CN104303419B - 电容式检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆的电容式检测装置(20)包括：用于在检测空间中生成振荡电场的感测电极(26)以及被布置在感测电极的背向检测空间的一侧的屏蔽电极(28)。所述电容式检测装置包括电路接地以及用于连接所述电路接地和车辆的底盘接地的接地连接器。在电路接地和屏蔽电极之间连接至少一个旁路电容器。所述至少一个旁路电容器具有至少比所述屏蔽电极与车辆的底盘接地之间的电容大25倍的电容。

Description

电容式检测装置
技术领域
本发明总体上涉及一种电容式检测装置，例如，用于检测车辆座位上是否有乘客，或者用于检测车辆驾驶员是否将他们的手放在方向盘上。
背景技术
电容传感器，有时被称为电场传感器或接近传感器，指定了响应于所感测到的(人，人体部位，宠物，物体等)对电场的影响而生成信号的传感器。电容传感器通常包括至少一个天线电极，在传感器工作期间，对所述天线电极施加交流电信号并且所述天线电极由此发射电场至接近天线电极的空间范围内。传感器包括至少一个感测电极，在所述感测电极处检测物体或生物对所述电场的影响。在一些(所谓的“加载模式(loading mode)”)电容乘客传感器中，一个或多个天线电极同时用作感测电极。在这种情况下，测量电路响应施加到一个或多个天线电极的振荡电压，确定流经一个或多个天线电极的电流。电压和电流的关系屈服于一个或多个天线电极的复数阻抗。在电容传感器的其他形式中(“耦合模式”电容传感器)，发射天线电极和感测电极彼此分开。在这种情况下，当发射天线电极工作时，测量电路确定在感测电极中诱发的电流或电压。
标题为“Electric Field Sensing for Graphical Interfaces”的技术论文解释了不同的电容感测机制，作者为J.R.Smith，发表在Computer Graphics I/O Devices上，出版时间为1998年5月/6月，第54-60页。该论文描述了电场感测作为用于进行非接触三维位置测量，并且尤其用于感测人手的位置以给计算机提供三维位置输入值的概念。在电容感测的通常概念中，作者对不同的机制进行区别，他称之为“加载模式”、“旁路模式”和“发射模式”，其与各种可能的电流路径相应。在“加载模式”中，交流电压信号被施加到发射电极，发射电极建立至地的交流电场。所感测到的对象改变了发射电极与地之间的电容。在“旁路模式”中，交流电压信号被施加到发射电极，建立至接收电极的电场，并且测量接收电极处感应的偏移电流，由此可以通过被感测的人体改变偏移电流。在“发射模式”中，发射电极被布置成通过直接电连接或经由电容耦合与使用者的人体接触，然后人体变成相对于接收器的发射器。“旁路模式”或者又被称作上述“耦合模式”。
已经提出了很多种类的电容式乘客感测系统，例如，用于控制一个或多个安全气囊的展开，所述安全气囊为驾驶员安全气囊，乘客安全气囊和/或侧面安全气囊。属于Jinno等人的美国专利6，161,070涉及一种乘客检测系统，其包括安装在汽车中的乘客座椅的表面上的单个天线电极。振荡器施加交流电压信号到天线电极，因此在天线电极周围产生微小电场。Jinno提出了基于流向天线电极的电流的幅值和相位，来检测在座椅上是否存在乘客。属于Stanley的美国专利6,392,542教导了一种电场传感器，其包括可安装在座椅中并且可操作地与感测电路耦合的电极，感测电路最多微弱地响应座椅的湿度向电极施加交流或脉冲信号。Stanley提出测量流向电极的电流的相位和幅值，以检测被占用的或者空的座椅并且补偿座椅的湿度。
US2005/0242965公开了一种用于机动车的方向盘，其包括用于手存在检测(hands-on detection)的电容式检测装置。术语“手存在检测”在下面被用于表明方向盘与驾驶员的至少一只手之间的接触的检测。“手离开检测(hands-off detection)”或者“自由手识别(free hand recognition)”表明不存在方向盘与驾驶员的至少一只手之间的接触的检测。手存在和手离开检测器可以使用相同的技术。
