CN106255868B - 用于测量电容值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于积分方法测量电容式的传感器元件的电容值CM的方法，其中，所述传感器元件的接头与具有已知的电容值CI的积分电容器的第一接头在共同的电路节点上电连接，该已知的电容值CI比传感器元件的电容值CM大，并且其中，按照已执行的积分周期的次数IZ借助于模/数转换器测量在积分电容器上存在的电压UCI。按照本发明的方法包括如下方法步骤：a)将要执行的积分周期的次数N规定到初始值NStart，并且确定用于要执行的积分周期的次数N的最终值NEnd；b)将电压总值UGes初始化到数值零；c)将已执行的积分周期的次数IZ初始化到数值零；d)执行积分方法直至已执行的积分周期的次数IZ达到要执行的积分周期的次数N；e)将借助于模/数转换器实际确定的电压值UCI(N)叠加到电压总值UGes上；f)将次数N提高值n，其中，n大于或者等于1并且小于NDiff，NDiff＝NEnd‑NStart，并且从步骤c)起重复所述方法步骤直至次数N超过确定的最终值NEnd；g)将电压总值UGes评价为测量结果。

Description

用于测量电容值的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助于积分方法测量电容式的传感器元件的电容值CM，其中，传感器元件的接头与具有已知的电容值CI的积分电容器的第一接头在共同的电路节点上电连接，该已知的电容值CI大于传感器元件的电容值CM，并且其中，按照已执行的积分周期的次数IZ借助于模/数转换器测量在积分电容器上存在的电压UCI。
背景技术
使用在这里提到的类型的方法以便评价电容式的接触传感器或者靠近传感器。这样的传感器可以检测当前情况并且在相应的设计方案中也可以通过物体、比如用户的手指或者销钉在灵敏的范围内检测接触或者靠近的位置。在此，接触敏感的区域例如可以与显示屏重叠。在显示应用装置中，接触传感器或者靠近传感器能向用户实现直接与在屏幕上呈现的东西相互作用，并且不是仅间接借助于鼠标或者类似的输入仪器。
存在多种不同类型的接触传感器，例如电阻式的接触传感器、具有声学的表面波的接触传感器和电容式的接触传感器，其中，最后提到的接触传感器目前得到最大地推广，利用该接触传感器特别是恰好也可以检测单纯的靠近。
当物体接触电容式的接触传感器的表面或者靠近该表面时，传感器的电容值发生变化。配备的传感器控制器的或者通过该传感器控制器使用的测量方法的任务在于，对电容变化进行处理，以便检测触发这种电容变化的接触或者靠近。在此，特别困难的在于，传感器的电容值和特别是待检测的改变是相当小的。由于该原因，人们为了进行测量而愿意使用所谓的积分方法，在该积分方法中在多个依次进行的周期中不将电荷量由传感器元件传输到具有已知的固定的并且明显变大的电容值的积分电容器上，该传感器元件的电容值相对较小并且是可变的。
通过德国公开文献DE 10 2010 041 464 A1已知一种用于测量电容式的传感器元件的电容值的方法。在这里描述的用于测量电容值的方法是刚刚提到的类型的积分方法，其中，传感器元件的接头与积分电容器的第一接头在共同的电路节点上电连接。
为了执行测量而使用不同的方法。因此，例如可以在执行所谓的积分周期的固定地预定的次数之后借助于模/数转换器测量并且数字化由在此进行的电荷转移的总和造成的、在积分电容器上存在的电压。将测量的电压本身、或者电压的数字化的值、或者由该值和积分电容器的电容的已知的恒定的参数、供应电压和积分周期的次数计算出的测量电容的值用作测量的结果。但是，对此备选地，也可以在每个单独的积分周期中测量在积分电容器上施加的电压并且在达到预定的阈值时结束测量。于是，在这种情况下，测量参数是直至达到阈值电压所执行的积分周期的次数。
该测量方法的解析进而对于两个状态或者电容值的区别性的极限通过解析使用模/数转换器决定性地确定。通过模/数转换器可以仅以确定的离散的分级检测电压。这些分级也被称为量化区间。因此，有待测量的范围被量化，亦即，在离散的范围内，因此在这种情况下分配电压分级。于是在测量时，将下一个更高的或者更深的分级的值作为数字测量值分配给真实的、亦即模拟地测量的电压，这根据哪个分级与该电压更接近来判断。真实的电压与通过模/数转换器输出的电压分级的偏差是量化误差。因此，如果以下谈论通过模/数转换器测量的电压值，则意味着通过模/数转换器输出的电压分级的相应的数字化的值。
发明内容
