DE102013221346B4

DE102013221346B4 - Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor

Info

Publication number: DE102013221346B4
Application number: DE102013221346.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Schulz
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: DE102013221346A1

Abstract

Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor zur Erfassung des Abstands, der Geschwindigkeit oder der Position eines Objekts mit einer ersten Elektrodenkapazität (1) und einer zweiten Elektrodenkapazität (2), die über eine Koppelkapazität (3) miteinander gekoppelt sind, sowie mit einem Ladungsimpulsausgang (4), dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsgenerator (5) zur Erzeugung von Messimpulsen vorhanden ist, dessen Ausgang mit einem Multiplexer (6) verbunden ist, und dem Multiplexer (6) Schalter S2 und S3 nachgeschaltet sind, um die Elektrodenkapazitäten (1, 2) entsprechend vorgegebener Auswertemodi mit dem Ladungsimpulsausgang (4) zu verbinden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Kapazitive Sensoren sind nicht nur in der Automatisierungstechnik, sondern neuerdings auch in der Automobiltechnik weit verbreitet, wo sie u. a. als Kofferraum-, Türöffner, oder zur Sitzbelegungserkennung Anwendung finden.
Sie weisen mindestens eine von außen beeinflussbare Elektrodenkapazität auf, deren Elektroden mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt werden. Die von einem in das elektrische Wechselfeld eintauchenden Objekt hervorgerufenen Kapazitätsänderungen werden zur besseren Weiterverarbeitung meist in einen Impuls mit variabler Länge umgewandelt. Geräte dieser Art werden auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Um Fehlschaltungen zu vermeiden, werden mehrere Elektroden verwendet, die eine genauere Analyse der Situation ermöglichen. Beispielsweise müssen Regen, Schnee oder fallende Blätter oder auch unbeabsichtigte menschliche Beeinflussungen wie z.B. Vorbeigehen sicher von einer sich in definierter Weise nähernden Hand oder einem Fuß unterschieden werden.
Eine solche kapazitive Sensoranordnung mit einem Ladungsimpulsausgang wird in der Literatur auch als Front-end-Elektronik bezeichnet.
Die DE 10 2012 200 191 A1 zeigt einen kapazitiven Drucksensor, wobei durch kapazitive Spannungsteilung eine Quotientenbildung abgeleitet wird. Dabei können jedoch die einzelnen Kapazitäten nicht unabhängig voneinander ermittelt werden.
Die DE 10 2011 087 494 A1 zeigt einen kapazitiven Sensor einer in Differenzialkondensator-Anordnung Die Schaltung ist jedoch nicht für die Verarbeitung von Einzelimpulsen geeignet.
Die US 2011 / 0 080 201 A1 zeigt einen Impulsgenerator mit einem einstellbarem Impuls-Pausenverhältnis. Als Nachteil werden die dafür benötigten variablen Kapazitäten und Widerstände angesehen.
Die DE 103 59 441 A1 zeigt einen Impulsgenerator mit Bipolartransistor unter Ausnutzung eines Speicherschalteffektes, wobei die Impulsdauer jedoch nicht elektrisch steuerbar ist.
Die DE 10 2009 035 156 B4 zeigt eine solche mit einem Netzwerk aus mindestens zwei kapazitiv gekoppelten Elektroden und einer ersten und einer zweiten Auswerteschaltung.
Als nachteilig werden der schaltungstechnische Aufwand und der beispielsweise eine Autobatterie belastende Strombedarf dieser Anordnung angesehen.
Außerdem kann die mit einer Elektrode verbundene Schaltung entweder nur senden oder nur empfangen, während die jeweils andere Elektrode mit dem entgegengesetzten Betriebszustand belegt wird. Die zwischen den Elektroden gemessene Kapazität wird lediglich aus dem von einer Elektrode gesendeten und über die andere Elektrode empfangenen Signal berechnet. Dadurch können nur Kapazitäten zwischen den Elektroden, nicht aber Kapazitäten zwischen einer Elektrode und dem Massepotenzial gemessen werden, was den Anwendungsbereich dieser Lösung entscheidend limitiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor anzugeben, die diese Nachteile vermeidet.