电容式检测装置必须能够稳健地抵抗一定水平的电磁干扰(EMI)。汽车制造商尤其规定布置在车辆内的电容式检测装置能够正常地工作，即使在电磁噪声的环境中。随着汽车内使用的电子设备的不断增加，电磁兼容的重要性成为越来越重要的问题。
发明内容
本发明的目的是改善具有感测电极和所谓的驱动屏蔽电极的电容式检测装置抗EMI的鲁棒性。该目的是通过如权利要求1所要求保护的电容式检测装置实现的。
根据本发明的一方面的电容式检测装置包括：感测电极，用于在接近感测电极的检测空间中生成振荡电场，以及屏蔽电极，所述屏蔽电极被布置在所述感测电极的背向检测空间的一侧。所述电容式检测装置包括电路接地以及用于连接电路接地和车辆底盘接地(即，车辆主体的电势)的接地连接器。在电路接地和屏蔽电极之间连接至少一个旁路电容器。所述至少一个旁路电容器具有至少比所述屏蔽电极和底盘接地之间(没有旁路电容器)的电容大25倍的电容。所述电容式检测装置优选地包括被布置在印刷电路板(PCB)上的测量电路。电路接地与装置接地，即PCB的接地连接器对应。
如本领域技术人员所意识到的，对于通常频率在1MHz以上的BCI(大电流注入)的噪声，旁路电容器在电路接地和底盘接地之间提供低阻抗路径。噪声的频率越高，偏离进入处于参考电势(即，典型的为接地)的节点的效果越好，而不影响测量。
优选地，在电路接地和屏蔽电极之间连接AC电压源。所述AC电压源可以被配置成向屏蔽电极施加处于包括在50kHz至500kHz范围内的测量频率处的振荡电压。优选地，在感测电极与屏蔽电极之间连接电流表。根据本发明的优选实施例，电流表被配置成使得就幅值和相位而言将振荡电压复制(copy)到感测电极，并且输出表示在用于实现振荡电压的复制所必需的电流表两端的复数电流的电流测量信号。所述电流测量信号表示在感测电极与参考电势之间的电容耦合。所述电容耦合取决于检测空间是否被乘客或乘客的一部分，例如他们的至少一只手所占用。因此，电流测量信号还表示在检测空间中是否存在乘客身体的至少一部分。
优选地，所述至少一个旁路电容器是电容在20到100nF范围内的电容器。更优选地，所述至少一个旁路电容器包括电容在20到100nF范围内的第一电容器以及与第一电容器并联、并且电容在50到200pF范围内的第二电容器。假定理想的电容器，第一和第二电容器的并联连接是等同于一个电容器，其具有与第一和第二电容器的电容的总和对应的电容。然而，实际的(即，非理想的)电容器不同地适用于不同的频率范围。因此，具有不同的电容的多个电容器的并联连接可以有利于不同频带的噪声抑制。
根据本发明的优选实施例，电容式检测装置包括具有芯和屏蔽件的屏蔽电缆(例如，同轴电缆)，所述芯将感测电极连接至电流表，所述屏蔽件将屏蔽电极连接至AC电压源。
本发明的其他优选方面涉及一种用于方向盘的手存在检测器，其包括如上所述的电容式检测装置，以及方向盘，其包括这样一个手存在检测器。所述手存在检测器可以是例如具有停止启动(stop-and-go)功能的主动巡航控制系统的一部分。
本发明的再一优选方面还涉及一种用于汽车座椅的乘客检测器，其包括如上所述的电容式检测装置。这种乘客检测器可以是汽车座椅的一部分。
附图说明
本发明的更多的细节和优点将在下面参考附图的非限制性的实施例的具体的描述中显而易见，其中：
图1是装备了具有停止启动功能的ACC系统的汽车的示意图；
图2是图1的汽车的方向盘的局部截面图；
图3是根据发明优选的实施例的电容式检测装置的示意性电路图。
具体实施方式
