专利名称：电容性传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据独立权利要求前序部分的电容性传感器系统。
背景技术：
由于当前由道路运输的贵重货物的相对未受保护的方式，从而造成现在闯入和盗窃卡车、挂车以及半挂车已成为主要问题。这种盗窃和闯入导致了货运承运人与保险公司的主要成本。它们还导致驾驶员当睡在卡车中时感觉不安全。锁闭系统和报警系统被普遍用于保护车辆免遭闯入和盗窃，但今日的系统具有难以实现令人满意的保护的局限性。
当前对于卡车的外罩保护解决方案通常是基于由报警系统监控驾驶室的门和舱口。在特定情况下，货舱门也由该监控所覆盖，并且该外罩保护解决方案能够在驾驶室的门或舱口的任意一个被打开时检测到侵入。这是由斯堪尼亚(Scania)以及其他卡车制造商当前提供的普遍解决方案。在许多可用于卡车的外罩保护中值得注意的缺点在于这些保护常常不适于监控挂车或半挂车，或需要昂贵的修改以使得它们能够监控挂车或半挂车。而且，这些系统常常不适于使用在公共汽车上。为了监控挂车以及半挂车，当前并没有好的解决方案，由于牵引单元常常改变挂车以及半挂车。该问题在于所有挂车以及半挂车需要装配用于监控的传感器，并且它们必须与牵引单元的监控系统成为一体。对于该问题的已知解决方案参照W0-2008/1210141，该W0-2008/1210141涉及用于车辆，尤其是用于长车辆的监控和通信系统。为车辆上的诸如警告灯和位置灯的灯单元设置监控传感器和通信单元，以将来自传感器的输出信号无线地传送至中央单元。每个传感器界定了用于检测监控区内的对象或运动的监控区。该传感器例如可以为超声传感器、多普勒传感器或雷达传感器。W0-2008/121041提出了解决用于监控车辆的传感器彼此之间如何通信的问题，尤其在长车辆的情况下，并且该解决方案涉及使用无线网络，该无线网络可以由例如位于半挂车上的另外的灯单元来补充。根据W0-2008/121041的解决方案的缺点在于因为组件和技术需要适合于牵引单元的监控系统，因此其相对昂贵。US-2006/0250230提出一种用于操作停放的车辆的监控和报警设备的方法。该设备包括用于确定车辆和活动区内的接近对象之间的距离的传感器单元、以及连接到控制单元且在对象接近车辆时被激活的反应设备。将活动区至少分为外部第一子区和内部第二子区。相比于反应设备相对于第二子区中的数量、类型、密度和/或次序的激活，该反应设备相对于第一子区中的数量、类型、密度和/或次序被渐进式激活。US-2007/0205775提出一种用于通过多个分布在表面上的电容性探测器电容性确定对象位置并意在确定对象相对于表面的位置的设备。根据该设备，每一探测器经由耦合电容连接到电压源，并且可以采用电源电压供电，并且提供评价设备且将该评价设备连接到探测器，以将探测器信号转换为用作对象位置的测量的输出信号。电容性近程式传感器是在称作近程式传感器的传感器范畴内，该近程式传感器能够在无需接触它们的情况下检测对象。其它近程式传感器的示例是光电和电感性近程式传感器。该电容性近程式传感器基于其介电特性检测对象，并具有许多利用该特性的应用领域。电容性近程式传感器的主要组件是电容器极板，S卩，电容器的一半。简言之，电容器包括由介电材料分开的两个导电极板。施加到这些极板的电压差在介电材料的两端产生电场。该电场存储电荷，并且如果将能量源切断，电场将衰弱，并且以电压的形式释放其能量，该电压从其初始电平朝向零渐近地下降。电容器存储电荷的能力称作电容并以法拉来测量，其数量取决于电容器极板的截面面积、该电容器极板之间的距离、以及介电材料的介电常数。水具有大约80的非常高的介电常数，而空气具有大约I的低常数。大部分材料的常数在这些值之间。电容器传感器因此是电容器的一半，即电容器极板。经过极板前面的对象用作第二电容器极板和介电材料这两者，并且电容性传感器测量从该情况下产生的电容。至少在短距离可以检测任何这种介电常数不同于空气的常数的对象。随后可以提供测量设备以测量电容的变化，并可以例如基于对象与极板之间的距离设定预定阈值。 电容性传感器的典型应用是在期望检测食品容器是否填满的食品工业中。电容性近程式传感器可以基于对象开始充电的能力来检测对象。由于即使非导电材料也可以充电，因此可以采用该类型的传感器检测所有对象。图I示意性示出电容性传感器设备的示例，该电容性传感器设备包括施加了 DC电压并将AC电流经由电流传感器输送到电容器极板的振荡器。由于当极板已经被正向充电时，负电荷被吸引到第二极板，仍然能够使得将更多正电荷供应到第一极板，因此电容器极板可以保持电荷。