用于防碰撞装置的电容式的传感器的制造方法
【专利摘要】本发明说明了一种用于探测对象物，尤其是用于探测在能运动的车辆部件的情况下的碰撞情况的电容式的传感器(2)，以及一种具有这种传感器(2)的防碰撞装置(1)。传感器(2)具有电极系统(4)，该电极系统包括至少一个发射电极(5)以及至少一个接收电极(6)。此外，传感器(2)还具有接在至少一个发射电极(5)之前的信号生成电路(7)，用以生成发射信号(SE)。在此，信号生成电路(7)将发射信号(SE)生成为直接相应于伪随机比特序列的矩形脉冲信号。
【专利说明】用于防碰撞装置的电容式的传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于探测对象物，尤其是人的身体部分或物体的电容式的传感器，以及一种具有这种传感器的防碰撞装置。
【背景技术】
[0002]电容式的传感器应用在车辆技术中，尤其是应用在防碰撞装置的范围内。这种防碰撞装置通常用于探测在车辆部件的打开区域中的障碍物，该车辆部件相对于固定的车架能在打开位置与关闭位置之间运动。车辆部件(以下也被称为“调节元件”)尤其指的是尾门。此外，要监控的车辆部件或者说调节元件也可以是侧车门、行李舱盖或发动舱盖、滑动天窗或折叠式车顶。在此，尤其是当各自配属的车辆部件能由马达驱动地运动时，才使用防碰撞装置。
[0003]调节元件在调节运动期间所扫过的空间被称为打开区域。尤其是布置在调节元件的关闭棱边与框架的对应棱边之间的空间区域属于调节元件的打开区域，调节元件在关闭位置中以其关闭棱边贴靠在框架的对应棱边中。
[0004]在关闭车辆的调节单元，尤其是尾门时，经常存在如下危险，S卩，身体部分或调节元件的其他物体夹在调节元件的关闭棱边与车身之间。在该应用情况下也被称为防夹装置的防碰撞装置以如下方式用于避免这种夹挤情况以及由此产生的人员伤害或物品损伤的危险，即，防碰撞装置识别出在打开区域中的障碍物并且在该情况下使关闭运动停止或逆转。
[0005]此外，也可以使用防碰撞装置，以便识别出处于调节元件打开路径中的障碍物。在该应用情况下，当防碰撞装置识别出这种障碍物时，防碰撞装置也使调节元件的运动停止或逆转，以便避免由于调节元件与障碍物的碰撞导致的物品损伤。
[0006]在此，在间接式的与直接式的防碰撞装置之间作出了区分。间接式的防碰撞装置借助尤其是在马达电流异常增加或马达转速异常下降时监控驱动调节元件的伺服马达的运行变量来识别碰撞情况(尤其是夹挤情况)。直接式的防碰撞装置通常包括一个或多个传感器以及评估单元，这些传感器检测对在打开区域中存在或不存在障碍物起表征性的测量变量，并且该评估单元借助这些测量变量判断在打开区域中是否存在障碍物并且在必要时启用相应的应对措施。直接式的防碰撞装置又区分成具有所谓的接触式传感器的系统以及具有所谓的非接触式传感器的系统，该接触式传感器当障碍物已经接触到传感器时才显示出存在障碍物，而非接触式传感器在障碍物相对传感器有一定间距时就已经探测出存在障碍物。尤其地，所谓的电容式的传感器属于非接触式传感器。
[0007]电容式的传感器包括具有一个或多个电极的电极系统，经由该电极系统在调节元件的打开区域中构建起电场。通过监控电极系统的电容量来识别在打开区域中的障碍物。在此，充分利用了障碍物、尤其是人的身体部分影响由传感器生成的电场并因此影响电极系统的电容量。
[0008]在这种电容式的传感器的常见结构形式中，该传感器的电极系统包括至少一个与信号生成电路互连的发射电极以及与接收电路连接的接收电极。这种传感器测量在发射电极与接收电极之间形成的电容量或与之相关的测量变量。
[0009]由DE 20 2007 008 440 Ul公知了一种设置用于监控尾门的打开区域的具有这种传感器的防碰撞装置或者说是防夹装置。
[0010]在此，大多应用电交变信号作为发射信号，该电交变信号以预先给定的发射频率振荡。在该情况下，一般来说使用电子振荡电路作为信号生成电路。
[0011]在由EP I 828 524 BI公知的传感器中，改变了发射频率和/或占空比，以便能够更好地将指示出夹挤情况或碰撞情况的实际事件同像例如雾或雨那样的干扰事件区分开。为此，在不同的发射频率和/或占空比的情况下进行至少两次测量。当针对所有测量的测得的电容量变化基本上相同时，那么指示出夹挤情况或碰撞情况的事件就被识别为真实的。而当在所有测量中测得的电容量变化为不同值时，那么事件就被认定为干扰事件。
