本發(fā)明總體上涉及一種電容式感測(cè)設(shè)備，例如用于檢測(cè)存在或不存在坐在車輛座椅上的乘員。

背景技術(shù)：

被稱為某種電場(chǎng)傳感器或接近傳感器的電容式傳感器或電容式感測(cè)設(shè)備指的是響應(yīng)于在電場(chǎng)上感測(cè)到的事物(人、人體的一部分、寵物、物體等)的影響而生成信號(hào)的傳感器。電容式傳感器通常包括至少一個(gè)天線電極，在傳感器進(jìn)行操作的同時(shí)對(duì)天線電極施加振蕩電信號(hào)，并且天線電極隨后將電場(chǎng)發(fā)射到靠近天線電極的空間的區(qū)域中。傳感器包括至少一個(gè)感測(cè)電極，在該感測(cè)電極處檢測(cè)物體或生物對(duì)電場(chǎng)的影響。在一些(所謂的“加載模式”)電容式占用傳感器中，一個(gè)或多個(gè)天線電極與感測(cè)電極同時(shí)進(jìn)行操作。在這種情況下，測(cè)量電路確定響應(yīng)于施加到天線電極的振蕩電壓而流入一個(gè)或多個(gè)天線電極的電流。電壓與電流的關(guān)系在一個(gè)或多個(gè)天線電極與地之間產(chǎn)生復(fù)阻抗。在電容式傳感器的替代形式(“耦合模式”電容式傳感器)中，(多個(gè))發(fā)射天線電極與(多個(gè))感測(cè)電極彼此分隔開。在這種情況下，測(cè)量電路確定當(dāng)發(fā)射天線電極進(jìn)行操作時(shí)在感測(cè)電極中感應(yīng)的電流或電壓。

在j.r.smith的題為“electricfieldsensingforgraphicalinterfaces”的技術(shù)文獻(xiàn)(computergraphicsi/odevices出版，1998年5月/6月號(hào)，第54-60頁)中解釋了不同的電容感測(cè)機(jī)制。該文獻(xiàn)描述了用于進(jìn)行非接觸三維位置測(cè)量的電場(chǎng)感測(cè)的概念，并且更具體地，用于出于向計(jì)算機(jī)提供三維位置輸入的目的來感測(cè)人手的位置。在電容式感測(cè)的一般概念中，作者對(duì)他稱為“加載模式”、“分流模式”和“發(fā)射模式”的對(duì)應(yīng)于各種可能的電流通路的不同機(jī)制加以區(qū)分。在“加載模式”中，將振蕩的電壓信號(hào)施加到發(fā)射電極，這將建立到地的振蕩電場(chǎng)。要感測(cè)的物體修改了發(fā)射電極與地之間的電容。在“分流模式”中，將振蕩的電壓信號(hào)施加到發(fā)射電極，建立到接收電極的電場(chǎng)，并且測(cè)量在接收電極處所感應(yīng)的位移電流，由此可以由被感測(cè)的身體來修改位移電流。在“發(fā)射模式”中，發(fā)射電極通過直接電連接或經(jīng)由電容式耦合與用戶的身體進(jìn)行接觸，用戶的身體繼而成為相對(duì)于接收器的發(fā)射器。“分流模式”被替代地稱為上述“耦合模式”。

已經(jīng)提出了多種多樣的電容式乘員感測(cè)系統(tǒng)，例如，用于控制一個(gè)或多個(gè)安全氣囊的展開，例如，駕駛員安全氣囊、乘客安全氣囊和/或側(cè)面安全氣囊。jinno等人的美國(guó)專利6,161,070涉及一種乘客檢測(cè)系統(tǒng)，其包括安裝在汽車中的乘客座椅的表面上的單個(gè)天線電極。振蕩器將振蕩電壓信號(hào)施加到天線電極，由此在天線電極周圍產(chǎn)生微小的電場(chǎng)。jinno提出基于流向天線電極的電流的幅度和相位來檢測(cè)座椅中存在或不存在乘客。

授予stanley的美國(guó)專利6,392,542教導(dǎo)了一種電場(chǎng)傳感器，其包括可安裝在座椅內(nèi)并可操作地耦合到感測(cè)電路的電極，感測(cè)電路向電極施加振蕩或脈沖信號(hào)，該信號(hào)的頻率對(duì)座椅的濕度“至多有微弱響應(yīng)”。stanley提出測(cè)量流向電極的電流的相位和幅度，以檢測(cè)被占用的或空的座椅并補(bǔ)償座椅濕度。

