SE538227C2 - Kapacitivt sensorsystem - Google Patents

Abstract

Kapacitivt sensorsystem for ett fordon uppvisande en chassijord, en signalgenerator, ensignaldetektor, och en bearbetningsanordning, där signalgeneratom är anpassad attgenerera en sensorsignal med en frekvens och en amplitud som päförs mellan chassijordenoch en virtuell extem jord. Systemet omfattar en jordningsantenn anpassad attåstadkomma den virtuella extema jorden och som är elektriskt kopplad tillsignalgeneratom, varvid j ordningsantennen är anordnad pä fordonet så att den är elektrisktisolerad från chassij orden, har en forutbestämd storlek och är placerad ett förutbestämtavstånd från markytan. Signaldetektom är anpassad att detektera och bestämma ett mätt påspänningspotentialen mellan chassij orden och den extema virtuella jorden, och genereraen mätsignal beroende därav och päfora denna till bearbetningsanordningen, varvidbearbetningsanordningen är anpassad att bearbeta mätsignalen och att päfora denbearbetade mätsignalen till ett larrnsystem som är anpassat att generera en eller flera larrnsignaler i beroende av den bearbetade mätsignalen. (Figur 2)

Description

Titel Kapacitivt sensorsystem Uppfinningens område Föreliggande uppfinning avser ett kapacitivt sensorsystem enligt ingressen av det oberoende patentkravet.

Bakgrund till uppfinningen Inbrott och stölder ur lastbilar, trailers och släp har blivit ett stort problem eftersomvärdefilllt gods fraktas på väg relativt oskyddat. Dessa stölder och inbrott medför storakostnader för åkerinäringen och försäkringsbolag. Dessutom bidrar detta även till attförare kärmer sig osäkra när de sover i lastbilen. Lås- och larmsystem är en vanlig typ avåtgärd för att skydda fordonet mot inbrott och stölder men det finns dock begränsningar hos dagens system som gör det svårt att åstadkomma ett tillfredsställande skydd.

Dagens lösning på skalskydd för lastbilar bygger på att hyttens dörrar och luckorövervakas av larmsystemet. I vissa fall har även lastbilens lastrumsdörr dennaövervakning. Med denna lösning av skalskydd detekteras intrång då någon av hyttensdörrar eller luckor öppnas. Det är en vanlig lösning som idag erbjuds av Scania och även av andra lastbilstillverkare.

En nackdel kan konstateras hos många av de skalskydd som finns för lastbilar är attskalskyddet ofta inte anpassats för att övervaka trailers eller släp eller att de kräver dyraanpassningar för att åstadkomma detta. Dessutom är dessa system ofta inte anpassade föranvändning på bussar. För övervakning av trailer och släp finns idag ingen bra lösningeftersom dragfordon ofta byter trailer och släp. Problemet är att alla trailers och släp måstevara utrustade med sensorer för övervakningen samt att de ska vara integrerade meddragfordonets övervakningssystem. En känd lösning på problemet visas i WO- 2008/ 121041 som avser ett övervaknings- och kommunikationssystem för ett fordon, isynnerhet för ett långt fordon. Ljusenheter, t.ex. varselljus och positionsljus, på fordonet ärförsedda med övervakningssensorer och kommunikationsenheter för att trådlöst kommunicera utsignaler från sensorema till en centralenhet. Varje sensor definierar en 2 övervakningszon for detektering av ett objekt eller en rörelse i övervakningszonen.Sensorema kan t.ex. vara ultraljudssensorer, Dopplersensorer eller radarsensorer.WO-2008/ 121041 avser att lösa problemet med hur sensorerna för att övervaka ett fordonkommunicerar med varandra, i synnerhet för långa fordon, och denna lösningåstadkommes med ett trådlöst nätverk som kan kompletteras med ytterligare ljusenheter,som sitter t.ex. på släp. En nackdel med lösningen enligt WO-2008/121041 är att den ärrelativt dyr eftersom komponenter och teknik kräver anpassning av dragfordonets övervakningssystem.

