CN103513283A - 用于防碰撞装置的电容性传感器 - Google Patents

Abstract

在此指定了一种用于检测物体具体地用于检测可移动车辆零件的情况下的碰撞的电容性传感器（2）。该传感器（2）具有一个包括至少一个传感器电极（6）的电极安排（4）。该传感器（2）还具有一条连接在该传感器电极（6）的下游并且旨在处理该传感器电极（6）中生成的接收信号（SR）的求值电路（8）。在这种情况下，该求值电路（8）包括一个具有用于补偿频率响应的装置（22、40、60）的互阻抗放大器（20）。本发明还涉及一种防碰撞装置，其具有所述的电容性传感器。

Description

用于防碰撞装置的电容性传感器

本发明涉及一种用于检测物体具体地人体部位或物件的电容性传感器，并且涉及一种具有此类传感器的防碰撞装置。

电容性传感器用在汽车工程中，具体用在防碰撞装置内。此类防碰撞装置通常用于检测在相对于固定框架的打开位置和关闭位置之间可移动的车辆零件的开放区域内的障碍物。该车辆零件（以下也称为“调节元件”）具体为窗玻璃或后挡板。而且，有待监视的车辆零件或调节元件也可以是侧车门、行李箱盖或发动机舱盖、滑顶或折叠式车顶。防碰撞装置用在此种情况下：具体地，当电机移动对应相关联的车辆零件时。

在调节运动过程中该调节元件覆盖的空间被称为开放区域。该调节元件的开放区域具体包括安排在该调节元件的封闭边和该框架的相应边之间的空间的区域，该框架靠在该调节元件的封闭位置上的封闭边上。

当关闭车辆的调节元件具体地车窗或后挡板时，通常存在人体部位或该调节元件的其他物件被卡在该调节元件的封闭边和车身之间的风险。在本申请中也被称为防卡夹（anti-trapping）装置的该防碰撞装置通过该防碰撞装置在这种情况下检测该开放区域内的障碍物和阻止或反转关闭运动用于避免此类夹卡和人身伤害和/或材料损害的结果风险。

而且，在调节元件枢转出的情况下，这种防碰撞装置还可以用于检测阻挡该调节元件的开口的障碍物。同样在本申请中，为了避免因为该调节元件与该障碍物的碰撞造成的材料损害，若该防碰撞装置检测到这种障碍物，该防碰撞装置阻止或反转该调节元件的运动。

在这种情况下，对间接和直接防碰撞装置进行区分。间接防碰撞装置通过监视驱动该调节元件的伺服电机的运行变量来检测卡夹或碰撞，具体来自该电机电流的异常增加或该电机速度的异常降低。直接防碰撞装置一般包括一个或多个记录在该开放区域内有或没有障碍物的测量变量特征和使用该测量变量以确定该开放区域内是否有障碍物和（若有必要）启动相应的对策。在这些直接防碰撞装置之间，再次对带有只有当障碍物已经触碰到传感器时才指示障碍物的存在的被称为接触式传感器的系统和带有在离传感器一定距离处已经检测到障碍物的非接触式传感器的系统进行区分。这些非接触式传感器具体包括所谓的电容性（近距离）传感器。

电容性传感器一般包括具有用于在该调节元件的开放区域建立电场的一个或多个（传感器）电极的电极安排。通过监视该电极安排的电容来检测该开放区域内的障碍物。在这种情况下，利用了以下事实：障碍物具体地人体部位影响该传感器生成的电场并且从而影响该电极安排的电容。

在此类电容性传感器的常规设计中，此传感器的电极安排包括连接到用于生成传输信号的信号生成电路上的至少一个传输电极和一个连接到用于处理在该接收电极（发送器/接收器原理）中生成的接收信号的求值电路作为传感器电极。此类传感器测量在该传输电极和该接收电极之间形成的电容或与该电容相关的测量变量。

