本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)傳感器電極上的電容和電容變化的方法和相關(guān)聯(lián)的電路。

背景技術(shù)：
電容式的靠近開(kāi)關(guān)在現(xiàn)有技術(shù)中在車(chē)輛的應(yīng)用領(lǐng)域中被公知。例如，EP1505734公開(kāi)了一種電容式的靠近開(kāi)關(guān)和相關(guān)聯(lián)的評(píng)估方法。電容式的靠近開(kāi)關(guān)具有傳感器電極并且當(dāng)在傳感器電極和參考電極之間獲得一定的電容或電容改變時(shí)會(huì)作出響應(yīng)。為此通常在車(chē)輛的被設(shè)計(jì)用于操作檢測(cè)的區(qū)域內(nèi)布置多個(gè)電極。傳感器電極被引入用于根據(jù)預(yù)先給定的電位進(jìn)行檢測(cè)，并且與參考電極、例如車(chē)輛接地線或位于車(chē)輛下面的底部的接地線形成一電容。如果物體例如用戶(hù)的手或用戶(hù)的腳在傳感器裝置的敏感區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，則所述電容是可變的。針對(duì)該效應(yīng)基本上有不同的考慮方法。一方面，電介質(zhì)圍繞傳感器電極改變，另一方面，操作者的身體形成(導(dǎo)電的)電極，從而使得其靠近對(duì)應(yīng)于另一電容的耦合。在任何情況下，由操作者的身體部位引起的傳感器電極的環(huán)境的改變都會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)的變化和電荷移動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致可測(cè)量到的電容。然而，不管使用哪種考慮方法，可檢測(cè)到傳感器電極的短期變化的電容并且使得環(huán)境的變化信號(hào)化?？梢圆捎貌煌姆绞綑z測(cè)電容本身。例如，可以將數(shù)字時(shí)鐘的放電過(guò)程的數(shù)量或放電持續(xù)時(shí)間用作電容的測(cè)量值。這種評(píng)價(jià)方法在現(xiàn)有技術(shù)中已被公開(kāi)。例如，DE19617038A1也公開(kāi)了靠近車(chē)輛門(mén)把手的電容式檢測(cè)裝置。WO2010/045662A2公開(kāi)了一種用來(lái)評(píng)估靠近傳感器的電容的方法，其中電容通過(guò)補(bǔ)償電容的接通來(lái)影響。例如US2007/0046299A1、EP2442447A2以US2011/0210753A1中公開(kāi)了用于電容評(píng)估的其它理念。在已知的傳感器裝置中問(wèn)題是，外部影響導(dǎo)致：當(dāng)根本沒(méi)有用戶(hù)靠近時(shí)在傳感器電極上測(cè)量的電容也可以變化。傳感器電極的電容高度依賴(lài)于環(huán)境，例如在傳感器電極區(qū)域內(nèi)的濕度，或覆蓋有雨、雪、冰或塵埃。在這種情況下，例如，DE19620059A1公開(kāi)了一種電容式的靠近開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)響應(yīng)電極和參考電極之間的電容以大于下限值的速度變化時(shí)才接通。然而，這些構(gòu)思在以下方面不發(fā)生變化，即評(píng)估電路通常根據(jù)工作點(diǎn)而設(shè)計(jì)，所述工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)于期望的待評(píng)估的電容或電容的改變。如果電容因外部影響而顯著改變，則也會(huì)降低評(píng)估的準(zhǔn)確性，因?yàn)殡娐返脑O(shè)計(jì)不再對(duì)應(yīng)于電容的基本值。