用于电容性物体检测的系统

技术领域

本发明一般地涉及用于电容性物体检测的系统。

背景技术

在现代车辆中，可能需要检测驾驶员是否将他的将手放在方向盘上(例如，以便确定驾驶员是否准备好实行转向动作)。转向辅助可以包括用于驾驶员的主动校正可能性，以在某些情形下使用。例如，可以规定，仅在驾驶员将他的手放在方向盘上时才激活转向辅助系统。在大多数国家，强制车辆在移动时处于驾驶员的控制下，即使现代辅助系统在某些情况下能够安全地操作车辆。为了识别是否有至少一只手放置在方向盘上，已经开发了若干概念。一种方法使用电容性传感器，其通过手对由传感器生成的电场的影响来检测手。尽管这些传感器更可靠，但是它们显著地增加了方向盘的复杂性。为了克服这个问题，已经尝试使用方向盘加热的现有电路用于电容性检测。

在不同的应用中，电容性传感器还用于检测车辆座椅的占用状态。电容性占用检测或分类系统一般地包括至少一个天线电极，至少一个天线电极布置在座椅的就座表面中。在操作中，振荡电信号被施加到至少一个天线电极，天线电极随即将电场发射到靠近天线的空间区域中。检测物体或生物对电场的影响，以确定座椅占用状态。在这种电容性系统中使用座椅加热器结构作为天线电极的想法也已经已知很长时间。

然而，使用电加热器作为电容性感测元件要求在加热功能与感测功能之间的电解耦。这种电解耦通过附加的分立元件(例如，一些开关、电感器或者共模线圈)来实现。这些附加的解耦元件可能是昂贵的，并且使用大量的空间，尤其是如果最大加热电流大(例如，高于15A)。

本发明的目的

因此，本发明的目的是提供用于有效地使用电加热设备的电路以用于用于电容性物体检测的装置。

该问题通过根据权利要求1的用于电容性物体检测的系统解决。

发明内容

本发明提供了用于电容性物体检测的系统。一般地，可以检测不同类型的物体，特别是用户的身体部分，如手或手指。

系统包括在第一端子与第二端子之间延伸的细长导电元件。导电元件可以是任何类型的导体，如导线、印刷电路板上或柔性衬底上的印刷导体路径等。导电元件可以沿着部件或设备(例如，如方向盘、仪表盘或座椅等的车辆部件)的至少一部分设置。通常，它被设置在形成部件的物理表面的一些隔离衬里的下面，该表面可以被设计为由用户触摸。

导电元件在第一端子与第二端子之间延伸。通常但不是必须的，这些端子对应于导电元件的物理端点。第一端子耦合到地，并且可连接到电源。第一端子可以例如经由电容性元件(电容器)耦合到地，然而不一定要求经由专用电容性元件的耦合。例如，如果已经存在通过例如电源开关的寄生元件的AC地路径，则不需要电容性元件。此外，如果加热器总是被供电，则不需要专用电容性元件。对于可能不是加热器的其他有线传感器，无论如何都可以存在永久AC地连接。通过将第一端子耦合到地，还可以说第一端子连接到AC地，即，其具有明确定义的AC电位。此外，它可连接到电源，这通常意味着它永久地连接到电源，或它经由开关连接到电源，使得可以暂时建立电连接。电源可以是电流源或电压源；通常，它可以是DC电源。特别地，导电元件可以是加热元件，并且电源可以分别供应加热电流或电压。第二端子连接到地。在此上下文中，应当理解，表述“连接到地”意味着端子连接到AC地，即它具有AC地电位。在导电元件连接到电源时，电流从电源通过导电元件流到地。一般地，第一端子和第二端子中的每一个是导电元件的一部分，其适于分别连接到电源或地。连接中的每一个可以经由另一导体建立，如，导线或印刷导体路径，其可拆卸地或不可拆卸地连接到相应的端子。

系统还包括连接到至少一个检测节点的检测电路，检测节点设置在第一端子与第二端子之间的导电元件上。检测单元连接到至少一个检测节点，这意味着它被电连接。然而，电连接不一定必须是DC连接，而是可以是AC连接。例如，耦合可以经由电场和/或磁场实现。检测电路可以例如包括电源、信号发生器、放大器、模数转换器、收发器、处理单元和实行下文描述的功能所需的其他部件。应当理解，检测单元可以至少部分地由软件实施。