在替代设计中，电容性传感器的电极安排只包括一个传感器电极或该传输信号施加到其上的多个完全相同的传感器电极，并且这些完全相同的传感器电极还用于记录例如位移电流（单电极原理）形式的取决于电容的接收或响应信号。在此类传感器的情况下，所使用的对电极为接地电位处的传感器外部物件具体地该传感器安装在其内的车辆的车身。在此类传感器的情况下，因此，这个或这些对地传感器电极的电容被记录作为该测量变量。

在预定义传输频率下振动的电交变信号一般用作该传输信号。为了测量该传感器电极（具体为该接收电极）中感应到的位移电流，该求值电路经常具有低阻抗。在这种情况下，该求值电路经常包括一个互阻抗放大器。例如，从DE102007001712A1已知这种电容性传感器。

在防碰撞装置具有电容性传感器的情况下，若该传输频率有干扰，即，若向该传感器电极（具体为该接收电极）施加外部电场（该电场的频率与该传感器的传输频率相同或相似），则可能出现检测错误。一方面，这种检测错误可能客观上毫无理由地导致该防碰撞装置错误地检测卡夹和阻止或反转该调节元件的运动。然而另一方面，这种检测错误还可能导致实际存在的卡夹不被该防碰撞装置检测到。

为了避免这种扰乱，为了能够转到没有干扰的频率，有时希望改变该传输信号的频率。然而，在电容性传感器中，电容性传感器的求值电路由带有电阻负反馈的常规互阻抗放大器形成，通过以下事实难于改变该频率：提供有这种互阻抗放大器的传感器的阻抗具有明显的频率依赖性。在从DE102007001712A1已知的传感器中，此频率依赖性（也称为频率响应）通过以下事实甚至被进一步加强：不是由于非电抗性电阻器而是由于并联谐振电路，该互阻抗放大器不具有负反馈，其中电容和电感与该并联谐振电路并联。这种传感器具有高频率选择性。因此在该传输频率下，其对带有小频率分量的干扰不敏感。然而，特别是，若该传输频率具有相当大的干扰，这种传感器的反应更加敏感。

本发明基于以下目标：指定一种不易受到干扰的并且旨在检测物体的电容性传感器和一种具体用于检测和避免可移动车辆零件和物体之间的卡夹或再次碰撞。

就这种电容性传感器而言，根据本发明，通过权利要求1的特征实现了此目标。就这种防碰撞装置而言，根据本发明，通过权利要求6的特征实现了此目标。本发明的有利改进和发展为子权利要求的主题或者从以下说明中显现出来。

根据本发明的传感器包括一种包括至少一个传感器电极的电极安排。该传感器还包括一条连接在该至少一个传感器电极的下游的求值电路。该求值电路用于处理在使用该电极安排发射的电场的作用下的传感器电极中生成的接收信号（或响应信号）。

在这种情况下，根据本发明，该求值电路具有一条由互阻抗放大器形成的低阻抗输入电路。与常规互阻抗放大器相比之下，根据本发明的互阻抗放大器具有用于补偿该频率响应的装置，即，至少在预定义频率范围内消除提供有这种互阻抗放大器的传感器的频率依赖性的装置。

原则上，本发明可以应用于根据该单电极原理操作和感测它们的对地传感器的电容的电容性传感器。然而，该传感器优选地为根据发送器/接收器原理操作的电容性传感器。相应地，该电极安排优选地包括至少一个传输电极和至少一个接收电极作为传感器电极。该求值电路（在此情况下也称为接收电路）连接在此处的至少一个接收电极的下游并且接收在该至少一个传输电极发射的电场的作用下的接收电极中生成的接收信号，作为该输入变量。

如常规互阻抗放大器，根据本发明的互阻抗放大器优选地具有一个运算放大器，作为中心组件，该运算放大器的非反相输入端接地并且其反相输入端直接或间接地连接到该接收电极上。

