电容式传感器以及使用它的近程探测器的制作方法

专利名称：电容式传感器以及使用它的近程探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测电容变化的传感器装置以及使用这种传感器装置的近程探测器。 这种近程探测器可用于(例如)在开车时来探测障碍物，其通常作为当车辆倒车接近障碍 物时来警告公路车辆司机的系统的一部分。电容式传感器装置的构造可使诸如正弦波或方波之类的交变信号被输入到阻容 (RC)网络(例如，与信号通路串联的电阻器后接从该信号通路进行分支的电容器)中。RC 网络中的电容变化将改变其输出端的信号振幅(并且可能改变相位)，因此这种电容变化 可被监测到。在实施过程中，也可能需要各种滤波器和缓冲放大器。
背景技术：
用作车辆障碍物探测系统中的近程探测器的电容式传感器在W002/19524、EP 1720254、WO 2004/054105和WO 2005/012037中是已知的，上述专利以引用方式并入本专 利申请中。在这些装置中，将交变方波信号输入值RC(阻容)网络中，该RC网络包括传感 器板(通常安装在车辆后保险杠之上或之内)和地之间的电容。RC网络将方波转变成显著 三角波。当由传感器板形成的传感电容器的电容由于(如)车辆接近障碍物而增加时，显 著三角波的振幅降低，因此使用这种振幅改变来检测电容变化并且进而检测是否接近障碍 物。如W02004/054105中所述，可监测传感器信号随车辆移动进行改变的方式，从而能够作 出关于车辆和障碍物之间的距离的判断，尽管由不同材料制成的不同障碍物将会对于该传 感器装置的电容具有不同的影响。可通过探测车轮或动力火车某些方便部分的运动来监测 车辆的运动。

发明内容
检测电容的较小变化可能是必需的。对于安装障碍物探测器的车辆尤其如此。因 此，在本发明的一个方面，提供相同频率的信号作为施加至RC网络的信号，并且将该信号 加入到从RC网络输出端获得的信号中或者从所获得的信号中减去(优选在缓冲之后)。将 所得的合量或差值信号用于检测RC网络的电容变化。优选这种附加信号和与其进行相加 或相减的信号具有基本相同的波形，并且优选它们均为正弦波。合量或差值信号可使得更容易检测电容的较小变化。例如，当两个正弦波进行相 加或相减后，所得的信号还为正弦波。所得信号的相位将为以下相位进行合成的两个信号 的各自相位之间的相位或从该相位偏移90°。所得信号的振幅将取决于两个输入信号的各 自振幅并且还取决于相位之差的正弦或余弦。当RC网络的电容变化时，从该网络输出的信 号的相位和振幅均将发生变化。当这种情况发生时，合量或差值信号的振幅将会受到从RC网络输出的信号的振幅变化以及该信号的相位变化的影响。可以设置进行相加或相减的信 号之间的全相位差值，以使得该相位差值的较小变化对于合量或差值信号的幅值具有巨大 影响。这样，可使得合量或差值信号的振幅对于传感器电容的变化非常敏感。优选的是，利用使相同的输入信号通过第二 RC网络来产生与从RC网络获得的信 号进行相加或相减的参考信号，所述第二 RC网络与包括传感器电容的RC网络具有相同的 时间常数。优选的是，用于参考信号的RC网络与用于传感器信号的RC网络相比具有较大 的电容以及较小的电阻，这样使得参考信号更加稳定并且不易受到小电容变化以及射频干 扰的影响。通过使用第二 RC网络的相同输入信号产生参考信号的这种装置可由相对较少 的电路元件制成并且可具有以下优点参考信号将总是与从传感器RC网络输出的信号精 确地具有相同的平均频率并且参考信号将跟随输入信号的振幅、频率或相位的任何轻微变 化，这样使得合量或差值信号不会受到用于产生输入信号的电路的性能的任何轻微不稳定 性或变化的影响。
作为另外一种选择，参考信号可与供给传感器RC网络的信号分别产生。例如，输 入至传感器RC网络的信号可利用数字信号处理器产生，而参考信号可利用上述的参考RC 网络(接收由相同的数字信号处理器产生的匹配信号)产生。这种装置的优点为可使用控 制数字信号处理器的软件来设定输入至传感器RC网络的信号和输入至参考RC网络的信号 之间的相位差，以便获得参考信号和从传感器RC网络输出端获取的信号之间的所需相位 关系，其中考虑到由提供于传感器RC网络和执行加法和减法的电路之间的元件(例如缓冲 放大器)所引起的任何相移。如果两个RC网络接收相同的输入信号，那么可有必要提供移 相电路(优选在参考RC网络的输出端)以便提供所需的相位关系。尽管优选使用正弦波作为输入信号，但其他信号也是可以的。例如，输入信号可为 方波。在这种情况下，从RC网络获得的输出将显著地为三角波。在这种情况下，传感器电 容的变化不会改变输出信号的相位，而仅改变其振幅。调整参考信号以使其与从包括传感 器电容器的RC网络获得的信号具有相同的相位，并且将一个信号从另一个信号中减去。通 过(例如)将两个信号提供至差分放大器的输入端而获得的放大的差值信号，将对传感器 电容的变化具有高度敏感性。根据本发明的第二方面(可结合第一方面进行提供或单独进行提供)，将与从传 感器RC网络输出的信号具有大致相同的波形、振幅和相位的信号电容耦合至传感器RC网 络的输出端并且也电容耦合(与第一电容耦合平行)至地(在此上下文中，术语“地”涵 盖任何固定的电压)。只要此附加信号与由传感器RC网络输出的信号相同，那么在这两个 信号之间的整个电容耦合上不存在压降并且无电流从其流过。然而在一些情况中，传感器 电容可易于产生噪声。例如，就用于车辆的障碍物探测器系统而言，可通过具有基本尺寸 (如，车辆保险杠的整个宽度)的电导体提供传感器电容，并且该电容可往往会改善射频噪 声。在另一方面，用于产生附加信号的装置可被构造为使其对这种噪声不太敏感。因此，在 传感器RC网络输出端出现的这种高频噪声通过两个串联的电容耦合进行有效地接地。原则上，如果附加信号与传感器信号完全相同，那么该装置除了移除高频噪声之 外对于传感器操作无影响。在实施过程中，这两种信号之间的相位和振幅的微小差异为可 容许的，但这将往往会降低该系统对于传感器电容变化的敏感度。因此，可使用与传感器RC 网络具有相同时间常数的并且接收相同输入信号的RC网络来产生附加信号。