其他人的想法是使用座椅加熱器的加熱元件作為電容式占用感測(cè)系統(tǒng)的天線電極。wo92/17344a1公開了一種具有導(dǎo)體的電加熱車輛座椅，其可以通過位于座椅表面的電流通過而被加熱，其中，導(dǎo)體還形成了雙電極座椅占用傳感器的一個(gè)電極。

wo95/13204公開了一種類似的系統(tǒng)，其中，測(cè)量連接到加熱元件的振蕩器的振蕩頻率以得出車輛座椅的占用狀態(tài)。例如，在us7,521,940、us2009/0295199和us6,703,845中公開了座椅加熱器和電容式傳感器的更詳述的組合。

技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于提供一種電容式感測(cè)設(shè)備(其可以與加熱元件組合或不組合)，該電容式感測(cè)設(shè)備可以以有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格和低頻噪聲抑制來制造。該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式感測(cè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選方面，一種電容式感測(cè)設(shè)備包括用于響應(yīng)于在天線電極中引起的交變電壓而發(fā)射交變電場(chǎng)的天線電極以及控制和評(píng)估電路。控制和評(píng)估電路包括跨阻抗放大器裝置，跨阻抗放大器裝置被配置為通過向天線電極注入電流來將交變電壓維持為等于參考電壓節(jié)點(diǎn)上的交變參考電壓，并且測(cè)量電流，微控制器和第一多路復(fù)用器被配置和布置為將所述天線電極交替地切換到跨阻抗放大器裝置的輸入節(jié)點(diǎn)和交變參考電壓節(jié)點(diǎn)。

跨阻抗放大器裝置包括第二多路復(fù)用器和具有反相輸入端和非反相輸入端的差分跨阻抗放大器，所述第二多路復(fù)用器被配置和布置為將跨阻抗放大器裝置的輸入節(jié)點(diǎn)上的信號(hào)交替地切換到所述跨阻抗放大器的反相輸入端和非反相輸入端，其中，所述微控制器被配置為利用數(shù)字控制信號(hào)來控制所述第二多路復(fù)用器，其中，所述第二多路復(fù)用器和所述差分跨阻抗放大器以及可操作地連接到所述跨阻抗放大器的第一低通濾波器一起形成了同步整流器裝置。

在優(yōu)選實(shí)施例中，跨阻抗放大器的反相輸入節(jié)點(diǎn)和非反相輸入節(jié)點(diǎn)由相應(yīng)的保護(hù)電容器交流耦合到參考電壓節(jié)點(diǎn)。這些電容確保感測(cè)節(jié)點(diǎn)始終通過小的ac阻抗連接到防護(hù)裝置(guard)，而與多路開關(guān)的位置無關(guān)。與和傳感器并聯(lián)的感測(cè)裝置和防護(hù)裝置之間的寄生電容相比，保持感測(cè)節(jié)點(diǎn)與防護(hù)節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量系統(tǒng)的輸入ac阻抗低意味著大體上所有流過未知阻抗的電流將流過測(cè)量路徑。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，控制和評(píng)估電路還包括可操作地布置在跨阻抗放大器裝置的輸入節(jié)點(diǎn)處的第二低通濾波器。第一個(gè)示例可以例如包括分別布置在反相輸入節(jié)點(diǎn)和非反相輸入節(jié)點(diǎn)中的第一鐵氧體磁珠(ferritebeads)和第二鐵氧體磁珠，以及用于將所述第一鐵氧體磁珠和第二鐵氧體磁珠的下游端交流耦合到地的第一濾波電容器和第二濾波電容器。這種低通濾波器使進(jìn)入差分跨阻抗放大器的剩余高頻電流衰減。

在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，控制和評(píng)估電路包括具有用于提供數(shù)字信號(hào)的數(shù)字輸出端的微控制器和可操作地連接到數(shù)字輸出端的第三低通濾波器，以用于通過對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行低通濾波而生成交變參考電壓。

如將意識(shí)到的，本發(fā)明利用控制和評(píng)估電路內(nèi)的微控制器的存在來生成交變參考電壓。由于現(xiàn)在的電容式傳感器通常包括用于處理測(cè)量和/或與其它設(shè)備進(jìn)行通信的微控制器，用于生成大體上正弦的交變參考電壓的對(duì)數(shù)字信號(hào)的低通濾波代表對(duì)現(xiàn)有解決方案(通常使用有源部件，例如振蕩器或具有晶體管和運(yùn)算放大器的電路)的極具成本效益的替代方案。

