CN116133893A - 用于加热器构件补偿、特别是用于汽车应用的电容检测和/或分类装置及操作方法 - Google Patents

用于加热器构件补偿、特别是用于汽车应用的电容检测和/或分类装置及操作方法 Download PDF

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Abstract

一种带有电加热器构件补偿的操作方法和电容检测装置(12)。电容检测装置(12)包括具有可布置在电加热器构件(40；42)附近以相互电容耦合的导电感测电极(16)和导电辅助电极(18)的电容传感器(14)。电容检测装置(12)还包括提供交变测量电压的信号电压源(24)，用于测量复感测电流并用于基于测量的复感测电流确定复阻抗，以及用于将辅助电极(18)与参考电压(24)或保护信号操作性地和选择性地电连接的复阻抗测量电路(26)。该方法包括以下步骤：向感测电极(16)提供(70)测量信号，并将辅助电极(18)选择性地电连接到参考电压(24)或保护电压；确定辅助电极(18)的两种不同连接状态下的电容值；以及将补偿电容值计算(90)为两个确定的电容值的加权和，其中加权因子是预定义的常数值。

Description

用于加热器构件补偿、特别是用于汽车应用的电容检测和/或分类装置及操作方法
技术领域
本发明涉及一种带有加热器构件补偿、特别是用于汽车应用的电容检测装置，一种操作这种用于加热器构件补偿的电容检测装置的方法，以及一种用于自动执行这种方法的软件模块。
背景技术
电容传感器和采用电容传感器的电容测量和/或检测装置具有广泛的应用，并且尤其用于检测导电体或导电体部分在天线电极附近的存在和/或位置。如本文所用，术语“电容传感器”是指响应于被感测的对象(人、人身体的一部分、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，振荡电信号被施加到所述至少一个天线电极，并且所述至少一个天线电极由此在传感器正在进行操作时将电场发射到靠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——所述至少一个感测电极可以与发射天线电极相同或不同——在所述至少一个感测电极处检测物体或生物对电场的影响。
在汽车车辆传感器应用领域中，已知采用电容传感器来向自动驾驶辅助系统(ADAS)提供输入，例如用于安全带提醒(SBR)系统或用于辅助约束系统(ARS)的激活控制的目的。感测的信号可以用作ADAS做决策的基础，例如，是否将安全气囊系统展开到特定的车辆座椅的决策。
已经提出了各种各样的电容式乘员感测系统，例如用于控制一个或多个安全气囊(诸如例如驾驶员安全气囊、乘客安全气囊和/或侧面安全气囊)的展开。Jinno等人的US 6,161,070涉及乘客检测系统，该乘客检测系统包括安装在汽车的乘客座椅表面上的单个天线电极。振荡器向天线电极施加振荡电压信号，从而在天线电极周围产生微小电场。Jinno提出基于流向天线电极的电流的幅度和相位来检测座椅中是否存在乘客。
Stanley的US 6,392,542教导了一种电场传感器，该电场传感器包括可安装在座椅内并操作性地耦合到感测电路的电极，该感测电路向该电极施加振荡或脉冲信号，该振荡或脉冲信号具有对座椅的湿度“最微弱地进行响应”的频率。Stanley提出测量流向电极的电流的相位和幅度，以检测被占用或空着的座椅并补偿座椅湿度。
US 2007/0182553 A1提出了一种用于检测车辆座椅上的乘员的乘员检测系统。该乘员检测系统包括在座椅的座椅底部中的天线电极，以及连接到天线电极和车辆的电子单元。该电子单元向天线电极施加负载电流以生成弱电场，并检测通过天线电极的电位电流。电子单元基于阻抗和相位差来检测乘员，所述阻抗和相位差基于负载电流和电位电流。
从US 8,581,603 B2中已知一种用于汽车的乘员分类装置。该乘员分类装置可以通过由坐在座椅上的乘员引起的第一电极和第二电极之间的电场变化来检测坐在座椅上的乘员。乘员分类装置包括：供乘员坐在上面的座椅；设置在座椅中的第一电极；设置在座椅中的第二电极，所述第二电极与第一电极间隔开并在第一电极和第二电极之间形成电场；以及电流测量装置，所述电流测量装置用于测量与坐在座椅上的乘员引起的电场变化相对应的电流值的变化。
US 2005/0253712 A1描述了一种汽车车辆中的乘员判断装置和用于准确确定成员的尺寸的乘员判断方法，其具有其中多个电极布置在一层上的简单配置，并且可以消除乘员和周围的车身金属部件等之间的电容引起的误差，从而抑制错误判定。乘员判定设备包括：第一传感器，其包括布置在就座部分上的多个座椅部分电极；以及第一判定部分。第一传感器部分包括：第一座椅部分电极；参考电极阵列，其中第二座椅部分电极在X方向上分开布置；以及另一个参考电极阵列，其中第三座椅部分电极在X方向上分开布置，其中，第一座椅部分电极和参考电极阵列在y方向上相互分开布置。第一判定部分包括：振荡器；电容检测部分，其检测流过座椅部分电极的电流以检测电容；切换电路，其切换电容检测部分与座椅部分电极的连接；以及控制部分，其输出切换控制信号。
US 6,283,504 B1提出了一种乘员传感器，其中电场传感器包括可安装在车辆座椅中的至少一个电极和操作性地耦合到该电极的感测电路。所述至少一个电极至少部分地界定靠近物体(诸如婴儿座椅、儿童座椅或加高座椅)的至少一个区域，为此传感器的灵敏度优选地被降低。不具有导电电极的至少一个区域可以包括多个区域，并且这些区域中的至少一个可以横向延伸跨过座椅。此外，可以结合多个电极，每个电极对待感测的特定物体具有不同的灵敏度，其中由对特定物体最灵敏的特定电极的电容支配的总电容测量结果可以用于指示该物体的存在。