按照本发明的方法相对于先前描述的方法具有如下优点，即，在解析模/数转换器的同时实现对测量结果的更高的解析。
按照本发明，这通过如下方法步骤实现：
a)将要执行的积分周期的次数N规定到初始值NStart，并且确定对于要执行的积分周期的次数N来说的最终值NEnd；
b)将电压总值UGes初始化到数值零；
c)将已执行的积分周期的次数IZ初始化到数值零；
d)执行积分方法直至已执行的积分周期的次数IZ达到要执行的积分周期的次数N；
e)将借助于模/数转换器实际确定的电压值UCI(N)叠加到电压总值UGes上；
f)将次数N提高值n，其中，n大于或者等于1并且小于NDiff，NDiff＝NEnd-NStart，并且从步骤c)起重复该方法步骤直至次数N超过确定的最终值NEnd；
g)将电压总值UGes评价为测量结果。
在按照本发明的方法的一种有利的设计方案中规定，所述积分方法包括如下方法步骤：
d1)将共同的电路节点(3)和积分电容器(2)的第二接头(2″)与接地电势GND连接；
d2)在共同的电路节点(3)上施加已知的供应电压UV，其中，积分电容器(2)的第二接头(2″)同时保持无电势的；
d3)将供应电压UV与共同的电路节点(3)分离，其中，积分电容器(2)的第二接头(2″)同时与接地电势GND连接；
d4)将已执行的积分周期的次数IZ提高数值一并且从步骤d2)起重复该方法步骤直至已执行的积分周期的次数IZ达到要执行的积分周期的实际预定的次数N；
d5)借助于模/数转换器(4)测量在积分电容器(2)上存在的电压UCI(N)。
附图说明
以下参照附图阐述本发明。
在此附图示出：
图1a)是用于执行按照本发明的方法的测量装置的示意图；
图1b)是图1a)所示的开关的、具有N次积分周期的积分的时间顺序的实时图表的示图；
图2是在积分电容器上存在的电压UCI(N)关于积分周期的次数N的函数的曲线。
具体实施方式
在图1a)中附图以电路图示出了用于执行按照本发明的方法的测量装置的示意图，该方法用于测量电容式的传感器元件1的电容值CM。在此，传感器元件1例如构造为接触传感器、例如电极形式的接触传感器，该电极相对于接地电势或者地表电势具有固有电容，该固有电容具有电容值CM。在接触或者靠近电极时，例如通过用户的手指通过接触电容改变电容值CM，该电容值相对于接地电势或者地表电势(Masse-oder Erdpotential)具有接触电容。
传感器元件1的接头在共同的电路节点3上与积分电容器2的第一接头2'电连接。在此，积分电容器2的已知的电容值CI大于传感器元件1的待确定的电容值CM。此外，共同的电路节点3与第一开关S1连接并且能通过该第一开关根据开关位置可选地与接地电势或者地表电势GND、与固定的供应电压UV或者与模/数转换器4的输入端连接。积分电容器2的第二接头2″与第二开关S2电连接并且能通过该第二开关根据开关位置可选地与接地电势或者地表电势GND或者与固定的供应电压UV连接或者是无电势的，亦即保持开放(NC)。
为了测量电容值CM使用原则上已知的积分方法，在该积分方法中在多个相互衔接的周期中不将电荷量由传感器元件1传输到积分电容器2上。按照被称为积分周期的电荷转移的次数N借助于模/数转换器4测量接着在积分电容器2上施加的电压UCI(N)。UCI(N)与电容值直接成比例进而是用于电容值的标准。这样的积分方法的示例性的过程借助于在图1b)中表现的图1a)的开关S1和S2的适时图表描述：
为了初始化测量过程，将与积分电容器2的第一接头2'连接的、共同的电路节点3连接并且将积分电容器2的第二接头2″与接地电势连接，进而将电压UCI(N)通过积分电容器2设为零(复位阶段)。
以下步骤描述了积分周期(Integration Cycle)：
在共同的电路节点3上借助于开关S1施加供应电压UV，其中，积分电容器2的第二接头2″同时借助于开关S2开放进而保持无电势的。接着，供应电压UV借助于开关S1与共同的电路节点3分离并且保持无电势的，其中，积分电容器2的第二接头2″同时借助于开关S2与接地电势GND连接。
在测量的进程中，重复执行积分周期的步骤，亦即，这样多次执行，直至已执行的积分周期的次数IZ达到预定的次数N(积分阶段)。
在此之后，借助于模/数转换器通过如下方式测量在N次积分周期之后在积分电容器2上存在的电压UCI(N)，即，共同的电路节点3借助于开关S1与模/数转换器4的输入端连接(检测阶段)。
测量的(数字化的)电压值UCI(N)为了进一步的处理和评价传输到控制和评价装置5上。控制和评价装置5控制整个所描述的方法的进程并且为此包括例如作为中央的元件的微型控制器。
