CN112074707B - 电容式的测量系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种电容式的测量系统，其具有多个电容式的传感器(S1、S2)和评估电路(AS)，其中，所述电容式的传感器以单频的电压信号(Usin)加载，其中，所述电容式的传感器的输出信号经由多信道的模拟的多路复用器(MUX)交替地与同步整流器(SG)连接，并且其中，同步整流器的输出信号(SGout)的信号放大能根据可接通的参考阻抗(REF)校准，其中，同步整流器由MOS半导体开关(FET)构造，其源漏极路径形成由单频的电压信号控制的分路，并且其中，模拟的多路复用器的至少一个信道用于传输由参考分压器产生的校准信号。

Description

电容式的测量系统
技术领域
本发明涉及一种电容式的测量系统，其具有多个电容式的传感器和评估电路，其中，以单频的电压信号加载所述电容式的传感器，其中，所述电容式的传感器的输出信号经由多信道模拟多路复用器交替地与同步整流器连接，并且其中，同步整流器的输出信号的信号放大能根据可接通的参考阻抗校准。
背景技术
为了确定电容值，电容式的测量系统经常使用多频方法，这些多频方法使用电荷泵和积分器。在这种情况下，在多个周期内对与地面形成电容的导电表面进行充电，并将电荷存储在积分电容器中。在测量周期结束之后，接着评估积分电容器上的电压。
这样的方法的缺点在于，借此很难测量大的电容。此外，当涉及干扰放射和干扰不敏感时，在电磁兼容性(EMV、EMC)方面存在局限。这尤其针对传感面大的情况。
在这些方面，已经证明单频方法是有利的，在单频方法中，可以通过同步整流器频率选择地评估信号。
发明内容
本发明涉及一种电容式的测量系统，用于确定大的参考电容上的小的电容变化，其中，使用单频的测量信号。这样的测量系统例如通常可以在机动车中用于方向盘上的手部识别(探测手的放上/拿下)，用于识别座位占据情况，在电容式踏板的情况下，识别后备箱中的占用垫以及用于大面积开关。
这种类型的电容式的测量系统由公开文献DE 112014001880T5已知。在该文献中描述的电容式的检测设备具有天线电极，用于响应于馈入天线电极的交流电压而建立交流电场；以及评估电路，其具有转阻放大器，该转阻放大器通过将电流馈入天线电极使交流电压保持等于参考电压节点上的参考交流电压并测量电流。此外，评估电路具有微控制器和多路复用器，该多路复用器将天线电极交替地切换至转阻放大器的电流输入端和参考交流电压节点。微控制器配置成控制所述多路复用器。多路复用器和转阻放大器和与转阻放大器有效连接的低通滤波器共同形成一同步整流装置。转阻放大器的电流输入节点通过保护电容器与参考电压节点交流耦合。
这种测量系统的不利之处在于，转阻放大器和多路复用器需要使用大量的有源元件，这些有源元件会受到环境条件、比如尤其是环境温度的显著影响。缺点也在于，不能在使用测量系统期间进行校准。
在这里，方向盘传感器系统例如要求在校准过程期间放开方向盘。
任务在于，提供一种同类型的测量系统，该测量系统在对外部干扰、尤其是温度影响的灵敏度较小的同时综合有高的测量灵敏度并且避免前面提到的缺点。
该任务通过如下方式解决，即同步整流器由MOS半导体开关构造，该MOS半导体开关的源漏极路径形成由单频的电压信号控制的分路，并且模拟的多路复用器的至少一个信道设为用于传输由参考分压器产生的校准信号。
通过源漏极路径构成受控的分路的MOS半导体开关构造同步整流器是特别有利的，因为在这种情况下，温度敏感的构件不接入信号路径。通过接通源漏极路径，测量信号的半波被切换到地并因此被切断。反之，剩余的半波保持完全不受已关闭的MOS半导体开关影响，从而单向整流也完全不受到环境温度影响。
