DE102012224007A1

DE102012224007A1 - Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines Messkondensators

Info

Publication number: DE102012224007A1
Application number: DE201210224007
Authority: DE
Inventors: Jörg Schulz
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: DE102012224007B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines Messkondensators C_x wird zuerst ein Messkondensators C_x durch Verbinden mit einer Spannungsquelle U0 aufgeladen.
Nach der Trennung des Messkondensators C_x von der Spannungsquelle U0, wird ein Teil der auf dem Messkondensator C_x gespeicherten Ladung Q_x auf einen Ladekondensator CL umgeladen. Die Verbindung zwischen Messkondensator C_x und dem ersten Ladekondensator CL wird nach einem vorgegebenen Umladezeitraum ∆t1 unterbrochen. Anschließend werden der Ladenkondensator CL und ein zuvor entladener zweiter Ladekondensators C_ref durch Verbinden der beiden Kondensatoren mit der Spannungsquelle U0 gleichzeitig aufgeladen. Anschließend wird die Zeitverzögerung ∆t2 = T1 – T2 mit der die beiden Spannungssignale UCL(t) bzw. URef(t) an den beiden Kondensatoren jeweils vorgegebene Schwellwerte erreichen ermittelt.
Diese Zeitverzögerung ∆t2 ein Maß für die Kapazität des Messkondensators Cx.