检测电路适于基于与物体相关联的阻抗来电容性地检测导电元件附近的物体的存在。如果存在物体，则对物体进行电容性检测，这意味着基于物体对导电元件附近的电场的影响来检测物体。该电场可以由导电元件中的电荷生成，并且/或者电场可以在导电元件中感应出电荷。如下文将解释的，检测电路可以经由至少一个检测节点施加电信号，并且/或者检测电路可以经由至少一个检测节点检测电信号。特别地，检测电路可以适于确定至少一个检测节点与地之间的阻抗。该阻抗进而部分地取决于导电元件的阻抗，并且部分地取决于与物体相关联的阻抗。前一阻抗通常主要是电阻性和电感性的，而后一阻抗通常主要是电容性的。根据本发明，导电元件的电感性阻抗(或者换句话说，其电感)用于将检测电路的检测功能与电源的功能(例如，加热功能)解耦。技术人员将理解，在表述“解耦”中是指信号/测量路径与电源路径的解耦。导线的电感代替了现有技术系统中使用的专用解耦电感器或共模扼流圈的电感。

虽然检测电路一般被配置为检测物体的存在，但是其优选地被配置为确定物体的位置。换句话说，检测单元不仅可以检测物体是否存在于导电元件的附近(例如，导电元件设置在其下面的电绝缘表面上)，而且可以检测在表面的哪一部分中。例如，如果导电元件沿着方向盘的圆周设置，则检测单元可以被配置为确定驾驶员的手的角位置。

检测电路被配置为在加载模式中操作至少一个检测节点，在加载模式中，检测电路将检测信号施加到至少一个检测节点，并且基于检测节点处的响应信号检测物体。检测信号可以是电压信号或电流信号。检测电路可以包括专用电源，其可以被称为检测器电源。检测器电源可以是电压源或者电流源。即使它是电压源，检测信号也可以是电流信号，例如，如果检测器电源经由耦合元件(如阻抗器)连接到检测节点。加载模式的一般原理在于，在检测信号被施加到检测节点时，在导电元件的附近生成(交变)电场。如果不存在物体，则电场通常在导电元件与地(具有地电位的车辆部件)之间延伸。如果存在物体，则这对应于经由由物体引起的(未知)阻抗将导电元件连接到地。因此，可以说，在加载模式中操作检测节点对应于阻抗测量，其中，物体的未知阻抗并联连接到导电元件的阻抗。并联连接的“分支点”大致对应于导电元件中物体所在的部分。因此，如果该部分接近检测节点，则物体对总阻抗的影响比该部分接近端子的情况更显著。

一般地，导电元件的(主要是电感性的)阻抗的影响可能使得难以以足够的精度或可靠性来确定物体的阻抗。然而，存在如何减少或消除这种影响的若干选项。根据本发明，检测电路适于顺序地和/或同时地将两个不同的频率作为检测信号施加到至少一个检测节点，并且基于频率相关响应信号来检测物体。换句话说，检测电路施加包括至少两个不同频率的检测信号。可以一个接一个地，即顺序地施加不同的频率。替代地或另外，它们可以同时地施加，在这种情况下，检测信号是不同频率的叠加。在两种情况下，响应信号一般地是频率相关的。例如，如果检测信号是施加到相应的检测节点的电压信号，则响应信号是流过该检测节点的电流。电流幅度与电压幅度之间的关系对于每个频率将是不同的。由于导电元件对阻抗的频率相关性主要是电感性的，因此它不同于主要是电容性的物体的阻抗的频率相关性。因此，通过考虑用于两个频率中的每一个的响应信号，可以隔离电容性贡献。如果检测信号包括两个不同的频率f