此外，始終希望鑒于檢測(cè)速度進(jìn)行評(píng)估電路的優(yōu)化并且使得所使用的部件的數(shù)量或價(jià)格或結(jié)構(gòu)成本減小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于對(duì)傳感器電極上的電容檢測(cè)的改進(jìn)的評(píng)估電路。該目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法和根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明，提出了一種方法和裝置，其中，具有待確定電容的測(cè)量的傳感器電極進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。如將在下面詳細(xì)介紹的那樣，為此代表電容的電荷在輔助電容或保持電容上通過(guò)多個(gè)測(cè)量周期積累。該方法基本上基于以下構(gòu)思：對(duì)于電容的每次檢測(cè)都要執(zhí)行再次充電方法的多個(gè)周期，其中，在每個(gè)周期中，固定在系統(tǒng)中的保持電容的電荷都被移動(dòng)。在執(zhí)行規(guī)定數(shù)量的周期之后，對(duì)保持電容的積累的電荷進(jìn)行評(píng)估。每個(gè)周期又由以下幾個(gè)階段組成。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明，在第一階段期間，電容式的傳感器電極通過(guò)第一開(kāi)關(guān)元件與充電電壓耦合。這導(dǎo)致了傳感器電極的充電。在進(jìn)行了充電之后，傳感器電極上的電荷等于當(dāng)前電容和充電電壓之間的已知的關(guān)系(電荷＝電容*電壓)。術(shù)語(yǔ)“開(kāi)關(guān)元件”在該發(fā)明范圍內(nèi)通常系指用于對(duì)電設(shè)備有針對(duì)性地耦合、解耦和轉(zhuǎn)耦合(Umkoppeln)的可控制的裝置。因此，特別地是電子開(kāi)關(guān)和機(jī)械開(kāi)關(guān)，例如還指代單極的和多極的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。同時(shí)在該第一階段，補(bǔ)償電容借助于另一第二開(kāi)關(guān)元件以不取決于傳感器電極的電荷的方式在參考電壓和接地之間進(jìn)行耦合。在這種情況下，參考電容根據(jù)自身的電容和參考電壓的大小被電荷占據(jù)。這兩個(gè)過(guò)程、即傳感器電極的充電和補(bǔ)償電容的充電近乎同時(shí)且彼此獨(dú)立地發(fā)生在第一階段。此外，充電電壓和參考電壓可以相同或者不同。在周期的接下來(lái)的第二階段中，充電電壓和傳感器電極之間的耦合被斷開(kāi)，為此操作相關(guān)聯(lián)的第一開(kāi)關(guān)元件。此外，參考電壓與地之間的補(bǔ)償電容的耦合通過(guò)另一開(kāi)關(guān)元件斷開(kāi)。然后，傳感器電極通過(guò)一開(kāi)關(guān)元件(該開(kāi)關(guān)元件可以由第一開(kāi)關(guān)元件形成或者是單獨(dú)的開(kāi)關(guān)元件)與補(bǔ)償電容耦合，使得在傳感器電極的電容與補(bǔ)償電容之間出現(xiàn)電荷平衡。出現(xiàn)的電荷流在此一方面取決于傳感器電極的電容與補(bǔ)償電容的大小比率，另一方面取決于充電電壓和參考電壓進(jìn)而取決于上一階段中的傳感器電極和補(bǔ)償電容的預(yù)充電。不同的部件可以用作開(kāi)關(guān)、優(yōu)選地涉及非橋開(kāi)關(guān)，即“先斷后通”的開(kāi)關(guān)元件。如果已經(jīng)出現(xiàn)了所述電荷平衡或者在預(yù)定的等待時(shí)間之后，就開(kāi)始第三階段、即實(shí)際評(píng)估的階段?