可操作地連接到數(shù)字輸出端的第三低通濾波器優(yōu)選地包括lc低通濾波器。

優(yōu)選地，電容式感測(cè)設(shè)備包括可操作地連接到第三低通濾波器的驅(qū)動(dòng)屏蔽電極，以用于獲得施加的交變參考電壓?？梢允褂抿?qū)動(dòng)屏蔽電極，特別是在天線電極相對(duì)靠近接地表面布置的應(yīng)用中。在這種情況下，可以在天線電極與接地表面之間布置驅(qū)動(dòng)屏蔽電極，從而減小天線電極與接地表面之間的電容，并使電容式感測(cè)設(shè)備對(duì)該電容的較小變化(例如，由人的手或身體的接近所引起的)更敏感。

如果天線電極被布置在離控制和評(píng)估電路一定距離處，則電容式感測(cè)設(shè)備優(yōu)選地包括屏蔽電纜，包括芯導(dǎo)體和圍繞芯導(dǎo)體的屏蔽導(dǎo)體，天線電極經(jīng)由芯導(dǎo)體可操作地與控制和評(píng)估電路連接，并且驅(qū)動(dòng)屏蔽電極經(jīng)由屏蔽導(dǎo)體可操作地連接到第三低通濾波器。屏蔽導(dǎo)體防止天線電極與控制和評(píng)估電路之間的電線電容式地耦合到地，否則會(huì)導(dǎo)致取決于電線長(zhǎng)度的不期望有的測(cè)量偏移。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，電容式感測(cè)設(shè)備包括與天線電極并聯(lián)的可控制地進(jìn)行開關(guān)的至少一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)阻抗，其中開關(guān)被布置為與至少一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)阻抗串聯(lián)并由微控制器控制。

微控制器有利地包括測(cè)量輸入端，跨阻抗放大器的輸出端經(jīng)由另外的低通濾波器(具有增益)與測(cè)量輸入端可操作地連接，所述另外的低通濾波器包括偏移校正電路。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，電容式感測(cè)設(shè)備包括用于響應(yīng)于在天線電極中引起的交變電壓而發(fā)出交變電場(chǎng)的天線電極和包括差分跨阻抗放大器的控制和評(píng)估電路，差分跨阻抗放大器被配置為通過向天線電極注入電流來將交變電壓維持為等于參考電壓節(jié)點(diǎn)上的交變參考電壓，并測(cè)量電流。控制和評(píng)估電路包括微控制器和多路復(fù)用器，多路復(fù)用器被配置和布置為將所述天線電極交替地切換到跨阻抗放大器的電流輸入端和交變參考電壓節(jié)點(diǎn)，微控制器被配置為利用數(shù)字控制信號(hào)來控制多路復(fù)用器。多路復(fù)用器和跨阻抗放大器以及可操作地連接到跨阻抗放大器的低通濾波器一起形成了同步整流器裝置?？缱杩狗糯笃鞯碾娏鬏斎牍?jié)點(diǎn)通過保護(hù)電容器交流耦合到參考電壓節(jié)點(diǎn)。將意識(shí)到，保護(hù)電容器在電流輸入節(jié)點(diǎn)和跨阻抗放大器之間提供低阻抗路徑，從而大體上防止高頻電流使得由同步整流器輸出的有用信號(hào)分量失真。優(yōu)選地，第二保護(hù)電容器將參考電壓節(jié)點(diǎn)交流耦合到電路接地。

值得注意的是，根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面配置的電容式感測(cè)設(shè)備可以但不必根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選方面來進(jìn)行配置。然而，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例涉及將上文中所討論的第一優(yōu)選方面和第二優(yōu)選方面兩者相結(jié)合的電容式感測(cè)設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面和/或第二方面的電容式感測(cè)設(shè)備可以用于例如電容式后備箱開啟器(如果檢測(cè)到接近的腿部則打開汽車的行李箱)、電容式開門器、或集成電容式感測(cè)和加熱系統(tǒng)中(例如在車輛座椅或方向盤中)。

附圖說明

根據(jù)參考附圖的非限制性實(shí)施例的以下具體實(shí)施方式，本發(fā)明的進(jìn)一步細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，在附圖中：