US 6,563,231 B1描述了一种乘员传感器，该乘员传感器包括电场传感器，该电场传感器包括可安装在车辆座椅内的多个第一电极，其中所述多个第一电极设置在公共表面上并且彼此不重叠。电场传感器还包括至少一个第二电极，其中第一电极和第二电极彼此靠近。感测电路操作性地耦合到第一电极和第二电极，以便控制车辆座椅上的乘员与电路接地之间的电容水平。在第二方面，电场传感器结合了带有接地平面的点阵电极。在第三方面，电场传感器结合了接收电极，该接收电极接收来自感测电极的信号以用于减轻座椅润湿条件的影响。
WO 2019/224291 A1提出了一种操作电容测量系统以补偿温度影响的方法。电容测量系统包括处于安装状态的至少一个电容传感器构件和用于根据通过所述至少一个电容传感器构件的复感测电流确定未知电容的复阻抗的电容测量电路。在该方法中，执行校准测量以获得确定的阻抗的实部和虚部的温度特性。在当前温度Tcurr下的未知电容接下来的阻抗测量中，测量阻抗的实部和虚部被确定，并且基于在当前温度Tcurr下确定的实部以及实部和虚部两者的温度特性，修正了在当前温度Tcurr下确定的阻抗的虚部。
WO 2018/229263 A1描述了一种用于座椅占用检测的电容感测装置、一种分类系统和一种所述系统执行的用于减少传感器到物体阻抗ZSO对物体到接地阻抗ZOG测量结果的影响的方法。
该电容感测装置包括：电容传感器，其包括相互电流分离的至少第一导电天线电极和至少第二导电天线电极；阻抗测量电路，其包括至少一个信号电压源，所述至少一个信号电压源被配置用于参照接地电位在输出端口处提供周期性电测量信号；以及至少一个感测电流测量装置，所述至少一个感测电流测量装置被配置为参照参考电压测量复感测电流。阻抗测量电路被配置并电连接到电容传感器，使得第一天线电极和第二天线电极都可电连接到用于接收周期性电测量信号的输出端口，并且第一和第二天线电极中的至少一个可交替地电连接到接地电位。在连接到输出端口的天线电极中的每一个中，由所提供的周期性电测量信号生成复感测电流。信号处理单元被配置为参照接地电位根据通过相应天线电极(其中第一天线电极电连接到输出端口)的测量复感测电流确定两个天线电极中的至少一个的复阻抗，根据通过两个天线电极中的每一个(其中第一和第二天线电极中的一个电连接到接地电位)的单独测量的复感测电流确定两个天线电极之间的复阻抗，以及提供表示所确定的复阻抗的输出信号。
作为组合这两种阻抗测量结果的一个效果，所提出的系统能够完全独立于ISOIX锚固的磨损或人体触摸车辆的电接地来确定物体对地阻抗ZOG，从而确保在整个车辆生命周期内对物体进行稳定分类。
从WO 2014/122197 A1中已知一种用于车辆座椅的电容传感器，该电容传感器包括用于布置在车辆座椅中的天线电极和操作性地连接到天线电极的控制和评估电路。控制和评估电路被配置为在第一操作模式下操作，在该操作模式期间它测量在天线电极和接地之间流动的交流电流。电容传感器包括用于将控制和评估电路连接到车辆座椅的座椅框架的座椅框架连接器。控制和评估电路被配置为在第二操作模式下操作，在该操作模式期间它测量流入座椅框架连接器的电流。提供切换装置用于将座椅框架连接器交替地连接到接地或跨阻抗放大器的参考输入。通过测量流入座椅框架连接器的电流，可以检查座椅框架是否有自己的接地连接。
在汽车车辆应用中使用电容传感器的另一个示例是所谓的松手检测(HOD)系统，其中一个或多个传感器提供关于驾驶员是否将他的手放在车辆的方向盘上的信息。该信息可以传输到ADAS(诸如自适应巡航控制(ACC))，它可以基于提供的传感器信号警告驾驶员并提醒他或她再次控制方向盘。特别地，这种HOD系统可用于支持满足维也纳公约的要求，即驾驶员必须始终保持对车辆的控制。HOD系统也可用于泊车辅助系统或被配置用于评估高速驾驶员活动的ADAS。
在一些(所谓的“加载模式”)电容传感器中，所述至少一个天线电极同时用作感测电极。在这种情况下，测量电路响应于施加到所述至少一个天线电极的振荡电压来确定流入它们的电流。电压与电流的关系产生所述至少一个天线电极和接地电位之间的复阻抗。在电容传感器的替代版本中(“耦合模式”电容传感器)，发射天线电极和感测电极彼此分离。在这种情况下，测量电路确定当至少一个发射天线电极被操作时在感测电极中感应的电流或电压。
例如，J.R.Smith等人在IEEE Computer Graphics and Applications,18(3)：54-60,1998发表的题为“Electric Field Sensing for Graphical Interfaces”的技术论文中解释了不同的电容感测机制，该技术论文的全部内容应在此通过引用并入，对允许通过引用并入的司法管辖区有效。
该论文描述了用于进行非接触式三维位置测量，更具体地说是用于感测人手的位置以向计算机提供三维位置输入的电场感测概念。在电容感测的一般概念中，作者区分了对应于各种可能的电流路径的他称之为“加载模式”、“分流模式”和“发射模式”的不同机制。在“加载模式”中，振荡电压信号被施加到发射电极，该发射电极建立起对接地的振荡电场。待感测的物体会改变发射电极和接地之间的电容。在“分流模式”(替代地称为“耦合模式”)中，向发射电极施加振荡电压信号，该发射电极建立起对接收电极的电场，测量在接收电极处感应的位移电流。测量的位移电流取决于被感测的身体。在“发射模式”中，发射电极与用户的身体接触，然后通过直接电连接或经由电容耦合成为相对于接收器的发射器。
电容耦合强度可以例如通过将交流电压信号施加到天线电极并且通过测量从该天线电极流向接地(在加载模式中)或流入第二天线电极(在耦合模式)的电流来确定。该电流可以通过跨阻放大器测量，该跨阻放大器连接到感测电极并且将流入感测电极的电流转换为与该电流成比例的电压。
一些电容传感器被设计为具有单个感测电极的仅感测电容传感器。此外，经常使用包括彼此靠近布置并且相互绝缘的感测电极和所谓的“保护电极”的电容传感器。这种“保护”技术在本领域中是众所周知的，并且经常用于有意掩蔽并因此塑造电容传感器的灵敏度机制。为此，保护电极保持与感测电极相同的交流电位。结果，感测电极和保护电极之间的空间没有电场，并且保护感测电容传感器在感测电极和保护电极之间的方向上不灵敏。