在这种情况下，通过用于产生附加信号的RC网络的电容将该信号耦合至地。这提供了一种产生附加信 号的简单且有效的方法，但具有以下结果附加信号将不会随传感器电容的变化而改变并 且这样两个信号之间的相位和振幅的某些差异将会出现。通过利用由传感器RC网络输出 的信号产生附加信号来降低这种相位和振幅差异。然而，这将需要提供附加电路(例如锁 相环电路)以便确保附加信号跟随由传感器RC网络输出的信号的相位变化，并且这将增加 该系统的整体复杂性和成本。在输入波形为正弦波以使得传感器RC网络仅改变信号的相位和振幅而不改变其 波形的情况中，附加信号可通过接收相同输入信号并且减弱该信号的电路来产生，该电路 位于移相电路之前或之后，以便模拟传感器RC网络的相位和振幅效果。如同本发明的第一方面，附加信号可与供给传感器RC网络的信号进行独立地产 生。例如，它们可均通过数字信号处理器产生。本发明的此方面可使用正弦波但不限于它们。例如，输入至传感器RC网络的信号 可为方波，以使得传感器输出信号为显著三角波。尽管上述讨论涉及包括传感器电容的RC(阻容)网络，但根据原理将可以使用 LC(电感-电容)网络或LRC(电感-电阻-电容)网络。仅有必要通过传感器电容的变化 来改变从该网络输出的信号的相位和/或振幅。然而，为了节省成本和制造方便，优选避免 使用电感器。现在将参照附图来描述本发明的实施例，所述实施例通过非限制性实例的方式给
出ο


图1示出了根据本发明的第一实施例的电容式传感器装置。图2示出了当RC电路的电容变化时RC电路对于输入正弦波影响的变化。图3为移相电路实例的电路图。图4示出了用于将数字输出组合成伪正弦波的波形。图5示出了根据本发明的第二实施例的电容式传感器装置。图6示出了根据本发明的第三实施例的电容式传感器装置。图7示出了障碍物以及配有障碍物报警系统的汽车后部。图8为用于公路车辆的障碍物报警系统的示意性框图。图9示意性地示出了电容式传感器的传感器板在公路车辆的后保险杠内的位置。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的第一实施例的电容式传感器。传感器被布置用于检测 传感器电容器1的电容变化。在(例如)近程传感器中，可将图1中的传感器用作装配至 公路车辆的停车辅助系统的一部分，以便当车辆倒车而接近障碍物时给出报警。在这种装 置中，传感器的构造使得传感器电容器1的电容随距外部物体距离的变化而改变。在这种 情况下，传感器本身将通常仅包括传感器电容器1的一个板3，该板连接至传感器的剩余部 分，并且另一个板5将通过车辆后面的地面与任何邻近的障碍物一起来提供。在图1的传感器中，传感器电容器1被连接至传感器电阻器7以形成传感器RC电路。所选择的传感器电阻器7的电阻，与传感器电容器1的静电容相结合，使得RC电路具有合适的时间常数。为了检测传感器电容器1的电容变化，控制系统9使AC信号通过由传 感器电容器1和传感器电阻器7形成的传感器RC电路，并利用以RC电路改变该信号的方 式进行的变化来检测传感器电容器1的电容变化。为了实现最佳的电路工作，通常优选AC 信号的周期与传感器RC电路的时间常数具有相同的数量级。如图1所示，控制系统9可包括数字信号处理器11，但它不是必需的并且制造合 适控制系统的其他方法对本领域的技术人员将是显而易见的。在图1的实施例中，AC信号 为正弦波，但可以使用其他波形并且下文中将讨论方波(其通过RC电路被转换成显著三角 波)的使用。如图2所示，当正弦波通过RC电路时，该波的相位和振幅均改变。这些变化 的数量取决于RC电路的时间常数。传感器电容器1的变化将产生传感器RC电路的时间常 数的相应变化，因此传感器电容器1的电容变化导致得自RC电路的输出信号的变化。这如 图2所示，其中对于恒定的输入波形，给出了三种不同电容值的输出波形。图2示出的AC信号的频率为25kHz。这种频率适用于车辆障碍物探测器，因为该 频率稍高于可听声频(通常在20Hz至20kHz的范围内)，这样使得如果该信号在车辆音频 设备(例如收音机)中接收为噪声，那么该噪声是听不到的。因此，至少在诸如车辆停车传 感器之类的应用中，优选大于20kHz的信号频率。然而另外优选的是，该频率通常应低于约 100kHz，以使得由传感器接收的任何高频噪声(如射频信号噪声)可在不显著影响传感器 的工作的情况下被滤除，并且还使得传感器本身不会产生射频噪声。在用于车辆停车辅助系统的近程传感器中，传感器电容器1的静电容(即在不存 在任何障碍物的情况下板3和地之间的电容)可典型地在0. 2pF至5pF的范围内，更典型 地至少为0. 5pF并且通常不超过2pF，例如0. 8和0. 9pF之间的某个值。使用这些较低的 电容值以便使近程传感器能够探测到在可用距离处的物体。如果期望车辆停车辅助系统具 有任何的实际帮助，那么其近程传感器需能够探测到远超0. 1米的范围处的物体(对于小 障碍物优选至少0. 5米并且对于较大的障碍物大于1米)。在这种情况下，传感器电阻器7 的值的范围可为2至50ΜΩ，例如至少5ΜΩ并且通常不超过20M Ω，例如约IOM Ω。因此，在 用于停车辅助系统中的传感器内，RC电路的时间常数的范围可通常为2至50μ s，优选至少 5 μ S并且还优选不超过20 μ S。大约为10 μ S或者或许稍小(或许为8至9 μ S)的值可能 是合适的。由于低数值的传感器电容器1以及高数值的传感器电阻器7，传感器RC电路的输 出端利用缓冲放大器13进行缓冲。优选地是，该放大器被构造具有反馈，以便增加传感器 RC电路的电阻元件的有效阻抗。这又降低了构造传感器电阻器7所需的物理电阻器的实际 数值，从而使得该电路更易于构建。在实施过程中，传感器可需要检测传感器电容器1的电容的相对较小的变化。 例如，当传感器被用作车辆停车辅助系统中的近程传感器(传感器电容器的静电容为约 0. 85pF)时，该传感器应优选能够检测仅约15fF至20fF(即大约为静电容的2%)的电容 变化。因此，由电容变化引起的正弦波信号相位和振幅的变化可为非常小的并且难于利用 控制系统9进行检测。