圖1是示出本發(fā)明的一些方面的電容式感測(cè)設(shè)備的方框示意圖；

圖2是電容式感測(cè)設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例的方框示意圖；

圖3是圖2的電容式感測(cè)設(shè)備的實(shí)施例的變型的方框示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出了電容式感測(cè)設(shè)備10的實(shí)施例。電容式感測(cè)設(shè)備10包括導(dǎo)電天線電極(“感測(cè)電極”)12和導(dǎo)電驅(qū)動(dòng)屏蔽電極(“防護(hù)電極”)14。感測(cè)電極12和防護(hù)電極14彼此電隔離。感測(cè)電極12與地之間的事先未知的復(fù)阻抗16是要由電容式感測(cè)設(shè)備10測(cè)量的阻抗。感測(cè)電極12和防護(hù)電極14通過屏蔽電纜20連接到控制和評(píng)估電路(“測(cè)量電子設(shè)備”)18。

控制和評(píng)估電路18包括在下文中被稱為防護(hù)節(jié)點(diǎn)22的導(dǎo)體，對(duì)該導(dǎo)體施加頻率包括在100khz至500khz范圍內(nèi)的正弦電壓。然而，應(yīng)當(dāng)注意，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，本實(shí)施例的變型可以采用從10khz至10mhz范圍內(nèi)的其它頻率。防護(hù)節(jié)點(diǎn)22上的正弦電壓也被稱為防護(hù)電壓或防護(hù)正弦波，并且表示上述交變參考電壓。防護(hù)節(jié)點(diǎn)22通過屏蔽電纜20的屏蔽導(dǎo)體24與防護(hù)電極14連接。

防護(hù)節(jié)點(diǎn)22上的正弦電壓由低通lc濾波器26生成。防護(hù)節(jié)點(diǎn)22對(duì)應(yīng)于低通lc濾波器26的輸出端。低通lc濾波器26的輸入端與微控制器30的pwm(脈沖寬度調(diào)制)輸出端28連接，pwm輸出端28在操作期間向低通lc濾波器26施加具有期望頻率的pwm數(shù)字信號(hào)(方波)。低通lc濾波器26基本上通過僅使數(shù)字信號(hào)的基頻通過并抑制其諧波來將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成正弦防護(hù)電壓。

在所示實(shí)施例中，低通lc濾波器26包括源端接電阻32、第一電容器34、電感器36、第二電容器38、負(fù)載端接電阻40和負(fù)載端接解耦電容器42。電容器42確保輸出電壓的dc分量是微控制器30的操作電壓的一半。優(yōu)選地，低通lc濾波器26的截止頻率被選擇為使其處于防護(hù)電壓的操作頻率范圍之上。然而，如果可以容許基頻的一些衰減，則低通lc濾波器26的截止頻率也可以略微低于基頻，這可以導(dǎo)致相對(duì)于基頻更好地抑制諧波。優(yōu)選地，選擇濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和濾波器類型，以使得對(duì)于給定的截止頻率，使電容38最大。該電容最大化的目的將在后面詳細(xì)描述。在所示實(shí)施例中，使用了3極、0.1db波紋切比雪夫低通濾波器。這種選擇代表了導(dǎo)致低成本的低部件數(shù)量、諧波抑制和電容38的最大化之間的良好折衷方案。顯然，其它濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致類似的結(jié)果。使用來自微控制器的數(shù)字信號(hào)結(jié)合lc濾波器以用于生成防護(hù)電壓的顯著優(yōu)點(diǎn)是總體成本低。除了微控制器30之外，不采用有源設(shè)備，如由晶體管和/或運(yùn)算放大器組成的放大器。由于測(cè)量系統(tǒng)中無論如何都需要使用微控制器，因此提供微控制器不會(huì)涉及任何額外成本。

感測(cè)電極12經(jīng)由屏蔽電纜20的芯導(dǎo)體46與控制和評(píng)估電路18的所謂的感測(cè)節(jié)點(diǎn)44連接。感測(cè)節(jié)點(diǎn)44是測(cè)量電子設(shè)備的輸入節(jié)點(diǎn)，和測(cè)量路徑的起始點(diǎn)。控制和評(píng)估電路18的測(cè)量路徑包括作為主要部件的多路復(fù)用器48、跨阻抗放大器50和具有(固定)增益和偏移校正的低通濾波器52。