为此，已知在电容传感器的感测电极与车辆座椅加热器构件或车辆方向盘加热器构件之间布置保护电极。作为加热器构件(例如加热丝)，在许多情况下电连接到车辆接地，它们可能对待测量的电容传感器信号具有很大影响。因此，诸如加热丝断裂(双重断裂)或加热器构件断开等故障可能会对测量产生影响，从而无法排除任何检测和/或错误分类。使用保护电极作为感测电极下方的第二层可以避免感测电极和加热器构件之间的直接耦合，并且因此可以至少减轻加热器故障对电容传感器系统的检测和/或分类能力的影响。
在电容传感器的感测电极和加热器构件(例如用于车辆座椅或车辆方向盘应用)之间布置额外的保护电极意味着在硬件和安装方面的额外努力。此外，必须注意确保保护电极在电容传感器的整个使用寿命期间的稳定定位。
发明内容
本发明的目的
因此，本发明的目的是提供一种电容感测装置，特别是用于座椅和/或方向盘分别配备有至少一个加热器构件的车辆中的车辆座椅占用检测或松手检测(HOD)。电容感测装置应具有简化的设计并且尤其应表现出稳健的座椅占用检测或HOD能力，其尽可能不受特别是相应车辆座椅或车辆方向盘的任何加热器构件的连接状态的任何变化的影响。
本发明的大致描述
在本发明的一个方面，该目的通过被配置为执行本文公开的方法的步骤的电容检测装置来实现。该电容检测装置包括至少一个电容传感器、信号电压源、复阻抗测量电路以及控制和评估单元。
所述至少一个电容传感器包括彼此靠近布置并且相互绝缘的至少一个导电感测电极和至少一个导电辅助电极。所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极可布置在加热器构件附近。所述加热器构件可以但不限于是可电加热座椅(特别是车辆座椅)的一部分，或者是可电加热车辆方向盘的一部分。
所述信号电压源被配置用于在至少一个输出端口处参照参考电压提供交变测量电压，所述交变测量电压被配置为用作待提供给所述至少一个感测电极的测量信号，以及选择性地待提供给所述至少一个辅助电极的保护信号。
所述复阻抗测量电路电连接到所述至少一个输出端口、所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极，用于测量在所述至少一个感测电极中生成的复感测电流。所述复阻抗测量电路被配置用于基于测量的复感测电流确定复阻抗，并且还被配置为操作性地且选择性地将所述至少一个辅助电极与所述参考电压或与所述保护信号电连接。也就是说，在要进行电容测量的情况下，所述至少一个感测电极被提供有测量电压，而所述至少一个辅助电极被提供有参考电压(其可以是交流接地电位)或信号电压源的保护信号。
控制和评估单元连接到复阻抗测量电路，用于接收数据信号。控制和评估单元至少被配置为控制复阻抗测量电路执行复阻抗测量。
如本申请中所使用的短语“被配置为”应特别理解为被具体编程、布局、提供或安排。
所提出的电容检测装置可用于至少部分地补偿其附近可布置所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极的加热器构件的连接状态的任何变化的影响。如下面将解释的那样，所述至少一个辅助电极与参考电压或与保护信号的选择性电连接允许将加载模式和耦合模式测量结果组合成组合信号，该组合信号即使不是完全不受加热器构件的连接状态的变化的影响，也至少不易受其影响。
电容检测装置在汽车应用中特别有用，例如在座椅占用检测或松手检测(HOD)装置中。本专利申请中使用的术语“汽车”应特别理解为适用于包括客车、卡车、半挂卡车和公共汽车的车辆。
在本发明的范围内还预期来自电容检测装置的信号还可以被评估以用于分类目的。例如，在电容检测装置用于车辆座椅占用检测的应用的情况下，可以通过结合用于区分不同占用类别的一个或多个阈值来建立分类。
优选地，电容检测装置包括用于操作性地和选择性地将所述至少一个辅助电极与参考电压或保护信号电连接的可远程控制的切换单元。可远程控制的切换单元可以包括多个端口和多个切换构件，所述多个切换构件被配置为通过切换单元的控制来操作性地和选择性地提供所选端口之间的电连接。
优选地，电容检测装置的控制和评估单元被配置为执行本文公开的方法的步骤。此外，控制和评估单元被配置用于控制可远程控制的切换单元，以操作性地和选择性地将所述至少一个辅助电极与参考电压或保护信号电连接。
在电容检测装置的优选实施例中，控制和评估单元包括微控制器，所述微控制器包括：数字数据存储单元；带有对数字数据存储单元的数据访问的处理器单元；以及控制接口。这种配备的微控制器如今以多种变型和经济的价格可商购。以此方式，可以实现电容检测装置的自动化操作。
在电容检测装置的优选实施例中，所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极以共面方式布置。这种设计可以实现紧凑的实施例，这在狭小的空间配置中特别有利。
优选地，所述至少一个辅助电极围绕所述至少一个感测电极的主要部分。本申请中使用的术语“主要部分”应特别理解为等于或大于所述至少一个感测电极的占地面积的50％，更优选地大于70％，并且最优选地大于80％，并且还应涵盖100％部分的情况，即辅助电极完全围绕所述至少一个感测电极。
以此方式，一方面，可以实现所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极之间的有效电容耦合。另一方面，也可以实现所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极分别与所述至少一个加热器构件之间的有效电容耦合。相应的有效电容耦合可以降低对将加载模式和耦合模式测量结果组合为组合信号的测量结果的精度的要求，该组合信号不易受加热器构件的连接状态的变化的影响。
