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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet von Impedanzmessschaltungen und insbesondere ein kapazitives Messsystem mit einer oder mehreren Elektroden, bei welchem die Eigenschaften eines leitenden Körpers wie beispielsweise die Form und Lage mittels einer kapazitiven Kopplung über den elektrisch leitenden Körper ermittelt werden. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise in einem kapazitiven Insassenerkennungssystem zum Beispiel zur Erkennung der Ab- oder Anwesenheit eines auf einem Fahrzeugsitz sitzenden Insassen verwendet werden.
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Technischer Hintergrund
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Kapazitive Mess- und/oder Erkennungssysteme haben eine breite Vielfalt an Anwendungen und werden unter anderem überall für die Erkennung der Anwesenheit und/oder der Position eines leitenden Körpers in der Nähe einer Elektrode des Systems eingesetzt. Ein kapazitiver Sensor, von Einigen „E-Feld-Sensor” oder „Näherungssensor” genannt, bezeichnet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss dessen anspricht, was bei einem elektrischen Feld erfasst wird (eine Person, ein Körperteil einer Person, ein Haustier, ein Gegenstand usw.). Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an welche bei eingeschaltetem Sensor ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und welche als Reaktion darauf ein elektrisches Feld in einem der Antennenelektrode nahen räumlichen Bereich aufbaut. Der Sensor umfasst mindestens eine Erfassungselektrode – welche die eine oder mehreren Antennenelektroden selbst umfassen könnte –, an welcher der Einfluss eines Gegenstands oder Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird.
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Bei einigen kapazitiven Belegungssensoren (mit dem so genannten „Lademodus”; im Engl. „loading mode”) dienen die eine oder mehreren Antennenelektroden gleichzeitig als Erfassungselektroden. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom, der als Reaktion auf eine an sie angelegte oszillierende Spannung in die eine oder mehreren Antennenelektroden fließt. Das Verhältnis zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz der einen oder mehreren Antennenelektroden. Bei einer alternativen Version kapazitiver Sensoren (kapazitive Sensoren mit „Kopplungsmodus”; im Engl. „coupling mode”) sind die sendende(n) Antennenelektrode(n) und die Erfassungselektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall ermittelt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der bzw. die in der Erfassungselektrode induziert wird, wenn die sendende Antennenelektrode in Betrieb ist.
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Die verschiedenen kapazitiven Erfassungsmechanismen werden in der technischen Abhandlung mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces” von J. R. Smith erklärt, die in Computer Graphics I/O Devices, Ausgabe Mai/Juni 1998, S. 54–60, veröffentlicht wurde. Die Abhandlung beschreibt das Konzept der Erfassung eines elektrischen Feldes, wobei das Konzept verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen durchzuführen und um insbesondere die Position einer menschlichen Hand mit dem Zweck zu erfassen, einem Computer dreidimensionale Eingaben der Position bereitzustellen. Der Autor unterscheidet bei dem allgemeinen Konzept der kapazitiven Erfassung zwischen einzelnen Mechanismen, die er als „loading mode” (Lademodus), „shunt mode” (Nebenschlussmodus) und „transmit mode” (Sendemodus) bezeichnet, welche verschiedenen möglichen Wegen des elektrischen Stroms entsprechen. Im „Lademodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Das zu erfassende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Nebenschlussmodus” wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Feld zu einer Empfangselektrode aufbaut, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom gemessen, wodurch der Verschiebungsstrom durch den Körper, der gerade erfasst wird, modifiziert werden kann. Im „Sendemodus” wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über kapazitive Kopplung ein Sender relativ zu einem Empfänger wird. Der „Nebenschlussmodus” wird alternativ auch als der oben genannte „Kopplungsmodus” bezeichnet.