，F(xiàn)在，傳感器電極通過(guò)操作第一開(kāi)關(guān)元件再次與補(bǔ)償電容解耦(并且例如再次與充電電壓耦合)。已經(jīng)通過(guò)在傳感器電極和補(bǔ)償電容之間的電荷平衡產(chǎn)生的電荷仍然在補(bǔ)償電容上?，F(xiàn)在通過(guò)閉合另一個(gè)開(kāi)關(guān)即第三開(kāi)關(guān)元件使得補(bǔ)償電容與電荷-蓄電線路耦合，從而使得補(bǔ)償電容的電荷泄漏通過(guò)蓄電線路進(jìn)行，增大了所得到的電流并且在蓄電線路中導(dǎo)致保持電容再次充電。相應(yīng)地，保持電容的充電狀態(tài)保持電容在周期間是逐漸變化的。這例如如下面要詳細(xì)敘述那樣地可以通過(guò)使得補(bǔ)償電容的電流傳導(dǎo)通過(guò)三極管的基極的方式進(jìn)行，保持電容在發(fā)射極-集電極線路中與所述三極管耦合。因電流流過(guò)補(bǔ)償電容而引起的電流通過(guò)保持電容對(duì)后者充電或再次充電，其中，保持電容的由此引起的充電狀態(tài)接下來(lái)在很大程度上保持不變。周期隨著該第三階段的結(jié)束而結(jié)束。為了開(kāi)始下一周期，接下來(lái)通過(guò)斷開(kāi)第三開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)再次使得補(bǔ)償電容與蓄電線路解耦，并且補(bǔ)償電容再次通過(guò)閉合另一開(kāi)關(guān)元件與用于充電或放電的參考電壓耦合。然后，下一周期再次以在上面已經(jīng)描述過(guò)的階段一的方式開(kāi)始。在執(zhí)行了多個(gè)這種周期例如5至20個(gè)周期之后，代表傳感器電極相對(duì)于環(huán)境的電容的電荷在保持電容上。代表值現(xiàn)在可以通過(guò)保持電容上的電壓測(cè)量來(lái)獲取，并且傳感器電容的測(cè)量值被存儲(chǔ)。接著，保持電容被再次帶回原始的充電狀態(tài)即例如暫時(shí)與地耦接，并且可以開(kāi)始下一數(shù)量的測(cè)量周期。根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的裝置的特征在于相對(duì)于已知方法的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于，在實(shí)際電荷累積在保持電容上時(shí)，傳感器電極與評(píng)價(jià)過(guò)程已經(jīng)再次解耦。傳感器電極往往將破壞性的影響帶到系統(tǒng)中，因?yàn)樗龈衅麟姌O一方面裸露，另一方面受到電纜長(zhǎng)度和環(huán)境影響的嚴(yán)重影響。根據(jù)本發(fā)明，傳感器電極的再次充電根據(jù)預(yù)充電的補(bǔ)償電容來(lái)進(jìn)行，然后與傳感器電極的耦合中斷(電隔離)，然后才對(duì)存在于補(bǔ)償電容上的電荷進(jìn)行評(píng)估。該方法對(duì)此較為敏感，但卻不易受到干擾。此外，該方法可以具有優(yōu)化的測(cè)量時(shí)間，例如為了檢測(cè)八個(gè)測(cè)量周期需要小于一毫秒的時(shí)間。最后，相比于已知的方法還會(huì)產(chǎn)生明顯更少的電磁輻射，因?yàn)樵诖藘H會(huì)以交替地具有長(zhǎng)時(shí)間間隔的方式出現(xiàn)短脈沖?？梢杂杀景l(fā)明領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來(lái)選擇哪種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的蓄電線路。至關(guān)重要的是，重新充電到補(bǔ)償電容上的電荷在與補(bǔ)償電路解耦時(shí)會(huì)引發(fā)相關(guān)的電流例如比例放大的電流，所述電流對(duì)保持電容再次充電。