用于评估靠近传感器的传感器电极的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于检测传感器电极上的电容和电容变化的方法和相关联的电路。

背景技术：
电容式的靠近开关在现有技术中在车辆的应用领域中被公知。例如，EP1505734公开了一种电容式的靠近开关和相关联的评估方法。电容式的靠近开关具有传感器电极并且当在传感器电极和参考电极之间获得一定的电容或电容改变时会作出响应。为此通常在车辆的被设计用于操作检测的区域内布置多个电极。传感器电极被引入用于根据预先给定的电位进行检测，并且与参考电极、例如车辆接地线或位于车辆下面的底部的接地线形成一电容。如果物体例如用户的手或用户的脚在传感器装置的敏感区域内移动，则所述电容是可变的。针对该效应基本上有不同的考虑方法。一方面，电介质围绕传感器电极改变，另一方面，操作者的身体形成(导电的)电极，从而使得其靠近对应于另一电容的耦合。在任何情况下，由操作者的身体部位引起的传感器电极的环境的改变都会导致电场的变化和电荷移动进而导致可测量到的电容。然而，不管使用哪种考虑方法，可检测到传感器电极的短期变化的电容并且使得环境的变化信号化。可以采用不同的方式检测电容本身。例如，可以将数字时钟的放电过程的数量或放电持续时间用作电容的测量值。这种评价方法在现有技术中已被公开。例如，DE19617038A1也公开了靠近车辆门把手的电容式检测装置。WO2010/045662A2公开了一种用来评估靠近传感器的电容的方法，其中电容通过补偿电容的接通来影响。例如US2007/0046299A1、EP2442447A2以US2011/0210753A1中公开了用于电容评估的其它理念。在已知的传感器装置中问题是，外部影响导致：当根本没有用户靠近时在传感器电极上测量的电容也可以变化。传感器电极的电容高度依赖于环境，例如在传感器电极区域内的湿度，或覆盖有雨、雪、冰或尘埃。在这种情况下，例如，DE19620059A1公开了一种电容式的靠近开关，只有当响应电极和参考电极之间的电容以大于下限值的速度变化时才接通。然而，这些构思在以下方面不发生变化，即评估电路通常根据工作点而设计，所述工作点对应于期望的待评估的电容或电容的改变。如果电容因外部影响而显著改变，则也会降低评估的准确性，因为电路的设计不再对应于电容的基本值。此外，始终希望鉴于检测速度进行评估电路的优化并且使得所使用的部件的数量或价格或结构成本减小。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于对传感器电极上的电容检测的改进的评估电路。该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求7所述的装置来实现。根据本发明，提出了一种方法和装置，其中，具有待确定电容的测量的传感器电极进行电荷转移。如将在下面详细介绍的那样，为此代表电容的电荷在辅助电容或保持电容上通过多个测量周期积累。该方法基本上基于以下构思：对于电容的每次检测都要执行再次充电方法的多个周期，其中，在每个周期中，固定在系统中的保持电容的电荷都被移动。在执行规定数量的周期之后，对保持电容的积累的电荷进行评估。每个周期又由以下几个阶段组成。在这种情况下，根据本发明，在第一阶段期间，电容式的传感器电极通过第一开关元件与充电电压耦合。这导致了传感器电极的充电。在进行了充电之后，传感器电极上的电荷等于当前电容和充电电压之间的已知的关系(电荷＝电容*电压)。术语“开关元件”在该发明范围内通常系指用于对电设备有针对性地耦合、解耦和转耦合(Umkoppeln)的可控制的装置。