Description

Aus der US2010/0181180 ist ein Kapazitiver Sensor bekannt, bei dem mit Hilfe eines A/D-Wandlers und eines internen Referenzkondensators, die Kapazität eines externen Kondensators bestimmt wird. Dabei wird z. B. Ladung vom Referenzkondensator auf den externen Kondensator übertragen und die daraus resultierende Spannungsänderung ausgewertet.
Typischerweise ist der Referenzkondensator integraler Bestandteil eines ICs mit A/D-Wandler.
Um auch kleine Kapazitätsänderungen erfassen zu können, muss der Referenzkondensator entsprechend klein gewählt werden, um eine auswertbare Spannungserhöhung zu erhalten.
Bei kapazitiv arbeitenden Touch Screens, Tastaturen etc. ist die zur Verfügung stehende Kapazitätsänderung (durch Berührung mit der Fingerkuppe oder durch Annäherung d. h. nahezu Berührung) in der Regel relativ groß, so dass keine besonders große Empfindlichkeit erforderlich ist.
Solche kapazitiven Sensoren oder auch die entsprechenden Auswerteverfahren sind bei bestimmten Applikationen z. B. im Automobilbereich für Keyless Entry/Keyless Go-Systeme nicht einsetzbar, da diese Systeme eine relativ hohe Grundkapazität aufweisen und möglichst kleine Kapazitätsänderungen erfasst werden müssen, um z. B. die Annäherung einer Hand sehr früh zu erfassen. Dafür sind die oben genannten Sensoren nicht ohne weiteres geeignet.
Diese Sensoren weisen bereits Referenzkondensatoren auf, die relativ klein sind. Weil die Referenzkapazität i.d.R. integraler Bestandteil des ICs mit ADC ist, bringen sie somit die Voraussetzung für hohe Empfindlichkeit schon prinzipiell mit. Nicht die Sensoren bzw. Schaltungen selbst sind es, die eine hohe Grundkapazität aufweisen, sondern die Applikation ist es, die das mit sich bringt. Und dafür sind solche Sensoren nicht ohne weiteres angepasst.
Derartige kapazitive Sensoren sind auch deshalb nicht für den Automobilbereich geeignet, da bei bestimmten Umwelteinflüssen wie Regen und Schnee oder EMV-Einstrahlungen oft ein großer Messdynamikbereich erforderlich ist, wofür die oben genannten Sensoren nicht geeignet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen kapazitiven Sensor bzw. ein Verfahren zur Bestimmung einer Messkapazität für einen kapazitiven Sensor anzugeben, wobei die oben genannten Nachteile vermieden werden und eine hohe Empfindlichkeit sowie eine hohe Messbereichsdynamik erreicht wird. Der Sensor bzw. das Verfahren sollen für den Automobilbereich geeignet sein und der Sensor soll einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.
Wesentlich Idee der Erfindung ist es, die auf einem Messkondensator gespeicherte Ladung auf einen ersten Ladekondensator umzuladen und nach dem Umladevorgang den ersten Ladekondensator und einen weiteren zweiten Ladekondensator parallel aufzuladen und das Zeitintervall zu bestimmen, welches zwischen dem Erreichen zweier Schwellspannungen auftritt.
Dieses Zeitintervall hängt von der bei der Umladung erzielten Spannungserhöhung und damit von der Kapazität des Messkondensators ab.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematische Darstellung einer Auswerteschaltung für einen kapazitiven Sensor
2 zeitlicher Verlauf der Spannungssignale an zwei Kondensatoren der Auswerteschaltung nach 1.
In 1 ist eine Auswerteschaltung für einen kapazitiven Sensor schematisch dargestellt.
Diese Schaltung weist einen Messkondensator C_x auf, dessen Kapazität bzw. Kapazitätsänderung bestimmt werden soll. Bei einem Keyless Entry/Keyless Go System im Automobilbereich wird die Kapazitätsänderung durch die Annäherung eines Körperteils an eine im Fahrzeug vorgesehene Elektrode eines kapazitiven Sensors erfasst. Die Elektrode weist zu der Umgebung eine gewisse Grundkapazität auf. Der Messkondensator C_x ist über einen Schalter S1 wahlweise mit einer Spannungsquelle U₀ bzw. mit einem Ladekondensator C_L verbunden. Parallel zum Ladekondensator C_L ist ein Referenzkondensator C_ref angeordnet. Beide Kondensatoren sind über Widerstände R1, R2 mit einem Schalter S2 verbunden, dem eine Spannungsquelle U₀ nachgeschaltet ist. Die beiden Kondensatoren C_L und C_ref sind mit einer Schwellwerteinheit SE verbunden. Der Ausgang der Schwellwerteinheit SE steuert einen Zeit Amplituden Konverter TAC an. Dieser Konverter besteht aus einem Schalter S3, der die Spannungsquelle u₀ mit einem Ausgabekondensator C1 verbindet. Die Spannung am Ausgabekondensator CA wird einem Microcontroller µC zugeführt.
Nachfolgend ist die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach 1 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
Aufgrund der Spannung U₀ wird der Messkondensator C_x mit einer Ladung Q_x aufgeladen.
Durch Umlegen des Schalters S1 wird der Messkondensator C_x von der Spannungsquelle U₀ getrennt und mit dem Ladekondensator C_L verbunden. Dabei fließt ein Teil der Ladung Q_x auf den Ladekondensator C_L und erzeugt an diesem eine Spannungserhöhung. Nach einem Umladezeitraum ∆t1 wird die Verbindung zwischen Messkondensator C_x und Ladekondensator C_L aufgehoben. Nach dieser Trennung werden anschließend der Ladekondensator C_L und der Referenzkondensator C_ref über die beiden Widerstände R1 und R2 mit der Spannungsquelle U₀ verbunden. Dadurch erhöht sich die Spannung an beiden Kondensatoren. Der entsprechende zeitliche Spannungsverlauf ist in 2 dargestellt. In der Schwellwerteinheit SE wird das Spannungssignal UC_L(t) mit einem ersten Schwellwert SW1 verglichen. Das Überschreiten des Schwellwerts SW1 definiert einen Zeitpunkt T1. In der Schwellwerteinheit SE wird außerdem das Spannungssignal U_Cref (t) mit einem zweiten Schwellwert SW2 verglichen. Auch hier definiert das Überschreiten des Schwellwerts einen Zeitpunkt T2. In der Schwellwerteinheit SE wird das Zeitintervall ∆t2 = T2 – T1 bestimmt. Die Zeitverzögerung ∆t2 ist ein Maß für die Ladung Q, die beim Umladevorgang vom Messkondensator C_x auf den Ladekondensator C_L übertragen wurde, und damit ein Maß für die Kapazität des Messkondensators C_x.