在电容检测装置的优选实施例中，所述至少一个感测电极具有大致矩形形状，所述至少一个辅助电极被设计成条带形状并且被布置成以与所述至少一个感测电极恒定间隔的方式沿着所述至少一个感测电极的周向长度的主要部分延伸。
该设计可以实现特别紧凑的实施例，该实施例有益于在狭小空间配置中的应用，从而在所述至少一个感测电极、所述至少一个辅助电极和加热器构件之间提供有效的相互电容耦合。
在进一步优选的这种实施例中，所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极可相对于加热器构件布置在加热器构件附近，使得在至少一个方向上看，所述加热器构件的至少一部分延伸跨过所述至少一个辅助电极的条带形状以与其重叠，并且进一步延伸越过所述至少一个感测电极达到所述至少一个感测电极的线性尺寸的相当大部分(substantial part)。
本申请中使用的术语“相当大部分”应特别理解为等于或大于所述至少一个感测电极的线性尺寸的20％部分，更优选地大于30％部分，并且最优选地大于50％部分。以此方式，可以容易地提供所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极中的每一个与所述加热器构件之间的有效电容耦合。在可能的实施例中，所述加热器构件的至少一部分延伸跨过辅助电极的条带形状并且进一步完全延伸跨过感测电极的宽度。应当理解，这样的实施例对电加热器构件和电容传感器的电极之间的定位公差特别不灵敏，因此相对于这种定位公差特别稳健。
优选地，所述至少一个方向垂直于一个平面布置，所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极设置在该平面中。
在本发明的另一方面，提供了一种用于检测可电加热座椅(特别是车辆座椅)的占用的座椅占用检测系统。所述座椅占用检测系统包括至少一个加热器构件和本文公开的电容检测装置的实施例。所述至少一个加热器构件被布置在形成座椅的一部分的垫子或靠背处。所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极布置在加热器构件附近。在根据本发明的电容检测装置的上下文中描述的益处完全适用于所提出的座椅占用检测系统。
在本发明的又一方面，提供了一种用于可电加热方向盘的松手检测装置。所述松手检测装置包括至少一个加热器构件和本文公开的电容检测装置的实施例。所述至少一个加热器构件布置在方向盘的轮缘上。所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极布置在加热器构件附近。在根据本发明的电容检测装置的上下文中描述的益处完全适用于所提出的松手检测装置。
优选地，所述座椅占用检测系统或松手检测装置的至少一个加热器构件被布置成使得在至少一个方向上看，所述加热器构件的至少一部分延伸跨过所述至少一个辅助电极以与其重叠，并且进一步延伸越过所述至少一个感测电极达到所述至少一个感测电极的线性尺寸的相当大部分。以此方式，可以容易地提供所述座椅占用检测系统和松手检测装置的所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极中的每一个分别与加热器构件之间的有效电容耦合。在优选实施例中，所述加热器构件的至少一部分延伸跨过辅助电极的条带形状并且进一步完全延伸跨过感测电极的宽度。应当理解，这种实施例对电加热器构件和电容传感器的电极之间的定位公差特别不灵敏，因此相对于这种定位公差特别稳健。
本发明的另一个目的是提供一种操作如本文所公开的电容检测装置以进行加热器构件补偿的方法。该方法至少包括以下步骤：
-向所述至少一个感测电极提供测量信号并将所述至少一个辅助电极电连接到参考电压，
-确定流过所述至少一个感测电极的复电流，
-使用确定的复电流计算复阻抗并导出电容值作为发射模式电容值，
-将所述至少一个辅助电极与参考电压电断开，
-将所述至少一个辅助电极电连接到保护电压，
-确定流过所述至少一个感测电极的复电流，
-使用确定的复电流计算复阻抗并导出电容值作为保护模式电容值，
-计算保护模式电容值和发射模式电容值之间的差值作为差分加载模式电容值，以及
-将补偿电容值计算为发射模式电容值和差分加载模式电容值的加权和，其中加权因子是预定义的常数值。
所提出的操作电容检测装置的方法可以至少部分地补偿附近可布置至少一个感测电极和至少一个辅助电极的加热器构件的连接状态的任何变化的影响。
不言而喻，所提出的方法也可以以将所述至少一个辅助电极首先电连接到保护电压然后电连接到参考电压的不同顺序来执行。
图2图示了本发明的概念，该图示出了布置在加热器构件40附近的感测电极16和辅助电极18的配置的等效电路图。加热器构件40可以安装在可电加热车辆座椅中。感测电极16和辅助电极18相互电绝缘并形成电容表示为CSE的电容器44。此外，感测电极16和加热器构件40形成电容为CSSH的电容器46，辅助电极18和加热器构件40形成电容为CESH的电容器48。
在常规操作条件下，可电加热车辆座椅的加热器构件40连接到由接地电位给出的参考电压24，该接地电压通常由与车辆底盘电位的电连接提供。
通过连接到接地电位的辅助电极18确定的发射模式电容值
Figure BDA0004113624670000101
然后由电容器44和电容器46的并联连接给出：
Figure BDA0004113624670000102
上标索引“G”表示加热器构件40的接地条件。
在辅助电极18连接到保护电位的情况下，感测电极16与辅助电极18形成的电容为CSE的电容器44在耦合模式下无效，并且保护模式电容值
Figure BDA0004113624670000111
等于感测电极16与加热器构件40(其被保持在接地电位)之间的电容CSSH。
差分加载模式电容值
Figure BDA0004113624670000112
然后被给出为：