[0012]为了避免接收信号被电磁干扰源干扰，在例如由DE 10 2007 058 707 Al和EP O945 984 A2公知的电容式的传感器中，通过将噪声信号调制到基础信号上的方式对周期性的基础信号进行扩频以生成发射信号。
[0013]但是不利的是，这样的传感器相对来说构建复杂。
【发明内容】
[0014]本发明的任务在于，提出一种不易受干扰但同时又特别简单的电容式的传感器以及一种具有这种传感器的防碰撞装置。
[0015]在传感器方面，上述任务根据本发明通过权利要求1的特征来解决。在防碰撞装置方面，该任务根据本发明通过权利要求11的特征来解决。本发明的有利实施方式和改进方案是从属权利要求的主题。
[0016]根据本发明的传感器包括电极系统，该电极系统包括至少一个发射电极和至少一个接收电极。此外，传感器还包括信号生成电路，该信号生成电路接在至少一个发射电极之前，并且该信号生成电路用于生成针对所述发射电极的发射信号。在此，由信号生成电路生成直接相应于伪随机比特序列的矩形信号作为发射信号。在此，发射信号尤其由时钟序列形成。在每个时钟内，发射信号都具有相应于伪随机比特序列的所属的比特值的信号值。例如，在每个配属于伪随机比特序列“ I ”值的时钟内，发射信号都具有例如+5V的“高”电压值(“HIGH”)，而在每个配属于伪随机比特序列“O”值的时钟内，发射信号都具有例如OV或+0.5V的“低”电压值(“LOW”)。该矩形信号由信号生成电路直接发送到发射电极上，也就是说直接施加到发射电极上。在此“直接”意味着，在信号生成电路与发射电极之间没有连接显著改变发射信号的信号形式的结构元件。但在本发明的范围内，可以在信号生成电路与至少一个发射电极之间连接不使矩形信号的信号形式发生变化的结构元件，例如一个或多个放大器和/或(在多个发射电极的情况下)多路复用器电路，该多路复用器电路可以在时间上交替地将发射信号发送到多个发射电极。
[0017]如下二进制(比特)值(“O”和“I”)的序列被理解为伪随机比特序列，该二进制值的序列给人一种随机的比特序列的印象，也就是说识别不出规律性。该序列具有有限的长度并且不断重复。但该长度选择得足够大，从而使得用于处理完整个序列的循环时间超过了测量或相关的测量系列的典型的时间标度。这导致不能在测量技术上有规律地观察比特序列的重复。
[0018]因此，直接相应于伪随机比特序列的发射信号在与测量相关的时间标度上没有周期性的分量。由此，根据本发明的发射信号尤其同如下信号区分开，该信号至少以具有时间间隔的方式具有预先给定的发射频率，或者通过将扩频信号调制到基础信号上的方式生成。由于发射信号的非周期性，一方面实现了传感器的相对于外来信号的特别高的抗干扰性。另一方面，由于伪随机比特序列直接输出到发射电极上，所以传感器在没有频率生成器，尤其是没有振荡发生器的情况下也应付得了，由此可以明显简化传感器的结构。
[0019]为了处理在至少一个接收电极中生成的接收信号，传感器在适宜的设计方案中包括接在后面的接收电路。为了能够以简单且高效的方式从接收信号中将由非周期性的发射信号产生的信号分量与干扰信号相分离，接收电路在传感器的适宜的设计方案中构造为同步解调器，该同步解调器从接收信号中解调出相应于发射信号的伪随机比特序列。
[0020]此外适宜的是，接收电路包括混频器，在该混频器中，接收信号与发射信号进行混合以生成混合信号。所产生的混合信号输送给电容量测量环节。在传感器的简单且有利的设计方案中，混频器由乘法器形成。
[0021]为了去除掉在接收信号中的高频干扰信号，并且因此对接收信号进行预先滤波，优选的是，在接收电极与混频器之间接有低通滤波器。
[0022]在电路技术上能特别简单实现的结构形式中，用于生成伪随机矩形脉冲信号的信号生成电路包括线性反馈的移位寄存器。作为对此的备选，信号生成电路由微控制器形成，在该微控制器中，伪随机数发生器以软件技术实施。在这两种情况下，优选通过本身是非周期性的时钟信号启动(触发)伪随机比特值的生成。在以电路技术实现信号生成电路的情况下，时钟信号由非周期性的触发器电路生成。非周期性的触发器电路例如由噪声发生器形成，例如由具有限幅器的稳压二极管形成。备选地，非周期性的时钟信号也可以借助微控制器生成。
[0023]在本发明的有利改进方案中，信号生成电路构造用于使伪随机比特序列或发射信号的类型、长度和/或幅度依赖于至少一个对周围环境影响或干扰影响起表征性的参考变量而变化。例如，信号生成电路设置成用于:
[0024]-与识别出的干扰电平的大小成比例地或分级地放大发射信号的幅度，和/或
[0025]-当识别出干扰时，简单或重复地改变伪随机比特序列的类型和/或长度；例如当确定在接收信号上有短时间的干扰时，增加伪随机比特序列的长度。
[0026]作为对此附加或备选地，在本发明的范围内，用于为伪随机比特序列设置时钟，也就是用于将伪随机比特序列转换为发射信号的时钟信号也可以依赖于至少一个对周围环境影响或干扰影响起表征性的参考变量而变化。在此，例如时钟长度和/或(在非周期性的时钟信号的情况下)非周期性，尤其是时钟长度的平均分散宽度可以被改变。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]下面借助于附图详细描述本发明的实施例。其中:
[0028]图1以示意性的框图示出用于识别并且避免在能运动的车辆部件中的夹挤情况的防夹装置，该防夹装置具有电容式的传感器，其包括发射电极、接收电极、接在发射电极之前的信号生成电路、以及接在接收电极之后的接收电路；
[0029]图2以简化的电路图示出信号生成电路的构造，该信号生成电路在此由具有接在前面的非周期性的触发器电路的线性反馈的移位寄存器形成；
[0030]图3以两个相对于时间的同步的图表示出由触发器电路生成的触发信号和由移位寄存器在触发信号作用下生成的具有伪随机变化的脉冲长度的矩形脉冲信号；并且
[0031]图4以简化的电路图示出接收电路的构造，该接收电路在此按照同步解调器的类型来构造，并且包括跨阻抗放大器，该跨阻抗放大器具有接在后面的混频器以及又接在后面的低通滤波器。
[0032]彼此相应的部件和变量在所有附图中始终配设相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0033]图1以示意图示出了用于机动车的(没有详细示出的)能运动的调节元件，尤其是能由马达驱动地运动的侧窗玻璃或能由马达驱动地运动的车门或尾门的防夹装置I。该防夹装置I包括电容式的传感器2以及监控单元3。
[0034]传感器2基于电容式的测量技术。传感器2相应地包括电极系统4，该电极系统具有至少一个发射电极5以及至少一个配对电极或者说接收电极6。优选地，电极系统4(以未详细示出的方式)包括多个发射电极5，这些发射电极与共同的接收电极6相互作用。
[0035]在传感器2运行中，通过将交流电压施加到所述或每个发射电极5上，在调节元件的打开区域中生成(仅示意性示出的)电场F，同时经由接收电极6检测由发射出场的发射电极5和接收电极6构成的电容器的(电)容量。
[0036]具体来说，传感器2除了电极系统4外还包括信号生成电路7、接收电路8和电容量测量环节9。
[0037]在传感器2运行中，信号生成电路7生成形式为矩形脉冲序列的发射信号SE。该矩形脉冲序列(如在图3中示意性示出的那样)由各个前后相继的时钟C形成，其中，发射信号Se在每个时钟内可以占据两个信号值“高”(例如+5V)或“低”(例如+0.5V)之一。因此，信号值在前后相继的时钟C内的顺序直接相应于比特序列，其中，例如比特值“ I”可以配属于信号值“高”，而比特值“O”可以配属于信号值“低”。
[0038]在此，由于在矩形脉冲序列内的前后相继的时钟C的信号值处于无规律的关系中，所以发射信号Se相应于伪随机比特序列。矩形脉冲序列包括数百、数千或数万个时钟C(例如21(1-1个时钟)并且在处理完整个序列之后循环重复。由于高的时钟数，所以用于生成和发射出整个矩形脉冲序列的循环时间大于0.03秒。由此，该循环时间大大超出了用于单次测量所需的时间(典型的是I毫秒的数量级)，从而在与测量相关的时间标度上随机出现矩形脉冲序列。
[0039]从图2可知，用于将发射信号Se生成为伪随机矩形脉冲信号的信号生成电路7包括线性反馈的移位寄存器10。线性反馈的移位寄存器10本身由所谓的D触发器11的串联电路形成。在此，最后的D触发器11的输出端Q返回连接到第一 D触发器11的数据输入端D，其中，将最后的D触发器11的输出值与串联电路中的其他特定的(但不是所有的)D触发器11的相应的输出值通过异或算法相加。D触发器11通过输送时钟信号St经由它们的相应的时钟输入端T进行时钟同步，其中，利用每个时钟将相应前面的D触发器11的输出值传递(推送)到后面的D触发器11上。最后的D触发器11的输出值作为发射信号Se施加到至少一个发射电极5上。图3在下面的图表中不出了依赖于时间t的发射信号Se的示例性的分布曲线。在图3的上面的图表中，时钟信号St在时间上的分布对照于发射信号SE。