US-2006/0250230 avser en metod for drift av en övervaknings- och larmanordning förparkerade fordon. Anordningen omfattar en sensorenhet för att bestämma avståndetmellan fordonet och ett annalkande objekt inom en aktiv zon, och en reaktionsanordningkopplad till en styrenhet som aktiveras när objektet närmar sig fordonet. Den aktiva zonenär uppdelad i åtminstone en första, yttre subzon och en andra, inre subzon.Reaktionsanordningen aktiveras stegvis med hänsyn till mängd, typ, intensitet, och/ellersekvens i den första subzonen jämfört med aktiveringen av reaktionsanordningen med hänsyn till mängd, typ, intensitet, och/eller sekvens i den andra subzonen.

US-2007/0205 775 avser en anordning för kapacitiv positionsbestämning av ett objekt medett flertal kapacitiva prober fördelade på en yta och avsedda att bestämma positionen avobjektet i förhållande till ytan. Enligt denna anordning är varje probe kopplad viakopplingskapacitanser till en spänningskälla och kan matas med en matningsspärming ochatt en utvärderingsanordning är anordnad och kopplad till probema för att bearbeta probesignalema till en utsignal som utgör ett mått på positionen för objektet.

En kapacitiv närhetssensor (proximity sensor) tillhör en grupp sensorer som kallasnärhetssensorer som detekterar föremål utan att beröra dem. Exempel på andranärhetssensorer är fotoelektriska och induktiva närhetssensorer. Den kapacitivanärhetssensom detekterar objekt baserat på dess dielektriska beskaffenhet, och har många användningsområden som utnyttjar denna egenskap. 3 Huvudbeståndsdelen för en kapacitiv närhetssensor är en kondensatorplatta, dvs. hälftenav en kondensator.

En kondensator består förenklat av två ledande plattor separerade av ett dielektrisktmaterial. En spärmingsskillnad som påförs dessa plattor skapar ett elektriskt fält över detdielektriska materialet. Detta elektriska fält lagrar de elektriska laddningarna, och omenergikällan stängs av kommer det elektriska fältet att kollapsa och avge dess energi somen spänning som faller asymptotiskt mot noll från dess initiala nivå.

Kondensatoms kapacitet för att lagra laddningar benämns kapacitans och mäts i Faradvilket beror av kondensatorplattomas area, avståndet mellan dem, ochdielektricitetskonstanten för det dielektriska materialet. Vatten har en väldigt högdielektricitetskonstant, ca. 80, medan luft har en låg konstant, ca 1. De flesta material har konstanter mellan dessa värden.

En kapacitiv sensor är således hälften av en kondensator, dvs. en kondensatorplatta. Närett objekt passerar framför plattan fungerar objektet både som den andrakondensatorplattan och det dielektriska materialet och den kapacitiva sensom mäterkapacitansen som bildas av detta arrangemang. Då objektet har en dielektricitetskonstantsom skiljer sig från luftens konstant kommer objektet att kunna detekteras, åtminstone påkort avstånd. En mätanordning kan sedan vara anordnad att mäta förändringen avkapacitansen och ha förutbestämda tröskelvärden inställda till exempel baserat påavståndet mellan objektet och plattan.

En typisk användning av kapacitiva sensorer är i livsmedelsindustrin där man vill detektera om en behållare är fylld med ett livsmedel.

En kapacitiv närhetssensor kan detektera ett objekt tack vare obj ektets förmåga att blielektriskt laddat. Eftersom även icke-ledande material kan bli elektriskt laddade kan alla objekt detekteras med denna typ av sensor.

Figur l visar schematiskt ett exempel på en kapacitiv sensoranordning som omfattar enoscillator som påförs en likspänning och avger en växelström till en kondensatorplatta viaen strömsensor. Kondensatorplattan kan hålla en laddning eftersom, när en platta har laddats positivt, attraheras negativa laddningar till den andra plattan, vilket medför att 4 ännu mer positiv laddning kan tillföras den första plattan. Såvida inte båda plattornaexisterar och befinner sig nära varandra är det väldigt svårt att få en av plattoma att bärastor laddning.

Den kapacitiva sensorn omfattar således endast en av plattoma och växelströmmen kantillföra eller föra bort ström från denna platta endast om det finns en annan platta inärheten som kan ha en motstående laddning. Objektet som skall avkännas fungerar somden andra plattan. Om objektet är tillräckligt nära den sensorplattan för att kunna påverkasav laddningen hos denna kommer objektet att få en motstående laddning och ström kommer att kunna tillföras och föras från sensorplattan och kunna mätas av strömsensorn.