然而，与常规互阻抗放大器相比之下，在本发明的一个优选实施中，作为用于补偿该频率响应的装置，该运算放大器的输出端不是通过非电抗性电阻器而是仅通过耦合电容（即一个或多个电容器）与到该反相输入端的负反馈耦合。这以一种独立于频率的方式消除了该传感器的频率依赖性。具体地，由于该电容性负反馈，该运算放大器的增益因数沿与该传感器电容的频率依赖性相反方向变化，其结果是，为所有频率补偿了该传感器电容的频率依赖性。

在本发明的替代性实施例中，该运算放大器的输出端通过一条包括一个耦合电容和一个非电抗性耦合电阻器与到该并联电路的反相输入端耦合。在本实施例中，该互阻抗放大器具有高通滤波器行为。因此，在这种情况下，该频率响应补偿只对高频率起作用，而随着频率下降到截止频率以下的频率，该传感器的增益因数大大减少。根据所希望的操作频率，优选地以一种使得该下截止频率在1kHz和1MHz之间具体地在约100kHz的方式连接该运算放大器。

鉴于该运算放大器直接或通过上述实施例的基本变体中的低通滤波器连接到该接收电极上，在上述实施例的进一步发展中，电感连接在运算放大器的反相输出端的上游。因此，该电感内插在该运算放大器的反相输出端和该接收电极之间。在本实施例中，该互阻抗放大器具有带通滤波器行为。在这种情况下，因此，该频率响应补偿只对高频率起作用，而随着下截止频率以下的频率和上截止频率以上的频率两者的频率的下降或提高，该传感器的增益因数大大减少。根据所希望的操作频率，优选地以一种使得该上截止频率在1MHz和100MHz之间具体地在约10MHz的方式连接该运算放大器。

在一个有利的发展中，该耦合电容的设计和/或材料成分与这个或这些传感器电极的设计和/或材料成分相同或相似。另外地或可替代地，优选地以一种使得其暴露在与这个或这些传感器电极相同或相似的操作条件（例如，温度、灰尘、湿度、操作时间等）下的方式设置该耦合电容。这些措施致使该耦合电容以与该电极安排相同或相似的方式在该温度、该操作时间等的基础上进行任何电容漂移，其结果是，若有必要，通过该耦合电容全部或部分地补偿这个或这些传感器电极的漂移。

根据本发明的防碰撞装置包括一个上述类型的电容性传感器。

以下使用附图更详细地描述了本发明的示例性实施例，其中：

图1示出了用于在可移动车辆零件的情况下检测和避免卡夹的防卡夹装置的一个示意性方框图，该装置具有一个电容性传感器，该电容性传感器包括一个传输电极、一个接收电极、一个连接在该传输电极的上游的信号生成电路和一个连接在该接收电极的下游的接收电路，

图2示出了在此情况下实质上由互阻抗放大器形成的接收电路的结构的一个简化电路图解，该互阻抗放大器通过电容具有负反馈，

图3在相对于输入信号的频率的输出电压的图中示出了提供有根据图2的互阻抗放大器的传感器的频率响应，

图4在根据图2的图示中，示出了该互阻抗放大器的变体，在此情况下，该互阻抗放大器通过带有并联连接的非电抗性电阻器的电容具有负反馈，

图5在根据图3的图示中，示出了提供有根据图4的互阻抗放大器的传感器的频率响应，

图6在根据图4的图示中示出了该互阻抗放大器的进一步发展，在此情况下，该互阻抗放大器连接到该输入端侧上的附加电感上，以及

图7在根据图5的图示中，示出了提供有根据图6的互阻抗放大器的传感器的频率响应。

相互地，相对应的零件和变量在所有图中始终提供有相同的参考符号。

图1示出了用于机动车辆的可移动调节元件（不再详细示出）的防卡夹装置1的图形展示，具体为由电机移动的车门或后挡板。该防卡夹装置1包括一个电容性传感器2和一个监视单元3。

该传感器2基于电容测量学。该传感器2相应地包括一个电极安排4，该电极安排具有至少一个传输电极5和至少一个对电极或接收电极6。该电极安排4优选地包括（以一种不再详细示出的方式）多个与常用接收电极6互相影响的传输电极5。