因此，特别地是电子开关和机械开关，例如还指代单极的和多极的转换开关。同时在该第一阶段，补偿电容借助于另一第二开关元件以不取决于传感器电极的电荷的方式在参考电压和接地之间进行耦合。在这种情况下，参考电容根据自身的电容和参考电压的大小被电荷占据。这两个过程、即传感器电极的充电和补偿电容的充电近乎同时且彼此独立地发生在第一阶段。此外，充电电压和参考电压可以相同或者不同。在周期的接下来的第二阶段中，充电电压和传感器电极之间的耦合被断开，为此操作相关联的第一开关元件。此外，参考电压与地之间的补偿电容的耦合通过另一开关元件断开。然后，传感器电极通过一开关元件(该开关元件可以由第一开关元件形成或者是单独的开关元件)与补偿电容耦合，使得在传感器电极的电容与补偿电容之间出现电荷平衡。出现的电荷流在此一方面取决于传感器电极的电容与补偿电容的大小比率，另一方面取决于充电电压和参考电压进而取决于上一阶段中的传感器电极和补偿电容的预充电。不同的部件可以用作开关、优选地涉及非桥开关，即“先断后通”的开关元件。如果已经出现了所述电荷平衡或者在预定的等待时间之后，就开始第三阶段、即实际评估的阶段。现在，传感器电极通过操作第一开关元件再次与补偿电容解耦(并且例如再次与充电电压耦合)。已经通过在传感器电极和补偿电容之间的电荷平衡产生的电荷仍然在补偿电容上。现在通过闭合另一个开关即第三开关元件使得补偿电容与电荷-蓄电线路耦合，从而使得补偿电容的电荷泄漏通过蓄电线路进行，增大了所得到的电流并且在蓄电线路中导致保持电容再次充电。相应地，保持电容的充电状态保持电容在周期间是逐渐变化的。这例如如下面要详细叙述那样地可以通过使得补偿电容的电流传导通过三极管的基极的方式进行，保持电容在发射极-集电极线路中与所述三极管耦合。因电流流过补偿电容而引起的电流通过保持电容对后者充电或再次充电，其中，保持电容的由此引起的充电状态接下来在很大程度上保持不变。周期随着该第三阶段的结束而结束。为了开始下一周期，接下来通过断开第三开关元件的开关再次使得补偿电容与蓄电线路解耦，并且补偿电容再次通过闭合另一开关元件与用于充电或放电的参考电压耦合。然后，下一周期再次以在上面已经描述过的阶段一的方式开始。在执行了多个这种周期例如5至20个周期之后，代表传感器电极相对于环境的电容的电荷在保持电容上。代表值现在可以通过保持电容上的电压测量来获取，并且传感器电容的测量值被存储。接着，保持电容被再次带回原始的充电状态即例如暂时与地耦接，并且可以开始下一数量的测量周期。根据本发明的方法和根据本发明的装置的特征在于相对于已知方法的多个优点。一个重要优点在于，在实际电荷累积在保持电容上时，传感器电极与评价过程已经再次解耦。传感器电极往往将破坏性的影响带到系统中，因为所述感器电极一方面裸露，另一方面受到电缆长度和环境影响的严重影响。根据本发明，传感器电极的再次充电根据预充电的补偿电容来进行，然后与传感器电极的耦合中断(电隔离)，然后才对存在于补偿电容上的电荷进行评估。该方法对此较为敏感，但却不易受到干扰。此外，该方法可以具有优化的测量时间，例如为了检测八个测量周期需要小于一毫秒的时间。最后，相比于已知的方法还会产生明显更少的电磁辐射，因为在此仅会以交替地具有长时间间隔的方式出现短脉冲。可以由本发明领域内的技术人员来选择哪种结构设计的蓄电线路。至关重要的是，重新充电到补偿电容上的电荷在与补偿电路解耦时会引发相关的电流例如比例放大的电流，所述电流对保持电容再次充电。在下面的实施例中示出了补偿线路的可能的和简单的设计。在这种情况下，保持电容一方面与充电电压耦合，另一方面连接到双极型三极管的发射极-集电极线路中，并且通过电阻和第三开关元件接地。