Då kapacitiva sensorer används för att detektera objekt runt ett fordon är några avnackdelarna för dessa sensorer mindre viktiga, t.ex. att de inte är riktningskänsliga.

Ett praktiskt system har många sensorer regelbundet utspridda längs utsidan av fordonet.Detta betyder att det alltid finns en sensor nära objektet vilket medför att en relativtbegränsad räckvidd räcker och att ett objekt alltid kan lokaliseras genom den sensor, ochpositionen för sensom, som detekterar objektet. Avsaknaden av riktningskänsligheten är isjälva verket önskvärd eftersom den kan detektera objekt som befinner sig mellan sensorer och väldigt nära fordonet.

På grund av avsaknaden av riktningskänslighet mäter den kapacitiva sensom en visskapacitans från objekt i omgivningen som alltid är närvarande och som därför saknarintresse. När sensom är monterad på ett fordon detekterar sensom själva fordonet och denexterna jorden. Okända objekt detekteras som en ökning av denna bakgrundskapacitans.Emellertid, på en meters avstånd är kapacitansförändringen ett antal tiopotenser lägre, ochmycket mindre än bakgrundskapacitansen. Det är nödvändigt att bestämma denna bakgrundskapacitans så att denna kan subtraheras från mätningen.

Eftersom bakgrundskapacitansen är stor i förhållande till objektets kapacitans, och ocksåär utsatt för drift, är det mycket enklare att använda sensom för att detektera förändringen iomgivningen än att detektera absolut närvaro eller frånvaro av ett okänt objekt. Storleken på förändringen av bakgrundskapacitansen beror på hur stabil omgivningen 5 Vid en användningsmode som detekterar förändring är sensorn inte att betrakta som en närvarodetektor utan snarare som en detektor som detekterar förändring av närvaro.

En nackdel med de larmsystem som används idag är att det är relativt komplicerat ochkostsamt att anpassa systemet till ett fordon där olika släp kopplas på. Vidare är dagenssystem ofta svåra att installera på bussar pga. varierande antal dörrar, förvaringsluckor, etc., vilket medför kostsamma installationer.

Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett sensorsystem som är enkelt ochbilligt att installera både på lastbilar och bussar och som, i synnerhet, inte kräver extra anpassning då ett släp kopplas till en lastbil.

Sammanfattning av uppfinningenOvan nämnda syften åstadkommes med uppfinningen definierad av det oberoende patentkravet.

Föredragna utföringsformer definieras av de beroende patentkraven.

Uppfinningen avser en anordning för skalskydd för fordon med eller utan trailer/släp.Enligt uppfinningen utnyttjas ett kapacitivt sensorsystem som gör det möjligt att detekteraintrång i en zon som sensorn skapar runt fordonet. Sensom är kopplad till fordonetsövervakningssystem som slår larm med hjälp av t.ex. ljus, ljud eller via telematik. Med denna teknik skyddas hela fordonet inklusive godtycklig trailer eller släp.

Med föreliggande uppfinning uppnås ett utökat skalskydd för dragfordon med godtyckligtrailer eller släp. När släp kopplas på ett dragfordon ökas kapacitansen, men eftersomsensorn kalibrerar sig automatiskt, genom att även släpet kopplas till dragfordonetschassijord, kommer den att anpassa sig automatiskt om släp påkopplas.

Med det kapacitiva sensorsystemet går det att åstadkomma en vamingssignal som kananpassas med avseende på graden av intrång. Det är vidare möjligt att efterrnontera systemet tillsammans med befintliga övervakningssystem. Vidare kan systemet tillämpas 6 på andra fordon, t.ex. bussar, samt även på exempelvis mobila elkraftverk och är enklare och därmed billigare än många av dagens system eftersom antalet sensorer kan reduceras.

Förenklat fungerar systemet så att när en person som kommer nära lastbilen eller släpetkommer denne att bidra till en ökad kapacitans i förhållande till marken. Detta medför enförändring, en ökning, av spärmingsdelningen mellan chassijord och den virtuella jorden, och därigenom en förändring av mätsignalen.