为了避免在控制系统9中对于昂贵元件(例如，数字信号处理器11 中的高分辨率、快速模数转换器)的需要，在图1的电容式传感器中提供了一种装置来预处 理由缓冲放大器13输出的信号，以便产生输入至控制系统9的信号，其中传感器电容器1的电容变化较容易检测到。在这种装置中，所产生的参考信号与从缓冲放大器13输出的信号具有相同的振 幅，并且将这种参考信号与得自从缓冲放大器13的信号在减法器15内进行合成。参考信号 不会受到传感器电容器1的电容变化的影响并且具有基本恒定的振幅和相位。优选地是， 设置的参考信号相对从缓冲放大器13输出的信号的相位具有轻微的相位偏移。这种相位 偏移通常被设置成小于30°。将一个正弦波从另一个正弦波中减去的效果示于下述公式中，其中正弦波具有相 同的振幅并且具有相位差θ。sin(f) - sin(f-Θ) = 2sin(f)cos(f -1)可以看出，输出差值信号的相位为从两个输入信号的相位之间的中间相位向前偏 移90° (因为它为余弦函数)，并且将输出差值信号的振幅与相位差θ的1/2的正弦相乘。当传感器电容器1的电容变化时，这在从缓冲放大器13输出的信号的振幅和相位 中均产生较小的变化。该振幅变化将对于通过减法器15输出的信号的振幅具有影响，但由 于该因素导致的变化将仍为较小的。它也将在通过减法器15输出的信号的相位中产生较 小的变化。较重要的是，得自缓冲放大器13的信号的相位变化必然使输入至减法器15的 两个信号之间的相位差θ发生相应的变化，这是因为参考信号的相位不会改变。这在减 法器15的输出的相位中仅产生较小变化，因为由减法器15输出的信号的相位为两个输入 信号之间的相位差的一半的函数，如上文列出的公式所示，这样使得从减法器15输出的信 号的相位变化甚至小于从缓冲放大器13输出的信号的相位变化。然而，如上述公式所示， 使通过减法器15输出的信号的振幅乘以sin( θ/2)。如果所选择的相位差θ的数值使得 sin(0/2)的斜率为陡峭的(即θ适当地接近0° )，那么θ的较小变化将从而在通过减 法器15输出的信号的振幅中产生较大的变化。这样，从通过缓冲放大器13输出的信号中减去参考信号以用于产生以下信号，该 信号响应传感器电容器1的仅仅较小的电容变化就具有较大的振幅变化。然而，正弦波在 该波形经过0的点处具有最陡的斜率，且具有以下结果如果相位偏移θ接近零，那么差值 信号的振幅是非常小的。因此，选择θ的数值以使其充分远离零，这样倍增因子sin (θ/2) 不会使总的信号振幅降至不可用的低水平，同时还具有足够陡的斜率以使得由传感器电 容器1的变化引起的θ的较小变化导致差值信号振幅的较大变化。因此，θ优选为至少 10° (以便sin( θ/2)不显著小于0.1)。另外，为了补偿根据上述列出的公式产生的低水 平的差值信号并且考虑到传感器RC电路信号振幅的损耗，减法器15还优选具有放大功能。 在图1中，示出了 8倍增益的减法器15。选择的数值将取决于控制系统9的输入电路的性 能，但通常5至20的增益将是合适的。为了产生输入至减法器15的参考信号，将由参考电容器17和参考电阻器19组成 的参考RC电路并联至具有传感器电容器1和传感器电阻器7的传感器RC电路，以便接收相 同的输入正弦波信号。设置的参考RC电路与传感器RC电路具有基本相同的时间常数，以使 其输出信号与传感器RC电路的输出信号基本相同。然而，参考RC电路与传感器RC电路相 比，优选利用较大的电容器和较小的电阻器进行构造。例如，参考电容器17可具有大约InF 的电容并且参考电阻器19可具有大约IOkQ的电阻，也就是说参考电容器大约为传感器电 容器的数值的一千倍并且参考电阻器大约为传感器电阻器的电阻的千分之一。因此，由参考RC电路输出的信号与由传感器RC电路输出的信号相比更加稳定，这样参考RC电路就不 需要相当于放大器13的缓冲放大器。移相器21提供在参考RC电路与减法器15的输入端 之间，目的在于根据由缓冲放大器13中的反馈引入至传感器信号中的任何相移来调整参 考信号的相位并且在输入至减法器15的两个信号之间提供所需水平的相位差θ。多种可 能构造移相器21的方法对于本领域的技术人员将是显而易见的。简单的有源移相电路示 于图3中，但这种特定电路的使用不是必需的并且任何合适的移相装置均可进行使用。 作为从传感器信号减去参考信号的另外一种选择，相位差可改变至180° (实际 上对参考信号进行反相)并且可将这些信号进行相加。对信号进行求和的效果示于下述公 式中。sin(f) + sin(f-θ) = 2 cos(f)sin(f - f)在这种情况下，输出信号的振幅取决于cos(e/2)并且应选择Θ以使得 COS ( θ/2)的斜率为陡峭的(即θ适当地接近180° )。如图1所示，控制系统9包括数字信号处理器11。优选地是，这种类型的数字信号 处理器具有模数转换器(在图1中示为ADC)，其输出可在不干扰数字信号处理器的主处理 器单元的情况下被直接写入存储器。这释放了用于进行数字信号处理功能(例如数字滤波 和相关)的处理器单元。设计数字信号处理器以使得时钟模块产生固定频率的波形(或者 作为另外一种选择产生适用于组合成所需的信号波形的多种波形)，该波形从数字信号处 理器输出并且施加至传感器RC电路，任选地随后进行滤波。时钟模块还触发模数转换器进 行工作，从而使得将由控制系统9接收的波形进行采样以便与所产生的波形精确同步。数 字信号处理器11分析引入波形，在其已被数字化之后，使用绝对振幅和/或振幅变化(也 可能为相位)表示传感器电容器1的电容和/或电容变化，并且通过连接23(用于在图1 的传感器和外部装置之间进行联系)输出代表电容和/或其中变化水平的信号。例如，数 字信号处理器11可使用锁相放大器技术测量从减法器15接收的信号与相位和频率锁定的 理论或实际参考信号之间的精确相位和振幅差，其中数字信号处理器11产生的波形提供 至传感器RC电路。在图1所示的装置中，设计数字信号处理器11以在四条单独的输出线路上提供四 种信号输出，其进行合成以形成伪正弦波。伪正弦波的产生更详细地示于图4中。