假定提供两个极板并彼此接近，非常难以使它们中的一个携载大量的电荷。电容性传感器因此仅包括极板之一，并且如果在附近存在具有相反电荷的另一极板，则AC电流能够将电流供应到该极板，或携载电流离开该极板。待检测的对象用作第二极板。如果对象足够接近传感器极板，而受到传感器极板的电荷影响，则其将获得相反电荷，并且电流可被供应到传感器极板，和从传感器极板携载离开，并可由电流传感器进行测量。当电容性传感器用于检测车辆周围的对象时，这些传感器的一些缺点不太重要，例如它们在方向上是不灵敏的事实。实际系统将具有许多沿着车辆外部规律间隔分布的传感器。这意味着将总是具有在对象附近的传感器，其结果是相对有限的范围将是足够的，并且对象可以一直由传感器和用于检测对象的传感器的位置来定位。方向灵敏性的缺乏是实际期望的，使得能够检测处于传感器之间且非常接近车辆的对象。由于方向灵敏性的缺乏，电容性传感器从环境中一直存在并因此无关的对象测量特定的电容。当传感器安装在车辆上时，其检测车辆自身以及外部接地(external earth)。当该背景电容增加时检测到未知对象。然而，在一米的距离，电容的变化小于背景电容的10的多次幂，从而远小于该背景电容。必须确定该背景电容，以使得可以从测量中将其减去。由于背景电容相对对象的电容是主要的，并且也受到偏移，因此相比检测未知对象的绝对存在或不在，使用传感器来检测环境的变化则简单得多。背景电容的变化幅度取决于环境稳定的程度。在检测变化的使用模式中，传感器不应被视为存在的检测器，而应视为存在变化的检测器。当前使用中的报警系统的缺点在于它们相对复杂，并对于适合于将耦合的各种不同半挂车的车辆是昂贵的。而且，因为改变了大量的门、存储舱口等，而导致昂贵的安装，因此电流系统常常难以安装在公共汽车上。本发明的目的是提出一种传感器系统，该传感器系统能够简单且廉价地安装在卡车和公共汽车上，并且在半挂车耦合到卡车时尤其不需要额外的修改。
发明内容
采用由独立权利要求限定的本发明来实现上述目的。从属权利要求限定了优选实施例。
本发明涉及用于具有或不具有挂车/半挂车的车辆的外罩保护的设备。本发明使用电容性传感器系统，其使得能够检测在车辆周围传感器建立的区内的侵入。该传感器系统连接到车辆监控系统，该车辆监控系统例如借助光或声音或者经由信息通讯业务来提供报警。该技术保护了连同任意的挂车或半挂车一起的整个车辆。本发明对于具有任意挂车或半挂车的牵引单元实现了提高的外罩保护。将半挂车耦合到牵引单元增加了电容，但由于通过将半挂车也连接到牵引单元的底盘接地，传感器系统自身能够自动校准，因此如果耦合了半挂车，该传感器系统自身将自动适应。电容性传感器系统能够提供适合于侵入程度的警告信号。也能够更新与现有监控系统一起的系统。该系统也可应用在其它车辆上，例如，公共汽车，以及应用在例如移动发电厂，并且由于可以减少传感器的数量，因此该系统相比于许多今天的系统更加简单并更加低廉。简言之，该系统工作的方式为任何接近卡车或半挂车的人将导致相对地的电容的增加。结果是在底盘接地与虚拟接地之间电压分离(voltagesplit)的增大变化以及测量信号随着发生的变化。
图I示意性示出电容性传感器设备的示例；图2是在其上实施本发明的具有半挂车的卡车的示意图；图3是根据本发明的电容性传感器系统的框图；图4是示出根据本发明的测量信号的视图。
具体实施例方式图2是在其上实施本发明的具有半挂车的卡车的示意图。电容性传感器系统包括共同表示为附图标记I的信号发生器、信号检测器以及处理单元，该电容性传感器系统连接到为车辆底盘上的任意接地点的底盘接地2，并经由接地天线4连接到虚拟外部接地3。接地天线4例如为位于接近地(外部接地)的极板或电缆。根据实施例，以接地天线4例如由橡皮垫等与燃料箱电流绝缘的方式，将以极板形式的接地天线4紧固在燃料箱下面。以该形式的天线尺寸必须至少为大约lm2，以实现系统期望的灵敏度，尤其是当实施在具有半挂车的卡车时。如果燃料箱与底盘电流隔离并且其尺寸与距地的距离足够，也能够使用燃料箱自身作为天线。也能够具有其它的紧固点，例如在消音器下面或在车辆下面的一些其它适合的位置上。来自处理单元的输出信号是通过测量底盘接地2与外部接地3之间的电位差AV所产生的参考值。底盘接地的电位在对象5 (例如，人)接近连接到底盘接地的任何部分时发生变化。通过检测电位差及其如何变化，从而能够检测对象是否处于车辆的附近。对象越接近，电位差将变得越大，使得能够检测出侵入 的程度，即，对象接近车辆的程度。当耦合的挂车或半挂车电连接到车辆底盘时，底盘接地也将迎合挂车/半挂车。电位差也因此将受接近挂车/半挂车的对象影响。