应当理解，这里的假设是阻抗是纯电感性的。对于还存在电阻性部分的情况，RLC模型对测量的RLC阻抗在频率上的曲线拟合是确定电感性和电容性部分的选项。

根据本发明的最简单的实施例，检测电路仅连接到一个检测节点。替代地，检测电路可以连接到第一端子与第二端子之间的多个检测节点。特别地，检测电路可以单独地连接到多个检测节点，而一些检测节点可以被连接为使得检测电路仅可以共同地访问它们。可以以各种方式利用不同的检测节点，如下文将解释的。

优选地，导电元件以曲折方式设置在至少一个检测节点与至少一个端子之间。更具体地，导电元件可以包括交替定向的部分(即，引导“向前”和“向后”的部分)，其中，每个部分的长度优选地比两个相邻部分之间的距离大得多，例如，至少3倍、至少5倍或至少10倍。这也可以称为长、细的环的序列。在这种布置的情况下，物体可能至少部分地设置在最接近检测节点的部分附近。如上文提及的，这对总阻抗的产生相对高的影响，因此可以以增加的可靠性检测物体。

总阻抗部分地取决于导电元件的阻抗，并且部分地取决于导电元件与地之间的(主要是电容性的)阻抗，该阻抗受到物体的存在的影响。如果导电元件的阻抗是已知的，则便于评估测量。它可以通过计算或通过校准来确定。在这样的实施例中，检测电路适于基于导电元件的已知阻抗来检测物体的存在。换句话说，检测电路可以参考导电元件的阻抗，以从总阻抗测量结果中消除其影响。

根据一个实施例，检测电路被配置为在发射模式中操作至少一个检测节点，并且基于来自至少一个接收单元的接收信号检测物体，在发射模式中，检测电路将发射信号施加到至少一个检测节点。检测电路可以施加电流信号或电压信号作为发射信号。发射信号引起电磁场，该电磁场由至少一个接收单元接收，并且感应出对应于接收信号的电信号。接收信号受在导电元件(或者更具体地，相应的检测节点的附近)与接收单元之间是否存在物体的影响，接收单元也可以被称为接收天线、接收电极等。检测电路可以连接到接收单元，以便检测接收信号。如果检测电路连接到多个检测节点，则其可以被配置为在发射模式中操作所有节点或仅其中的一些(可能仅一个)。

根据另一实施例，检测电路被配置为在接收模式中操作至少一个检测节点，在接收模式中，检测电路响应于施加到至少一个发射单元的发射信号，基于来自至少一个检测节点的接收信号来检测物体。换句话说，发射信号被施加到发射单元，发射单元也被称为发射天线、发射电极等。发射信号引起电磁场，该电磁场由导电元件接收，并且感应出对应于相应的检测节点处的接收信号的电信号。接收信号取决于在发射单元与导电元件(或者更具体地，相应的检测节点的附近)之间是否存在物体。检测电路可以连接到发射单元，以便施加发射信号。发射信号可以是电流信号或电压信号。如果检测电路连接到多个检测节点，则其可以被配置为在接收模式中操作所有节点或仅其中的一些(可能仅一个)。

通过谐振测量可以减小检测的阻抗中的测量误差。在一个实施例中，系统包括电容性元件，电容性元件可经由开关与连接到地并且并联到至少一个检测节点。换句话说，通过断开或闭合开关，电容性元件可以连接到地或者与地断开连接。在开关闭合时，电容性元件连接到地，并且相对于检测电路的检测器电源并联到至少一个检测节点。在该实施例中，检测电路被配置为在开关断开时确定第一谐振频率并且在开关闭合时确定第二谐振频率，并且基于第一谐振频率和第二谐振频率检测物体。通过扫描检测器电源的频率并且确定具有最大响应的频率，可以检测每个谐振频率。例如，如果检测器电源是电流源，则谐振频率频率对应于检测节点处的最大电压。例如，如果在开关断开时的第一谐振频率f

有若干方法可以减少(如果不能消除的话)与电感性元件相关联的阻抗对测量的影响。根据一个这样的选项，检测电路被配置为基于测量的阻抗的相对变化来检测物体。换句话说，至少部分地取决于导电元件的总阻抗被忽略，并且仅考虑相对变化。这些变化(尤其是在短期基础上考虑时)可以与进入或离开导电元件附近的物体相关联。