如图4 所示，在每条输出线路上提供的信号可为具有50%的占空比的简单数字信号。连续输出的 信号，与先前输出线路的信号相比，分别延迟八分之一的工作周期。如图1和图4所示，每 条输出线路通过各自的电阻器25、27、29、31连接至求和点。如图4所示，电阻器25 (连接 至具有首先达到高水平的信号的输出)和电阻器31(连接至具有最后达到高水平的信号的 输出)均具有相同的数值Rx。其他的两个电阻器27、29也具有共同的数值Ry，该值不同于 K。信号数值的模拟求和发生在求和点，并且将每个信号利用其相连的电阻器值(艮或&) 进行除权，以便产生多水平的台阶状波形，如图4的下半部分所示。通过选择合适的Rx和 Ry值，以便调整不同台阶的相对高度，可在求和点处产生伪正弦波。将这种台阶状的多数值波形利用低通滤波器33 (例如有源Butterworth滤波器) 进行平滑，该低通滤波器被布置用于使主要的伪正弦波频率通过同时阻止谐波。这产生了 足够纯的正弦波以提供给传感器RC电路。可根据需要使用可供选择的装置产生提供至传感器RC电路的正弦波，并且参照图4进行论述的装置仅提供作为一种产生合适信号的方法的实例。如果需要将除正弦波 之外的某些其他波形输入RC电路，那么信号产生装置将因此需要进行修改。例如，为了产 生方波，可使用得自数字信号处理器11的单一数字输出，并且不需要求和点或低通滤波器 33。
为了避免模数转换器工作期间的混叠，在减法器15的输出端和控制系统9的输入 端之间提供了另一个低通滤波器35，其截止频率是根据数字信号处理器11输入端的模数 转换器的采样频率进行选择的。图1所示的电路图中的滤波器33、35，以及其他元件可能引入信号的相位和振幅 偏移。然而，这些相位和振幅偏移除了由传感器电容器1的电容变化引起的变化之外将基 本上是恒定的，因此它们不会干扰数字信号处理器11检测和测量由传感器电容器1的电容 变化引起的信号变化的能力。控制系统9的构造还可响应从外部连接23上接收的输入，其可(例如)启动或停 止传感器工作。当将图1中的传感器用于车辆停车辅助系统来探测车辆后面的障碍物时， 对于该停车辅助系统，响应传感器电容器1的电容变化通常比使用绝对电容值更加重要。 因此，当车辆最初置于倒档齿轮中时可启动该系统以将信号发送至图1的电容式传感器， 并且可设置数字信号处理器11以响应这种输入，响应方式为启动传感器工作并且测量该 时间的电容。随后，只要倒档齿轮啮合，传感器电路可在初始测量后继续工作并且提供关于 电容变化的信息。作为另外一种选择，图1中的控制系统9可在传感器的整个工作期间简 单地输出与传感器电容器1的绝对数值对应的信号，并且停车辅助系统中的剩余电路可被 布置用于监测电容相对当倒车齿轮啮合时接收到得初始值的变化。在图1的电容式传感器可以进行多种修改。例如，可将移相器21布置在参考电阻 器19之前，以代替图中所示的位置。可使用其他装置代替由电容器17和电阻器19组成的 参考RC电路来产生输入至减法器15的参考信号。例如，可利用与产生输入至传感器RC电 路相同的方式从得自数字信号处理器的数字输出(或输出的组合)中产生参考信号。这将 具有以下优点参考信号的相位可由数字信号处理器11直接控制，并且可在软件控制下进 行改变，这样使得移相器21将是不需要的。如上所述，可将诸如方波之类的其他波形输入至传感器RC电路，以代替上述的正 弦波。就方波而言，得自传感器RC电路的输出为显著三角波，并且传感器电容器1的电容 变化影响三角波的振幅但不会显著影响其相位。因此在这种情况下，减法器15的用途在于 提供两个输入之间的信号振幅差的放大形式，并且参考信号应与得自缓冲放大器13的信 号同相。因此，移相器21将仅在缓冲放大器13引入相移的情况下是需要的。然而，与使用 输入至RC电路的方波和三角波输出相比，使用正弦波是优选的，因为依赖于传感器电容器 1的电容变化的振幅效应而不是相位效应是指在缓冲放大器13和减法器15中精确的放大 是必需的，并且三角波的尖角需要放大器具有高带宽，这使得该装置更易受干扰和噪声影 响。如果使用正弦波，可滤除较高的频率。例如，减法器15可被构造为具有特定带宽的差 分放大器，所述带宽除去了显著高于正弦波频率的频率。这样，传感器电容器1接收到的任 何射频噪声不会显著影响从减法器15输出的信号。图5示出了根据本发明的第二实施例的电容式传感器。图5中的传感器的多个部 分与图1中的传感器相同，并且以相同的参考标号给出。除了关于图5中与图1不同的部分之外，上文参照图1至4给出的描述同样适用于图5中的传感器。在图5中，未使用将得自缓冲放大器13的信号与参考信号进行相加或相减的装 置，因此图5不包括减法器15或用于产生参考信号的任何装置，例如参考电容器17、参考电 阻器19和移相器21。如上所述，输入至缓冲放大器13的信号可易受高频噪声影响，尤其是在传感器电 容器1的电容非常小并且它具有大电容器板的情况中，在近程传感器中(例如用于车辆辅 助系统的障碍物传感器)往往是这种情况。在图5的电容式传感器中，提供了移除至少一 些高频噪声的装置。提供电路来产生附加的“复制”信号，该信号被电容耦合至通过由传感 器电容器1和传感器电阻器7组成的传感器RC电路输出的信号中。就波形、相位和振幅而 言，附加信号与传感器信号基本相同(但在实施过程中可容许微小的差异)。然而，附加信 号与传感器信号相比不易受到噪声影响，并且该电路也被布置用于在附加信号和地之间提 供电容耦合。在图5的电容式传感器中，通过提供由附加电阻器37和附加电容器39组成的另 一个RC电路来产生附加信号，该连接电路接收的输入信号与提供给传感器RC电路的信号 相同。设置的附加RC电路与传感器RC电路具有相同的时间常数，但与图1中的参考RC电 路相类似，图5中的附加RC电路使用较大的电容和较小的电阻来获得该时间常数，从而产 生对噪声不太敏感的较稳定信号。附加信号和传感器信号通过耦合电容器41进行耦合。理论上，如果附加信号和传 感器信号完全相同，那么在整个耦合电容器41上将从不存在任何压降，因此无电流从它流 过并且它将对传感器信号无影响。