Figure BDA0004113624670000113
当加热器构件40的电连接状态变化为浮动电位条件(图2中以开路开关符号表示)时(由于连接失败或设计意图)，发射模式电容值
Figure BDA0004113624670000114
变化为
Figure BDA0004113624670000115
上标索引“F”表示加热器构件40的浮动条件。
在加热器构件40的这种电连接状态下，电容
Figure BDA0004113624670000116
由电容为CSE的电容器44并联连接到具有电容CSSH的电容器46与分别具有电容CSHG和CESH的电容器50和电容器48的并联连接的串联连接来确定，其中CSHG表示由加热器构件40和接地电位形成的电容器50的电容值。
用于连接到接地电位的辅助电极18和加热器构件40的浮动条件的发射模式电容值
Figure BDA0004113624670000117
然后变为：
Figure BDA0004113624670000118
其中符号‘|’代表串联连接。
在辅助电极18连接到保护电位并且加热器构件40处于浮动条件的情况下，保护模式电容值
Figure BDA0004113624670000119
由具有电容CSHG的电容器50确定，该电容器50串联连接到分别由感测电极16和辅助电极18到加热器构件40形成的电容器46和电容器48(即电容CSSH和CESH)的并联配置。
差分加载模式电容值
Figure BDA00041136246700001110
变化为：
Figure BDA00041136246700001111
其中分数项解释了电容为CSSH的电容器46和电容为CESH的电容器48之间的电流分配。
补偿电容值被定义为发射模式电容值和差分加载模式电容值的加权和。如果加热器构件40连接到参考电压24，即连接到接地电位，则补偿电容值为：
Figure BDA00041136246700001112
并且在加热器构件40处于浮动电位条件的情况下，补偿电容值为：
Figure BDA0004113624670000121
理想情况下，两个补偿电容值的差值等于零，从而反映出电容检测装置的测量根本不受发热器构件40的电连接状态的影响：
Figure BDA0004113624670000122
求解α产生：
Figure BDA0004113624670000123
因此，通过使用发射模式电容值的加权因子1.0和差分加载模式电容值的加权因子α，补偿电容值即使不是完全不受加热器构件40的连接状态的变化的影响，也至少不易受其影响。
对于本领域技术人员显而易见的是，加权因子α由感测电极16、辅助电极18和加热器构件40的几何形状和相互配置来确定。
优选地，发射模式电容值的加权因子等于一，并且差分加载模式电容值的加权因子α与“所述至少一个感测电极和电加热器构件之间的电容值与所述至少一个辅助电极和电加热器构件之间的电容值的比率”成比例。
比例因子α取决于感测电极和辅助电极的面积。在感测电极的面积大于辅助电极的面积的典型设置中，因子阿尔法α在1和3之间。然而，本领域技术人员将理解，在电容检测装置的其他实施例中，因子α也可以被选择为小于一。作为示例，比例因子可以被选择为0.7。以此方式，对于特定应用的电容检测装置可以实现改进的整体性能稳健性。
应当理解，以上操作描述使用差分加载模式DLM来确定两个电极之间的耦合。尽管该DLM模式对于确定耦合是优选的，但是应当理解，耦合也可以通过测量辅助电极处的接收电流来确定。原理将保持完全相同，计算也是如此。只有CDLM值的确定会有所不同(从接收到的电流导出)。
特别是在汽车应用中，所提出的根据本发明的操作电容检测装置的方法显示出额外的益处。也就是说，计算的补偿电容值不仅不易受所述至少一个加热器构件的连接状态的变化的影响，也不易受可能会在驾驶期间改变它们与车辆接地电位的电连接的其他金属部件(例如车辆座椅的部件)的影响。这种部件的示例是座椅底板或框架结构，它们的机械连接可能会在驾驶期间由于车辆座椅中的振动或其他负载变化而发生变化，从而导致与车辆接地电位的电连接发生变化。另一个重要示例是广泛使用的ISOFIX儿童座椅约束系统。所提出的电容检测装置的检测和/或分类稳健性可以通过加强对驾驶期间车辆座椅部件的电连接的变化的影响的减轻来提高。
在本发明的范围内进一步预期，操作电容检测装置的方法还包括评估来自电容检测装置的信号以用于分类目的的步骤。
在本发明的又一方面，提供了一种用于控制本文公开的方法的任何实施例的步骤的自动执行的软件模块。
将要进行的方法步骤被转换成软件模块的程序代码，其中程序代码可在电容检测装置的数字存储单元中实现，并可由电容检测装置的处理器单元执行。优选地，数字存储单元和/或处理器单元可以是电容检测装置的控制和评估单元的数字存储单元和/或处理单元。替代地或补充地，处理器单元也可以是特别指定用于执行所述方法步骤中的至少一些的另一处理器单元。
软件模块可以实现该方法的自动、稳健和可靠的执行，并且可以允许方法步骤的快速修改。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得到阐明。
应当指出的是，在前面的描述中单独详述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合并示出本发明的进一步的实施例。说明书特别结合附图表征和详细说明了本发明。
附图说明
本发明的进一步的细节和优点将从以下参照附图对非限制性实施例的详细描述中显而易见，其中：
图1示意性地图示了处于安装状态的配备有包括根据本发明的电容感测装置的可能实施例的座椅占用检测系统的座椅，
图2示出了布置在座椅的加热器构件附近的根据图1的电容检测系统的感测电极和辅助电极的配置的等效电路图，
图3示意性地示出了根据图1的电容检测系统的感测电极和辅助电极的详细视图。