为了在信号评估时实现高灵敏度，借助比较电压进行评估，该比较电压的电平受至少一个校准信号影响。所述至少一个校准信号借助参考分压器产生，该参考分压器与测量系统的其余部分暴露于同样的环境条件，从而校准信号代表这些环境条件。
特别有利的是，所述至少一个校准信号通过模拟的多路复用器的一个信道导向。由此，所述至少一个校准信号与传感器信号采用相同的信号路径。此外，有利的是，设有两个参考分压器，这两个参考分压器分别为上比较值和下比较值确定校准信号。
也特别有利的是，不必为校准而中断传感器信号的周期式的评估，而是将校准作为评估周期的一部分定期地且类似“在中间”进行。
附图说明
接着借助附图示出并且详细阐述本发明。图中：
图1示出电容式的测量系统的第一框图；
图2示出电容式的测量系统的第二框图；
图3示出用于构建方向盘传感器系统的草图。
具体实施方式
图1示出一框图，该框图示意性地示出按照本发明的电容式的测量系统的功能组件。在机动车的方向盘LR上例如设置六个在这里未详细示出的电容式的传感器，这些传感器共同构造成方向盘传感器系统LS，其用于识别通过人的手或尤其通过手指F触碰方向盘LR。
方向盘传感器系统LS的构建原理在图3中粗略地示出。方向盘传感器系统LS包括导体L和绝缘体I的交替分层的布置结构，所述导体和绝缘体作为薄膜或者金属网设置在方向盘轮缘上或者围绕方向盘轮缘设置，并且必要时也设置在方向盘的方向盘辐条上或者围绕方向盘辐条设置。所述导体L优选均由铜箔或金属网制成，所述绝缘体I由塑料薄膜制成。导电的方向盘芯被标为Core。在所述核心上由绝缘体I分隔地设置有屏蔽导体，该屏蔽导体在这里标为Shield。导体L的最上方的层由多个并排设置的传感薄膜SF1、SF2形成，与其他的导体L不同，这些传感薄膜不是连续地而是以多个分隔并排的区段设置在方向盘LR上并且具有不同的形状和尺寸。图3中示出的草图尤其示出两个电容式传感器S1、S2的布置结构。通过添加其他传感薄膜SF1、SF2可以将传感器S1、S2的数量简单地提高到预设的值。
传感器S1、S2共享屏蔽电极Shield，该屏蔽电极规定用于将传感薄膜SF1、SF2与方向盘LR的接地金属芯屏蔽。为此，屏蔽电极Shield与传感薄膜SF1、SF2重叠地设置。
图1中示出的方向盘传感器系统LS仅示例性地构造成具有六个设置在方向盘LR上的电容式的传感器，所述传感器在图1中未详细示出。总共六个连接线路LSensor从方向盘LR上的传感器导向至评估电路AS。这些连接线路LSensor与传感薄膜SF1、SF2连接。此外，分别存在导向屏蔽薄膜Shield的连接线路LShieid和导向方向盘的金属芯的连接线路LCore。相应设置的连接线路的数量在图1中分别通过括号中的参数(例如6x)表明。
在评估电路AS中，导向方向盘芯的连接线路LCore经由接地电阻与汽车接地线GND连接。导向屏蔽薄膜Shield的屏蔽线路LShield与正弦信号产生设备SIN的输出端耦合并且用于将单频的正弦信号Usin接入方向盘传感器系统LS中。
六个传感器线路LSensor在评估电路AS中分别导向至模拟的多路复用器MUX的一输入端。在这里作为八信道示出的多路复用器MUX的另外两个输入端通过中间接口分别占据两个参考分压器REF中的一个参考分压器。
多路复用器MUX由配属于评估电路AS的微控制器MC控制。通过如下方式可以实现模拟的多路复用器MUX的一种特别简单且低成本的实施方案，即所述模拟的多路复用器包括一定数量的可控制的模拟开关，该数量对应于预设的信道数量，所述模拟开关分别经由微控制器MC的可编程的通用接口GPIO(通用输入输出接口)交替地周期式地操控。
基于EMV将单频的正弦信号Usin用作用于设置在方向盘LR上的方向盘传感器系统LS的测量信号，所述单频的正弦信号具有数量级为100kHz的频率。为了生成正弦信号Usin，使用三个中央的脉冲宽度调制信号PWM，这些信号完全由微控制器MC的硬件产生。正弦信号Usin通过由切比雪夫滤波器CF生成所述脉冲宽度调制信号PWM产生。这种信号产生在这里在功能上通过一电路方块图示出，该电路方块图表示正弦信号产生设备SIN。
