鲁棒、低成本的电容测量系统技术方案

一种用于确定在加载模式下操作的保护‑感测电容传感器的复感测电流的复电流测量电路，包括周期性信号电压源(1)，差分跨阻抗放大器电路(DTA)和多路分解器电路(DMX)。电容传感器的至少一个感测天线电极电连接到多路分解器电路(DMX)的信号输入线。多路分解器电路(DMX)的信号输出线中的每一个电连接到差分跨阻抗放大器电路(DTA)的差分信号输入线(8，8'，9，9')中的不同的一个。多路分解器电路(DMX)包括三个或四个信号输出线，并且在三个信号输出线的情况下，差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括三个运算放大器(15，20，61)且各自具有单个信号输入端口，或者在四个信号输出线的情况下，差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括两个差分放大器(30，30')且各自具有两个信号输入端口。每个信号输出线电连接到信号输入端口中的不同一个。对于每个差分信号输入线(8，8'，9，9')，电容器(10，10'，11，11'；10，11，60)电连接在周期性信号电压源(1)的输出端口和差分信号输入线(8，8'，9，9')之间，其中在电测量信号的工作频率下的电容器(10，10'，11，11'；10，11，60)的阻抗接近零欧姆，或者电流连接被提供给多路分解器电路(DMX)的信号输出线(8，8'，9，9')中的不同的一个。由差分跨阻放大器电路(DTA)提供的输出信号可用于确定复感测电流。

Robust and Low Cost Capacitance Measurement System

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】鲁棒、低成本的电容测量系统
本专利技术通常地涉及电容测量电路
，并且更特别地，涉及一种具有一个或多个电极的电容测量装置，通过该电容测量装置，具有与环境不同的复介电常数的物体的形状和位置等特征是由通过该物体的电容耦合确定的。
技术介绍
电容传感器和采用电容传感器的电容测量和/或检测装置具有广泛的应用，并且尤其用于检测在天线电极附近的导电体的位置和/或存在。如本文所使用的，术语“电容传感器”指传感器，该传感器生成响应于被感测物(人，人体的一部分，宠物，物体等)对电场的影响的信号。电容传感器通常包括至少一个天线电极，当该传感器工作时，向该天线电极施加振荡电信号并且其随即将电场发射到靠近该天线电极的空间区域中。该传感器包括至少一个感测电极，其可以和发射天线电极相同或不同，在该感测电极处检测物体或生物对电场的影响。在一些(所谓的“加载模式(loadingmode)”)电容传感器中，至少一个天线电极同时用作感测电极。在这种情况下，测量电路确定响应于施加到所述至少一个电极的振荡电压而流入至少一个天线电极的电流。电压和电流的关系生成所述至少一个天线电极和地电势之间的复阻抗。在电容传感器(耦合模式电容传感器)的替代形式中，(一个或多个)发送天线电极和(一个或多个)感测电极是彼此分离的。在这种情况下，该测量电路确定当操作至少一个发送天线时在感测电极中感应的电流或电压。例如，标题为“用于图形界面的电场感应”的技术论文中解释了不同的电容感测机制，作者为J.R.Smith等人，发表在IEEE计算机图形和应用，18(3)卷，第54-60页，出版时间为1998年。该论文描述了用作进行非接触式三维位置测量(并且更具体地，用于感测人手位置以便向计算机提供三维位置输入)的电场感测的概念。在电容感测的通常概念中，作者区分了对应于各种可能电流路径的他称为“加载模式”，“旁路模式”和“发送模式”的不同机制。在“加载模式”中，将振荡电压信号施加到发送电极，该发送电极建立到地的振荡电场。待感测的物体改变发送电极和地之间的电容。在“旁路模式”(或者被称为“耦合模式”)中，振荡电压信号被施加到发送电极，该发送电极建立到接收电极的电场，并且测量在接收电极处感应的位移电流。被测量的位移电流取决于正在被感测的主体。在“发送模式”中，发送电极被放置与用户的身体接触，然后该发送电极通过直接电连接或经由电容耦合成为相对于接收器的发送器。电容耦合强度可以通过例如向天线电极施加交替电压信号和通过测量从该天线电极流到地(在加载模式中)或流到第二天线电极(在耦合模式中)的电流来确定。该电流可以由跨阻抗放大器来测量，该跨阻抗放大器连接到感测电极，并将流入感测电极的电流转换为与该电流成比例的电压。一些电容传感器被设计为具有单个感测电极的仅感测电容传感器。而且，通常使用的电容传感器包括靠近布置并且彼此相互绝缘的感测电极和保护电极。这种“保护”技术在本领域中是公知的，并且经常用于有意地掩蔽电容传感器的灵敏度区域因而使得所述灵敏度区域成形。为此，保护电极与感测电极保持相同的电AC电位。