根据一个实施例，检测电路适于在非活动模式中操作至少一个检测节点，在非活动模式中，检测节点处的电位被维持在操作在加载模式或接收模式中的检测节点的电位，或者被维持在AC地。处于非活动模式的检测节点可以分别设置在操作在加载模式或接收模式操作中的检测节点之间，或者其可以设置在一个这种检测节点与端子之间。例如，如果在加载模式中操作单个第一检测节点，则在非活动模式中操作的第二检测节点和第三检测节点可以设置在第一检测节点与每个端子之间。如果第二检测节点和第三检测节点中的每一个的电位被维持在第一检测节点的电位，则端子上的电位与第一检测节点屏蔽。此外，如果在发射模式中操作至少一个检测节点并且在接收模式中操作至少一个检测节点，则可以在非活动模式中操作至少一个检测节点，使得其电位被维持在“接收”节点的电位。在非活动模式中操作检测节点创建非活动部分或区域。换句话说，减少了有效感测区域。因此，优选地，仅暂时在非活动模式中操作检测节点，如下文将进一步解释的。

根据一个实施例，检测电路被配置为用具有不同的测量频率的不同信号在加载模式中或者在发射模式中操作至少两个检测节点，不同信号是正交PRN(伪随机噪声)序列，或者是用正交PRN序列调制的周期信号。换句话说，用一个信号来操作至少一个检测节点，并且用不同信号操作至少一个检测节点。通过施加这样的不同信号，可以限定不同的活动区域。对于不同信号使用不同的测量频率(或者更一般地，分离的频谱)，确保不同活动区域之间没有干扰。通过使用(成对的)正交伪随机噪声序列或者用正交伪随机噪声序列调制的周期信号可以实现相同的效果。

特别地，但不是排他地，如果仅有一个检测节点，则发射单元或接收单元分别必须在导电元件的外部。然而，如果存在多个检测节点，则一个检测节点可以用于发射信号，而另一检测节点用于接收信号。在这种实施例中，检测电路被配置为在发射模式中操作至少一个检测节点并且在接收模式中操作至少一个检测节点。应当注意，该实施例可以与上文提及的实施例组合，在上文提及的实施例中，在发射模式中用不同信号操作不同检测节点。因此，可以同时地使用不同检测节点之间的不同耦合路径。应当理解，这里存在多种可能性，如在发射模式中用不同信号操作多个检测节点和/或在接收模式中操作多个检测节点。

有可能检测电路始终在给定操作模式中操作每个检测节点。然而，优选地，检测电路被配置为在加载模式、发射模式、接收模式和/或非活动模式中顺序地操作不同的检测节点。例如，如果在发射模式中操作一些检测节点，并且在接收模式中操作其他检测节点，则顺序地使用发射检测节点和接收检测节点的不同组合可能是有用的，它们对应于不同的耦合路径。此外，如果在非活动模式中操作一个或若干检测节点，则这通常对应于导电元件的非活动部分或非活动区域，在非活动部分或非活动区域中不能有效地检测物体。如果仅暂时在非活动模式中操作特定检测节点，则可以克服这个问题。举例来说，系统可以包括5个检测节点，并且检测电路可以被配置为在加载模式中操作2个检测节点并且在非活动模式中操作3个检测节点，同时顺序地应用“活动”检测节点(即，处于加载模式的节点)的不同组合。