[0040]时钟信号St作为非周期性的脉冲信号，尤其是作为具有非周期性地变化的脉冲间距的脉冲信号由信号生成电路7的触发器电路12生成。触发器电路12例如由噪声发生器形成，该噪声发生器由具有配属的限幅器的稳压二极管形成。
[0041]频率发生器7将发射信号Se直接提供到发射电极5上，该发射电极在发射信号Se的作用下发射出电场F。如果传感器2包括多个发射电极5，那么在频率发生器7与电极系统4之间优选连接(未详细示出的)时分多路复用器，该时分多路复用器在时间上变化地将时钟信号St提供到多个发射电极5中的各一个上。
[0042]在电场F的作用下，在接收电极6中生成电交变信号，该电交变信号在下面被称为接收信号SK。该接收信号Sk与发射信号Se相位同步，也就是说该接收信号在高信号电平与低信号电平之间具有限定的与发射信号Se的脉冲边沿在时间上一致的转换边沿(Schaltflanke)。但是与发射信号Se不同，接收信号Sk的信号幅度附加地依赖于要测量的电容量而变化。
[0043]接收信号Sk作为输入信号输送给接收电路8。在此可选地，在接收电极6与接收电路8之间连接用于对接收信号Sk进行预先滤波的(未详细示出的)低通滤波器。
[0044]接收电路8按照同步解调器的类型构造。相应地，除了接收信号Sk之外，在绕过电极系统4的情况下也将发射信号Se输送给接收电路8。
[0045]根据图4，用于放大接收信号Sk的接收电路8包括跨阻抗放大器13。该跨阻抗放大器13将与接收信号Sk的电流强度成比例的电压信号S/输出到接收电路8的混频器14上。将发射信号Se作为第二输入变量输送给在此构造为乘法器电路的混频器14。通过将电压信号S/与发射信号Se相乘，混频器14生成了混合信号SM，并且将其输送给接收电路8的接在后面的低通滤波器15。混合信号Sm基本上相应于电压信号S/与经修改的(也就是在电平和相位方面匹配的)发射信号SE’的时间同步的值的乘积，该经修改的发射信号由电平转换器16和移相器17从原始的发射信号Se中生成，即
[0046]Sm(t) W E(t).Si E(t)。
[0047]通过乘积，混合信号Sm几乎消除了非周期性的发射信号Se对接收信号Sk的分布曲线的影响。但在电压信号S/与发射信号Se相比具有小的相位偏移的情况下，以及由于外部干扰，混合信号Sm经常包含高频率的信号分量。这些高频率的信号分量在接收电路8的接在混频器14之后的低通滤波器15中被去除。
[0048]由低通滤波器15输出的、经滤波的混合信号SM’的分布曲线主要由在发射电极5与接收电极6之间的电容量的变化来确定。该经滤波的混合信号SM’输送给接在接收电路8之后的电容量测量环节9，该电容量测量环节从经滤波的混合信号Sm’中生成与电容量成比例的测量变量K。
[0049]测量变量K输送给接在传感器2之后的监控单元3。监控单元3将测量变量K与存储的触发阈值相比较，该监控单元优选由具有在内部执行的监控软件的微控制器形成。在超过触发阈值的情况下，监控单元3输出触发信号A，该触发信号表明可能的夹挤情况，并且在触发信号的作用下使配属于防夹装置I的调节元件的运动逆转。
[0050]在防夹装置I的未详细示出的其他实施方式中，不同的是，信号生成电路7由微控制器形成。在此，伪随机比特序列以及相应于该伪随机比特序列的矩形脉冲信号并非由移位寄存器或其他电路技术手段生成。确切的说，伪随机的矩形脉冲信号由以软件技术在微控制器中实施的伪随机数发生器生成，该伪随机数发生器通过程序循环以不断重复的方式被呼叫。因为在微处理器中通常随着变动的资源需求并行处理数量变化的程序，并且由此在正常情况下给随机发生器提供了波动的计算功率，所以在该实施例中有规律地在具有非周期性地波动的时钟长度的时钟序列中也实现了随机数的生成。因此，微控制器通过随机数生成器的非周期性的时钟来支持发射信号的随机性。此外适宜的是，随机数的生成具有低的优先级，由此通过微控制器有规律地在具有显著的非周期性的波动的时隙(Zeitraster)内提供随机数。
[0051]本发明的主题不受上述实施例的限制。具体来说，本领域技术人员能够从上面的描述中推导出本发明的其他实施方式。
[0052]附图标记列表
[0053]I防夹装置
[0054]2传感器
[0055]3监控单元
[0056]4电极系统
[0057]5发射电极