然而，耦合电容器41和附加电容器39利用缓冲放大器 13输入端的传感器信号提供了接地的通路，并且该通路可被布置为对于高频信号具有低阻 抗，这是因为附加电容器39具有的(例如)电容可为传感器电容器1的电容的一千倍，并 且耦合电容41也可被选择为具有类似的大电容。因此，在传感器信号中出现的任何高频噪 声(例如作为通过传感器电容器1的物理上的大板3接收的射频信号的结果)通过耦合电 容器41和附加电容器39被分流至地，并且未被输入到缓冲放大器13中。除了存在附加RC电路和耦合电容器41并且省去参考RC电路、移相器21和减法 器15之外，图5的电容式传感器与图1的电容式传感器基本相同，并且图1的描述完全适 用于图5。在图5中，已利用由附加电阻器37和附加电容器39组成的附加RC电路来产生附 加信号。这是产生附件信号的简单且经济有效的方式，但其不是必需的并且可使用产生附 加信号的替代方法。在图5所示的电路中，附加信号可需要使其相位和/或振幅进行调整 以便匹配传感器信号，例如在附加RC电路的时间常数与传感器RC电路的时间常数不是完 全相同的情况中。这种调整可根据需要通过使用类似于图1中的移相器21的移相器和/ 或放大器来实现。这些电路可布置在附加电阻器37之前或布置在附加RC电路至耦合电容 器41的线路中。然而，布置在至耦合电容器41的线路中的任何电路必需具有低输出阻抗， 以使得通过耦合电容器41的高频信号被分流至地。在这种情况下，可使高频噪声通过布置 在通向耦合电容器41的线路中的元件的内部电路、而不是通过附加电容器39分流至地。与图1中的参考信号情况相同，图5中的附加信号可利用得自数字信号处理器11 的单独输出来产生，并且通过合适地选择信号振幅和相位，在这种情况下完全可以省去附加RC电路。与图1的电容式传感器相同，在图5的传感器中优选使用正弦波，但可以使用诸如方波信号之类的其他波形。由于附加信号和传感器信号为标称相同的，并且流过耦合电容器41的仅有电流 为高频噪声的结果，因此耦合电容器41原则上可用电阻器代替，或者作为另外一种选择可 设置电阻器与耦合电容器41串联或并联。优选电容耦合的原因在于附加信号和传感器信 号之间的轻微差异的可能性。电容耦合对于高频噪声与对于传感器信号相比将具有较低的 阻抗，这使得耦合对于传感器信号的影响低于其对噪声的影响。另外，与缓冲放大器13的 输入并联的电感器也将往往会降低进入缓冲放大器13的高频噪声量。用于产生附加信号的上述方法不会响应传感器电容器1的电容变化。因此，附加 信号将不跟随由传感器电容器1的电容变化引起的传感器信号的变化，并且这将在附加信 号和传感器信号之间产生轻微的振幅和相位差异。因此，将附加信号耦合至传感器信号稍 微改变了传感器信号，从而降低了该信号对传感器电容器1的电容变化的敏感度。如上所 述，在线路中将附加信号耦合至传感器信号的耦合电容器41的使用中为该耦合提供了频 变电阻，以便改善在信号的高频噪声和对于传感器电容变化的敏感度损失之间的平衡。原 则上，通过在由锁相环控制的专用信号发生器电路中(而锁相环又接收传感器信号作为相 控输入)产生附加信号可以使该附加信号响应传感器电容器1的电容变化。这将意味着附 加信号将跟随传感器信号的相位变化，同时锁相环可被布置成不响应传感器信号中的高频 噪声成分。然而，提供这种电路将是复杂的、困难的并且昂贵的。此外，除非锁相环在接收 传感器信号的终端具有非常高的输入阻抗，否则整体效果可能为降低了输入至缓冲放大器 13的信号质量，而不是增加信号质量。由于这些原因，目前优选用于产生附加信号的简单装 置不响应传感器电容器1的电容变化。图5示出了在输入至缓冲放大器13之前被耦合至传感器信号的附加信号。作为另 外一种选择，可以将附加信号在缓冲放大器13之后耦合至传感器信号，但这不是优选的， 因为在这种情况下用于产生附加信号的装置不得不考虑缓冲放大器13对于传感器信号的 相位和振幅的影响，这将增加用于产生附加信号的装置的成本和复杂性并且还使得更加难 于保证附加信号具有正确的相位和振幅。如果需要，用于产生参考信号以及将其从传感器信号中减去的装置(如参照图1 所述)和用于产生附加信号以及将其耦合至传感器信号以减少高频噪声的装置(如参照图 5所述)可用于同一电容式传感器中。这种装置示于图6中，该图示出了根据本发明的第三 实施例的电容式传感器。图6中所示的各种元件的功能与上文参照图1和图5中所述的相 同并且在此不进行重复该论述。另外，图6的电容式传感器可按照与参照图1和图5所述 相同的方法进行修改。图1、5和6中的实施例仅为实例，并且各种修改形式和替代形式均是可以的。例 如，可使用不同的电路装置从输入至传感器RC电路的AC波形产生参考信号或附加信号或 者两者，而不是使用图中所示的RC电路装置。例如，在AC波形为正弦波以使得传感器RC 电路的效果在于仅改变相位和振幅而不改变波形的情况中，可使用衰减网络(合适地改变 信号振幅)和移相器(合适地调整信号的相位)的组合来产生参考信号和/或附加信号。 另外，如果数字信号处理器11包括数模转换器，那么它可以从该数字信号处理器直接以模拟形式输出用于传感器RC电路的AC波形、和/或参考信号和/或附加信号(在提供这些 信号中的一者或两者的情况中)。在示出的实施例中，控制系统9使用了数字信号处理器11，但这不是必需的。可根 据需要使用模拟电路来产生施加至传感器RC电路的信号以及检测从传感器RC电路接收的 信号的振幅和/或相位的变化。在示出的实施例中，信号的修改方式为使其通过包括单个电容器和单个电阻器的 C电路。可使用其他的RC电路装置。另外，可将电感器与电阻器结合使用或者可利用电感 器代替电阻器。然而，使用电感器通常是不利的，因为传感器电容器1将通常具有非常小的 电容，如上所述，因此具有匹配阻抗的电阻器将不得不具有难以实现的大号，除非电容式传 感器在非常高的频率下工作。如此前所述，实施本发明的电容式传感器可形成用于车辆中的障碍物报警系统的 一部分，例如用作停车期间的倒车辅助系统。图7示出了汽车的后部以及汽车后面的障碍 物。如果司机希望使汽车43倒退，可能难于判断汽车与障碍物45之间的距离。