Insbesondere soll eine für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug geeignete, batterieschonende Anordnung mit geringem Schaltungsaufwand und erweiterten Möglichkeiten zur Analyse der „kapazitiven Umwelt“, beispielsweise der Wetterbedingungen oder zur Selbstdiagnose oder zur Erzeugung eines Diagnosesignals oder eines beliebigen anderen Entscheidungssignals angegeben werden.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die an sich bekannten Bausteine der elektronischen Auswerteschaltung derart mit einem digitalen oder analogen Multiplexer, zu kombinieren, dass zur variablen Ansteuerung und Auswertung nur noch ein einziger Impulsgenerator erforderlich ist. Außerdem kann man dadurch ohne wesentlichen Mehraufwand zusätzliche Informationen über die „kapazitive Umwelt“, die gegenseitige Beeinflussung von Elektroden und /oder Bauteilstreuungen erhalten, sowie die o.g. Diagnosesignale erzeugen.
Die erfindungsgemäße Front-Schaltung ist zur kapazitiven Erfassung des Abstandes, der Geschwindigkeit oder der Position eines Objekts geeignet. Sie weist mindestens zwei auch miteinander gekoppelte Elektrodenkapazitäten auf, deren Ladung in bekannter Weise auf einen Ladungsimpulsausgang übertragen wird.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor.
2 zeigt einen für die erfindungsgemäße Front-Schaltung geeigneten Impulsgenerator.
Die in 1 gezeigte Schaltung dient dazu, die mit 1 und 2 bezeichneten Kapazitäten der Elektroden E1 und E2 gegen Masse zu bestimmen. Der Kondensator Cu repräsentiert die gegenseitige Kapazität 3 der beiden Elektroden. Selbstverständlich können noch weitere Messeelektroden vorhanden sein. Die Ladungen werden in Impulse mit variabler Ladungsmenge umgewandelt und auf einen größeren und leichter auswertbaren, auch als Ladungsausgang 4 bezeichneten Kondensator CL übertragen.
Die beiden Elektrodenkapazitäten 1 und 2 enthalten weiterhin Kondensatoren C7, bzw. C8, die über hier vereinfacht dargestellte 300Ω-Widerstände (sinnvoller Bereich: 50Ω...1kΩ), mit den Kondensatoren C10, bzw. C11 verbunden sind.
Die Elektrodenkapazitäten können über zwei Analogschalter S2 und S3 mit dem Ladekondensator CL des Ladungsimpulsausgangs 4 oder den Ausgängen des digitalen Multiplexers 6 verbunden werden.
Der Multiplexer 6 wird ebenfalls erfindungsgemäß von einem einzigen Impulsgenerator 5 mit den erforderlichen Messimpulsen versorgt. Der Impulsgenerator 5 und der Multiplexer 6 werden von der Auswerteschaltung 7 gesteuert, die vorteilhaft als Mikrocontroller ausgeführt ist.
Auf diese Weise können die Elektrodenkapazitäten 1 und 2 für die Dauer der durch den Impulsgenerator 5 definierten Impulszeit erfindungsgemäß, sofern sie nicht mit dem Ladekondensator CL verbunden sind, sowohl mit negativen als auch mit positiven Impulsen beaufschlagt werden. Diese Spannungsquellen sind nicht dargestellt, sondern werden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den digitalen Multiplexer 6 selbst bereitgestellt. Die Ausgänge des Mikrocontrollers 7 haben nur die Funktion von logischen Steuersignalen. Deshalb sind die betreffenden Ausgänge des Mikrocontrollers 7 auch nicht direkt mit den Eingängen des Multiplexers 6 verbunden.
Alternativ kann auch ein analoger Multiplexer 6 verwendet werde. In diesem Fall werden die von den Elektroden benötigten Messspannungen direkt von den Ausgängen des Mikrocontrollers 7 bereitgestellt.
Die Analogschalter S2 und S3 können z. B. in einer integrierten Schaltung 74LVC1G53 untergebracht sein. Der Multiplexer 6 kann beispielsweise ein IC 74(A)HC157 sein. So können die beiden Elektroden E1 und E2 wahlweise synchron, beispielsweise zur Erhöhung der Reichweite, asynchron, zur Einzelmessung, aktiv zur Erzeugung einer Schaltflanke, passiv ohne Erzeugung einer Schaltflanke, sensitiv mit Ladungsübertragung auf den Ladekondensator CL des Ladungsimpulsausgangs 4, insensitiv ohne Ladungsübertragung, gleichphasig oder gegenphasig (Sendebetrieb) gesteuert bzw. ausgewertet werden.
Man erhält ohne wesentlichen Mehraufwand und durch intelligente Steuerung Informationen über die „kapazitive Umwelt“, die gegenseitige Beeinflussung der Elektroden, über Bauteilstreuungen usw., so dass hierdurch entscheidende Erweiterungen oder Verbesserungen in der Anwendung erreicht werden. So können in bestimmten Zeitabständen Diagnosemodi zur Überprüfung des Sensors eingestellt werden.
Die daraus resultierenden Ergebnisse können als bereits oben erwähnte binäre Schalt- oder Diagnosesignale oder als andere analoge oder digitale „Entscheidungssignale“, beispielsweise auch über eine Busschnittstelle 8, ausgegeben werden.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist besonders als Türöffner für Kraftfahrzeuge, z. B. auch als Kofferraum- oder Heckklappenöffner geeignet.