图1是汽车10的示意图，汽车10装备了具有停止启动功能的主动巡航控制(ACC)系统12。ACC系统12包括一个或多个距离传感器14(例如，利用雷达，激光和/或用于测量距离的摄像机设备)，所述距离传感器14被布置在汽车10的前方以用于检测道路前方的其他汽车并且测量与它们的距离。当启动ACC系统时，电子控制单元16(例如，专用集成电路，微处理器或其他)连续评价雷达信号。当电子控制单元16确定汽车10接近前方的另一汽车时，它与汽车的制动系统以及发动机ECU相互作用以改变汽车速度并且可能导致紧急制动。为了确保驾驶员已经把他们的手放在方向盘18上并且能够控制车辆，ACC系统包括被布置在方向盘中的电容式检测装置。除非驾驶员有至少一只手把住方向盘，否则ACC系统不会采取任何自动驾驶操作。而且它还可以向驾驶员输出声学的、视觉的和/或触觉的警告。
图2是根据发明优选实施例包括电容式检测装置20的方向盘的示意性局部截面图。电容式检测装置20被集成在皮革装饰22与金属方向盘框架24之间的方向盘18中。在一些情况下，还集成了方向盘加热系统。在这种情况下，电容式检测装置被布置在加热器上方(即，位于加热器和皮革装饰之间)。
电容式检测装置20包括感测电极26和屏蔽电极28，并且被配置成测量感测电极26与车辆底盘之间的电容。感测电极26和屏蔽电极沿着方向盘18的整个周长延伸。就幅值和相位而言，电容式检测装置20使感测电极26和屏蔽电极28保持在相等的AC电势。它遵循在任何时间点，感测电极26与屏蔽电极28之间的电场基本抵消并且相应地感测电极26的灵敏度只指向背离屏蔽电极28的方向，即朝向检测空间。与驾驶员没有把住方向盘18的情形相比，当驾驶员抓住方向盘18时，感测电极26与车辆底盘之间的电容耦合增强。由于方向盘框架24典型地与车辆底盘处在相等的电势，所以当驾驶员的手不在时，感测电极26与方向盘框架24之间的强的电容耦合是不期望的。这就是为什么屏蔽电极28包括超出感测电极26的边界延伸的边缘的原因。如果省略了屏蔽电极28，即使驾驶员没有触摸方向盘，那也会存在感测电极26与车辆底盘之间的强的电容耦合。驾驶员的手放在方向盘上时只会稍微地增大电容。缺少屏蔽电极28，测量电路因此必须能够在大背景的顶层检测微小信号，但这实现起来是困难的(如果不是不可能的)。而且，屏蔽电极28表示至底盘接地的电流路径。
图3是图2的电容式检测装置20的简化电路图。AC电压源30连接在处于电路地电势的节点31与屏蔽电极28之间。在使用时，AC电压源30向屏蔽电极28施加测量频率在50kHz到500kHz的范围内，例如100kHz的振荡电压。连接在感测电极26与屏蔽电极28之间的电流表32被配置成将由AC电压源30输出的振荡电压复制到感测电极26上，从而感测电极26和屏蔽电极28保持在相等的AC电势。电流表32通过屏蔽电缆的芯连接到感测电极，而屏蔽电极通过屏蔽电缆34的屏蔽件连接到屏蔽电极28。屏蔽电缆基本上在专用集成电路形式的控制电路36之间的连接线的整个长度上延伸。电流表32还被配置成输出表示复数电流的电流测量信号，电流表必须驱动电流测量信号至感测电极中以实现振荡电压的复制。电流测量信号表示感测电极与(车辆)底盘电势(由电容40示出)之间的电容耦合。控制电路36的判定单元(未示出)评价测量信号并且推导驾驶员是否把住方向盘18。电流表32可以例如包括同步整流器以测量复数电流的实部和虚部。电容40由计算Uapplied/Imeas得到的阻抗确定，其中Imeas是通过电流表32测量得到的电流并且Uapplied是由AC电压源30施加的AC电压。电容41表示屏蔽电极28和(车辆)底盘接地之间的电容耦合。
旁路电容器38连接在节点31和屏蔽电极之间。旁路电容器具有至少比屏蔽电极28与底盘接地(其通过接地连接器结合至节点31)之间的电容41大25倍的电容。
电容式检测装置20由表示为34的汽车电池供电。电容式检测装置20的接地连接器被结合至车辆接地(底盘电势)。提供通信线42用于电容式检测装置20与具有停止启动功能的ACC系统的电子控制单元116之间的通信(例如，经由车辆的CAN总线).