在该传感器2的操作过程中，通过向该或每个传输电极5施加电交流电压在该调节元件的开放区域生成电场F（只显示），使用该接收电极6记录从该场发射传输电极5和该接收电极6形成的电容器的（电）电容或与该电容器相关联的测量变量。

详细地，除了包括该电机安排4外，该传感器2还包括一条信号生成电路7、一条接收电路8和一个电容测量元件9。

在该传感器2的操作过程中，该信号生成电路7在预定义频率f下以正弦交流电压或脉冲电压的形式生成传输信号S_E。该信号生成电路7将该传输信号S_E传递至在该传输信号S_E的作用下发射电场F的传输电极5上。若该传感器2包括多个传输电极5，时分多路复用器（不再详细示出）优选地被内插在该信号生成电路7和该电极安排4之间并且在时间上以一种交替的方式将该传输信号S_E传递至每种情况下的多个传输电极5之一上。

在该电场F的作用下，在该接收电极6中生成以下被称为接收信号S_R的电交变信号。在无干扰操作过程中，该接收信号S_R与该传输信号S_E相位同步并且因此在该传输信号S_E的频率f下振动。然而，与该传输信号S_E相比之下，该接收信号S_R的信号振幅另外在有待测量的电容的基础上变化。

向该接收电路8供给该接收信号S_R，作为输入信号。在这种情况下，用于预过滤该接收信号S_R的低通滤波器（未明确示出）可选择地内插在该接收电极6和该接收电路8之间。该接收电路8包括一个互阻抗放大器（20）（图2），作为基本组件。在这种情况下，该接收电路8输出与在该传输信号S_E的作用下的接收电极6中感应到的位移电流成比例的电压信号（以下被称为接收信号S_R’）。此接收信号S_R’被供给到连接在该接收电路8的下游的电容测量元件9上并从该电容测量元件上生成与电容成比例的测量变量K。

向连接在该传感器2的下游的监视单元3供给该测量变量K。优选地由监视其中执行的软件的微控制器形成的监视单元3将该测量变量K与存储的触发阈值进行比较。若超出了该阈值，则该监视单元3输出指示可能的卡夹的触发信号A，并且在所述信号的作用下，与该防卡夹装置1相关联的调节元件的运动被反转。

根据图2，该互阻抗放大器20由一个运算放大器21和一个耦合电容22形成。该运算放大器21的输出端23通过该耦合电容22与到该反相输入端24的负反馈耦合。该运算放大器21通过该反相输入端24直接连接到该接收电极6上，或通过可能存在的低通滤波器间接连接到该接收电极6上。该运算放大器21的非反相输入端25接地M。该耦合电容22优选地具有一个10pF的电容值。

图3示出了提供有根据图2的互阻抗放大器20的传感器2的频率响应，即，在该输入接收信号S_R的频率f上的互阻抗放大器20的输出电压U₀的依赖性，在这种情况下，假设了该传输信号S_E的恒定信号振幅。在这种情况下，该输出电压U₀表示该互阻抗放大器20输出的接收信号S_R’的振幅。如从图3中可以收集到的，提供有根据图2的互阻抗放大器20的传感器2具有消失频率响应，即，由于该专用电容性负反馈，频率响应被补偿至零。换言之，对于带有该传输信号S_E的恒定信号振幅的所有频率f而言，该输出电压U₀至少大约相同。

图4展示了该互阻抗放大器20的一个变体。此变体与根据图2的示例性实施例的不同之处在于耦合电阻器40与该耦合电容22并联。如在根据图2的示例中，该耦合电容22优选地具有一个10pF的电容值。该非电抗性耦合电容器40优选地具有大约1MΩ的电阻。

从示出了提供有根据图4的互阻抗放大器20的传感器2的频率响应的图5中可以看出该互阻抗放大器20在根据图4的实施例中展现出高通滤波器行为。换言之，仅对于超过下截止频率f_U的接收信号S_R的频率f（f>f_U），该传感器2的频率响应被补偿至零。相比之下，对于未达到该下截止频率f_U的接收信号的频率f（f<f_U），该输出电压U₀随着频率f的下降而大大降低，再次随该传输信号S_E的恒定信号强度而大大降低。