在下面的實(shí)施例中示出了補(bǔ)償線路的可能的和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。在這種情況下，保持電容一方面與充電電壓耦合，另一方面連接到雙極型三極管的發(fā)射極-集電極線路中，并且通過(guò)電阻和第三開(kāi)關(guān)元件接地。如果鎖定三極管，電荷就被固定在保持電阻上并且好像被冷凍。然而，如果通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)使得三極管的基極與被充了電的補(bǔ)償電容耦合并且允許電流流過(guò)三極管，則進(jìn)行保持電容的再次充電，所述再次充電與流過(guò)基極的電流相關(guān)。至關(guān)重要的是，所提到的開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)操作過(guò)程以一定次序進(jìn)行，使得評(píng)估的階段被明確分開(kāi)。相應(yīng)地，本發(fā)明為每個(gè)傳感器都設(shè)置了開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)使得傳感器電極與補(bǔ)償電容耦合。此外，對(duì)于每個(gè)補(bǔ)償電容都設(shè)置有開(kāi)關(guān)元件，以便使該補(bǔ)償電容有針對(duì)性地與蓄電線路耦合。在這種情況下，多個(gè)傳感器可以在時(shí)間上間隔開(kāi)地共用補(bǔ)償電容，同樣也可以共用同一蓄電線路。在本發(fā)明的一種改進(jìn)方案中，補(bǔ)償電容或其充電在評(píng)估方法的過(guò)程中可調(diào)整。由于變化的環(huán)境條件會(huì)改變傳感器電極的電容。通過(guò)傳感器電極的環(huán)境的污染或加濕改變待確定的電容。因?yàn)橹挥须娙葑兓皇墙^對(duì)的電容對(duì)用途的檢測(cè)才是相關(guān)的，根據(jù)傳感器電極的當(dāng)前的基本電容調(diào)整電路是可取的。為此，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以變化地設(shè)計(jì)補(bǔ)償電容的參考電壓。根據(jù)參考電壓，將可選擇的電荷引入到補(bǔ)償電容上(階段1)，然后(在階段2中)所述電荷可用于對(duì)傳感器電極進(jìn)行電荷平衡。如果參考電壓變化，那么被帶到補(bǔ)償電容上的電荷也會(huì)發(fā)生改變，并且在電荷平衡之后表示另一、待與蓄電線路耦合的電荷。因此，一種在傳感器電極上的電荷的偏移校正是可能的。在實(shí)踐中，為了匹配參考電壓，根據(jù)本發(fā)明，在結(jié)束預(yù)定的周期數(shù)量之后，(例如電壓分接(Spannungsabgriff))對(duì)保持電容上的電荷進(jìn)行評(píng)估，并且確定該值是否在圍繞工作點(diǎn)的目標(biāo)范圍內(nèi)。如果確定了傳感器電極的電容在期望的操作點(diǎn)的一側(cè)的電容流失(這沒(méi)有使得操作信號(hào)化、即以較大的時(shí)間常數(shù)的方式)，則可以通過(guò)使得參考電壓與補(bǔ)償電容相匹配進(jìn)行反向調(diào)節(jié)。這導(dǎo)致了增大了的評(píng)估精度和靈敏度，因?yàn)橥ㄟ^(guò)回引待評(píng)估的數(shù)據(jù)可以將評(píng)估線路、即蓄電線路設(shè)置到窄的工作范圍上。在本發(fā)明的改進(jìn)方案中，可以接通用于補(bǔ)償?shù)亩鄠€(gè)補(bǔ)償電容，也以便將待評(píng)估的電荷量保持在工作范圍內(nèi)。為了接通其他補(bǔ)償電容可以接通其他電容強(qiáng)度或者可以設(shè)置變化的電容。具體實(shí)施方式在圖1中示出了車(chē)輛1，該車(chē)輛在尾部區(qū)域中具有電容式的傳感器2。