向地（在加载模式中）或者在耦合模式的情况下流入第二电极（接收电极）中的电流来确定电容耦合。通常利用跨阻放大器来测量该电流，所述跨阻放大器连接到感测电极且将流入所述感测电极的电流转换为电压，该电压与流入电极的电流成比例。

虽然上述测量原理通常产生十分有用的结果，然而显然在接地结构（例如车辆座位内的座位加热器）附近可能出现问题。座位加热器包括加热元件，该加热元件典型地是被用于布置在座套下的低电阻导体（形式为印刷在绝缘基板上的电线、电缆、导电迹线等）。

在电容式占用者检测系统的感测电极和参考电极（车身）之间测量的基准电容在十分接近座位加热器结构处增大，尤其对于没有保护/屏蔽电极的系统而言。这是在感测电极和座位加热器结构之间的附加电容耦合导致的，所述座位加热器自身具有到参考电极（车身地）的低阻抗连接。因此，通常不可能将座位加热器结构的电容影响与剩余的车身的影响清楚地分开，因为例如座位加热器结构一般是独立单元。

在现有技术中，可以通过在座位中的座位加热器之上布置电容式传感器电极以及通过在感测电极和座位加热器之间使用保护/屏蔽电极来减少座位加热器的影响和座位框架的影响。然而这些当前的实施方式增加了系统成本，因为增大了集成到座位中的复杂度。

发明内容

技术问题

因此本发明的目的是提出一种不同的电容式感测系统，其不受座位加热器的负面影响。由权利要求1中所要求保护的组件来实现该目的。

根据本发明的电容式占用者检测系统包括至少一个感测电极，其将被布置在座位泡沫坐垫的底侧上。感测电极被布置在坐垫的底侧在这里指的是在坐垫和座位框架或座板之间的区域中。在规定感测电极与座位框架电绝缘的情况下，感测电极可以直接布置在泡沫坐垫的底侧上或者直接放置在座位框架上。或者，在坐垫和电极（羊毛等）或者电极和座位框架之间可以放置或布置有中间层。值得注意的是，感测电极可以包括片状的导电材料和/或应用在载体材料上的导电线和/或应用在载体材料上的导电迹线。

电容式占用者检测系统进一步包括将布置在所述座位坐垫的顶侧上的座位加热器之类的结构（seat heater like structure）以及可操作地耦合到所述至少一个感测电极的评估单元，其用于确定表示在所述至少一个感测电极和座位加热器之类的结构之间的电容的值。座位加热器之类的结构可以是实际的座位加热器结构，例如将连接到座位加热器电源的座位加热器垫子。或者，如果顾客不需要实际的座位加热器功能，则座位加热器之类的结构可以包括座位加热器模型（dummy），即可以例如是与实际的座位加热器类似的电导体结构，但不连接到用于对电导体提供加热电流的座位加热器控制单元。

座位加热器之类的结构被布置在座位泡沫坐垫的顶侧上，即在座位的所谓的A-表面上，在坐垫和座位饰面（trim）之间。座位加热器之类的结构可以直接地布置在座位泡沫上或者可以有诸如无纺材料之类的中间层。类似地，在座位加热器之类的结构和座位饰面之间可以布置有更多的层。

座位加热器之类的结构和感测电极的布置使得，如果乘客坐在车辆座位上，在坐在座位上的乘客的重量的影响下，座位泡沫被压缩，并且因此使得座位加热器之类的结构更靠近在座位泡沫的底部上的感测电极。在座位加热器或座位加热器模型与感测电极之间的电容由此增大，并且该电容上的增大由评估单元检测，该评估单元可操作地耦合到至少一个感测电极。例如如果表示至少一个感测电极和座位加热器之类的结构之间的电容的值超过一具体的预定阈值，则可以确定座位上的乘客的存在。

代替直接地确定电导体对电场的影响，本系统的电容式感测系统通过确定座位泡沫的压缩量来间接地确定乘客的存在。电容式感测系统利用了存在于座位中的座位加热器的存在，或者相应地（respectively）依靠布置在座位中的座位加热器模型。

在本发明的可能的实施例中，所述评估单元包括：AC信号源，其耦合到所述座位加热器之类的结构，用于将AC电压信号施加到所述座位加热器之类的结构上；和跨阻放大器，其耦合到所述感测电极，用于将流入到所述感测电极中的AC电流转换为AC输出电压。