传感器系统随后将侵入例如电或无线地通信到车辆监控系统6，该车辆监控系统6触发适合于所检测的情况的报警。参照图3，该图3为示意性示出根据本发明的用于车辆的电容性传感器系统的框图，该传感器系统包括底盘接地、信号发生器、信号检测器和处理单元。信号发生器适于产生具有应用在底盘接地2和虚拟外部接地3之间的频率和幅度的传感器信号。传感器信号优选为在2-20kHz范围内(例如，大约IOkHz)的频率，以及在2-20V范围内(例如，大约10V)的幅度。为了做出尽可能好的信噪比的测量，根据优选实施例，涉及所谓频率跳频技术，即，频率根据特定模式变化。系统还包括适于用作虚拟外部接地3并电连接到信号发生器的接地天线4。将接地天线4以与底盘接地电绝缘地设置在车辆上。天线具有预定尺寸，并位于距地表面预定的距离。底盘接地具有对于卡车的几nF的量级的电容，并且对于半挂车也相同，而天线极板(接地天线4)将具有对地电容小10的2次幂的量级，即，IOpF (O. OlnF)。接地天线4应当优选为具有对地尽可能大的电容。根据优选实施例，接地天线适于安装在车辆的下侧上，并例如包括具有平坦的表面的金属极板，这对于该金属极板水平地安装在车辆的下侧上(例如，在该车辆燃料箱的下侧上)是必要的。在车辆下侧上的其它位置当然也是可行的。接地天线也可以包括多个电连接在一起的极板。根据另一实施例，接地天线可以采取至少部分或整个车辆燃料箱的形式。当然需要该箱的部分或整个与底盘接地绝缘。如上所述，接地天线具有至少Im2的表面，并优选为约I. 5m2。接地天线的形状不太重要，但其展现的表面及其距地的距离是重要的。极板越大，并且其位于的地方对地越近，电容(接地连接)则越大。期望在接地天线4与参考接地(外部接地)之间具有尽可能大的电容。天线的尺寸取决于底盘接地与“天线接地”(虚拟外部接地)之间最小容许的电容差。能够为具有半挂车的卡车提供好的结果的极板的尺寸大约为O. 8X1. 6m。根据另一实施例，接地天线采取电绝缘电缆的形式，设置成使得有效表面产生与金属极板的电容相对应的电容。接地天线适于位于距地表面在O. 3-0. 8m范围内的预定距离，并在天线安装在车辆上时在面向车辆底盘的一侧还提供有电绝缘层，例如，橡皮垫。极板(接地天线4)与燃料箱之间的距离优选为大约IOmm的量级，并且例如由橡皮垫或橡皮垫片将天线绝缘。这里重要的是极板与该箱电流隔离，并且测量采取防止箱与极板之间的蠕变电流。电绝缘层能够但并非必需保护极板两侧。天线的尺寸及对地表面的距离将使得相对于地表面(外部接地)所产生的电容(图3中的Cl)通常小于车辆底盘与地表面之间所产生的电容(图3中的C2)约10的2次幂。当对象，例如，人接近车辆时，电容C2将减小。信号检测器适于检测并确定底盘接地与外部虚拟接地之间的电压电位的测量量，并且适于基于此产生测量信号并将测量信号传送到处理单元。处理单元适于处理测量信号，并将所处理的测量信号传输到报警系统，该报警系统适于将所处理的测量信号与一个或多个阈值电平相比较，并基于这些比较产生一个或多个报警信号。该报警信号可以为灯信号(例如，开启的车头灯或内部照明)、声学信号(例如，警报器或车辆的喇叭)，或例如经由移动网络发信号到外部报警中心。 根据一实施例，处理单元通过确定测量信号的导数来处理测量信号，并且根据另一实施例，处理单元通过产生测量信号的绝对值来处理测量信号。根据又一实施例，处理单元通过放大测量信号并产生测量信号的绝对值来处理测量信号。根据一实施例，处理单元通过确定测量信号中变化的导数来处理测量信号。也能够对测量信号进行更加复杂形式的处理，例如，可以确定测量信号的两个不同的滑动平均值(sliding mean value)之间的电平差，即，适于外部环境的慢滑动平均值，以及为测量信号自身的快滑动平均值。借助各种信号处理算法来处理这些，以获得可用信号。在图4中呈现了具有慢滑动平均值和快滑动平均值的测量信号的示例。对于具有慢滑动平均值(连续线)的信号，通常采用一或多秒期间检测的值来做出测量。在快滑动平均值(虚线)的情况下，在一或多达50ms的多毫秒期间做出测量。在视图中，由双箭头示出幅度(A)中的差值，并且每一信号的导数。将同一时间点的幅度差值和/或导数差值与合适的阈值相比较，来产生快速且可靠的检测。一般情况为使用底盘接地与天线接地(虚拟外部接地)之间相对的电容变化。本发明并不局限与上述优选实施例。可以使用各式各样的替换、修改及等同体。因此上述实施例并不应被视为对由所附权利要求限定的本发明保护范围的限制。
权利要求
