本申請請求2014年3月17日提交的第61/954,005號美國臨時申請的權益。以上申請的全部公開內容通過引用合并在本文中。

技術領域

本發(fā)明一般涉及電容傳感器的領域，并且更具體地，涉及用于驅動供車輛和其他裝置使用的電容傳感器的方法和系統(tǒng)。

背景技術：

本部分提供了與本公開內容有關的、未必是現(xiàn)有技術的背景信息。

在諸如小型貨車、運動型多用途車等的機動車輛中，向車身提供大的后開口已經(jīng)成為常見做法。通常，利用鉸鏈將提升式門(liftgate)(又被稱為尾門(tailgate))安裝至車身或底盤以使提升式門圍繞橫向延伸的軸在打開位置與閉合位置之間進行樞轉運動。通常，可以手動地或者利用包括可逆電動機的電力驅動機構來操作提升式門。

在機動車輛的電動提升式門系統(tǒng)的操作期間，提升式門可能會在其路徑上意外地碰到物體或障礙物。因此，期望的是在該情況下停止提升式門的電動運動以防止因碰撞或因對提升式門與車身之間的障礙物的擠壓而損傷障礙物和/或提升式門。

在裝備有電動提升式門系統(tǒng)的這樣的車輛中使用障礙物傳感器，以在隨著提升式門閉合而檢測到障礙物(例如，人等)的情況下阻止提升式門閉合。障礙物傳感器有不同的形式，包括通?；陔娙葑兓姆墙佑|式傳感器或接近傳感器。這些非接觸式/接近傳感器通常被稱為電容傳感器。

電容傳感器通常包括嵌入在塑料條或橡膠條中的金屬條或金屬線，塑料條或橡膠條被沿著提升式門的外圍進行布線并且鄰近于提升式門的外圍。金屬條或金屬線以及車輛的底盤共同形成了感測電容器的兩個極板或電極。放置于這兩個電極之間的障礙物改變了介電常數(shù)，并且因此改變了感測電容器在給定的時段內所存儲的電荷的量。將感測電容器所存儲的電荷轉移至參考電容器以檢測障礙物的存在。通常由來自控制器的脈沖信號對電容傳感器進行驅動，控制器進而通常還對與電動提升式門系統(tǒng)相關聯(lián)的電力驅動機構的操作進行控制。

這樣的電容傳感器的一個問題涉及它們的感測范圍。在多個應用中更大范圍的感測將是有用的。

因此，存在對用于驅動供車輛和其他裝置使用的電容傳感器的改進的方法和系統(tǒng)的需要。因此，期望用于至少部分地解決上述缺點和其他缺點的解決方案。

技術實現(xiàn)要素：

本部分提供了本公開內容的總結，并且不意在是其全部范圍或者其所有方面、目的和/或特征的全面公開。

根據(jù)本公開內容的一個方面，提供了一種用于確定電容傳感器的電容值的方法，包括：向電容傳感器施加傳感器信號，傳感器信號包括分布在第一時段內的一個數(shù)目的充放電脈沖對，每個脈沖對具有不同的脈沖周期；累加在第二時段內在參考電容器兩端測量的參考電壓的一個數(shù)目的樣本以產(chǎn)生累加電容值，其中，參考電容器耦接至電容傳感器；以及將累加電容值除以樣本的數(shù)目以確定電容值。

根據(jù)本公開內容的相關方面，將用于確定電容傳感器的電容值的方法集成在供機動車輛使用的電容感測系統(tǒng)中。

根據(jù)本公開內容的另一相關方面，電容感測系統(tǒng)與機動車輛中的電動提升式門系統(tǒng)相關聯(lián)。

根據(jù)本公開內容的又一相關方面，電容感測系統(tǒng)可以與機動車輛的其他電動系統(tǒng)相關聯(lián)，其中，所述其他電動系統(tǒng)包括電動推拉門、電動車窗和電動天窗。