如果座位加热器之类的结构是虚设的座位加热器，则不存在为了将适当的AC信号提供给座位加热器之类的结构而要解决的具体技术问题。

然而如果座位加热器之类的结构是实际的座位加热器垫子，该座位加热器垫子将由DC电源提供DC电力，则使用者必须确保将DC电源从AC信号源去耦。在一个可能的实施例中，DC电源因此将DC电力经由共模扼流圈提供给座位加热器。或者，DC电源将DC电力经由功率放大器提供给座位加热器，并且所述AC信号源的所述AC电压信号耦合到所述功率放大器的输入端。

在进一步的实施例中，电容式占用者检测系统包括布置在感测电极和较低的座位框架之间的保护电极。在该情况下，评估单元可以包括耦合到所述保护电极的AC信号源，用于将AC电压信号施加到所述保护电极和跨阻放大器，该跨阻放大器的基准输入端连接到所述AC信号源的所述AC电压信号，且该跨阻放大器的信号输入端连接到所述感测电极，用于将流入感测电极的AC电流转换为AC输出电压。

座位加热器之类的结构在该情况下优选地通过接地电容器耦合到AC地。

应当理解的是，本发明也涉及如上文所描述的具有电容式占用者检测系统的车辆座位。车辆座位包括：较低的座位框架，布置在所述较低的座位框架上的座位泡沫坐垫和布置在所述座位泡沫坐垫的顶部上的座位饰面。座位加热器之类的结构优选地布置在所述座位泡沫坐垫和所述座位饰面之间，且所述至少一个感测电极优选地布置在所述座位泡沫坐垫和所述较低的座位框架之间，以便与所述座位框架电绝缘。

最后，如果电容式占用者检测系统包括保护电极，则所述至少一个感测电极和所述保护电极优选地布置在所述座位泡沫坐垫和所述较低的座位框架之间，所述保护电极被布置在所述感测电极和较低的座位框架之间。有利的是，该布置将使得所述保护电极与所述座位框架电绝缘，且所述感测电极与所述座位框架和所述保护电极电绝缘。

附图说明

现在将参考附图、以示例的方式介绍本发明的优选实施例，在附图中：

图1示出了车辆座位中的电容式感测系统的可能的电极布置；

图2示出了工作在所谓的耦合模式中的电容式感测系统的评估单元的电容测量电路的第一实施例；

图3示出了工作在所谓的耦合模式中的电容测量电路的第二实施例；

图4示出了工作在所谓的加载模式中的电容测量电路的第三实施例。

具体实施方式

图1示出汽车的乘客座位1中的测量系统的机械实施方式。座位加热器或者座位加热器模型3安装在座位饰面2之下、座位泡沫4之上。当客户不需要座位加热功能时，需要安装座位加热器模型或等同的电极。这样的座位加热器模型可以包括与实际的座位加热器类似的电导体结构，但不连接到用来为电导体提供加热电流的座位加热器控制单元。

感测电极5安装在座位泡沫4之下、保护电极6之上。保护电极6安装在座位框架或座板7之上。电极5和电极6与座位框架7电隔离。保护电极6将感测电极5与座位框架7屏蔽，框架7通常与地或AC地连接。如以下所述的那样，并非所有可能的实施方式选择都需要保护电极6。

当乘客坐在座位上时，乘客的重量在垂直方向上压缩座位泡沫4，从而使座位加热器或座位加热器模型3向感测电极6靠近。座位加热器或座位加热器模型3与感测电极5之间的电容由此增加。电容的增大由图1中未示出的电路测量，但具体描述如下。

图2示出了评估单元的电容测量电路的第一实施方式，其可结合图1所示的设置使用。该电路以所谓的耦合模式来测量未知电容，也就是，两个电极之间的电容。在这种情况下，第一电极是座位加热器3，第二电极是感测电极5。

DC电源10通过开关11和共模扼流圈13向座位加热器3提供电力。开关11也可以设置在共模扼流圈13和地之间。

AC电压源14对座位加热器3施加AC电压。共模扼流圈13的共模阻抗选为基本上比AC电压发生器14的输出阻抗大，以免过量加载AC电压源。

电容18和19表示待确定的电容（相应地阻抗）（capacitances respectivelyimpedances）。它们位于座位加热器3和感测电极5之间。跨阻放大器包括耦合电容器21、包括电容22和电阻23的反馈阻抗、以及运算放大器24，该跨阻放大器将从座位加热器3流经待测量的电容（相应地阻抗）18和19并流入感测电极5的AC电流转换为输出节点25上的AC输出电压。