另外，如果 障碍物45相对较小，如图7所示，那么当汽车43接近它时，它将从司机的视野中消失。为 了协助司机，设置电容式传感器以使传感器电容器1中由大金属条(或一系列条)形成的 板3安装在(例如)汽车43的后保险杠47内。该金属条电容耦合至障碍物45，其用作传 感器电容器1的另一个板5。当汽车43接近障碍物45时，传感器电容器1的电容将改变， 并且这被障碍物探测器系统用于测定汽车43和障碍物45之间的距离以及当汽车43接近 障碍物45时向司机发出报警。障碍物探测系统的示意图示于图8中。距离探测模块49控制电容式传感器51并 且从其接收指示传感器电容器的电容变化方式的信号。电容式传感器51可如图1、图5或 图6所示。距离探测模块49还可控制运动传感器53并且从其接收指示汽车运动的信号。 例如，运动传感器53可探测到车轮的转动或者车辆传动系统的某些其他部分中的相应运 动。距离探测模块49监测电容式传感器的电容随汽车43运动的变化方式，并且使用这种 方式来确定汽车43和障碍物45之间的距离。将运动数据与电容式传感器数据进行结合使 用更详细地论述于(例如)W0 2004/054105中。这种信息用于通过用户界面55向司机提 供报警。一般来讲，当在汽车43和障碍物45之间达到某种预定的距离时，将通过扬声器57 提供报警声(或预定的通知)。可提供额外的或可供选择的警报，例如使用灯59，或者可提 供模拟或数字距离显示。用户界面55还可包括用于控制距离探测模块49的输入，例如可 存在开关以打开或关闭障碍物报警系统。另外，距离探测模块49将通常与其他的输入和输 出61相连。通常，当倒车齿轮啮合或分离时，与齿轮系统相连的传感器将向距离探测模块 49发送信号，并且这被用于控制障碍物报警系统的工作，以使得每当汽车43倒车时它就自 动工作，但当汽车处于前进齿轮状态时，它不会工作。电容式传感器51对于障碍物45的响 应将取决于诸如传感器板3的尺寸和设计以及其安装位置之类的因素，因此对于障碍物探 测系统的每种具体设计方式，通常将以实验方式来确定电容、运动和距障碍物的距离之间 的关系。图9示意性地示出了汽车43的保险杠47内的电容式传感器的传感器板装置。形 成传感器电容器1的一个板的传感器板3设置在保险杠47材料和汽车43的车体63之间。 电容式传感器工作的原因为板3和障碍物45之间的电容耦合产生了传感器电容器1的至少一部分电容，且障碍物45用作传感器电容器1的另一个电容器板5的一部分。然而，如 图9中所见，传感器板3不可避免地贴近通常将为金属的车体63。板3和车体63之间的电 容耦具有两个不利影响。首先，由金属车体63接收到的任何电噪声将强性耦合至传感器板 3中。第二，传感器板3和车体63之间的耦合将提供传感器电容器1的总电容的一个显著 部分，这降低了电容耦合对障碍物45的影响并且从而降低了电容式传感器的近程感测效 果的敏感性。为了使传感器板3和车体63之间的电容耦合的这些影响降至最低，在它们之间提 供防护板65。如图9所示，防护板65相比传感器板3通常延伸超出较大面积，以便屏蔽传 感器板3的整个面积。如果将防护板65连接至基本上无噪声的固定电压，那么它将会把传 感器板3与由车体63接收到的任何电噪声屏蔽开。然而，传感器板3和车体63之间的紧 耦合现在被传感器板3和防护板65之间的紧耦合所取代，这同样可起到降低电容式传感器 的敏感性的效果。为了使这种效果降至最低，优选将与得自传感器板3的信号基本相同的 信号施加至防护板65。例如，可将防护板65连接至缓冲放大器13的输出端。如(例如) W0 2005/012037中所述，可使用多个防护板。如果使用图5和6中的噪声降低装置，那么可 在传感器板3和防护板65之间提供连接至附加RC电路输出端的附加板。在这种情况下， 附加板和传感器板3之间的电容耦合可用作耦合电容器41的全部或部分。在实施过程中，传感器板3和防护板65可形成为包括合适绝缘层的层合结构的部 分，该层合结构可(如通过粘合剂)固定至后保险杠47的内表面或固定至车体63上。优 选地是，将它粘附至保险杠47材料处并且与车体63间隔开，以便降低防护板65和车体63 之间的耦合。电容式传感器内除传感器板3、防护板65 (如果使用的话)以及诸如上述的附加板 之类的任何其他外部板之外的部分可与这些板进行分离地提供。在这种情况下，所述剩余 部分可提供为粘附至板并且优选与板分开的装置的全部或部分，并且这种装置实施了本发 明的一个方面。尽管本发明主要参照用于公路车辆的障碍物探测器实例进行描述，但多种其他用 途也是可能的。从上述障碍物传感器的论述中将清楚，实施本发明的电容式传感器可用于 近程传感器，并且这可具有除用于车辆障碍物传感器之外的应用。例如，实施本发明的近程 传感器可用于运动物体(例如机械手)中以(如)控制运动以及避免碰撞，或者可用于响 应运动物体的探测器中，例如根据人或物体的靠近来控制自动门的传感器。实施本发明的 电容式传感器还可用于其他目的，例如探测是否占据空间，例如可使用车辆内部(或许车 顶内)的传感器来确定是否每个座位被占据，并且结合传感器来探测是否相应的安全带已 扣上。另一个可能的用途为触控传感器，其中当人或物体直接或通过薄绝缘层触摸它时，传 感器板的电容发生改变。多种其他用途对于本领域的技术人员将是显而易见的，并且这些 用途作为实例来提供。示出的实施例以及上述的其他特征、修改形式和替代形式以非限制性实例的方式 进行提供，并且本发明的范围之内的多种其他替代形式和修改形式对于本领域的技术人员 将是显而易见的。
权利要求
一种电容式传感器，包括传感器电路，所述传感器电路包括传感器电容器的至少一个板或传感器电容器的连接；控制装置，所述控制装置用于将第一交变信号施加至所述传感器电路以使得所述传感器电路对于所述信号的影响随所述传感器电容器的电容而变化，并且用于接收得自所述传感器电路的输出端的传感器信号以及检测所接收到的传感器信号的参数，所述接收到的传感器信号受所述传感器电容器的电容影响，信号提供装置，所述信号提供装置用于提供与所述第一交变信号具有相同频率的第二交变信号；以及合成装置，所述合成装置用于将所述第二交变信号与从所述传感器电路接收的信号通过相加或相减进行合成以提供合成信号，所述控制装置被连接以接收所述合成信号或源自它的信号作为所述传感器信号。