结果，感测电极和保护电极之间的空间没有电场，并且保护-感测电容传感器在感测电极和保护电极之间的方向上是不敏感的。已经提出了各种各样的电容式乘员感测系统，例如，用于控制一个或多个安全气囊的展开，所述安全气囊例如驾驶员安全气囊、乘客安全气囊、和/或侧面安全气囊。属于Jinno等人的美国专利6,161,070涉及一种乘客检测系统，其包括安装在汽车中乘客座椅表面上的单个天线电极。振荡器将振荡电压信号施加到天线电极，由此在该天线电极周围产生微小电场。Jinno提出基于流到该天线电极的电流的振幅和相位来检测座椅中乘客的存在或不存在。属于Stanley的美国专利6,392,542教导了一种电场传感器，其包括可安装在座椅内并可操作地耦合到感测电路的电极，该感测电路向该电极施加振荡或脉冲信号，该信号具有对座椅的湿度“至多弱响应”的频率。Stanley提出测量流到电极的电流的相位和振幅，以检测被占用的或空的座位并补偿座椅湿度。卢森堡专利申请LU92299A1描述了一种电容感测系统，其包括天线电极以及控制和评估电路，该控制和评估电路包括差分跨阻抗放大器(DTIA)。DTIA包括第一信号输入端，第二信号输入端，控制信号输入端和输出端，并且DTIA被配置为将第一电流驱动到第一信号输入端中，使得在第一和第二信号输入端分别产生第一和第二电压，然后将电压施加到控制信号输入端以在输出端上生成指示第一和第二电流之间的差的输出信号。提供多路分解器以使得天线电极到第一电流输入端和第二电流输入端的交替地开关。在可操作地连接到DTIA的控制信号输入端的参考电压节点产生交流参考电压。该控制和评估电路包括误差放大器，该误差放大器在其连接到控制信号输入端的输出端生成误差信号，该误差信号对应于参考电压节点和天线电极之间的电压差的放大。其他人想到使用座椅加热器中的加热元件作为电容式占用感测系统的天线电极。国际申请WO92/17344A1公开了一种带有导体的电加热车辆座椅，位于座椅表面中的该导体可以由电流通过而加热，其中该导体还形成双电极座位占用传感器的一个电极。国际申请WO95/13204A1公开了一种类似的系统，其中测量连接到加热元件的振荡器的振荡频率以导出车辆座椅的占用状态。例如，在US7,521,940B2，US2009/0295199A1和US6,703,845中公开了座椅加热器和电容传感器的更精细的组合。作为示例，专利文献US8,354,936B2描述了一种用于车辆的电容式乘客检测器。电容式乘客检测器包括主电极，子电极和保护电极。主电极和子电极彼此分开，并且设置在车辆的座椅中。保护电极设置在主电极和车身之间，并与主电极分开。灵敏特性测量单元被配置用于选择性地或完全地将交流电压信号施加到主电极，子电极和保护电极，和用于将在主电极，子电极和保护电极中产生的电流分别转换为电压。电容式乘客检测器还包括控制器，当主电极的电压和保护电极的电压具有相同的电位时，该控制器将流过保护电极的电流定义为参考电流。当主电极的电压高于保护电极的电压时，该控制器将流过保护电极的电流的电流流动方向定义为负方向。当主电极的电压低于保护电极的电压时，该控制器将流过保护电极的电流的电流流动方向定义为正方向。控制器基于流过保护电极的电流来校正主电极的电压，使得主电极的校正的电压被设定为乘客确定数据。即使在主电极和保护电极之间产生电位差时，控制器也能正确地检测乘客的电容。对用于车辆应用的电容式感测装置而言，出现了具有挑战性的情况，因此必须符合汽车规则和标准，例如ISO11451-4(道路车辆-针对窄带辐射电磁能量引起的电气干扰的车辆测试方法-第4部分：大电流注入(BCI))。在BCI测试期间，注入的射频(RF)电流容易干扰电容干扰装置。此外，具有至少一个感测电极(在下文中也表示为“感测”)和至少一个保护电极(在下文中也表示为“保护”)的电容感测装置具有寄生阻抗，其系统地影响通过确定在电容传感器中流动的感测电流来测量未知阻抗的测量精度。这些阻抗包括但不限于感测-到-保护阻抗，保护-到-地阻抗，感测-到-感测电流测量电路阻抗，和保护-到-信号电压源阻抗。专利技术目标因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复电流测量电路，其被配置为确定以加载模式操作的保护‑感测电容传感器的复感测电流，所述复电流测量电路包括：‑周期性信号电压源(1)，其被配置用于在输出端口处提供周期性电测量信号，所述输出端口电连接到所述电容传感器的至少一个保护天线电极；‑差分跨阻抗放大器电路(DTA)，包括至少一个电子放大器(30，30'；15，20，61)，至少两个差分信号输入线(8，8'，9，9')和至少一个信号输出(16，16'，21，21'；16，21，62)；‑多路分解器电路(DMX)，其包括多路分解器(7)，信号输入线，多个信号输出线，和用于控制开关操作的本地振荡器(45；54