在通过方向盘传感器系统LS生成可采集的测量信号时，利用所述单频的正弦信号Usin的阻尼。为此，正弦信号Usin经由连接线路LShield施加到屏蔽电极Shield上(参照图3)，该屏蔽电极与一传感薄膜SF1、SF2分别构成一电容式的分压器。
在相应的电容式的分压器的输出端上，以及在传感薄膜SF1、SF2上，减弱的正弦信号分别以相同的频率和相位、然而较小的振幅下降。传感器S1、S2的电容值由于存在手或手指而受到影响，由此，改变施加在传感薄膜SF1、SF2上的传感器信号Sout的振幅。
传感器信号Sout同时施加在多路复用器MUX的各输入端上并且在微控制器MC的控制下交替地依次输送给所述多路复用器的输出端。
相应地存在于多路复用器MUX的输出端上的信号MUXOUT继续传输到同步整流器SG的输入端上，单频的正弦信号Usin作为参考信号输送给该同步整流器。同步整流器SG频率选择地整流多路复用器MUX的输出信号MUXOUT，所述输出信号具有与接入屏蔽线路LShield中的单频的正弦信号Usin相同的频率。由此，极为有效地抑制具有不同频率的干扰信号。
同步整流器SG的输出信号SGout通过差分放大器DV放大，向所述差分放大器输送用于调整灵敏度的比较电压VBias。差分放大器DV的输出信号OUT经由另一个低通电路TP2滤波并且由配属于微控制器MC的模数转换器AD数字化，接着通过微控制器MC评估并且必要时由微控制器MC用于控制配置给经识别的信号的功能。
由微控制器MC计算出用于调整灵敏度的相应优化的比较电压VBias。为了对差分放大器DV指定该比较电压，微控制器MC影响脉冲宽度调制信号PWM’的占空比，由低通电路TP将该脉冲宽度调制信号平滑处理至比较电压VBias。
在此，比较电压VBias与至少一个参考电压信号有关，所述参考电压信号由至少一个参考分压器REF产生。在此，参考电压信号由于所述至少一个参考分压器REF所遭受的环境影响而被影响。如果设有多个、例如在该实施例中两个参考分压器REF，则所述参考分压器也可以指定多个参量，例如一个最高值和一个最低值。
相应地存在于参考分压器REF的中心抽头的参考电压信号被相应地输送给多路复用器MUX的一输入端，从而参考电压信号经过与传感器信号Sout相同的信号路径并且在结束时同样由模数转换器AD数字化并且由微控制器MC评估。因此，微控制器MC可以通过调整经输出的脉冲宽度调制信号PWM’使比较电压VBias适配于当前存在的参考电压值，而不必由此中断在方向盘LR上的传感器信号的采集。
评估电路的有利的细节由图2表明，图2借助电子零件的布置结构说明一些特别的个别电路细节。在此，评估电路在这里还总是简化且示意性地示出。尤其，为了更加清楚，图2中省去执行控制的微控制器的视图。不同的功能块与图1中相应的功能块一致地表明。因为基本的工作原理已经借助图1阐述，所以图2的阐述局限于一些特点。
该电路方块图借助于等效电路图概述由图3示出的电容式的方向盘传感器系统LS，该图尤其示出，方向盘传感器系统LS构造成一个或多个电容式的分压器(在这里仅示出多个传感器线路LSensor中的一个)。人的手指F也示出为由电容的和欧姆的组件组成的等效电路图，这些组件在其中一个传感薄膜SF1、SF2与车辆接地线之间电作用。
传感器线路LSensor导向至多路复用器MUX的模拟开关AN的输入端。按照多路复用器MUX的在这里示例性的八信道的实施方案，该多路复用器包含八个单独的模拟开关AN，在这里仅画出其中一个。所述八个模拟开关AN中的六个的输入端占据传感器线路LSensor，另外的两个输入端与各一个参考分压器REF(仅在图1中示出)的中间接口连接。