图4示意性地示出了根据图1的电容检测系统的感测电极和辅助电极在座椅的加热器构件附近的可能布置，
图5示意性地示出了根据图1的电容检测系统的感测电极和辅助电极在座椅的加热器构件的替代实施例附近的另一种可能布置，
图6示出了来自用于各种座椅占用场景以及处于加热器构件分别与感测电极和辅助电极之间的中间层的不同厚度、加热器构件电连接到参考电压(接地电位)的电容检测系统的电容测量的实验结果曲线图，
图7示出了来自与图6相同场景和中间层厚度、加热器构件电连接状态改变为浮动电位的电容检测系统的电容测量的实验结果曲线图，以及
图8示出了根据本发明的操作根据图1的电容检测系统以进行加热器构件补偿的方法的流程图。
在不同的图中，相同的部分总是分别具有相同的参考符号或数字。因此，它们通常只被描述一次。
具体实施方式
图1以安装状态和侧视图示意性地示出了配备有座椅占用检测系统10的可电加热座椅52，该座椅占用检测系统10包括根据本发明的电容检测装置12的可能实施例。座椅52被设计为客车的车辆座椅并且包括座椅结构(未示出)，座椅通过该座椅结构竖立在客车的客舱地板上，如本领域所公知的那样。
座椅52还包括座椅底座54，该座椅底座54由座椅结构支撑并且被配置用于接收椅垫56，该椅垫56用于为座椅乘员提供舒适度。车辆座椅52的椅垫56包括座椅泡沫构件和织物罩(其在图1中被省略)。座椅底座54和椅垫56被提供用于支撑座椅乘员的臀部。座椅52的靠背58被提供用于支撑座椅乘员的背部。
座椅占用检测系统10被配置用于检测可电加热座椅52的占用(状态)，并且还包括电加热器构件40和带有加热电源64的电加热器电力单元62，在该具体实施例中，该加热电源64由车辆的启动电池馈送。
此外，电加热器电力单元62包括用于控制向电加热器构件40提供电加热电力的可控脉宽调制(PWM)切换单元66。来自加热电源64的电加热电力的提供可由电子控制单元(未示出)经由PWM切换单元66来控制。PWM方案的典型切换频率可以是例如25Hz。
电容检测装置12包括电容传感器14，电容传感器14包括导电感测电极16和导电辅助电极18。感测电极16和辅助电极18相互电隔离并且彼此绝缘，使得它们之间的唯一电连接由电容耦合提供。
导电感测电极16和导电辅助电极18位于织物罩下方的椅垫56的A表面上。感测电极16和辅助电极18基本上平行于A表面布置并且布置在电加热器构件40上方和附近。与其他常规电容检测装置相比，电容检测装置12不包括设置在感测电极16和电加热器构件40之间的额外的保护电极。
图3示意性地示出了根据图1的电容检测装置12的感测电极16和辅助电极18的详细视图。感测电极16和辅助电极18以共面方式布置并且可以形成为附接在柔性薄膜载体上的印刷金属电极。感测电极16具有矩形形状，并且辅助电极18被设计为条带形状。辅助电极18被布置成以与感测电极16恒定间隔的方式沿着感测电极16的周向长度的主要部分延伸。以此方式，辅助电极18被布局成围绕感测电极16的主要部分。
如图4示意性所示，感测电极16和辅助电极18相对于电加热器构件40布置在电加热器构件40附近，使得在垂直于公共平面的方向上看，电加热器构件40的部分重叠并延伸跨过辅助电极18的条带形状，并且进一步延伸越过感测电极16达到感测电极16的线性尺寸(即宽度)的相当大部分。
在其他实施例中(其示例在图5中示意性地图示)，感测电极16和辅助电极18可以相对于电加热器构件42布置在电加热器构件42附近，使得在垂直于公共平面的方向上看，电加热器构件42的部分重叠并延伸跨过辅助电极18的条带形状，并且进一步完全延伸跨过感测电极16的宽度。应当理解，该实施例对电加热器构件42与电容传感器的电极16和18之间的定位公差特别不灵敏，因此相对于这样的定位公差特别稳健。
再次参考图1，除了电容传感器14之外，电容检测装置12还包括信号电压源20，包括可远程控制的切换单元28和电流测量电路30的复阻抗测量电路26，以及控制和评估单元32。
信号电压源20被配置用于在输出端口22处参照参考电压24(即交流接地电位)提供交变测量电压且更具体地说是周期性的测量电压。在该具体实施例中，信号电压源20提供基频为例如2MHz的正弦周期性电气测量电压。一般而言，基频通常可以位于10kHz和100MHz之间的范围内。信号电压源20的输出端口22电连接到可远程控制的切换单元28。交变测量电压被配置为用作待提供给感测电极16的测量信号，并用作选择性地待提供给辅助电极18的保护信号。用于基于交变测量电压并且以基本上相同的频率和适当的幅度及相位来提供保护信号的电子电路在本领域中是已知的并且不需要在本文中更详细地讨论。
复阻抗测量电路26电连接到信号电压源20的输出端口22、感测电极16和辅助电极18，并且被配置用于测量在感测电极16中生成的复感测电流，以及用于基于测量的复感测电流确定复阻抗。复阻抗测量电路26包括可远程控制的切换单元28，该切换单元28被配置为操作性地且选择性地将辅助电极18与参考电压24或与保护信号电连接。复阻抗测量电路26的电流测量电路30包括感测电流测量装置，该感测电流测量装置例如可以包括至少一个跨阻放大器。
控制和评估单元32连接到复阻抗测量电路26以用于接收和评估数据信号。控制和评估单元32被配置为控制复阻抗测量电路26执行复阻抗测量。为此，控制和评估单元32包括微控制器，该微控制器包括处理器单元34、处理器单元34对其具有数据访问的数字数据存储单元36和控制接口38。来自控制接口38的控制线和信号线分别被提供以将控制和评估单元32与可远程控制的切换单元28和电流测量电路30连接。提供另一信号线以将控制和评估单元32连接到车辆的安全气囊控制单元68。
尽管所提出的电容检测装置已被描述为座椅占用检测系统的一部分，但本领域技术人员将容易认识到，电容检测装置也可以用于可电加热方向盘的松手检测(HOD)装置中，其中电加热器构件布置在方向盘的轮缘上，并且感测电极和辅助电极布置在电加热器构件附近。