Kort ritningsbeskrivning Figur 1 visar schematiskt ett exempel på en kapacitiv sensoranordning.

Figur 2 visar en schematisk bild av en lastbil med släp där föreliggande uppfinning harimplementerats.

Figur 3 visar ett blockschema av det kapacitiva sensorsystemet enligt föreliggandeuppfinning.

Figur 4 visar ett diagram illustrerande mätsignaler enligt föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen Figur 2 visar en schematisk bild av en lastbil med släp där föreliggande uppfinning harimplementerats. Det kapacitiva sensorsystemet omfattar en signalgenerator, ensignaldetektor och en bearbetningsanordning, tillsammans betecknade med 1, kopplade tillen chassijord 2 som är en godtycklig jordpunkt på fordonets chassi samt till en virtuell extem jord 3 via en jordningsantenn 4.

Antennen är till exempel en plåt eller kabel som är placerad nära marken (den extema jorden).

Enligt en utföringsform är antennen i form av en plåt fastsatt under bränsletanken så attden är galvaniskt isolerad från denna, till exempel genom en gummimatta eller liknande.Storleken på antennen i denna form bör vara minst ca 1 m2 för att uppnå önskad känslighetför systemet, speciellt när det är implementerat på en lastbil med släp. Det skulle även vara möjligt att använda bränsletanken i sig som antenn förutsatt att den är galvaniskt skild 7 från chassiet samt att storleken och avståndet till marken är tillräckligt. Vidare vore det möjligt att finna andra fästpunkter såsom under ljuddämparen.

Utsignalen från bearbetningsenheten är ett referensvärde som genereras genom att mätapotentialskillnaden AV mellan chassijorden 2 och extemjorden 3 och när ett objekt 5 (t.ex.en människa) närmar sig någon del som är förbunden med chassijorden förändraschassijordens potential. Genom att detektera potentialskillnaden och hur den förändras kandet därmed detekteras om ett objekt befinner sig i närheten av chassiet. Ju närmareobjektet befinner sig desto större blir potentialskillnaden och därmed blir det möjligt att detektera graden av intrång, dvs. hur nära fordonet som objektet befinner sig.

Eftersom en påkopplad trailer eller släpvagn kan anses var elektriskt förbunden medfordonets chassi kommer även chassijorden omfatta släpet/trailem. Objektet kommer därför att påverka potentialskillnaden även om objektet närmar sig släpet/trailem.

Sensom kommunicerar, t.ex. elektriskt eller trådlöst, sedan intrånget till fordonets övervakningssystem 6 som avger ett larm i beroende av detekterad situation.

Med hänvisning till figur 3, som visar ett blockschema som schematiskt illustrerar detkapacitiva sensorsystemet för ett fordon enligt föreliggande uppfinning, uppvisarsensorsystemet en chassijord, en signalgenerator, en signaldetektor, och en bearbetningsanordning.

Signalgeneratom är anpassad att generera en sensorsignal med en frekvens och enamplitud som påförs mellan chassij orden och en virtuell extern jord.

Sensorsignal har företrädesvis en frekvens som ligger i intervallet 2-20 kHz, exempelvisca. 10 kHz, och en amplitud i intervallet 2-20 V, exempelvis ca. 10 V. För att mätningenskall ske med ett så bra signal/brusförhållande som möjligt sker den, enligt en föredragenutföringsform, med så kallad frekvenshoppningsteknik, dvs. frekvensen ändras enligt ett bestämt mönster. 8 Systemet omfattar vidare en jordningsantenn anpassad att åstadkomma den virtuellaexterna jorden och som är elektriskt kopplad till signalgeneratom. J ordningsantennen äranordnad på fordonet så att den är elektriskt isolerad från chassij orden. Antennen har en förutbestämd storlek och är placerad ett förutbestämt avstånd från markytan.

Chassijorden uppvisar en kapacitans för lastbilen i storleksordningen flera nF och sammaför släpet, medan antennplåten uppvisar en kapcitans mot marken som är i storleksordningen två tiopotenser mindre, dvs. i storleksordningen 10 pF (0,01 nF).