Die Zeitverzögerung ∆t2 wird in einem Zeit-Amplituden-Konverter TAC (time to amplitude converter) in ein Spannungssignal umgewndelt.
Der Konverter TAC ist mit einem Microcontroller µC verbunden, in dem das Ausgangssignal Out ausgewertet wird. Der Mikrocontroller µC ist für das Powermanagement verantwortlich.
Um Strom zu sparen werden nicht permanent Messwerte generiert. Wenn jedoch eine Kapazitätsänderung detektiert wird, die von der Annäherung eines Körperteils stammen könnte, so werden laufend Messwerte erzeugt, um aus deren Zeitverhalten eindeutig auf den Öffnungswunsch des Anwenders schließen zu können.
Um eine vollständige Übertragung der Ladung Q_x zu erzielen ist die Kapazität des Ladekondensators mindestens 10 mal größer wie die Kapazität des Messkondensators.
Es hat sich herausgestellt, dass der Umladezeitraum ∆t1 kleiner als 200 nsec besonders vorteilhaft ist.
Die Auswerteschaltung ist für den Einmal-Betrieb (One-Shot) geeignet. Die Kapazität des Messkondensators Cx kann aus einer einzigen Ladungsübertragung auf den Messkondensator Cx ermittelt werden.
Sie kann natürlich auch repetierend betrieben werden. Bei jedem Messzykluss liegt ein separater Messwert vor. Die Schaltung benötigt eine Pausenzeit von ca. 100 µs.
Die Schaltung hat außerdem einen sehr überraschenden Effekt gezeigt. Durch das schnelle Umladen der unbekannten Ladung Q_x auf den Ladekondensator C_L ist das Messergebnis extrem unempfindlich gegen Umwelteinflüsse wie Wasser, Schmutzwasser, Salzwasser etc.. Ein weiterer überraschender Effekt ist darin zu sehen, dass es mit dem erfindungsgemäßen kapazitiven Sensor bzw. mit dem entsprechenden Verfahren möglich ist, großflächige Elektroden auch hinter einer Primerschicht, wie sie z. B. bei lackierten Autoteilen üblich sind, anzuordnen. Damit sind die Elektroden der Sensoren nicht sichtbar und die üblichen Lackierverfahren können verwendet werden.
Deshalb wird ein separater Anspruch auf dieses schnelle Umladen gerichtet.
Mit der vorliegenden Auswerteschaltung können bei Grundkapazitäten von 10–40 pF, wie sie bei Elektroden im Automobilbereich typisch sind, auch kleine Kapazitätsänderungen unter 0.5 pF, die zum Beispiel durch eine Annäherung eines Körperteils, Hand oder Fuß, bewirkt werden, sicher, zuverlässig und schnell detektiert werden. Die Empfindlichkeit der Messschaltung ist so groß, dass auch die Annäherung des Körperteils relativ früh erkannt werden kann. Im Automobilbereich ist der Microcontroller µC mit einer zentralen Steuereinheit, die mit dem Schließsystem im Fahrzeug verbunden ist, angeschlossen.
In 3 ist die Anordnung einer Elektrode des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors an einer Stoßstange schematisch dargestellt. Die Elektrode 1 ist die Elektrode, mit der die Annäherung eines Körperteils erfasst wird. Sie befindet sich hinter der lackierten Stoßstange und muss durch diese „hindurchsehen“.
Dargestellt sind auch ein Querträger QT, Ultraschallsensoren US für eine Einparkhilfe, ein Adapter A und eine weitere Elektrode E2. In der Nähe der Elektrode E1 befinden sich der Adapter A, nicht dargestellte Versteifungselemente und nicht dargestellte Befestigungselemente, wie auch ein metallischer Unterboden und Zierelemente, sowie der leitfähige Primer, die Lackierung und die Stoßfängerverkleidung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0181180 [0001]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines Messkondensators C_x mit folgenden Verfahrensschritten A) Aufladen eines Messkondensators C_x durch Verbinden mit einer Spannungsquelle U0 B) Trennung des Messkondensators C_x von der Spannungsquelle U₀ C) Verbinden des Messkondensators C_x mit einem zuvor entladenen ersten Ladekondensator CL, um ein Teil der auf dem Messkondensator C_x gespeicherten Ladung Q_x umzuladen D) Unterbrechung der Verbindung zwischen Messkondensator C_x und dem ersten Ladekondensator C_L nach einem vorgegebenen Umladezeitraum ∆t1 E) Weiteres Aufladen des Ladekondensators C_L und gleichzeitiges Aufladen eines zuvor entladenen zweiten Ladekondensators C_ref durch Verbinden der beiden mit der Spannungsquelle U0 F) Vergleichen des Spannungssignals UCL(t) mit einem ersten Schwellwert SW1, wobei das Überschreiten des Schwellwerts SW1 einen Zeitpunkt T1 definiert G) Vergleichen des Spannungssignals UC_ref(t) mit einem zweiten Schwellwert SW2, wobei das Überschreiten des Schwellwerts SW2 einen Zeitpunkt T2 definiert H) Ermitteln der Zeitverzögerung ∆t2 = T1 – T2 mit der die beiden Spannungssignale UCL(t) bzw. URef(t) jeweils die Schwellwerte erreichen, wobei die Zeitverzögerung ∆t2 ein Maß für die Kapazität des Messkondensators Cx ist
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Ladekondensators C_L mindestens 10 mal so groß ist als die Kapazität des Messkondensators Cx.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umladezeitraum ∆t1 kleiner als 200 nsec ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zyklisch/azyklisch ausgeführt wird mit einer Pausenzeit von mindestens 100 µsec.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Messkondensators Cx durch die Bewegung eines menschlichen Körperteils beeinflusst wird und über die Kapazitätsänderung eine Detektion des Körperteils erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors mit einem Messkondensator Cx und einem Referenzkondensator CL, auf den die Ladung des Messkondensators übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umladung in einem Zeitraum von weniger als 200 nsec erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.