为了电容式检测装置可靠地工作，必须测量非常低的电容变化并且必须处理电磁干扰(EMI)。BCI(大电流注入)是一种用于模拟电磁干扰的方法。为此目的，在系统电缆的全部连接线路的周围布置电流钳(在44处示意性示出)。在测试期间，电流钳44由HF放大器驱动，HF放大器注入各种频率(例如，电流幅值达到200mA的1MHz到400MHz)的扰动电流。这引起多个共模干扰电流I1，I2，I3。由于不同线路与电路地AC耦合，电流I1，I2，I3的总和为电流I4，其流入电容式检测装置20的控制电路36。电流I4经由电容40和41连续从电容式检测装置接地(节点31)流向底盘接地。电容器38和屏蔽电极28和(车辆)底盘接地之间的电容41串联连接，从而给共模干扰电流提供具有相对低的阻抗的路径，并且基本上防止这些电流从电路接地(接地31)流入测量电子电路。
数值实例帮助理解由干扰电流引发的问题。典型地，由AC电压源输出的测量电压是0.8 Veff@100kHz。典型地，电容40的范围下至5pF，这与100kHz处的320k欧姆的阻抗对应。(电容40的上边界高度取决于系统但典型地包括在150pF到250pF的范围内。)当电容40等于5pF，不存在干扰电流，电容40两端的电流大约达到2.5μA(Imeas＝2.5μA)。屏蔽电极28与地之间的电容典型地大约达到2nF，这与100kHz处的800欧姆的阻抗对应。那么电容41两端的电流大约达到1mA。假设干扰电流II大约为32mA且频率为2MHz，它遵循II/Imeas＝6400(＝76dB)。如果要求20dB的信噪比，干扰电流的衰减必须达到96dB。
旁路电容器38绕过测量电路(AC电压源30和电流表32)。在数值实例中，电容器38的电容可以达到例如60nF(与2MHz处的1.3欧姆的阻抗对应)。旁路电容器38和屏蔽电极对地的电容41闭合了干扰电路的回路，而不干扰电流表。
AC电压源30必须驱动测量频率(例如100kHz)处的电流进入旁路电容器38。在实际实施方式中，因此可以由AC电压源30驱动的最大负载意味着旁路电容器38的电容的上限值。
虽然已经详细描述了具体实施例，但是本领域技术人员应该意识到，能够根据本公开的全部教导，作出对那些细节的各种修改和替代。因此，公开的特定布置仅仅意在示例，而不是限制本发明的范围，给予其所附权利要求及其任何和所有等同物的全部广度。
图例
10 汽车
12 ACC系统
14 雷达传感器
16 电子控制单元
18 方向盘
20 电容式检测装置
22 装饰
24 方向盘框架
26 感测电极
28 屏蔽电极
30 AC电压源
31 处于电路接地电势的节点(电路接地)
32 电流表
34 屏蔽电缆
36 电容式检测装置的控制电路
38 旁路电容器
40 感测电极与底盘接地之间的电容(待测量的量)
41 屏蔽电极与底盘接地之间的电容
42 通信线路
43 汽车电池
44 电流钳

Claims (14)

1.一种用于车辆的电容式检测装置(20)，包括：
感测电极(26)，所述感测电极用于在检测空间中生成振荡电场；
屏蔽电极(28)，所述屏蔽电极被布置在所述感测电极的背向所述检测空间的一侧；