如果锁定三极管，电荷就被固定在保持电阻上并且好像被冷冻。然而，如果通过闭合开关使得三极管的基极与被充了电的补偿电容耦合并且允许电流流过三极管，则进行保持电容的再次充电，所述再次充电与流过基极的电流相关。至关重要的是，所提到的开关元件的开关操作过程以一定次序进行，使得评估的阶段被明确分开。相应地，本发明为每个传感器都设置了开关，所述开关使得传感器电极与补偿电容耦合。此外，对于每个补偿电容都设置有开关元件，以便使该补偿电容有针对性地与蓄电线路耦合。在这种情况下，多个传感器可以在时间上间隔开地共用补偿电容，同样也可以共用同一蓄电线路。在本发明的一种改进方案中，补偿电容或其充电在评估方法的过程中可调整。由于变化的环境条件会改变传感器电极的电容。通过传感器电极的环境的污染或加湿改变待确定的电容。因为只有电容变化而不是绝对的电容对用途的检测才是相关的，根据传感器电极的当前的基本电容调整电路是可取的。为此，在本发明的范围内可以变化地设计补偿电容的参考电压。根据参考电压，将可选择的电荷引入到补偿电容上(阶段1)，然后(在阶段2中)所述电荷可用于对传感器电极进行电荷平衡。如果参考电压变化，那么被带到补偿电容上的电荷也会发生改变，并且在电荷平衡之后表示另一、待与蓄电线路耦合的电荷。因此，一种在传感器电极上的电荷的偏移校正是可能的。在实践中，为了匹配参考电压，根据本发明，在结束预定的周期数量之后，(例如电压分接(Spannungsabgriff))对保持电容上的电荷进行评估，并且确定该值是否在围绕工作点的目标范围内。如果确定了传感器电极的电容在期望的操作点的一侧的电容流失(这没有使得操作信号化、即以较大的时间常数的方式)，则可以通过使得参考电压与补偿电容相匹配进行反向调节。这导致了增大了的评估精度和灵敏度，因为通过回引待评估的数据可以将评估线路、即蓄电线路设置到窄的工作范围上。在本发明的改进方案中，可以接通用于补偿的多个补偿电容，也以便将待评估的电荷量保持在工作范围内。为了接通其他补偿电容可以接通其他电容强度或者可以设置变化的电容。具体实施方式在图1中示出了车辆1，该车辆在尾部区域中具有电容式的传感器2。传感器2被构造为传感器电极，该传感器电极布置在车辆的后保险杠内。在希望操作行李箱盖板时，用户可以执行动作手势，尤其是将脚移动到车辆尾部的下面，因此使得传感电极的电容改变并因此打开行李箱的开口。电极在车辆长度上在整个保险杠或一定的部段上延伸，在所述部段内用户已经执行了手势。在图中示意性地示出了车辆的待考虑的电容。相对于实际的地电位，车辆的底盘具有通常比其余电容大多个数量级的电容。电容C底盘通常是几个100pF亦或甚至更高的电容。针对以下考虑，根据车辆底盘相对于地电位的该电容通常是可忽略的，因为车辆底盘本身相对于传感器电极形成车辆接地线，该车辆接地线在示意图中称作CMass。此外，传感器电极2相对于地电位具有几个pF的电容例如约5pF的电容。响应地，在该示意图中CGND为5pF。此外，可变电容ΔCS并联于CGND起作用。该变化的电容取决于环境条件或身体在传感器电极2周围区域内的运动。针对该效应基本上有不同的考虑方法，一方面，电介质围绕传感器电极2改变，另一方面，为了进行解释，(操作者的身体的)另一电容的耦合可以平行于CGND进行。然而，不取决于考虑方法，电容ΔCS是对于操作检测应当检测到的那些电容。在这种情况下电容ΔCS即电容的变化通过外部的影响或操作而比电容CGND低得多。通常情况下，电容ΔCS小于1pF例如小于0.5pF。电容CGND通过环境影响例如干燥的盐水、润滑涂层亦或在保险杠上涂敷油漆而变化。如果电容CGND增大，实际的检测电容ΔCS将更难被检测。