附图说明

从以下参考附图对非限制性实施例的详细描述中，本发明的进一步细节和优点将变得显而易见，其中：

图1是用于电容性物体检测的本发明系统的第一实施例的示意图；

图2是本发明系统的第二实施例的示意图；

图3是本发明系统的第三实施例的示意图；

图4是本发明系统的第四实施例的示意图；

图5是用于本发明系统的检测电路的示意图；

图6是本发明系统的第五实施例的示意图；并且

图7是本发明系统的第六实施例的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于电容性物体检测的本发明系统1的第一实施例。它包括加热导体2，加热导体2可以是沿着加热器3的表面设置的细长印刷导体路径。加热导体2可以是例如用于加热车辆的方向盘的加热器3或者车辆座椅的座椅加热器。加热导体2从第一端子2.1延伸到第二端子2.2。它以曲折方式设置，具有多个交替定向的导体部分2.3-2.6。导体部分2.3-2.6是长的，并且相对接近地设置在一起，使得每个导体部分2.3-2.6的长度至少是两个相邻导体部分2.3-2.6之间的距离的5倍。第一端子2.1可经由开关6连接到电源5，电源5向加热器3提供电力。开关6可以是例如半导体开关或者任何其他合适的类型。在该实施例中，开关6被示出为高侧开关，但是出于安全原因，开关6也可以是低侧开关，或者一个高侧开关和一个低侧开关。此外，第一端子2.1经由第一电容器4连接到地，这将第一端子2.1保持在限定的AC电位。第二端子2.2连接到地，并且因此也处于限定的AC电位。

适于检测在加热导体2附近的物体50的存在的检测电路10连接到第一检测节点20。在图1的实施例中，检测电路10在加载模式中操作第一检测节点20，在加载模式中，检测电路10将检测信号(例如，AC电压)施加到检测节点20，并且检测检测节点20处的响应信号(例如，AC电流)，因此测量第一检测节点20与地之间的复阻抗。第一检测节点20与地之间的复阻抗可以被认为是未知阻抗Z与主要是电感性的加热导体2的阻抗的并联连接。在此上下文中，应当注意，阻抗还包括电阻性的，然而，该电阻性部分实际上不相关，因为它总是显著低于要测量的电容的阻抗。加热导体2的阻抗的电感性部分将端子2.1、2.2与检测节点20解耦。由于加热导体2的物理结构，感测灵敏度取决于要检测的物体50的位置。物体50越接近检测节点20，其阻抗Z可以被测量地越精确。如果物体50更接近端子2.1、2.2中的一个，则更多的测量电流将流到端子2.1、2.2中并且流到地中，因此不能以高精度测量未知阻抗Z。

为了至少部分地补偿这个问题，以曲折方式布置加热导体2，使得加热导体2的更敏感的部分通常被包括在物体50所处的区域中。如图1中所示，物体50可以被可靠地检测，因为物体50同时处于加热导体2的更敏感的部分(从顶部数第二部分2.4)和加热导体2的较不敏感的部分(顶部部分2.3)之上。如表示根据本发明的第二实施例的加热器3的图1和图2中所示，加热导体2应当分别在第一端子2.1与检测节点20之间以及在检测节点20与第二端子2.2之间包括多个长、细的环，其具有在正向和反向方向上的平行部分2.3-2.6，并且优选地具有在平行部分2.3-2.6之间的最小距离。

优选地，由检测电路10施加的检测信号具有至少一个频率，该频率被选择为使得加热导体2的电感的阻抗是要确定的未知阻挡Z的至少相当大的一部分，例如，至少10％或至少20％。

为了便于确定阻抗Z，加热导体2的阻抗优选地是先验已知的，例如，通过校准或者通过表征，并且然后从检测节点20处的测量阻抗中去除该先验阻抗。另一优选的选项是仅评估测量阻抗的变化，通过该选项可以最小化或消除测量误差。

图3示出了本发明系统1的第二实施例，其是图1的实施例的修改。在这种情况下，加热导体2用作耦合阻抗测量设置中的发射单元。检测电路10不在加载模式中，而是在发射模式中操作检测节点20，并且未知阻抗Z不连接到地，而是连接到接收单元30。检测电路10将发射信号施加到检测节点20。这引起由于物体50的存在而改变的电场，并且生成可以经由接收单元30检测的接收信号，接收单元30也连接到检测电路10。

图4示出了本发明系统1的第三实施例，其是图1的实施例的另一修改。在这种情况下，加热导体2用作耦合阻抗测量设置中的接收单元。这里，加热导体2用作耦合阻抗测量设置中的接收单元。检测电路10不在加载模式中，而是在接收模式中操作检测节点20，并且未知阻抗Z不连接到地，而是连接到发射单元40。在该实施例中，发射单元40还连接到检测电路10，检测电路10将发射信号施加到发射单元40。这引起电场由于物体50的存在而改变的电场，并且生成可以经由检测节点20检测的接收信号。