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Die kapazitive Kopplung wird im Allgemeinen durch Anlegen eines Wechselspannungssignals an eine kapazitive Antennenelektrode sowie durch Messen des Stroms, der von der Antennenelektrode entweder zu Masse (im Lademodus) oder im Falle des Kopplungsmodus in die zweite Elektrode (Empfangselektrode) fließt, ermittelt. Dieser Strom wird normalerweise mittels eines Transimpedanzverstärkers gemessen, der an die Erfassungselektrode angeschlossen ist und einen in die Erfassungselektrode fließenden Strom in eine Spannung umwandelt, die zu dem in die Elektrode fließenden Strom proportional ist.
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Ein Impedanzmesssystem umfasst oft auch eine Referenzimpedanz, die in Parallelschaltung zu der zu ermittelnden unbekannten Impedanz angeschlossen werden kann. Zur Kalibrierung des Systems soll die Impedanz der Referenzimpedanz periodisch gemessen werden, die in Parallelschaltung an die unbekannte Impedanz angeschlossen ist. Eine derartige Messung der Referenzimpedanz sollte vorzugsweise durchgeführt werden, ohne dass die zu messende unbekannte Impedanz dabei getrennt wird.
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Technisches Problem
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Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Impedanzmesssystem bereitzustellen, das die Messung der Impedanz einer Referenzimpedanz gestattet, die in Parallelschaltung an die zu messende unbekannte Impedanz angeschlossen ist, ohne dass die zu messende unbekannte Impedanz dabei getrennt wird. Diese Aufgabe wird durch ein Impedanzmesssystem nach Anspruch 1 gelöst.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Zur Überwindung des oben genannten Problems schlägt die vorliegende Erfindung vor, dass die zu messende Referenzimpedanz in Parallelschaltung periodisch mit der zu messenden unbekannten Impedanz verbunden und periodisch von der zu messenden unbekannten Impedanz periodisch von der zu messenden unbekannten Impedanz getrennt wird. Die so erzeugte Amplitudenmodulation des Messstroms wird demoduliert und die Amplitude des demodulierten Signals gibt die zu messende Referenzimpedanz an. Die Verwendung einer Niederfrequenzmodulation der Referenzimpedanz gestattet die Messung der Impedanz der Referenzimpedanz, ohne dass die unbekannte Impedanz dabei getrennt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es wird nun eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
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1: ein schematisches Schaltbild eines Impedanzmesssystems gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
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Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
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1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung. In dieser 1 bezeichnen die Bezugszeichen die folgenden Elemente:
1 ist die zu messende unbekannte Impedanz. In einem kapazitiven Insassenerkennungssystem ist 1 normalerweise ein Netz, das aus einer oder mehreren Kapazitäten und einem oder mehreren Widerständen besteht. 2 ist die Referenzimpedanz. Bei einer typischen Implementierung ist 2 ein Festkondensator mit bekanntem Wert. 3 ist ein elektronischer Schalter, der die Referenzimpedanz 2 in Parallelschaltung zu der unbekannten Impedanz 1 schaltet. 3 kann beispielsweise ein bipolarer Transistor sein.
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Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet einen Wechselspannungsgenerator, der beispielsweise eine Sinuswelle von 100 kHz bei einer Amplitude von 1 V erzeugt. 5 ist ein Transimpedanzverstärker, dessen Messeingang (oberer Eingang in 1) an die unbekannte Impedanz 1 und die selektiv parallel geschaltete Referenzimpedanz 2 angeschlossen ist und dessen Referenzeingang (unterer Eingang in 1) an den Wechselspannungsgenerator 4 angeschlossen ist. Der Transimpedanzverstärker 5 hält seinen Messeingang im Wesentlichen bei der gleichen Spannung wie seinen Referenzeingang, wodurch die Wechselspannung über der unbekannten Impedanz 1 und dem Reihenanschluss der Referenzimpedanz 2 und des Schalters 3 bei der gleichen bekannten Wechselspannung wie der Ausgang des Wechselspannungsgenerators 4 – in diesem Beispiel bei einer Frequenz von 100 kHz und einer Amplitude von 1 V – gehalten wird.