在输出节点25上的AC输出电压由此响应于未知的电容（相应地阻抗）18和19。显然，测量电路也能够测量未知的复阻抗来代替未知的电容18和19，因为在输出节点25上的输出电压和AC电压源14的电压之间的相位，相应地与AC电压源14的电压相比的输出节点25上的输出电压的同相部分和正交部分，响应于代替未知的电容18和19使用的未知的复阻抗的实部和虚部（reactive part）。

为避免座位加热器导体破裂情况下对座位占用状态的错误分类，与座位加热器3电导体并联连接电容器16。电容器16的阻抗基本上小于待测量的总电容或阻抗18和19的阻抗。

在没有电容器16的情况下，如果座位加热器3损坏，那么电容测量将仅测量待测量的电容或阻抗18和19的一部分，例如在图2中，如果加热器3中间损坏，则只有待测量的电容或阻抗19将由测量电路测量。此外，座位加热器3的损坏可以通过测量加热器被开启时当前的加热电流来检测到，然后可以向汽车用户发出警告信息。

通常具有小电容的电容器12避免来自AC信号源14的任何AC电流被反馈到电源10内并由此进入汽车电力网。还可以看到，不论座位加热器是否在加热，即是否被提供有DC电源，电容测量电路都能够工作。所谓的耦合模式不要求图1中的保护电极6，因为感测电极5和地之间的电容由所述跨阻放大器的输入阻抗分流。

图3示出了电容测量电路的第二实施方式，其可结合图1所示的设置使用。该电路也以所谓的耦合模式来测量未知电容，即，两个电极之间的电容。在这种情况下，第一电极是座位加热器3，第二电极是感测电极5。

图3所示的电路几乎与图2所示的电路相同，除了AC电压源14现在驱动两个功率放大器35和36，以便给对DC加热供给电压施加AC电压。通过开关11向功率放大器35和36提供来自DC电源10的DC电力。功率放大器35和36的电压增益优选为1。

由电阻器30、31和32构成的电阻分压器设置功率放大器35和36的DC偏置点，例如对于12V的DC供电电压，放大器35的DC输出电压设置为11.5V，而放大器36的DC输出电压设置为0.5V。AC电压源14为上述偏压供给幅度例如0.2V的AC电压。该AC电压通过耦合电容器33和34而被AC耦合到放大器35和36的输入端，并且由此耦合到放大器35和36的输出端。

因此放大器35的输出电压是11.5V的DC电压加上幅度为0.2V的AC电压，放大器36的输出电压因此是0.5V的DC电压加上幅度为0.2V的AC电压。因此，施加到座位加热器上的AC电压是与AC电压源14的AC电压相同的AC电压。

功率放大器35和36例如可以是Mosfet晶体管，其结合使用运算放大器作为误差放大器的反馈回路工作。该电路的其余运行与图2中的电路的运行相似。图2中的电容器16不要求放大器35和36两者输出相同的AC电压。

还可以看到，不论座位加热器是否在加热，即是否被提供有DC电源，电容测量电路都能够工作。图3中的电路还能够测量复数的未知阻抗18和19。

图4示出了电容测量电路的第三实施方式，其可结合图1所示的设置使用。该电路以所谓的加载模式来测量未知电容，即，感测电极5和AC地之间的电容。在这种情况下，AC地由座位加热器提供。

DC电源10通过开关11为座位加热器3提供电力。或者，开关11也可以设置在座位加热器3和地之间。电容器12确保座位加热器3总是完全连接至AC地，即使当开关11处于断开状态或者即使座位加热器的一条线损坏。

AC电压源40产生AC电压，其被馈送到跨阻放大器的基准输入端内，其由耦合电容器21、电容器22和电阻器23构成的反馈阻抗、以及运算放大器24形成。跨阻放大器的信号输入端连接到感测电极5。

由于跨阻放大器的信号输入端的AC电压跟随基准输入端的AC电压（其是信号源40的AC电压），感测电极5和连接至信号源40的保护电极6保持在同一AC电压。因此，保护电极屏蔽感测电极使其免于不期望地与AC地（典型的，图1中的座位框架7）耦合。