感測(cè)節(jié)點(diǎn)44連接到spdt(單極雙擲)多路復(fù)用器48的公共節(jié)點(diǎn)。多路復(fù)用器48在防護(hù)電壓的一半周期期間交替地將感測(cè)節(jié)點(diǎn)44連接到防護(hù)節(jié)點(diǎn)22，并且在防護(hù)電壓的另一半周期期間連接到跨阻抗放大器50的電流輸入端54?？缱杩狗糯笃?0具有電流輸入端，其在保持打開時(shí)具有等于交變參考電壓的限定電壓。多路復(fù)用器48的開關(guān)動(dòng)作由微控制器30的第二pwm輸出端57控制。pwm輸出端28和57上的信號(hào)頻率相同，并且微控制器的軟件控制這些信號(hào)之間的相移。微控制器30使兩個(gè)相移值之間的相移交替，兩個(gè)相移值優(yōu)選地相差90度。對(duì)于這些相移值中的每一個(gè)測(cè)量流入感測(cè)節(jié)點(diǎn)44中的電流產(chǎn)生兩個(gè)測(cè)量結(jié)果，由此可以計(jì)算出感測(cè)電極12與地之間的復(fù)阻抗或復(fù)電導(dǎo)。

跨阻抗放大器50包括連接在跨阻抗放大器50的電流輸入端54與防護(hù)節(jié)點(diǎn)22之間的第一電容器56。該電容保證感測(cè)節(jié)點(diǎn)44始終經(jīng)由相對(duì)小的ac阻抗連接到防護(hù)節(jié)點(diǎn)，而與多路復(fù)用器開關(guān)48的位置無關(guān)。與感測(cè)電極12與防護(hù)電極14之間的寄生阻抗、電纜20的阻抗和emi(電磁干擾)保護(hù)電容器58的阻抗相比，保持感測(cè)節(jié)點(diǎn)44與防護(hù)節(jié)點(diǎn)22之間的測(cè)量電子設(shè)備的輸入ac阻抗低意味著流過未知阻抗16的大體上所有電流也流過從多路復(fù)用器48開始的測(cè)量路徑，而不是通過上述的寄生阻抗流入防護(hù)節(jié)點(diǎn)22。在這種情況下，值得注意的是，由于解調(diào)是由多路復(fù)用器48實(shí)現(xiàn)的，所以有用信息被包含在流入跨阻抗放大器的電流輸入端54的電流的dc分量中，并且dc分量不能跨過電容器56流走。因此，當(dāng)電容器56使到防護(hù)節(jié)點(diǎn)22的交變電流偏離時(shí)，其不會(huì)降低測(cè)量電子設(shè)備關(guān)于未知阻抗16的靈敏度。電阻器60大體上限定了跨阻抗放大器50的增益(或跨阻抗)。電阻器62和電容器64確保放大器66及其反饋部件的開環(huán)增益具有足夠的相位裕度，從而防止反饋系統(tǒng)的振蕩。

具有增益和偏移校正的低通濾波器52具有作為輸入的跨阻抗放大器50的輸出和微控制器30的第三pwm輸出68?？缱杩狗糯笃?0的輸出電壓通常太小，而不能被微控制器30的adc(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)輸入端70直接讀取。另外，在跨阻抗放大器50的輸出端67上仍然存在相當(dāng)大量的防護(hù)正弦波。因此，具有增益和偏移校正的低通濾波器52通過低通濾波去除跨阻抗放大器50的輸出端67處的殘留防護(hù)正弦波，并以固定的增益放大所得到的dc電壓。為了避免放大導(dǎo)致dc電壓過驅(qū)動(dòng)微控制器30的adc輸入端70，通過將來自微控制器30的pwm輸出端68的信號(hào)注入到具有增益和偏移校正的低通濾波器52的輸入端來施加偏移校正。電阻器72和74之間的電阻比限定了偏移校正范圍。電阻器72、74、76和78、電容器80、82和運(yùn)算放大器84一起形成了所謂的多反饋(mfb)二階有源低通濾波器。dc電壓源86限定了具有增益和偏移的低通濾波器52的dc操作點(diǎn)。通常，dc電壓源86的dc電壓被選擇為等于微控制器30的電源電壓的一半。