由传感器电极2产生电场的的磁力线通过这种干扰特别是导电层被强烈影响，并且不再充分地在检测区域内延伸。因此，识别电容的微小变化是重要的，即使任何时候存在的基本电容都是可变的。本发明在此开始，通过根据所检测到的测量值可以移动电路的工作点。图2a、2b和2c示出了评估过程即多个待执行周期的一个周期的三个阶段。图2a示出了阶段1，其中，开关元件SW1经由电阻RS使得在此通过变化的电容CS示出的传感器电极与充电电压U0耦合。在该阶段中，电容CS根据其当前的电容和充电电压U0充电。在与之不相关的区域内电容CK通过开关元件SW2与参考电压URef耦合，并且同时通过SW3和电阻RK与地耦接。在这种情况下，所述电容根据所施加的参考电压URef和电容CK也被充电。虽然电容CK基本上也与蓄电线路10耦合，但在那里并没有电流流动可发生，因为在蓄电线路10中开关元件SW4被打开。因此不可能有电流流过蓄电线路10。蓄电线路10由多个部件组成，其中，保持电容CH一方面与充电电压U0耦合另一方面与三极管T1耦合。在此涉及一种双极型三极管，该三极管可通过电阻RE和开关元件SW4与地耦接。但是，在这里所示的状态下开关元件SW4被打开，从而在保持电容CH不可能有电荷变化，特别地不可能有电荷泄漏或电荷注入。还示意性地示出了，当进行多个用于确定电容CS的周期时，保持电容CH的状态可通过电压UADC的电压分接进行评估。在预定的持续时间之后，如果从封闭的电容CS和CK开始，操作开关元件SW1、SW2和SW3。在本实施例中，涉及一种具有先断后通特性的开关元件。至关重要的是，没有状态存在不期望的耦合。特别地，在进行再次开关闭合之前，一方面开关元件SW1另一方面SW2和SW3至少在短时间内被同时打开。图2b示出了评估周期的第二阶段。在进行了开关操作过程之后，电容CS通过开关元件SW1与电容CK耦合。开关元件SW3是断开的，通过电阻RK不再能够进行电荷泄漏向地。另一方面，电容CK通过开关元件SW2与地耦接，从而可以实现CS与CK之间的电荷平衡。开关元件SW4仍然被断开，仍然不可能有电荷泄漏通过蓄电线路10。因此，在图2b的状态下，在短时间之后形成电容CS与CK的稳定的电荷状态。图2c示出了评估过程的下一阶段。重新操作开关元件SW1并且使得电容CK重新与电容CS解耦。存在于电容器CK上的电容在电荷平衡之后保持在那里，暂时不可能有电荷泄漏。开关元件SW1使得电容CS再次与充电电压U0耦合，并且如在图2a的初始状态中那样地再次根据其当前的电容对电容CS进行充电。现在，为了使得蓄电线路与地耦接闭合开关元件SW4，因此允许电流流过蓄电线路。电容CK与三极管T1的基极耦合，并且电荷现在可以从CK通过三极管T1的基极流出。现在增大的电流流过三极管T1的基极-发射极线路，以便对电容CH再次充电。只有在如存在电流从电容CK开始通过蓄电线路流向地的时候，这才可以发生。应当指出，CK还总是与地耦接。因此，电容CH在一定程度上再次充电，如其对应于在电荷平衡之后在电容CK上的电荷量。于是，在短暂的时间之后，开关SW4可以被重新断开，这防止电流流过基极和三极管并且使得电容CH保持在其电荷状态上。如果多次重复图2a、2b、2c的评估的这些状态，那么在电容CH上就会积累电荷，所述电荷表示电容器CS上的电荷，即传感器电极上的电荷。还可以看出，通常会导致评估电子中干扰的传感器电极CS在实际评估过程中、即与蓄电线路10耦合的过程中完全与评估装置解耦。还可以看出，在该简单的结构中，电压URef的变化带来补偿电容上的电荷的变化。可以通过改变该电压在工作区域内进行反馈，蓄电线路10被设计到该工作区域上。用于该装置的部件的数量小，并且线路的可靠性和灵敏度是十分有利的。