为了能够在传感器附近以良好的灵敏度探测接地的物体、比如方向盘上的手指或手，根据环境条件(温度、湿度、老化程度等等)校准电路。为此，使用仅在图1中示出的、具有已知的阻抗的参考分压器REF。如图1表明的那样，参考分压器REF可以简单地构造为欧姆分压器，其外部接口分别与固定电势连接，例如与评估电路AS的供应电压的极连接。
多路复用器MUX的模拟开关AN由微控制器(图2中未示出)交替地依次接通，从而所述微控制器的相应的输入信号到达多路复用器MUX的输出端进而也到达同步整流器SG的输入端。
为了获得直流电压信号，多路复用器MUX的输出信号MUXOUT经由呈MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)半导体开关FET的源漏极路径SD形式的接通的分路相位敏感地半波整流并且接着通过低通电路TP1滤波。MOSFET半导体开关FET的栅极G在此由单频的正弦信号Usin控制。栅极G上游的运算放大器OP用于电平调整。
在差分放大器DV中，放大经滤波的测量信号与比较电压VBias的差。通过比较电压VBias与测量信号的差校准电路的灵敏度。差分放大器DV的灵敏度的调整能实现为了确定有效信号而充分利用模数转换器AD的整个输入电压范围。
附图标记列表
AD 模数转换器
AN 模拟开关
AS 评估电路
Core 芯电极
CF 切比雪夫滤波器
DV 差分放大器
FET MOSFET半导体开关
G 栅极
GND 车辆接地线
GPIOS 通用接口(通用输入输出接口)
I 绝缘体，绝缘(薄膜)
L 导体
LR 方向盘
LS 方向盘传感器系统(电容式的传感器)
LCore 连接线路(芯线路)
LSensor 连接线路(传感器线路)
LShield 连接线路(屏蔽线路(屏蔽电极))
MC 微控制器
MUX (模拟的)多路复用器
MUXOUT (多路复用器的)输出信号
OP 运算放大器
PWM,PWM’ 脉冲宽度调制信号
REF 参考分压器
S1,S2 电容式的传感器
SD 源漏极路径
SF1,SF2 传感薄膜
SG 同步整流器
SGout (同步整流器的)输出信号
SIN 正弦信号产生设备
Shield 屏蔽电极
Sout (传感器的)输出信号，传感器信号
TP,TP1,TP2 低通电路
Usin 单频的正弦信号
Vbias 比较电压(比较电压)
OUT (差分放大器的)输出信号

Claims (4)

1.电容式的测量系统，其具有多个电容式的传感器（S1、S2）和评估电路（AS），
其中，以单频的电压信号（Usin）加载所述电容式的传感器（S1、S2），
其中，所述电容式的传感器（S1、S2）的输出信号（Sout）经由多信道的模拟的多路复用器（MUX）交替地与同步整流器（SG）连接，并且
其中，所述同步整流器（SG）的输出信号（SGout）的信号放大能根据能接通的参考阻抗校准，
其特征在于，
所述同步整流器（SG）通过MOS半导体开关（FET）构造，所述MOS半导体开关的源漏极路径（SD）形成由所述单频的电压信号（Usin）控制的分路，并且
所述模拟的多路复用器（MUX）的至少一个信道设为用于传输由参考分压器（REF）产生的校准信号。
2.根据权利要求1所述的电容式的测量系统，其特征在于，所述模拟的多路复用器（MUX）的两个信道设为用于传输针对上限和下限的、分别由所述参考分压器（REF）产生的校准信号。
3.根据权利要求1所述的电容式的测量系统，其特征在于，所述单频的电压信号（Usin）是正弦电压，所述正弦电压借助切比雪夫滤波器（CF）以及通过三个中央的脉冲宽度调制信号（PWM）产生，所述脉冲宽度调制信号由微控制器（MC）生成。
4.根据权利要求1所述的电容式的测量系统，其特征在于，所述电容式的测量系统设为用于机动车的方向盘（LR）上的手部识别。
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