為了校準(zhǔn)目的，在感測(cè)節(jié)點(diǎn)44與電路接地之間布置與未知阻抗16并聯(lián)的參考阻抗(也稱為標(biāo)準(zhǔn)阻抗)88。參考阻抗被布置為與開關(guān)90串聯(lián)，開關(guān)90經(jīng)由微控制器30的另外的數(shù)字輸出端92進(jìn)行控制。微控制器30周期性地?cái)嚅_和閉合開關(guān)90(例如以10hz和10khz之間的速率)，從而將參考阻抗88切換為與未知阻抗16并聯(lián)。對(duì)于開關(guān)90的每個(gè)開關(guān)位置，微控制器30測(cè)量復(fù)數(shù)值。令α表示當(dāng)開關(guān)90斷開時(shí)獲得的復(fù)數(shù)值，并且β表示當(dāng)開關(guān)90閉合時(shí)獲得的復(fù)數(shù)值。α通過計(jì)算α＝α1+jα2獲得，其中，α1是當(dāng)多路復(fù)用器48相對(duì)于防護(hù)正弦波的相位為(不需要是已知的但是必須是常數(shù))時(shí)在微控制器輸入端70處測(cè)量的電壓，α2是當(dāng)多路復(fù)用器48相對(duì)于防護(hù)正弦波的相位為時(shí)在微控制器輸入端70處測(cè)量的電壓。對(duì)于α1和α2兩者的測(cè)量，開關(guān)90斷開。β通過計(jì)算β＝β1+jβ2獲得，其中，β1是當(dāng)多路復(fù)用器48相對(duì)于防護(hù)正弦波的相位為(與α的確定相同的值)在微控制器輸入端70處測(cè)量的電壓，β2是當(dāng)多路復(fù)用器48相對(duì)于防護(hù)正弦波的相位為時(shí)在微控制器輸入端70處測(cè)量的電壓。對(duì)于β1和β2兩者的測(cè)量，開關(guān)90閉合。由于參考阻抗88與未知阻抗16并聯(lián)，因此這兩個(gè)測(cè)量的復(fù)數(shù)值之間的差β-α對(duì)應(yīng)于參考阻抗88的復(fù)阻抗，下面將表示為zx。由于參考阻抗88的復(fù)阻抗zref是已知的，所以差β-α與參考阻抗的已知復(fù)數(shù)值z(mì)ref之間的比例可以用作校準(zhǔn)因子。微控制器30因此將測(cè)量的復(fù)數(shù)值α除以差值β-α，并將結(jié)果與參考阻抗88的已知值z(mì)ref相乘。(這可以推導(dǎo)如下：zx/zref＝α/(β-α)，因此，zx＝zrefα/(β-α)。)

在所示實(shí)施例中，提供了第二參考阻抗94。多路復(fù)用器96將其交替地連接到跨阻抗放大器的電流輸入端54或防護(hù)節(jié)點(diǎn)22。另一方面，第二參考阻抗94經(jīng)由開關(guān)98連接到電路接地。多路復(fù)用器96的開關(guān)動(dòng)作由微控制器30的第四pwm輸出端100控制。

當(dāng)執(zhí)行上述α和β的測(cè)量時(shí)，微控制器30優(yōu)選地保持將第二參考阻抗94連接到防護(hù)節(jié)點(diǎn)22，以避免其作為偏移進(jìn)入測(cè)量結(jié)果。

第二參考阻抗94優(yōu)選地以以下方式使用。首先，控制多路復(fù)用器48以使得其將感測(cè)電極12切換到防護(hù)節(jié)點(diǎn)22。因此，致使測(cè)量電子設(shè)備對(duì)未知阻抗16的任何變化都不敏感。經(jīng)由另外的數(shù)字輸出102，微控制器30閉合開關(guān)98。然后控制多路復(fù)用器96將第二參考阻抗94在防護(hù)電壓的一半周期期間交替地連接到防護(hù)節(jié)點(diǎn)22，并且在防護(hù)電壓的另一半周期期間連接到跨阻抗放大器50的電流輸入端54。多路復(fù)用器94的開關(guān)動(dòng)作由微控制器30的第四pwm輸出端100控制。在該測(cè)量期間，pwm輸出端28和100上的信號(hào)頻率相同，并且微控制器30的軟件控制這些信號(hào)之間的相移。微控制器30使在優(yōu)選地相差90度的兩個(gè)相移值之間的相移交替。對(duì)于這些相移值中的每一個(gè)，測(cè)量流入第二參考阻抗94的電流產(chǎn)生兩個(gè)實(shí)數(shù)值測(cè)量，本文中被表示為γ1和γ2，或一個(gè)復(fù)數(shù)值γ＝γ1+jγ2，其對(duì)應(yīng)于第二參考阻抗的復(fù)阻抗。這種布置具有以下優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)地且獨(dú)立于未知阻抗測(cè)量參考阻抗94。假設(shè)使用相同的相位偏移獲得值α和γ，則微控制器可以將未知電容計(jì)算為zx＝zref2α/γ，其中，zref2是第二參考阻抗94的已知值。值得注意的是第二參考阻抗94可以用作第一參考阻抗88的替代或補(bǔ)充。實(shí)施兩個(gè)(或甚至更多)參考阻抗向系統(tǒng)添加了冗余，并且在需要高故障檢測(cè)概率的情況下是有用的。