Die folgende Tabelle zeigt Beschaltungsmöglichkeiten für die Eingänge des Multiplexers 6 und die funktionellen Auswirkungen auf die jeweils angeschlossene Elektrode:

Eingang	Eingang	Eingang
S1_A	S1_B	S1_C
Impuls	Ruhe	Schalter	Modus
L	H	L	Messen
L	L	L	Empfangen
L	H	H	Senden Gleichtakt
H	L	H	Senden Gegentakt
H	H	H	passiv High
L	L	H	passiv Low
H	L	L	Referenz 180°
H	H	L	Referenz High

Durch gezielten Einsatz bestimmter funktioneller Kombinationen beider Elektroden kann der Fachmann die oben beschriebenen Anwendungsvorteile erreichen.
Zur Erzielung einer erhöhten Reichweite ist beispielsweise die folgende Kombination sinnvoll:

S1_A S1_B S1_C S2_A S2_B S2_C

L H L L H L
Die 2 zeigt einen Ausschnitt aus 1. Hier ist der Impulsgenerator 5 mit einstellbarer Impulsdauer detaillierter dargestellt.
Der Impulsgenerator 5 dient zur Erzeugung der Messimpulse für die o. g. Schaltung. Die Impulsdauer kann von der hier als Steuereinheit wirkenden Auswerteschaltung 7 eingestellt werden. Der sinnvolle Zeitbereich für diese Anwendung liegt zwischen 10ns und 200ns. Im konkreten Anwendungsfall kann dieser Bereich kleiner, aber feiner abgestuft sein.
Hierzu sind ein Taktsignal, ein zeitlich einstellbares Vorladesignal und ein Entladesignal erforderlich. Der Vorteil der Schaltung besteht u. a. darin, dass die o. g. Signale mit zeitlichen Abstufungen im Sub-Nanosekundenbereich mit Hilfe handelsüblicher Mikrocontroller, welche mit Taktfrequenzen von maximal ca. 20 MHz arbeiten, erzeugt werden können.
Die kurzen Messimpulse werden von einem Schwellwertschalter 9 erzeugt, der neben dem Taktsignal eine variable Vorspannung erhält. Dazu wird eine integrierende Schaltung 10 mit einem vom Mikrocontroller 7 erzeugtem Vorladesignal VL beaufschlagt. Die Vorladezeit liegt im Bereich von 0...20 µs.
Das Taktsignal gelangt über eine erste, vorzugsweise differenzierende RC-Kombination 12 mit einer ersten Zeitkonstante C1, RT1 ebenfalls auf die integrierende Schaltung 10, die eine zweite Zeitkonstante C2, RT2 aufweist.
Da die zweite Zeitkonstante RT2, CT2 größer ist als die erste Zeitkonstante C1, RT1, wird durch diesen zweiten, langsameren Ladevorgang eine einstellbare Vorspannung für den Schwellwertschalter 9 erzeugt.
Der ebenfalls vom Mikrocontroller 7 gesteuerte Entladeschalter 11 sorgt zyklisch nach jedem Sendepuls für die Entladung der integrierenden Schaltung 10.
Bezugszeichenliste

1: Erste Elektrodenkapazität mit der Elektrode E1
2: Zweite Elektrodenkapazität mit der Elektrode E2
3: Koppelkapazität, Gegenseitige Kapazität der beiden Elektrodenkapazitäten 1 und 2
4: Ladungsimpulsausgang
5: Impulsgenerator zur Erzeugung von Messimpulsen
6: Multiplexer (digital oder analog)
7: Steuereinheit und Auswerteschaltung zur Erzeugung von Ausgangssignalen, z.B. µC
8: Busschnittstelle
9: Schwellwertschalter
10: Integrierende Schaltung, Zweite RC-Kombination C2, RT2
11: Entladeschalter
12: Differenzierende Schaltung, Erste RC-Kombination C1, RT1

Claims

Front-Schaltung für einen kapazitiven Sensor zur Erfassung des Abstands, der Geschwindigkeit oder der Position eines Objekts mit einer ersten Elektrodenkapazität (1) und einer zweiten Elektrodenkapazität (2), die über eine Koppelkapazität (3) miteinander gekoppelt sind, sowie mit einem Ladungsimpulsausgang (4), dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsgenerator (5) zur Erzeugung von Messimpulsen vorhanden ist, dessen Ausgang mit einem Multiplexer (6) verbunden ist, und dem Multiplexer (6) Schalter S2 und S3 nachgeschaltet sind, um die Elektrodenkapazitäten (1, 2) entsprechend vorgegebener Auswertemodi mit dem Ladungsimpulsausgang (4) zu verbinden.
Front-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in bestimmten Zeitabständen Diagnosemodi zur Überprüfung des Sensors eingestellt werden.
Front-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die beiden Elektrodenkapazitäten (1) und (2) wahlweise synchron, asynchron, aktiv, passiv, sensitiv oder insensitiv, gleichphasig oder gegenphasig gesteuert bzw. ausgewertet werden.
Kapazitiver Sensor mit einer Front-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Auswerteschaltung (7) zur Auswertung der von der Front-Schaltung erzeugten Messsignale und zur Erzeugung eines binären Schaltsignals.
Kapazitiver Sensor mit einer Front-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Auswerteschaltung (7) zur Auswertung der von der Front-Schaltung erzeugten Messsignale und zur Erzeugung eines Diagnosesignals.
Kapazitiver Sensor mit einer Front-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Auswerteschaltung (7) zur Auswertung der von der Front-Schaltung erzeugten Messsignale und zur Erzeugung eines digitalen oder analogen Signals, sowie einer Busschnittstelle (8) zur Übertragung dieser Signale.
Verwendung eines kapazitiven Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Kofferraum-, Türöffner, oder zur Sitzbelegungserkennung in einem Kraftfahrzeug.