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Da die Wechselspannung fest ist, gibt der in den Messeingang des Transimpedanzverstärkers 5 fließende Strom die unbekannte Impedanz 1 und die selektiv parallel geschaltete Referenzimpedanz 2 an. Der Transimpedanzverstärker 5 wandelt den in seinen Messeingang fließenden Strom in eine Wechselspannung an seinem Ausgang um, die den Strom in den Messeingang angibt.
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Ein Demodulator 6 und ein folgender Filter 7 demodulieren die Wechselspannung. Der Demodulator 6 kann beispielsweise ein Vervielfacher, ein Schaltmischer oder ein Synchrongleichrichter sein. Der Demodulator 6 empfängt an seinem lokalen Oszillatoreingang eine phasenverschobene Variante des Ausgangssignals des Wechselspannungsgenerators 4, wobei die Phasenverschiebung durch einen Phasenschieber 13 erzeugt wird, so dass die Messung komplexer unbekannter Impedanzen ermöglicht wird durch beispielsweise ein erstes Einstellen der Phasenverschiebung des Phasenschiebers 13 auf 0 Grad, Durchführen einer ersten Messung, dann Einstellen der Phasenverschiebung des Phasenschiebers 13 auf 90 Grad und Durchführen einer zweiten Messung sowie abschließend Kombinieren der Ergebnisse der zwei Messungen.
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Ein Niederfrequenz-Wechselstromgenerator 10 erzeugt ein Signal mit einer wesentlich niedrigeren Frequenz als der Wechselstromgenerator 4. In dem vorliegenden Beispiel erzeugt der Niederfrequenz-Wechselstromgenerator 10 eine Rechteckwelle von 1 kHz bei einer Amplitude von 5 V. Daraus folgt, dass durch den Anschluss zwischen dem Niederfrequenzgenerator 10 und dem elektronischen Schalter 3 die Referenzimpedanz 2 periodisch in Parallelschaltung mit einer Frequenz von 1 kHz mit der unbekannten Impedanz verbunden und periodisch von dieser getrennt wird. Das Ausgangssignal des Filters 7 ist wegen der Kombination aus der dauerhaften Verbindung der unbekannten Impedanz 1 und der periodisch parallel geschalteten Referenzimpedanz 2 eine Gleichspannung mit einer überlagerten niederfrequenten Wechselspannung, wobei die Gleichspannung die Impedanz der unbekannten Impedanz 1 angibt und die niederfrequente Wechselspannung die Referenzimpedanz 2 angibt.
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Die Gleichspannung am Schaltungsausgang 11 kann anschließend durch einen A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) gemessen und dann gemittelt werden, um die Wechselstromkomponenten durch einen Mikrocontroller zu entfernen, der in 1 nicht dargestellt ist. Der Mikrocontroller erzeugt ferner die passende zeitliche Abstimmung für das Schalten der Phase des Phasenschiebers 13 und kann auch den Niederfrequenz-Wechselspannungsgenerator 10 ersetzen, indem beispielsweise ein PWM-Ausgang (Ausgang mit Pulsweitenmodulation) oder ein Allzweckausgang als Niederfrequenz-Wechselspannungsquelle benutzt wird.
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Die Frequenz der niederfrequenten Wechselspannung am Ausgang des Filters 7, der die gleiche Frequenz wie die Frequenz des Niederfrequenz-Wechselstromgenerators 10 aufweist, und die Amplitude der niederfrequenten Wechselspannung können gemessen werden, indem die niederfrequente Wechselspannung durch einen zweiten Demodulator 8, dessen lokaler Oszillatoreingang durch den Niederfrequenz-Wechselstromgenerator 10 gesteuert wird, demoduliert wird. Der Demodulator 8 kann beispielsweise ein Vervielfacher, ein Schaltmischer oder ein Synchrongleichrichter sein. Es tritt dann eine Gleichspannung, die die Impedanz der Referenzimpedanz 2 angibt, am Ausgang 12 eines Filters 9 auf. Ein zweiter A/D-Wandler-Eingang des Mikrocontrollers misst die Gleichspannung am Ausgang 12, und der Mikrocontroller berechnet durch Verwendung des bekannten Werts der Referenzimpedanz 2, der Gleichspannung am Schaltungsausgang 11 und der Gleichspannung am Schaltungsausgang 12 die Impedanz der unbekannten Impedanz 1.