图6展示了该互阻抗放大器20的另一个变体。此变体与根据图4的实施例的不同之处在于电感60另外连接在该运算放大器21的反相输入端24的上游。因此，该电感60被内插在该输入端24和该接收电极6之间。如同根据图4的示例，该耦合电容22和该非电抗性耦合电阻器40优选地分别具有10pF的电容值和1MΩ的电阻。例如，该电感60具有10μH的电感值。

从示出了提供有根据图6的互阻抗放大器20的传感器2的频率响应的图7中可以看出该传感器2展现出这种情况下的高通滤波器行为。因此此处传感器2的频率响应只在该下截止频率f_U和该上截止频率f_O（f_U≤f≤f_O）之间的频率范围内相应地被补偿至零。对于未到达该下截止频率f_U（f<f_U）的频率f和超过该上截止频率f_O（f>f_O）的频率f两者，该输出电压U₀随着频率f的降低或提高而降低，随该传输信号S_E的恒定信号强度再次降低。

尽管本发明从以上示例性实施例上变得特别清楚，但其不局限于这些实施例。当然，本领域的普通技术人员可以从以上说明中衍生出本发明的许多进一步实施例。

参考符号列表

1   防卡夹装置

2   传感器

3   监视单元

4   电极安排

5   传输电极

6   接收电极

7   信号生成电路

8   接收电路

9   电容测量元件

20  互阻抗放大器

21  运算放大器

22  耦合电容

23  输出端

24  （反相）输入端

25  （非反相）输入端

40  耦合电阻器

60  电感

A   触发信号

F   （电）场

f   频率

f_O  （上）截止频率

f_U  （下）截止频率

K   电容测量变量

M    地

S_E   传输信号

S_R   接收信号

S_R‘ 接收信号

U₀   输出电压

Claims (6)

1.一种用于检测物体具体地用于检测在可移动车辆零件的情况下的碰撞的电容性传感器（2），

-具有一种包括至少一个传感器电极（6）的电极安排（4），

-具有一个求值电路（8），该求值电路连接在该传感器电极（6）的下游并旨在处理在该传感器电极（6）中生成的一个接收信号（S_R），该求值电路（8）包括一个互阻抗放大器（20），

其特征在于，

该互阻抗放大器（20）具有用于补偿频率响应的装置（22、40、60）。

2.如权利要求1所述的传感器（2），

-该电极安排（4）包括用于当施加一个传输信号（S_E）时发射一个电场（F）的至少一个传输电极（5）和至少一个接收电极（6）作为传感器电极，以及

-为了在该电场（F）的作用下处理在该接收电极（6）中生成的接收信号（S_R），该求值电路（8）连接在该接收电极（6）的下游。

3.如权利要求1或2所述的传感器（2），

该互阻抗放大器（20）具有一个运算放大器（21），该运算放大器的非反相输入端（25）接地（M）或连接到另一个参考电位，该运算放大器的反相输入端（24）连接到传感器电极（6），并且该运算放大器的输出端（23）仅通过一个电容（22）与到该反相输入端（24）的负反馈耦合，作为补偿频率响应的装置。

4.如权利要求1或2所述的传感器（2），

该互阻抗放大器（22）具有一个运算放大器（21），该运算放大器的非反相输入端（25）接地（M）或连接到另一个参考电位，该运算放大器的反相输入端（24）连接到传感器电极（6），并且该运算放大器的输出端（23）通过一个电容（22）与到该反相输入端（24）的负反馈耦合，其中一个非电抗性电阻器（40）并联，作为补偿频率响应的装置。

5.如权利要求4所述的传感器（2），

一个电感（60）连接在该运算放大器（21）的反相输入端（24）的上游。

6.一种防碰撞装置（1），具有如权利要求1至5之一所述的电容性传感器（2）。

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