Enligt en föredragen utföringsform är jordningsantennen anpassad att monteras påundersidan av fordonet och omfattar exempelvis en metallplatta med en plan yta, vilket ärväsentligt, som är horisontalt monterad på fordonets undersida, till exempel på undersidanav fordonets bränsletank. Även andra placeringar på fordonets undersida är naturligtvismöjliga. J ordningsantennen kan också omfatta ett flertal elektriskt sammankoppladeplattor. Enligt en ytterligare utföringsforrnen utgörs jordningsantennen av åtminstone endel av, eller hela, fordonets bränsletank. En förutsättning är naturligtvis att delen, eller hela, fordonstanken är isolerad från chassijorden.

J ordningsantennen har, som nämnts ovan, en yta som är minst 1 m2, och företrädesvis ca 1,5 m2.

Formen på jordningsantennen har mindre betydelse, däremot har ytan den spärmer upp ochavstånd till marken en betydande inverkan. Ju större plattan är och ju närmare marken denär placerad desto högre kapacitans (jordkoppling) erhålls. Det är eftersträvansvärt att ha en så stor skillnad i kapacitans mellan chassijord och referensjord som möjligt.

När det gäller dimensionering av storleken på antennen, så är den beroende av den minstatillåtna skillnaden i kapacitans mellan chassij ord och ”antennjord”. En storlek på plåt som visade goda resultat för en lastbil med släp var ca 0,8m x 1,6m. 9 Enligt en annan utföringsforrn utgörs jordningsantennen av en elektriskt isolerad kabelsom anordnats så att den effektiva ytan ger en motsvarande kapacitans som en metallplatta.

J ordningsantennen är anpassad att placeras ett förutbestämt avstånd från markytan somligger i intervallet 0,3-0,8 meter och är vidare försedd med ett elektriskt isolerande lagereller skikt, t.ex. en gummimatta, anordnat på den sida som är vänd mot fordonschassiet dåantennen monterats på fordonet. Avståndet mellan plattan (antennen) och bränsletanken ärföreträdesvis i storleksordningen ca 10 mm och antennen är isolerad med en gummimattaeller med gummidistanser. Det viktiga här är att plattan är galvaniskt skild från tanken ochatt man försöker undvika krypströmmar mellan tank och platta. Det elektriskt isolerande lagret kan innesluta båda sidoma av plåten men det är ej nödvändigt.

Storleken på antennen är sådan att den kapacitans (Cl i figur 3) som bildas i förhållandetill markytan normalt är approximativt två tiopotenser lägre än den kapacitans som bildasmellan fordonschassiet och markytan (C2 i figur 3). Då ett objekt, t.ex. en märmiska, närmar sig fordonet kommer C2 att minska.

Signaldetektom är anpassad att detektera och bestämma ett mått på spänningspotentialenmellan chassij orden och den extema virtuella jorden, och generera en mätsignal beroende därav och påföra denna till bearbetningsanordningen.

Bearbetningsanordningen är anpassad att bearbeta mätsignalen och att överföra denbearbetade mätsignalen till ett larrnsystem som är anpassat att jämföra denna med en ellerflera tröskelnivåer och att generera en eller flera larmsignaler i beroende av dessajämförelser. Lannsignalema kan var ljussignaler, t.ex. strålkastare eller innerbelysningensom tänds, ljudsignaler, t.ex. en siren eller fordonets signalhorn, eller en signalering till en extem larmcentral via t.ex. mobilnätet.

Enligt en utföringsform bearbetar bearbetningsanordningen mätsignalen genom attbestämma derivatan för förändringen av mätsignalen, och enligt en annan utföringsform bearbetar bearbetningsanordningen mätsignalen genom att förstärka denna och generera ett absolutvärde för förändringen. Även mer komplicerade bearbetningar av mätsignalenkan göras, exempelvis kan nivåskillnaden mellan två olika glidande medelvärden förmätsignalen bestämmas, en långsam som anpassar sig efter yttre omständigheter och ensnabb som är själva mätsignalen. För att få fram en användbar signal så bearbetas dessamed hjälp av diverse signalbehandlingsalgoritmer.