2.根据权利要求1所述的电容式传感器，其中所述第一交变信号为正弦波。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电容式传感器，其中所述第二交变信号与从所 述传感器电路通过所述合成装置接收的信号具有相同的波形。
4.根据权利要求3所述的电容式传感器，其中所述第二交变信号与从所述传感器电路 通过所述合成装置接收的所述信号相比，具有相位偏移。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置被连接以 接收所述第一交变信号并且从其产生所述第二交变信号。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其中所述传感器电路包括RC电 路，所述RC电路包括串联的电阻器后接所述传感器电容器的板支路或者用于它们的连接。
7.根据权利要求6所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置包括RC电路，所述RC 电路包括串联的电阻器后接电容器支路。
8.根据权利要求7所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置的RC电路与预定参考 状态下的所述电容式传感器中的所述传感器电路的RC电路具有相同的时间常数。
9.根据权利要求8所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置的RC电路中的电容器 具有至少十倍于所述参考状态下的所述电容式传感器中的传感器电容器的电容。
10.根据权利要求9所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置的RC电路中的电容 器具有至少一百倍于所述参考状态下的所述电容式传感器中的传感器电容器的电容。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置包括 在其所述RC电路之前或之后的移相器。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其中所述合成装置被布置用于 对所述第二交变信号与从所述传感器电路接收的所述信号的和或差进行放大。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，其中所述合成装置包括减法器， 所述减法器被连接以用于将所述第二交变信号和从所述传感器电路接收的所述信号中的 一者从另一者中减去。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，包括缓冲放大器，所述缓冲放大 器被连接以在来自所述传感器电路的信号输入至所述合成装置之前缓冲所述信号。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器，包括信号提供装置，所述信号装置用于提供与由所述传感器电路提供的信号基本相同且基 本同相的另一个交变信号，并且用于为频率显著高于所述另一个交变信号的频率的噪声成 分提供从所述另一个交变信号至地的耦合；以及耦合装置，所述耦合装置用于将所述另一个交变信号耦合至从所述传感器电路提供的 所述信号，从而通过所述信号提供装置的耦合为噪声成分提供至地的通路，所述噪声成分 存在于从所述传感器电路提供的所述信号中并且频率显著高于所述另一个交变信号的频 率。
16.一种电容式传感器，包括传感器电路，所述传感器电路包括传感器电容器的至少一个板或传感器电容器的连接；控制装置，所述控制装置用于将第一交变信号施加至所述传感器电路以使得所述传感 器电路对于所述信号的影响随所述传感器电容器的电容而变化，并且用于接收得自所述传 感器电路的输出端的传感器信号以及检测所接收到的传感器信号的参数，所述接收到的传 感器信号受所述传感器电容器的电容影响，信号提供装置，所述信号装置用于提供与由所述传感器电路提供的信号基本相同且基 本同相的另一个交变信号，并且用于为频率显著高于所述另一个交变信号的频率的噪声成 分提供从所述另一个交变信号至地的耦合；以及耦合装置，所述耦合装置用于将所述另一个交变信号耦合至从所述传感器电路提供的 所述信号，从而通过所述信号提供装置的耦合为噪声成分提供至地的通路，所述噪声成分 存在于从所述传感器电路提供的所述信号中并且频率显著高于所述另一个交变信号的频 率。
17.根据权利要求16所述的电容式传感器，其中所述第一交变信号为正弦波。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的电容式传感器，其中所述传感器电路包括 RC电路，所述RC电路包括串联的电阻器后接所述传感器电容器的板支路或者用于它们的连接。
19.根据权利要求18或者根据权利要求15直接或间接从属于权利要求6时所述的电 容式传感器，其中所述信号提供装置包括RC电路，所述RC电路包括串联的电阻器后接电容 器支路。
20.根据权利要求19所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置的RC电路与预定参 考状态下的所述电容式传感器中的所述传感器电路的RC电路具有相同的时间常数。
21.根据权利要求20所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置的RC电路中的电容 器具有至少十倍于所述参考状态下的所述电容式传感器中的传感器电容器的电容。