)，其中所述电容传感器的至少一个感测天线电极电连接到所述信号输入线，并且所述信号输出线中的每一个电连接到所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)的所述至少两个差分信号输入线(8，8'，9，9')中的不同的一个差分信号输入线，其中所述多路分解器电路(DMX)包括三个或四个信号输出线，在三个信号输出线的情况下，所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括三个运算放大器(15，20，61)，每个所述运算放大器具有信号输入端口，或者在四个信号输出线的情况下，所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括两个差分放大器(30，30')，每个所述差分放大器具有两个信号输入端口，并且其中每个信号输出线电连接到所述信号输入端口中的不同的一个信号输入端口；和‑对于每个差分信号输入线(8，8'，9，9')，‑电容器(10，11；10，11，60)电连接在所述周期性信号电压源(1)的所述输出端口和所述差分信号输入线(8，8'，9，9')之间，其中所述电容器(10,11；10，11，60)在所述电测量信号的工作频率下的阻抗低于接近零欧姆的预定值，或者‑将电流连接提供给所述多路分解器电路(DMX)的所述信号输出线(8，8'，9，9')中的不同的一个，其中在所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)的所述至少一个差分信号输出(16，21；16，21，62)处提供的输出信号用于确定复感测电流。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.31 LU 1000361.一种复电流测量电路，其被配置为确定以加载模式操作的保护-感测电容传感器的复感测电流，所述复电流测量电路包括：-周期性信号电压源(1)，其被配置用于在输出端口处提供周期性电测量信号，所述输出端口电连接到所述电容传感器的至少一个保护天线电极；-差分跨阻抗放大器电路(DTA)，包括至少一个电子放大器(30，30'；15，20，61)，至少两个差分信号输入线(8，8'，9，9')和至少一个信号输出(16，16'，21，21'；16，21，62)；-多路分解器电路(DMX)，其包括多路分解器(7)，信号输入线，多个信号输出线，和用于控制开关操作的本地振荡器(45；54)，其中所述电容传感器的至少一个感测天线电极电连接到所述信号输入线，并且所述信号输出线中的每一个电连接到所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)的所述至少两个差分信号输入线(8，8'，9，9')中的不同的一个差分信号输入线，其中所述多路分解器电路(DMX)包括三个或四个信号输出线，在三个信号输出线的情况下，所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括三个运算放大器(15，20，61)，每个所述运算放大器具有信号输入端口，或者在四个信号输出线的情况下，所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括两个差分放大器(30，30')，每个所述差分放大器具有两个信号输入端口，并且其中每个信号输出线电连接到所述信号输入端口中的不同的一个信号输入端口；和-对于每个差分信号输入线(8，8'，9，9')，-电容器(10，11；10，11，60)电连接在所述周期性信号电压源(1)的所述输出端口和所述差分信号输入线(8，8'，9，9')之间，其中所述电容器(10,11；10，11，60)在所述电测量信号的工作频率下的阻抗低于接近零欧姆的预定值，或者-将电流连接提供给所述多路分解器电路(DMX)的所述信号输出线(8，8'，9，9')中的不同的一个，其中在所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)的所述至少一个差分信号输出(16，21；16，21，62)处提供的输出信号用于确定复感测电流。2.根据权利要求1所述的复电流测量电路，其中所述电测量信号被形成为具有处于10kHz至100MHz范围内的基频的正弦电压信号。3.根据权利要求1或2所述的复电流测量电路，其中所述差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括两个或更多个运算放大器(15...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·拉梅施，
申请(专利权)人：IEE国际电子工程股份公司，
类型：发明
国别省市：卢森堡,LU