傳感器2被構(gòu)造為傳感器電極，該傳感器電極布置在車(chē)輛的后保險(xiǎn)杠內(nèi)。在希望操作行李箱蓋板時(shí)，用戶(hù)可以執(zhí)行動(dòng)作手勢(shì)，尤其是將腳移動(dòng)到車(chē)輛尾部的下面，因此使得傳感電極的電容改變并因此打開(kāi)行李箱的開(kāi)口。電極在車(chē)輛長(zhǎng)度上在整個(gè)保險(xiǎn)杠或一定的部段上延伸，在所述部段內(nèi)用戶(hù)已經(jīng)執(zhí)行了手勢(shì)。在圖中示意性地示出了車(chē)輛的待考慮的電容。相對(duì)于實(shí)際的地電位，車(chē)輛的底盤(pán)具有通常比其余電容大多個(gè)數(shù)量級(jí)的電容。電容C底盤(pán)通常是幾個(gè)100pF亦或甚至更高的電容。針對(duì)以下考慮，根據(jù)車(chē)輛底盤(pán)相對(duì)于地電位的該電容通常是可忽略的，因?yàn)檐?chē)輛底盤(pán)本身相對(duì)于傳感器電極形成車(chē)輛接地線，該車(chē)輛接地線在示意圖中稱(chēng)作CMass。此外，傳感器電極2相對(duì)于地電位具有幾個(gè)pF的電容例如約5pF的電容。響應(yīng)地，在該示意圖中CGND為5pF。此外，可變電容ΔCS并聯(lián)于CGND起作用。該變化的電容取決于環(huán)境條件或身體在傳感器電極2周?chē)鷧^(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。針對(duì)該效應(yīng)基本上有不同的考慮方法，一方面，電介質(zhì)圍繞傳感器電極2改變，另一方面，為了進(jìn)行解釋?zhuān)?操作者的身體的)另一電容的耦合可以平行于CGND進(jìn)行。然而，不取決于考慮方法，電容ΔCS是對(duì)于操作檢測(cè)應(yīng)當(dāng)檢測(cè)到的那些電容。在這種情況下電容ΔCS即電容的變化通過(guò)外部的影響或操作而比電容CGND低得多。通常情況下，電容ΔCS小于1pF例如小于0.5pF。電容CGND通過(guò)環(huán)境影響例如干燥的鹽水、潤(rùn)滑涂層亦或在保險(xiǎn)杠上涂敷油漆而變化。如果電容CGND增大，實(shí)際的檢測(cè)電容ΔCS將更難被檢測(cè)。由傳感器電極2產(chǎn)生電場(chǎng)的的磁力線通過(guò)這種干擾特別是導(dǎo)電層被強(qiáng)烈影響，并且不再充分地在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)延伸。因此，識(shí)別電容的微小變化是重要的，即使任何時(shí)候存在的基本電容都是可變的。本發(fā)明在此開(kāi)始，通過(guò)根據(jù)所檢測(cè)到的測(cè)量值可以移動(dòng)電路的工作點(diǎn)。圖2a、2b和2c示出了評(píng)估過(guò)程即多個(gè)待執(zhí)行周期的一個(gè)周期的三個(gè)階段。圖2a示出了階段1，其中，開(kāi)關(guān)元件SW1經(jīng)由電阻RS使得在此通過(guò)變化的電容CS示出的傳感器電極與充電電壓U0耦合。在該階段中，電容CS根據(jù)其當(dāng)前的電容和充電電壓U0充電。在與之不相關(guān)的區(qū)域內(nèi)電容CK通過(guò)開(kāi)關(guān)元件SW2與參考電壓URef耦合，并且同時(shí)通過(guò)SW3和電阻RK與地耦接。在這種情況下，所述電容根據(jù)所施加的參考電壓URef和電容CK也被充電。雖然電容CK基本上也與蓄電線路10耦合，但在那里并沒(méi)有電流流動(dòng)可發(fā)生，因?yàn)樵谛铍娋€路10中開(kāi)關(guān)元件SW4被打開(kāi)。因此不可能有電流流過(guò)蓄電線路10。蓄電線路10由多個(gè)部件組成，其中，保持電容CH一方面與充電電壓U0耦合另一方面與三極管T1耦合。