电路接地以及接地连接器，所述接地连接器连接所述电路接地至所述车辆的底盘接地；并且
至少一个旁路电容器(38)连接在所述电路接地(31)和所述屏蔽电极(28)之间，所述至少一个旁路电容器(38)具有至少比所述屏蔽电极和所述车辆的底盘接地之间的电容大25倍的电容。
2.根据权利要求1所述的电容式检测装置(20)，包括：
AC电压源(30)，所述AC电压源连接在所述电路接地(31)和所述屏蔽电极之间，所述AC电压源被配置成向所述屏蔽电极施加处于包括在50kHz到500kHz范围内的测量频率处的振荡电压；以及
电流表(32)，所述电流表连接在所述感测电极和所述屏蔽电极之间，所述电流表被配置成使得就幅值和相位而言将所述振荡电压复制到所述感测电极(26)，并且输出表示用于所述振荡电压的复制所必需的所述电流表两端的复数电流的电流测量信号；所述电流测量信号表示所述感测电极(26)和参考电势之间的电容耦合(40)。
3.根据权利要求1所述的电容式检测装置(20)，其中所述至少一个旁路电容器(38)是具有20到100nF范围内的电容的电容器。
4.根据权利要求1所述的电容式检测装置(20)，其中所述至少一个旁路电容器(38)包括第一电容器和第二电容器，所述第一电容器具有20到100nF范围内的电容，所述第二电容器和所述第一电容器并联并且具有50到200nF范围内的电容。
5.根据权利要求2所述的电容式检测装置(20)，包括具有芯和屏蔽件的屏蔽电缆(34)，其中所述芯将所述感测电极(26)连接至所述电流表(32)并且其中所述屏蔽件将所述屏蔽电极(28)连接至所述AC电压源(30)。
6.根据权利要求2所述的电容式检测装置(20)，其中所述至少一个旁路电容器(38)是具有20到100nF范围内的电容的电容器。
7.根据权利要求6所述的电容式检测装置(20)，包括具有芯和屏蔽件的屏蔽电缆(34)，其中所述芯将所述感测电极(26)连接至所述电流表(32)并且其中所述屏蔽件将所述屏蔽电极(28)连接至所述AC电压源(30)。
8.根据权利要求2所述的电容式检测装置(20)，其中所述至少一个旁路电容器(38)包括第一电容器和第二电容器，所述第一电容器具有20到100nF范围内的电容，所述第二电容器和所述第一电容器并联并且具有50到200nF范围内的电容。
9.根据权利要求8所述的电容式检测装置(20)，包括具有芯和屏蔽件的屏蔽电缆(34)，其中所述芯将所述感测电极(26)连接至所述电流表(32)并且其中所述屏蔽件将所述屏蔽电极(28)连接至所述AC电压源(30)。
10.一种用于方向盘(18)的手存在和/或手离开检测器，包括如权利要求1至9中任一项所述的电容式检测装置(20)。
11.一种方向盘(18)，包括如权利要求10所述的手存在和/或手离开检测器。
12.一种主动巡航控制系统(12)，包括如权利要求10所述的手存在和/或手离开检测器。
13.一种用于汽车座椅的乘客检测器，包括如权利要求1至9中任一项所述的电容式检测装置(20)。
14.一种汽车座椅，包括如权利要求13所述的乘客检测器。
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