另外，假設(shè)多路復(fù)用器96的寄生電容明顯小于偏移電容，可以測(cè)量公共節(jié)點(diǎn)和地之間的偏移電容與多路復(fù)用器96的輸出和地之間的偏移電容之和。對(duì)于該測(cè)量，微控制器30斷開開關(guān)98，但在其它情況下保持與測(cè)量γ相同的系統(tǒng)配置。在這種情況下，測(cè)量產(chǎn)生復(fù)數(shù)值(在下文中表示為γ')，其對(duì)應(yīng)于多路復(fù)用器96的偏移阻抗(或偏移電容)。假設(shè)測(cè)量電子設(shè)備中使用的所有多路復(fù)用器大體上相同，則為了更高的測(cè)量準(zhǔn)確度可以從測(cè)量的未知阻抗中減去其寄生偏移阻抗。

還如圖1中所示，電容式感測(cè)設(shè)備10可以包括多個(gè)感測(cè)電極和/或防護(hù)電極。第二感測(cè)電極12a經(jīng)由屏蔽電纜20a的芯導(dǎo)體46a連接到第二感測(cè)節(jié)點(diǎn)44a。提供多路復(fù)用器48a，以用于將感測(cè)節(jié)點(diǎn)44a交替地連接到跨阻抗放大器50的電流輸入端54和防護(hù)節(jié)點(diǎn)22。當(dāng)電容式感測(cè)設(shè)備10單獨(dú)測(cè)量第一未知阻抗16時(shí)，微控制器30控制多路復(fù)用器48a以使得第二感測(cè)電極12a連接到防護(hù)節(jié)點(diǎn)22。微控制器30利用第五pwm輸出端28a控制多路復(fù)用器48a。第二感測(cè)電極12a的靈敏度借助第二屏蔽電極14a朝向一側(cè)減小，第二屏蔽電極14a經(jīng)由屏蔽電纜20a的屏蔽導(dǎo)體24a連接到防護(hù)節(jié)點(diǎn)22。emi保護(hù)電容器58a與電容器38一起確保高頻電流可以大體上流到電路接地而不擾亂跨阻抗放大器50和其它測(cè)量電子設(shè)備。當(dāng)電容性感測(cè)設(shè)備10單獨(dú)測(cè)量第二未知阻抗16a時(shí)，微控制器30控制多路復(fù)用器48，以使得第一感測(cè)電極12連接到防護(hù)節(jié)點(diǎn)22，同時(shí)微控制器48如以上針對(duì)第一多路復(fù)用器48所述地操作多路復(fù)用器48a。

盡管圖1中僅示出了兩個(gè)天線裝置，但應(yīng)當(dāng)注意，可以以與所示類似的方式連接更多的天線裝置。

電容器38、58和58a確保在所謂的bci(大電流注入)測(cè)試期間注入傳感器布線中的rf電流大體上流經(jīng)電容器58和38或58a和38進(jìn)入電路接地而不是測(cè)量電子設(shè)備。另外，經(jīng)由多路復(fù)用器48或48a流入節(jié)點(diǎn)54的殘余rf電流在很大程度上跨過電容器56和38流入電路接地。

在圖1所示的實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施方式中，選擇了以下系統(tǒng)參數(shù)：

-電阻32＝330ω

-電容34＝2.7nf

-電感36＝560μh

-電容38＝4.7nf

-電阻40＝3.3kω

-電容42＝10nf

-電容56＝47nf

-電容58＝470pf

-電阻50＝100kω

-電阻62＝100ω

-電容64＝1nf

-電阻72＝3.6kω

-電阻74＝33kω

-電容80＝22nf

-電阻76＝33kω

-電阻78＝10kω

-電容82＝680pf

-阻抗88＝100kω

-阻抗94＝100kω

-電容58a＝470pf

-dc電壓源電壓86＝2.5v

-微控制器電源電壓＝5v

-操作頻率(即防護(hù)電壓的頻率)＝125khz

圖2中的電路是對(duì)圖1中的電路的改進(jìn)。在圖2的實(shí)施例中，已經(jīng)添加了第二多路復(fù)用器200、電容器202、205和電阻器203、204以及微控制器pwm輸出端206。多路復(fù)用器200被布置在第一多路復(fù)用器48與放大器66的輸入節(jié)點(diǎn)之間。第二多路復(fù)用器由pwm輸出端206控制。與圖1的實(shí)施例相比，微控制器輸出端57和28a只是靜態(tài)輸出端口，并且不需要是pwm輸出端。