1.一种用于车辆的电容性传感器系统，包括底盘接地(2)、信号发生器(I)、信号检测器(I)以及处理单元(I )，所述信号发生器(I)适于产生具有应用在所述底盘接地(2)与虚拟外部接地(3)之间的频率和幅度的传感器信号；其特征在于所述系统包括接地天线(4)，所述接地天线(4)适于用作所述虚拟外部接地(3)，电连接到所述信号发生器(1)，并且所述接地天线(4)在所述车辆上设置为以与所述底盘接地(2)电绝缘、具有预定尺寸并位于距地表面预定的距离处；所述信号检测器(I)适于检测并确定所述底盘接地(2)与所述虚拟外部接地(3)之间的所述电压的测量量，并且基于此产生测量信号且将该测量信号传送到所述处理单元(1)， 并且所述处理单元(I)适于处理所述测量信号，并将所处理的测量信号传送到报警系统 (6)，所述报警系统(6)适于基于所处理的测量信号产生一个或多个报警信号。
2.根据权利要求I所述的设备，其中，所述处理单元(I)通过确定所述测量信号的导数来处理所述测量信号。
3.根据权利要求I所述的设备，其中，所述处理单元(I)通过产生所述测量信号的绝对值来处理所述测量信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述报警系统(6)适于将所处理的测量信号与一个或多个阈值电平相比较，并且基于该比较产生一个或多个报警信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接地天线(4)包括具有平坦的表面的金属极板，所述金属极板水平地安装在所述车辆的下侧上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接地天线(4)适于安装在所述车辆的下侧上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接地天线(4)适于安装在所述车辆的燃料箱的下侧上。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的设备，其中，所述接地天线(4)采取所述车辆的燃料箱的至少一部分的形式。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接地天线(4)适于位于距所述地表面在O. 3-0. 8m的范围内的预定距离处。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接地天线(4)具有至少Im2的表面。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述接地天线(4)设置有电绝缘层，所述电绝缘层位于在所述接地天线(4)安装在所述车辆上时所述接地天线(4)的面向所述车辆底盘的一侧上。
12.根据权利要求I所述的设备，其中，所述接地天线具有表面尺寸，以使得所产生的相对于所述地表面的电容通常小于所述车辆底盘与所述地表面之间所产生的电容的约10 的2次幂。
13.根据权利要求I所述的设备，其中，所述接地天线采取电绝缘电缆的形式。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述信号发生器(I)适于产生频率在2-20kHz范围内且幅度在2-20V范围内的传感器信号。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述信号发生器适于产生频率为IOkHz且幅度为IOV的传感器信号。
全文摘要
一种用于车辆的电容性传感器系统，包括底盘接地、信号发生器、信号检测器以及处理单元，所述信号发生器适于产生具有应用在所述底盘接地与虚拟外部接地之间的频率和幅度的传感器信号。所述系统包括接地天线，所述接地天线适于用作所述虚拟外部接地，电连接到所述信号发生器，并且所述接地天线在所述车辆上设置为以与所述底盘接地电绝缘、具有预定尺寸并位于距地表面预定的距离处。所述信号检测器适于检测并确定所述底盘接地与所述虚拟外部接地之间的所述电压电位的测量，并且基于此产生测量信号且将测量信号传送到所述处理单元，并且所述处理单元适于处理所述测量信号，并将所处理的测量信号传送到报警系统，所述报警系统适于基于所处理的测量信号产生一个或多个报警信号。
文档编号G08B13/26GK102934360SQ201180028103
公开日2013年2月13日 申请日期2011年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者P·桑德, F·克拉松 申请人:斯堪尼亚商用车有限公司