在此涉及一種雙極型三極管，該三極管可通過(guò)電阻RE和開(kāi)關(guān)元件SW4與地耦接。但是，在這里所示的狀態(tài)下開(kāi)關(guān)元件SW4被打開(kāi)，從而在保持電容CH不可能有電荷變化，特別地不可能有電荷泄漏或電荷注入。還示意性地示出了，當(dāng)進(jìn)行多個(gè)用于確定電容CS的周期時(shí)，保持電容CH的狀態(tài)可通過(guò)電壓UADC的電壓分接進(jìn)行評(píng)估。在預(yù)定的持續(xù)時(shí)間之后，如果從封閉的電容CS和CK開(kāi)始，操作開(kāi)關(guān)元件SW1、SW2和SW3。在本實(shí)施例中，涉及一種具有先斷后通特性的開(kāi)關(guān)元件。至關(guān)重要的是，沒(méi)有狀態(tài)存在不期望的耦合。特別地，在進(jìn)行再次開(kāi)關(guān)閉合之前，一方面開(kāi)關(guān)元件SW1另一方面SW2和SW3至少在短時(shí)間內(nèi)被同時(shí)打開(kāi)。圖2b示出了評(píng)估周期的第二階段。在進(jìn)行了開(kāi)關(guān)操作過(guò)程之后，電容CS通過(guò)開(kāi)關(guān)元件SW1與電容CK耦合。開(kāi)關(guān)元件SW3是斷開(kāi)的，通過(guò)電阻RK不再能夠進(jìn)行電荷泄漏向地。另一方面，電容CK通過(guò)開(kāi)關(guān)元件SW2與地耦接，從而可以實(shí)現(xiàn)CS與CK之間的電荷平衡。開(kāi)關(guān)元件SW4仍然被斷開(kāi)，仍然不可能有電荷泄漏通過(guò)蓄電線路10。因此，在圖2b的狀態(tài)下，在短時(shí)間之后形成電容CS與CK的穩(wěn)定的電荷狀態(tài)。圖2c示出了評(píng)估過(guò)程的下一階段。重新操作開(kāi)關(guān)元件SW1并且使得電容CK重新與電容CS解耦。存在于電容器CK上的電容在電荷平衡之后保持在那里，暫時(shí)不可能有電荷泄漏。開(kāi)關(guān)元件SW1使得電容CS再次與充電電壓U0耦合，并且如在圖2a的初始狀態(tài)中那樣地再次根據(jù)其當(dāng)前的電容對(duì)電容CS進(jìn)行充電?，F(xiàn)在，為了使得蓄電線路與地耦接閉合開(kāi)關(guān)元件SW4，因此允許電流流過(guò)蓄電線路。電容CK與三極管T1的基極耦合，并且電荷現(xiàn)在可以從CK通過(guò)三極管T1的基極流出?，F(xiàn)在增大的電流流過(guò)三極管T1的基極-發(fā)射極線路，以便對(duì)電容CH再次充電。只有在如存在電流從電容CK開(kāi)始通過(guò)蓄電線路流向地的時(shí)候，這才可以發(fā)生。應(yīng)當(dāng)指出，CK還總是與地耦接。因此，電容CH在一定程度上再次充電，如其對(duì)應(yīng)于在電荷平衡之后在電容CK上的電荷量。于是，在短暫的時(shí)間之后，開(kāi)關(guān)SW4可以被重新斷開(kāi)，這防止電流流過(guò)基極和三極管并且使得電容CH保持在其電荷狀態(tài)上。如果多次重復(fù)圖2a、2b、2c的評(píng)估的這些狀態(tài)，那么在電容CH上就會(huì)積累電荷，所述電荷表示電容器CS上的電荷，即傳感器電極上的電荷。還可以看出，通常會(huì)導(dǎo)致評(píng)估電子中干擾的傳感器電極CS在實(shí)際評(píng)估過(guò)程中、即與蓄電線路10耦合的過(guò)程中完全與評(píng)估裝置解耦。還可以看出，在該簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中，電壓URef的變化帶來(lái)補(bǔ)償電容上的電荷的變化?？梢酝ㄟ^(guò)改變?cè)撾妷涸诠ぷ鲄^(qū)域內(nèi)進(jìn)行反饋，蓄電線路10被設(shè)計(jì)到該工作區(qū)域上。用于該裝置的部件的數(shù)量小，并且線路的可靠性和靈敏度是十分有利的。