下面，将参照图1和图8(图8提供了方法的流程图)描述根据图1的操作电容检测装置12的方法的实施例。在准备操作电容检测装置12时，应当理解，所有涉及的单元和装置都处于操作状态并且如图1所示的那样配置。
为了能够自动且以受控方式执行该方法，控制和评估单元32包括软件模块60。待执行的方法步骤被转换成软件模块60的程序代码。程序代码在控制和评估单元32的数字数据存储单元36中实现并且可由控制和评估单元32的处理器单元34执行。
该方法的执行可以通过打开客车点火来启动。如图8所示，该方法的步骤以重复方式自动执行，例如周期性地自动执行。
在该方法的第一步骤70中，通过控制和评估单元32对可远程控制的切换单元28的控制，将测量信号提供给感测电极16，并且将辅助电极18电连接到参考电压24(即交流接地电位)。然后，在另一步骤72中，确定流过感测电极16的复电流，并且在随后的步骤74中，使用所确定的复电流计算复阻抗。下一步骤76是：从计算的复阻抗导出电容值作为发射模式电容值。
在两个随后的步骤78、80中，经由控制和评估单元32对可远程控制的切换单元28的控制，首先将辅助电极18从参考电压24电断开78，然后将辅助电极18电连接80到保护电压。当然应当理解，两个步骤78和80可以作为单个操作执行，其中辅助电极18的连接在参考电压和保护电压之间切换，使得辅助电极18电连接80到保护电压。
然后在另一步骤82中，确定流过感测电极16的复电流。在随后的步骤84中，使用最近确定的复电流计算复阻抗。下一步骤86是：从计算的复阻抗导出电容值作为保护模式电容值。
在下一步骤88中，计算保护模式电容值与发射模式电容值之间的差值作为差分加载模式电容值。然后，在最后的步骤90中，将补偿电容值计算为发射模式电容值和差分加载模式电容值的加权和。加权因子是预定义的常数值，所述常数值可以驻留在控制和评估单元32的数字数据存储单元36中。
发射模式电容值的加权因子被选择为1.0。在所提出方法的该具体实施例中，差分加载模式电容值的加权因子α被选择为感测电极16和电加热器构件40之间的电容值CSSH与辅助电极18和电加热器构件40之间的电容值CESH的比率：
Figure BDA0004113624670000171
加权因子α可以例如在电容检测装置12的常规操作之前在校准测量中确定。在确定电容CSSH和CESH时对最大可容忍测量误差的要求可以从分数相对误差的误差传播规则中得出。
图6和图7示出了对于座椅乘员到加热器元件的各种距离以及在A表面和座椅乘员之间的中间层的不同厚度(横坐标)的情况下，来自电容检测装置12的电容测量(以任意单位)的实验结果曲线图。对于图6的数据，加热器构件40电连接到参考电压24(交流接地电位)，而对于图7的数据，加热器构件40的电连接状态变为浮动电位。
图6和图7中的最低线是指空座椅。上面示出的两条线分别是指接地和浮动条件下的儿童约束系统。虚线阈值水平线上方的四条线是成人座椅乘员的结果。
正如从图6和图7中可以获得的那样，由电容检测装置12确定的电容值似乎不易受电加热器构件40的电连接状态在电连接到参考电压24和电连接到保护信号之间的变化的影响。实现了有效且充分的电加热器构件补偿，这适当地满足了结合阈值以可靠且稳健地进行座椅占用的检测和/或分类的先决条件。
虽然本发明已在附图和前面的描述中进行了详细说明和描述，但这种说明和描述应被视为说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践要求保护的发明时可以理解和实现要公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，这意味着表示至少两个的数量。某些措施在相互不同的从属权利要求中记载的事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何参考标记不应被解释为限制范围。
参考符号列表
10 座椅占用检测系统
12 电容检测装置
14 电容传感器
16 感测电极
18 辅助电极
20 信号电压源
22 输出端口
24 参考电压
26 复阻抗测量电路
28 可远程控制的切换单元
30 电流测量电路
32 控制和评估单元
34 处理器单元
36 数字数据存储单元
38 控制接口
40 电加热器构件
42 电加热器构件
44 电容器感测电极-辅助电极
46 电容器感测电极-加热器构件
48 电容器辅助电极-加热器构件
50 电容器加热器构件-接地电位
52 座椅
54 座椅底座
56 椅垫
58 靠背
60 软件模块
62 电加热器电力单元
64 加热电源
66 PWM切换单元
68 安全气囊控制单元
方法步骤：
70 向感测电极提供测量信号并将辅助电极连接到参考电压
72 确定通过感测电极的复电流
74 计算复阻抗
76 导出发射模式电容值
78 断开辅助电极
80 将辅助电极连接到保护电压
82 确定通过感测电极的复电流
84 计算复阻抗
86 导出保护模式电容值
88 计算保护模式电容值和发射模式电容值之间的差值
90 计算补偿电容值

Claims (11)

1.一种带有电加热器构件补偿的电容检测装置(12)，所述电容检测装置(12)包括：
-具有彼此靠近布置并且相互绝缘的至少一个导电感测电极(16)和至少一个导电辅助电极(18)的至少一个电容传感器(14)，其中所述至少一个感测电极(16)和所述至少一个辅助电极(18)可布置在电加热器构件(40；42)附近，
-信号电压源(20)，所述信号电压源(20)被配置用于在至少一个输出端口(22)处参照参考电压(24)提供交变测量电压，所述交变测量电压被配置为用作待提供给所述至少一个感测电极(16)的测量信号，以及选择性地待提供给所述至少一个辅助电极(18)的保护信号，