按照本发明，刚刚描述的具有N次积分周期的测量是更高级的进程的组成部分，所述进程包括多个这样的测量，所述测量包括积分周期的要执行的次数N的相应不同的值，亦即，以如下方式也由在图2中描绘的示图清楚地显示了在积分电容器2上存在的电压UCI(N)关于积分周期的次数N的函数的曲线：
首先，将要执行的积分周期的次数N规定到初始值NStart以用于在更高级的进程的范围内的第一次测量。同时，确定用于要执行的积分周期的最大次数N的目标值或者最终值NEnd以用于在更高级的进程的范围内的最后一次测量。将电压总值UGes初始化到数值零。
已执行的积分周期的次数IZ开始时初始化到数值零。接着，实施上面描述的积分方法，亦即，这样长时间地实施，直至已执行的积分周期的次数IZ达到要执行的积分周期的实际有效的次数N，该次数在每次执行时提高数值一。因此，借助于模/数转换器确定在积分电容器2上存在电压值UCI(N)并且将该电压值叠加到实际有效的电压总值UGes上。
然后，将要执行的积分周期的次数N提高数值n并且在先前段落中描述的步骤以新的次数N重复。在此，提高的数值n至少等于1并且小于在初始值NStart和目标值或者最终值NEnd之间的差值NDiff，NDiff＝NEnd-NStart。为了利用作为更高级的进程的组成部分的相应的N次积分周期不获得过少量的测量，提高的数值n通常选择明显小于NDiff的。在此，该提高的数值可以要么逐步地改变要么采用恒定的数值，例如n＝1，n＝3或者n＝4。以新的次数N重复在先前的段落中描述的步骤这样多次进行，直至次数N超过开始时确定的最终值NEnd。
接着，直至该时间点累加的电压总值UGes被评价为测量结果。
在此，单独测量的电压值UCI(N)作为加数达到电压总值UGes。在此，每个所述电压值UCI(N)通过模/数转换器4确定，并且因此如先前已经阐述的那样，本身具有量化误差。在此，量化线性地经过测量区域，亦即，通过模/数转换器4输出的电压分级的分级高度是相应相同的。因为在积分电容器2上存在的电压作为积分周期的次数N的函数的曲线相反地、如在图2中可看出的那样是非线性的，所以得出量化误差的统计学上的分布，该分布总的来说同样引起至少部分的补偿。

Claims (4)

1.用于借助于积分方法测量电容式的传感器元件(1)的电容值CM的方法，其中，所述传感器元件的接头与具有已知的电容值CI的积分电容器(2)的第一接头(2')在共同的电路节点(3)上电连接，而该已知的电容值CI大于传感器元件(1)的电容值CM，并且其中，按照已执行的积分周期的次数IZ借助于模/数转换器(4)测量在积分电容器(2)上存在的电压UCI，其特征在于如下方法步骤：
a)将要执行的积分周期的次数N规定到初始值NStart，并且确定对于要执行的积分周期的次数N来说的最终值NEnd；
b)将电压总值UGes初始化到数值零；
c)将已执行的积分周期的次数IZ初始化到数值零；
d)执行积分方法直至已执行的积分周期的次数IZ达到要执行的积分周期的次数N；
e)将借助于模/数转换器实际确定的电压值UCI(N)叠加到电压总值UGes上；
f)将次数N提高值n，其中，n大于或者等于1并且小于NDiff，NDiff＝NEnd-NStart，并且从步骤c)起重复该方法步骤直至次数N超过确定的最终值NEnd；
g)将电压总值UGes评价为测量结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提高的数值n是恒定的数值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提高的数值n逐步改变。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述积分方法包括如下方法步骤：
d1)将共同的电路节点(3)和积分电容器(2)的第二接头(2”)与接地电势GND连接；
d2)在共同的电路节点(3)上施加已知的供应电压UV，其中，积分电容器(2)的第二接头(2”)同时保持无电势的；
d3)将供应电压UV与共同的电路节点(3)分离，其中，积分电容器(2)的第二接头(2”)同时与接地电势GND连接；
d4)将已执行的积分周期的次数IZ提高数值一，并且从步骤d2)起重复该方法步骤直至已执行的积分周期的次数IZ达到要执行的积分周期的实际预定的次数N；
d5)借助于模/数转换器(4)测量在积分电容器(2)上存在的电压UCI(N)。
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