Exempel på mätsignaler med långsamt respektive snabbt glidande medelvärde visas i figur4. För signalen med långsamt glidande medelvärde (heldragen linje) sker mätningentypiskt med värden som detekterats under någon eller några sekunder. Vid snabb glidandemedelvärde (streckad linje) sker mätningen under någon eller några millisekunder upp till50 ms. I figuren har skillnaden i arnplitud (A) indikerats med en dubbelpil, samt derivatanför respektive signal. Genom att jämföra arnplitudskillnaden och/eller skillnaden i derivata vid samma tidpunkt med lämpliga tröskelvärden erhålles en snabb och säker detektering.

Generellt gäller att det är den relativa förändringen hos kapacitansen mellan chassijord och antennjord som utnyttjas eftersom antennjorden hela tiden förändras.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till ovan-beskrivna föredragna utföringsfoimer.Olika altemativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas. Ovan utföringsforrner skalldärför inte betraktas som begränsande uppfinningens skyddsomfång vilket definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (15)

1. Kapacitivt sensorsystem för ett fordon uppvisande en chassijord (2), ensignalgenerator (1), en signaldetektor (1), och en bearbetningsanordning (1), varvid signalgeneratom år anpassad att generera en sensorsignal med en frekvens och enamplitud som påförs mellan chassijorden och en virtuell extern jord (3),kånnetecknad av att systemet omfattar en j ordningsantenn (4) anpassad att åstadkomma den virtuella extemajorden och som år elektriskt kopplad till signalgeneratom, varvid j ordningsantennen åranordnad på fordonet så att den år elektriskt isolerad från chassijorden, har enforutbeståmd storlek och år placerad ett forutbeståmt avstånd från markytan,signaldetektom år anpassad att detektera och beståmma ett mått på spånningspotentialenmellan chassij orden och den extema virtuella jorden, och generera en måtsignal beroendedårav och påföra denna till bearbetningsanordningen, varvid bearbetningsanordningen år anpassad att bearbeta måtsignalen och att påföra denbearbetade måtsignalen till ett larrnsystem (6) som år anpassat att generera en eller flera larrnsignaler i beroende av den bearbetade måtsignalen.

2. Anordning enligt krav 1, bearbetningsanordningen bearbetar måtsignalen genom att beståmma derivatan för foråndringen av måtsignalen.

3. Anordning enligt krav 1, bearbetningsanordningen bearbetar måtsignalen genom att forstårka denna och generera ett absolutvårde för foråndringen.

4. Anordning enligt något av föregående krav, varvid larrnsystemet år anpassatatt jåmföra den bearbetade måtsignalen med en eller flera tröskelnivåer och att generera en eller flera larrnsignaler i beroende av denna j åmförelse.

5. Anordning enligt något av föregående krav, varvid jordningsantennenomfattar en metallplatta med en plan yta som år horisontalt monterad på fordonets undersida.

6. Anordning enligt något av föregående krav, varvid jordningsantennen år 12 anpassad att monteras på undersidan av fordonet.

7. Anordning enligt något av föregående krav, varvid jordningsantennen år anpassad att monteras på undersidan av fordonets brånsletank.

8. Anordning enligt något av kraven 1-5, varvid jordningsantennen utgörs av åtminstone en del av fordonets brånsletank.

9. Anordning enligt något av föregående krav, varvid jordningsantennen åranpassad att placeras ett förutbeståmt avstånd från markytan som ligger i intervallet 0,3- 0,8 meter.

10. Anordning enligt något av föregående krav, varvid jordningsantennen har en yta som år minst 1 m2.

11. Anordning enligt något av föregående krav, varvid jordningsantennen årförsedd med ett elektriskt isolerande lager anordnat på den sida som år vånd mot fordonschassiet då antennen monterats på fordonet.

12. Anordning enligt krav 1, varvid jordningsantennen har en ytstorlek sådan attden kapacitans som bildas i förhållande till markytan normalt år approximativt två tiopotenser lågre ån den kapacitans som bildas mellan fordonschassiet och markytan.

13. Anordning enligt krav 1, varvid jordningsantennen utgörs av en elektriskt isolerad kabel.

14. Anordning enligt något av föregående krav, varvid signalgeneratom åranpassad att generera en sensorsignal med en frekvens i intervallet 2-20 kHz och en amplitud i intervallet 2-20 V.

15. Anordning enligt krav 13, varvid signalgeneratom år anpassad att generera en sensorsignal med en frekvens på 10 kHz och en amplitud på 10 V.