经由未知的电容或阻抗18和19从感测电极5流出并经过座位加热器流入AC地的AC电流由所述跨阻放大器测量，并被所述跨阻放大器转换为在其输出端25上的AC电压。从而，在输出节点25上的AC输出电压响应于未知的电容（相应地阻抗）18和19。

显然，测量电路也能够测量未知的复阻抗来代替未知的电容18和19，因为在输出节点25上的输出电压和AC电压源40的电压之间的相位，相应地与AC电压源40的电压相比的输出节点25上的输出电压的同相部分和正交部分，响应于代替未知的电容18和19使用的未知的复阻抗的实部和虚部。可以看到，不论座位加热器是否在加热，即是否被提供有DC电源，电容测量电路都能够工作。

对于如上所述的所有情况，可以采用测量未知阻抗18和19的实部来检测座位泡沫或座位饰面是否变湿。所述的变湿通常增加所测量的电容部分。在座位潮湿的情况下，使用测量结果的实部允许调适检测阈值，其中所测量的电容与所述检测阈值相比较，以便检测的乘客的存在。

Claims (9)

1.一种电容式占用者检测系统，包括：至少一个感测电极，其将被布置在座位坐垫的底侧上；座位加热器之类的结构，其将被布置在所述座位坐垫的顶侧上；以及评估单元，其可操作地耦合到所述至少一个感测电极，用于确定表示所述至少一个感测电极和所述座位加热器之类的结构之间的电容的值。

2.根据权利要求1所述的电容式占用者检测系统，其中，所述评估单元包括：AC信号源，其耦合到所述座位加热器之类的结构，用于将AC电压信号施加到所述座位加热器之类的结构上；以及跨阻放大器，其耦合到所述感测电极，用于将流入所述感测电极中的AC电流转换为AC输出电压。

3.根据权利要求2所述的电容式占用者检测系统，其中，所述座位加热器之类的结构是座位加热器垫子，并且其中DC电源将DC电力经由共模扼流圈提供给所述座位加热器垫子。

4.根据权利要求2所述的电容式占用者检测系统，其中，所述座位加热器之类的结构是座位加热器垫子，其中DC电源将DC电力经由功率放大器提供给所述座位加热器垫子，并且其中所述AC信号源的所述AC电压信号被耦合到所述功率放大器的输入端。

5.根据权利要求1所述的电容式占用者检测系统，进一步包括将被布置在所述感测电极和较低的座位框架之间的保护电极，其中，所述评估单元包括AC信号源和跨阻放大器，所述AC信号源耦合到所述保护电极，用于将AC电压信号施加到所述保护电极上，所述跨阻放大器的基准输入端连接到所述AC信号源的AC电压信号，并且所述跨阻放大器的信号输入端连接到所述感测电极，用于将流入所述感测电极的AC电流转换为AC输出电压。

6.根据权利要求5所述的电容式占用者检测系统，其中，所述座位加热器之类的结构通过接地电容器耦合到AC地。

7.根据权利要求1-6中的任意一项所述的电容式占用者检测系统，其中，所述感测电极包括片状的导电材料和/或应用在载体材料上的导电线和/或应用在载体材料上的导电迹线。

8.一种车辆座位，具有根据权利要求1-7中的任意一项所述的电容式占用者检测系统，所述车辆座位包括较低的座位框架、布置在所述较低的座位框架上的座位泡沫坐垫和布置在所述座位泡沫坐垫之上的座位饰面，其中，所述座位加热器之类的结构布置在所述座位泡沫坐垫和所述座位饰面之间，并且其中，所述至少一个感测电极布置在所述座位泡沫坐垫和所述较低的座位框架之间，以使得所述感测电极与所述座位框架电绝缘。

9.一种车辆座位，具有根据权利要求5-6中的任意一项所述的电容式占用者检测系统，所述车辆座位包括较低的座位框架、布置在所述较低的座位框架上的座位泡沫坐垫和布置在所述座位泡沫坐垫之上的座位饰面，其中，所述座位加热器之类的结构布置在所述座位泡沫坐垫和所述座位饰面之间，并且其中，所述至少一个感测电极和所述保护电极布置在所述座位泡沫坐垫和所述较低的座位框架之间，所述保护电极布置在所述感测电极和较低的座位框架之间，所述布置使得所述保护电极与所述座位框架电绝缘且使得所述感测电极与所述保护电极电绝缘。

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