22.根据权利要求21所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置的RC电路中的电容 器具有至少一百倍于所述参考状态下的所述电容式传感器中的传感器电容器的电容。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置被连 接以接收所述第一交变信号并且从其产生所述另一个交变信号。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的电容式传感器，其中所述信号提供装置至地 的耦合包括电容耦合。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的电容式传感器，其中所述耦合装置包括电容華禹合。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的电容式传感器，其中所述耦合装置包括电阻華禹合。
27.根据权利要求15至26中任一项所述的电容式传感器，包括缓冲放大器，所述缓冲 放大器被连接以用于缓冲从所述传感器电路提供的信号，所述缓冲在所述信号耦合至所述 另一个交变信号之后进行。
28.—种近程传感器，包括根据前述权利要求中任一项所述的电容式传感器。
29.一种用于公路车辆的障碍物探测系统，包括根据权利要求1至27中任一项所述的 电容式传感器。
30.根据权利要求28所述的近程传感器或根据权利要求29所述的障碍物探测系统，其 中所述传感器电路包括用于传感器电容器的板的连接，所述近程传感器或障碍物探测系统 被布置用于连接至作为所述传感器电容器的板的外部板。
31.一种用于公路车辆的保险杠，所述保险杠包括或承载根据权利要求1至27中任一 项所述的电容式传感器或根据权利要求29所述的障碍物探测系统，其包括所述传感器电 容器的板。
32.一种电容感测方法，包括使第一交变信号通过包括传感器电容器的至少一个板的传感器电路，使得所述传感器 电路对于所述信号的影响随所述传感器电容器的电容而变化；检测得自所述传感器电路的输出端的传感器信号的参数，所述参数受所述传感器电容 器的电容影响，提供与所述第一交变信号具有相同频率的第二交变信号；以及将所述第二交变信号与从所述传感器电路接收的信号通过相加或相减进行合成以提 供合成信号，在所述检测步骤中使用的所述传感器信号为所述合成信号或源自它的信号。
33.根据权利要求32所述的电容感测方法，其中所述第一交变信号为正弦波。
34.根据权利要求32或权利要求33所述的电容感测方法，其中所述第二交变信号与从 所述传感器电路接收的并且跟所述第二交变信号进行合成的所述信号具有相同的波形。
35.根据权利要求34所述的电容感测方法，其中所述第二交变信号与从所述传感器电 路接收的并且跟所述第二交变信号进行合成的所述信号相比，具有相位偏移。
36.根据权利要求32至35中任一项所述的电容感测方法，包括从所述第一交变信号产 生所述第二交变信号。
37.根据权利要求32至36中任一项所述的电容感测方法，包括对所述第二交变信号与 从所述传感器电路接收的所述信号的和或差进行放大。
38.根据权利要求32至37中任一项所述的电容感测方法，包括将所述第二交变信号和 从所述传感器电路接收的所述信号中的一者从另一者中减去。
39.根据权利要求32至38中任一项所述的电容感测方法，包括提供与从所述传感器电路提供的信号基本相同且基本同相的另一个交变信号，并且为 频率显著高于所述另一个交变信号的频率的噪声成分提供从所述另一个交变信号至地的 耦合；以及将所述另一个交变信号耦合至从所述传感器电路提供的所述信号，从而通过所述耦合 为噪声成分提供至地的通路，所述噪声成分存在于从所述传感器电路提供的所述信号中并 且频率显著高于所述另一个交变信号的频率。
40.一种电容感测方法，包括使第一交变信号通过包括传感器电容器的至少一个板的传感器电路，使得所述传感器 电路对于所述信号的影响随所述传感器电容器的电容而变化；检测得自所述传感器电路的输出端的传感器信号的参数，所述参数受所述传感器电容 器的电容影响，提供与从所述传感器电路提供的信号基本相同且基本同相的另一个交变信号，并且为 频率显著高于所述另一个交变信号的频率的噪声成分提供从所述另一个交变信号至地的 耦合；以及将所述另一个交变信号耦合至从所述传感器电路提供的所述信号，从而通过从所述另 一个交变信号至地的所述耦合为噪声成分提供至地的通路，所述噪声成分存在于从所述传 感器电路提供的所述信号中并且频率显著高于所述另一个交变信号的频率。
41.根据权利要求40所述的电容感测方法，其中所述第一交变信号为正弦波。
42.根据权利要求39至41中任一项所述的电容感测方法，包括从所述第一交变信号产 生所述另一个交变信号。
43.根据权利要求39至42中任一项所述的电容感测方法，其中从所述另一个交变信号 至地的所述耦合包括电容耦合。
44.根据权利要求39至43中任一项所述的电容感测方法，其中通过电容耦合将所述另 一个交变信号耦合至从所述传感器电路提供的所述信号。
45.一种电容式传感器，其基本由本文参照附图所描述。
46.一种电容感测方法，其基本由本文参照附图所描述。
47.一种用于公路车辆的障碍物探测系统，其基本由本文参照附图所描述。
全文摘要
本发明涉及一种电容式传感器，可用作公路车辆的障碍物报警系统中的近程探测器，如当所述车辆倒车时使用。数字信号处理器(11)发送正弦波通过传感器RC电路(1、7)。传感器板(3)用作传感器电容器(1)的一个板并且障碍物(45)用作另一个板(5)。所述汽车(43)和所述障碍物(45)之间的距离变化导致所述传感器电容器(1)的电容变化，从而改变从所述传感器RC电路(1、7)输出的正弦波的振幅和相位。在减法器(15)中将由参考信号电路(17、19、21)产生的参考正弦波从所述传感器输出信号中减去。所述参考信号与所述传感器信号具有相位差，使得所述差值信号的振幅对于所述传感器信号的相位的变化具有高度敏感性。通过耦合电容器(41)将与所述传感器信号基本相同的附加信号耦合至所述传感器RC电路的输出。
文档编号G01D5/24GK101809415SQ200880108705
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月24日 优先权日2007年9月25日
发明者安东尼·穆恩 申请人:3M创新有限公司