-复阻抗测量电路(26)，所述复阻抗测量电路(26)电连接到所述至少一个输出端口(22)、所述至少一个感测电极(16)和所述至少一个辅助电极(18)，并且被配置用于测量在所述至少一个感测电极(16)中生成的复感测电流以及用于基于测量的复感测电流确定复阻抗，并且被配置为操作性地和选择性地将所述至少一个辅助电极(18)与所述参考电压(24)或与所述保护信号电连接，以及
-控制和评估单元(32)，所述控制和评估单元(32)连接到所述复阻抗测量电路(26)以用于接收和评估数据信号，并且至少被配置为控制所述复阻抗测量电路(26)执行复阻抗测量，用于控制可远程控制的切换单元(28)以操作性地和选择性地将所述至少一个辅助电极(18)与所述参考电压(24)或与所述保护信号电连接，
其中，所述控制和评估单元(32)还被配置用于执行至少以下步骤：
-向所述至少一个感测电极(16)提供(70)所述测量信号并将所述至少一个辅助电极(18)电连接到所述参考电压(24)，
-确定(72)流过所述至少一个感测电极(16)的复电流，
-使用确定的复电流计算(74)复阻抗并导出(76)电容值作为发射模式电容值，
-将所述至少一个辅助电极(18)从所述参考电压(24)电断开(78)，
-将所述至少一个辅助电极(18)电连接(80)到所述保护电压，
-确定(82)流过所述至少一个感测电极(16)的复电流，
-使用确定的复电流计算(84)复阻抗并导出(86)电容值作为保护模式电容值，
-计算(88)所述保护模式电容值和所述发射模式电容值之间的差值作为差分加载模式电容值，以及
-将补偿电容值计算(90)为所述发射模式电容值和所述差分加载模式电容值的加权和，其中加权因子是预定义的常数值。
2.根据权利要求1所述的电容检测装置(12)，其中，所述至少一个感测电极(16)和所述至少一个辅助电极(18)以共面方式布置。
3.根据权利要求1或2所述的电容检测装置(12)，其中，所述至少一个辅助电极(18)围绕所述至少一个感测电极(16)的主要部分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电容检测装置(12)，其中，所述至少一个感测电极(16)具有大致矩形形状，所述至少一个辅助电极(18)被设计成条带形状并且被布置成以与所述至少一个感测电极(16)恒定间隔的方式沿着所述至少一个感测电极(16)的周向长度的主要部分延伸。
5.根据权利要求4所述的电容检测装置(12)，其中，所述至少一个感测电极(16)和所述至少一个辅助电极(18)可相对于电加热器构件(40；42)布置在所述电加热器构件(40；42)附近，使得在至少一个方向上看，所述电加热器构件(40；42)的至少一部分延伸跨过所述至少一个辅助电极(18)的条带形状，并且进一步延伸越过所述至少一个感测电极(16)达到所述至少一个感测电极(16)的线性尺寸的相当大部分。
6.一种用于检测可电加热座椅(52)、特别是车辆座椅的占用的座椅占用检测系统(10)，所述座椅占用检测系统(10)包括：
-至少一个电加热器构件(40；42)，以及
-根据权利要求1至5中任一项所述的电容检测装置(12)，其中所述至少一个电加热器构件(40；42)被布置在形成所述座椅(52)的一部分的垫子(56)或靠背(58)处，并且所述至少一个感测电极(16)和所述至少一个辅助电极(18)布置在所述电加热器构件(40；42)附近。
7.一种用于可电加热方向盘的松手检测装置，包括：
-至少一个电加热器构件，以及
-根据权利要求1至5中任一项所述的电容检测装置，其中，所述至少一个电加热器构件布置在所述方向盘的轮缘上，并且所述至少一个感测电极和所述至少一个辅助电极布置在电加热器构件附近。
8.根据权利要求6所述的座椅占用检测系统(10)或根据权利要求7所述的松手检测装置，其中，至少一个电加热器构件(40；42)被布置成使得在至少一个方向上看，所述电加热器构件(40；42)的至少一部分延伸跨过所述至少一个辅助电极(18)，并且进一步延伸越过所述至少一个感测电极(16)达到所述至少一个感测电极(16)的线性尺寸的相当大部分。
9.一种操作根据权利要求1至5中任一项所述的电容检测装置(12)以进行加热器构件补偿的方法，所述方法至少包括以下步骤：
-向所述至少一个感测电极(16)提供(70)所述测量信号并将所述至少一个辅助电极(18)电连接到所述参考电压(24)，
-确定(72)流过所述至少一个感测电极(16)的复电流，
-使用确定的复电流计算(74)复阻抗并导出(76)电容值作为发射模式电容值，
-将所述至少一个辅助电极(18)从所述参考电压(24)电断开(78)，
-将所述至少一个辅助电极(18)电连接(80)到所述保护电压，
-确定(82)流过所述至少一个感测电极(16)的复电流，
-使用确定的复电流计算(84)复阻抗并导出(86)电容值作为保护模式电容值，
-计算(88)所述保护模式电容值和所述发射模式电容值之间的差值作为差分加载模式电容值，以及
-将补偿电容值计算(90)为所述发射模式电容值和所述差分加载模式电容值的加权和，其中所述加权因子是预定义的常数值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述发射模式电容值的加权因子等于一，并且所述差分加载模式电容值的加权因子与所述至少一个感测电极(16)和电加热器构件(40；42)之间的电容值与所述至少一个辅助电极(18)和所述电加热器构件(40；42)之间的电容值的比率成比例。
11.一种用于自动执行根据权利要求9或10所述的方法的软件模块(60)，其中，待执行的方法步骤被转换成所述软件模块(60)的程序代码，其中所述程序代码可在根据权利要求1至5中任一项所述的电容检测装置(12)的数字数据存储单元(36)或单独的控制单元中实施，并且可由根据权利要求1至5中任一项所述的电容检测装置(12)的处理器单元(34)或单独的控制单元执行。
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