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Der Demodulator 8 und der Filter 9 können ähnlich wie der Niederfrequenzgenerator 10 auch durch den oben genannten Mikrocontroller ersetzt werden. In diesem Fall werden die Abfragewerte des an den Schaltungsausgang 11 angeschlossenen A/D-Wandler-Eingangs nicht nur gemittelt werden, um den oben genannten Gleichstromwert zu erzeugen, der die Impedanz der unbekannten Impedanz 1 angibt, sondern können die Abfragewerte auch in der Software mit einer periodischen Rechteckwelle oder Sinuswelle, deren Frequenz in diesem Beispiel 1 kHz entspricht, vervielfacht und dann – ähnlich wie bei der Aktion des Demodulators 8 und Filters 9 – gemittelt werden.
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Der Transimpedanzverstärker 5 und der Demodulator 6 in diesem Beispiel können auch durch einen Current-Mode-Demodulator und anschließend einen Niederfrequenz-Transimpedanzverstärker ersetzt werden.
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Die Anschlussreihenfolge der Demodulatoren und Filter kann auch ausgetauscht werden, d. h., dass der zweite Niederfrequenz-Demodulator 8 vor dem ersten Demodulator 6 angeordnet sein kann. In diesem Fall muss, damit die unbekannte Impedanz 1 gemessen werden kann, der Niederfrequenz-Demodulator 8 entweder in einen kontinuierlich leitenden inaktiven Zustand umgeschaltet oder einfach durch einen elektronischen Schalter umgangen werden.
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Der Niederfrequenz-Demodulator 8 kann auch vor dem Transimpedanzverstärker 5 angeordnet sein, wenn er ein Current-Mode-Demodulator ist.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird nur der erste Demodulator 6 wie in der Darstellung von 1 verwendet und erfolgt die Niederfrequenz-Wechselstromdemodulation indirekt, indem der lokale Oszillatoreingang des Demodulators 6 durch das Niederfrequenz-Wechselstromsignal moduliert wird, das von der Niederfrequenz-Wechselstromquelle 10 erzeugt wird. Wieder muss in diesem Fall die Niederfrequenzmodulation des lokalen Eingangs des Demodulators 6 ausgeschaltet sein, damit die dauerhaft angeschlossene unbekannte Impedanz 1 gemessen werden kann.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erzeugt der Niederfrequenz-Wechselstromgenerator 10 kein periodisches Signal, sondern ein Zufallssignal wie beispielsweise eine Pseudozufallsrauschsequenz (PRN sequence; pseudo random noise sequence).
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Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung sind eine zweite Referenzimpedanz und ein in Reihe mit der zweiten Referenzimpedanz geschalteter zweiter elektronischer Schalter in Parallelschaltung mit der unbekannten Impedanz verbunden. Zusätzlich zu der Niederfrequenzmodulation der ersten und zweiten Referenzimpedanz können beide Referenzimpedanzen selektiv aktiviert oder deaktiviert werden. Dies ist erforderlich, wenn der Wert der ersten Referenzimpedanz aus Sicherheitsgründen überprüft werden muss. Bei einer ersten Referenzimpedanzmessung wird die erste Referenzimpedanz gemessen. Bei einer zweiten Referenzimpedanzmessung wird die zweite Referenzimpedanz gemessen. Die zwei gemessenen Werte werden anschließend verglichen. Falls sie sich um einen vorgegebenen Betrag unterscheiden, geht das Messsystem davon aus, dass mindestens eine Referenzimpedanz nicht mehr zuverlässig ist, worauf es einen Fehler markiert.