跨阻抗放大器207被配置為差分跨阻抗放大器的簡(jiǎn)單實(shí)施方式?？缱杩狗糯笃?07的dc操作點(diǎn)由dc電壓源86限定。

第二多路復(fù)用器200在差分跨阻抗放大器的反相輸入端(上多路復(fù)用器開關(guān)位置)與跨阻抗放大器的非反相輸入端(下多路復(fù)用器開關(guān)位置)之間切換要測(cè)量的未知電流。多路復(fù)用器200控制輸入由pwm輸出端206驅(qū)動(dòng)，pwm輸出端206具有與防護(hù)正弦波相同的頻率，并且替代圖1中的pwm輸出端57的功能。圖2中的端口輸出57、28a和100現(xiàn)在只選擇要測(cè)量的輸入，并且不如圖1中所示地對(duì)要測(cè)量的未知電流進(jìn)行解調(diào)。

在優(yōu)選實(shí)施例中，跨阻抗放大器207具有連接在上多路復(fù)用器200輸出端與防護(hù)節(jié)點(diǎn)之間的第一電容56以及連接在下多路復(fù)用器200輸出端與防護(hù)節(jié)點(diǎn)之間的第二電容器202。這些電容確保感測(cè)節(jié)點(diǎn)44始終連接以通過小的ac阻抗進(jìn)行防護(hù)，而與多路復(fù)用器開關(guān)200的位置無關(guān)。與和傳感器并聯(lián)的感測(cè)裝置和防護(hù)裝置之間的寄生電容相比，保持感測(cè)節(jié)點(diǎn)與防護(hù)節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量系統(tǒng)的輸入ac阻抗低意味著大體上所有流過未知阻抗16的電流將流過測(cè)量路徑，這與圖1中的電路類似。

電阻器60和203大體上限定了跨阻抗放大器50的增益(或跨阻抗)。電阻器62和204以及電容器64和205確?？缱杩狗糯笃?0的開環(huán)增益具有足夠的相位裕度，從而防止反饋系統(tǒng)的振蕩。

電阻器60和203的值、電阻器62和204的值以及電容器64和205的值應(yīng)優(yōu)選地分別大體相同，從而確?？缱杩狗糯笃鞯墓材Ｐ盘?hào)抑制足夠。

與圖1中的電路相比，圖2中的電路的優(yōu)點(diǎn)是處理待測(cè)量的未知電流的兩個(gè)一半周期，從而將信噪比大體上加倍，由于圖2中的跨阻抗放大器207的共模信號(hào)抑制，大體上抑制了注入到圖1和圖2中的測(cè)量電路中的低頻噪聲。

圖2中附加部件的可能部件值：

電阻器60＝100kω

電阻器203＝100kω

電阻器62＝100ω

電阻器204＝100ω

電容64＝1nf

電容205＝1nf

電容56＝47nf

電容202＝47nf

所示的電路被設(shè)計(jì)為125khz的操作頻率。然而，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電路部件，該測(cè)量原則適用于20khz和20mhz之間的操作頻率。

圖3示出了允許在bci測(cè)試期間更好地抑制注入的大電流的另一個(gè)電路。添加了鐵氧體磁珠210和211以及電容器212和213。它們形成低通濾波器，低通濾波器使進(jìn)入差分跨阻抗放大器的剩余高頻電流衰減。另外的優(yōu)點(diǎn)是，如果將所述低通濾波器的截止頻率選擇為足夠低，則運(yùn)算放大器66現(xiàn)在大體上與測(cè)量載波頻率解耦。

應(yīng)當(dāng)注意，代替使用pwm輸出端68，dac(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)輸出可以用于圖1、2和3中的電路。

雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，可以根據(jù)本公開內(nèi)容的總體教導(dǎo)來開發(fā)對(duì)這些細(xì)節(jié)的各種修改和替代。僅出于說明的目的，提供了本文中所示的任何數(shù)值。因此，所公開的具體布置僅僅是說明性的而不是限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍應(yīng)被賦予所附權(quán)利要求及其任何和所有等同物的全部范圍。