[0058]6接收电极
[0059]7信号生成电路
[0060]8接收电路
[0061]9电容量测量环节
[0062]10(线性反馈的)移位寄存器
[0063]11D触发器
[0064]12触发器电路
[0065]13跨阻抗放大器
[0066]14混频器
[0067]15低通滤波器
[0068]16电平转换器
[0069]17移相器
[0070]A触发信号
[0071]C时钟
[0072]t时间
[0073]D数据输入端
[0074]F(电)场
[0075]k测量变量
[0076]Q输出端
[0077]Se发射信号
[0078]SE’(经修改的)发射信号
[0079]Sm混合信号
[0080]SM’(经滤波的)混合信号
[0081]Se接收信号
[0082]S/电压信号
[0083]St时钟信号
[0084]T时钟输入端
【权利要求】
1.一种用于探测对象物，特别是用于探测在能运动的车辆部件的情况下的碰撞情况的电容式的传感器(2)，所述电容式的传感器具有: -电极系统(4)，所述电极系统包括至少一个发射电极(5)以及至少一个接收电极(6)， -信号生成电路(7)，所述信号生成电路接在所述至少一个发射电极(5)之前，用以生成发射信号(Se)，其中，所述信号生成电路(7)将所述发射信号(Se)生成为直接相应于伪随机比特序列的矩形脉冲信号，并且将其发送到所述发射电极(5)上。
2.根据权利要求1所述的电容式的传感器(2)， 所述电容式的传感器具有接收电路(8)，所述接收电路接在所述至少一个接收电极(6)之后，用以处理在所述至少一个接收电极￠)中生成的接收信号(Sk)，其中，所述接收电路(8)构造成用于从所述接收信号(Sk)解调出相应于所述发射信号(Se)的伪随机比特序列的同步解调器。
3.根据权利要求2所述的传感器(2)， 其中，所述接收电路(8)包括混频器(14)，在所述混频器中，所述接收信号(Sk)与所述发射信号(Se)进行混合以生成混合信号(SM)，其中，所述混合信号(Sm)输送给电容量测量环节(9)。
4.根据权利要求3所述的传感器(2)， 其中，所述混频器(14)由乘法器形成。
5.根据权利要求3或4所述的传感器(2)， 其中，在所述混频器(14)之后接有低通或带通滤波器(15)，用以从所述混合信号(Sm)中滤除高频信号分量。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的传感器(2)， 其中，在所述接收电极(6)与所述混频器(14)之间接有低通滤波器，用以对所述接收信号(Sk)进行预先滤波。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器(2)， 其中，所述信号生成电路(7)包括线性反馈的移位寄存器(10)，用以生成所述伪随机比特序列。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器(2)， 其中，所述信号生成电路(7)由微控制器形成，在所述微控制器中，为了生成所述伪随机比特序列，伪随机数发生器以软件技术实施。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器(2)， 其中，所述发射信号(Se)由时钟序列形成，其中，在每个时钟内，所述发射信号具有相应于所述伪随机比特序列的所属的比特值的信号值，其中，前后相继的时钟具有时间上的非周期地变化的时钟长度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器(2)， 其中，所述信号生成电路(7)设置成用于使所述伪随机比特序列的类型、长度和/或幅度并且/或者使用于将所述伪随机比特序列转换为所述发射信号(Se)的时钟信号(St)依赖于至少一个对周围环境影响或干扰影响起表征性的参考变量而变化。
11.一种防碰撞装置(I)，所述防碰撞装置具有根据权利要求1至10中任一项所述的电容式的传感器(2)。
【文档编号】G01V3/08GK104335073SQ201380027140
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月22日 优先权日:2012年5月24日
【发明者】德特勒夫·鲁斯, 霍尔格·维斯特莱恩, 弗洛里安·波尔, 拉尔夫·戴明格尔, 扬·凯泽 申请人:博泽哈尔施塔特汽车零件两合公司