使用如图3和图4中所示的耦合阻抗测量设置的优点在于，加热导体2的电感的相当大的一部分被检测电路10短路，由此显著减小了其对测量的影响。还应当理解，图3中的接收单元30可以是图4中的加热器，并且图4中的发射单元40可以是图3中的加热器。

为了减少在加载模式测量中加热导体2的电感性阻抗对测量的未知阻抗的影响，例如，在检测信号是AC电压信号并且响应信号是检测节点20处的AC电流时，可以在两个不同的频率f

图5示出了可以用于图1中所示的系统1的检测电路10。在这种情况下，检测电路10可以将AC电流施加到检测节点20，并且可以测量检测节点20上的电压。检测器电源13(在这种情况下为电压源)生成AC电压，并且耦合元件(在这种情况下为阻抗器14)将AC电流注入到检测节点20中。作为经由阻抗器14注入电流的替代，电流源也可以用作检测器电源13。在这种情况下，测量检测节点20上的电压，以便确定要测量的未知阻抗。

图5中的检测电路10还包括具有已知电容的第二电容器12，其可经由第二开关11连接到检测节点20。这种布置允许减少测量误差。在开关闭合时，电容器12连接到地，并且相对于检测器电源13并联到检测节点20。检测电路10被配置为在开关11断开时确定第一谐振频率f

图6示出了本发明系统1的第五实施例，其表示减少加热导体2对测量结果的影响的另一选项。检测电路10连接到分别设置在第一检测节点20与第一端子2.1和第二端子2.2之间的第二检测节点21和第三检测节点22。检测电路10将第二检测节点21和第三检测节点22保持在与第一检测节点20基本相同的电压，由此将端子2.1、2.2的AC地电位与第一检测节点20屏蔽。也可以说第二检测节点21和第三检测节点22用作用于第一检测节点20的保护节点或保护电极。由此实现的保护消除了如上文公开的加热器对电容性测量的影响。缺点在于，由于加热导体2的保护部分，感测区域比图1中的“无保护”实施例相对更小。

图7示出了本发明系统1的第六实施例，其对应于多区域应用。检测节点23-27连接到检测电路10。多个感测选项是可能的。

检测电路10可以在加载模式中操作包括至少一个检测节点23-27的第一组，由此限定(一个或多个)活动区域，并且通过将包括至少一个检测节点23-27的第二组保持在与来自第一组的一个检测节点23-27相同的电位或保持在AC地，检测电路10可以在非活动模式中操作包括至少一个检测节点23-27的第二组，由此限定非活动区域。优选地，检测电路10分别在加载模式和非活动模式中顺序地操作不同的检测节点23-27的第一组和第二组。

此外，可以以不同频率在加载模式中操作至少两个检测节点23-27，由此限定至少两个分离的活动感测区域。注意，可以用检测信号在加载模式中操作至少两个检测节点23-27，由此限定至少两个分离的活动感测区域，检测信号是正交PRN(伪随机噪声)序列或者用正交PRN序列调制的周期信号。

此外，可以在发射模式中操作至少一个检测节点23-27，并且可以在接收模式中操作至少一个检测节点23-27。可选地，至少一个检测节点23-27可以连接到AC地或者与接收模式中的检测节点相同的电位，由此限定一个活动发射区域、一个活动接收区域和可选地一个非活动区域，从而允许执行耦合测量。优选地，检测电路10分别在发射模式中和接收模式中(以及可选地，在非活动模式中)顺序地操作不同的检测节点23-27，由此限定不同的耦合路径。

检测电路10还可以以不同的发射频率在发射模式中操作至少两个检测节点23-27，由此限定耦合路径的数量的倍数。除了使用不同的发射频率之外，还可以使用不同发射信号，不同发射信号是正交PRN(伪随机噪声)序列的或者用正交PRN序列调制的周期信号。

附图标记列表

1 用于电容性检测的系统

2 加热导体

2.1、2.2 端子

2.3-2.6 部分

3 加热器

4、12 电容器

5、13 电源

6、11 开关

10 检测电路

14 阻抗器

20-27 检测节点

30 接收单元

40 发射单元

50 物体

C

Z 阻抗