根據(jù)本文所提供的描述，另外的適用領域將變得明顯。該發(fā)明內容中的描述和具體示例僅意在進行說明并且不意在限制本公開內容的范圍。

附圖說明

根據(jù)以下結合附圖所進行的詳細描述，本發(fā)明的實施方式的特征和優(yōu)點將變得明顯，在附圖中：

圖1是示出根據(jù)本公開內容的教示所構造和可操作的、用于機動車輛的電動提升式門系統(tǒng)的電容感測系統(tǒng)的后透視圖；

圖2是示出根據(jù)本公開內容的實施方式的圖1的電容感測系統(tǒng)的框圖；

圖3是根據(jù)本公開內容的實施方式所構造的且適用于圖1和圖2的電容感測系統(tǒng)的電容傳感器的截面圖；

圖4是示出根據(jù)本公開內容的實施方式的用于電容感測系統(tǒng)的感測電路的框圖；

圖5是示出根據(jù)本公開內容的電容感測系統(tǒng)內的模塊的用于確定電容傳感器的電容值的操作的流程圖；以及

圖6是根據(jù)本公開內容的實施方式的列出用于傳感器信號的示例性占空比的表。

將要注意的是，貫穿附圖由同樣的附圖標記標識同樣的特征。

具體實施方式

在下面的描述中，闡述了細節(jié)以提供對本發(fā)明的理解。在一些實例中，為了不使本發(fā)明模糊而并未詳細描述或示出某些電路、結構和技術。

現(xiàn)在將參照附圖更加充分地描述示例實施方式。然而，提供示例實施方式僅為了使本公開內容將更透徹并且將向本領域技術人員充分地傳達范圍。闡述了許多具體細節(jié)如特定部件、裝置和方法的示例以提供對本公開內容的實施方式的透徹理解。對本領域技術人員而言將明顯的是：不需要采用具體細節(jié)；可以以許多不同形式來實現(xiàn)示例實施方式；以及無一示例實施方式應被解釋為限制本公開內容的范圍。在一些示例實施方式中，未詳細描述公知的處理、公知的裝置結構以及公知的技術。

圖1是示出根據(jù)本公開內容的實施方式所構造和可操作的、用于機動車輛14的提升式門12的電容感測系統(tǒng)10的后透視圖。電容感測系統(tǒng)10和提升式門12是與機動車輛14相關聯(lián)的電動提升式門系統(tǒng)的一部分。圖2是示出根據(jù)本公開內容的圖1中的電容感測系統(tǒng)10的框圖。

電容感測系統(tǒng)10被示為在操作上與機動車輛14的閉合板相關聯(lián)，閉合板先前被認定為提升式門12。根據(jù)一個實施方式，閉合板是提升式門12。然而，本領域技術人員將理解的是，電容感測系統(tǒng)10可以與其他閉合板和/或車窗一起使用或者與其他裝置相關聯(lián)。

通過一對鉸鏈18將提升式門12安裝至車輛14的車身16以使提升式門12圍繞橫向延伸的樞軸相對于大的開口100進行樞轉，其中，大的開口100設置在車身16的后部。提升式門12被安裝成關于其鉸鏈軸在閉合位置與打開位置之間進行鉸接(articulate)，其中，在閉合位置處提升式門12關閉開口100，以及在打開位置處提升式門12使開口100露出以使得能夠自由進入車身內部并且提升式門12關于水平面呈略微向上的角度位置。通過閉鎖機構(未示出)將提升式門12固定在提升式門12的閉合位置。通過電力操作的驅動結構20在一對氣彈簧21的可選協(xié)助下打開和閉合提升式門12，其中，一對氣彈簧21連接在提升式門12與車身16之間。驅動機構20可以類似于2012年9月20日提交的第PCT/CA2012/000870號PCT國際專利申請中所描述的驅動機構，并且前述申請通過引用合并在本文中。驅動機構20可以是或者包括如2011年5月20日發(fā)布的第7,938,473號美國專利中所描述的電動支柱，并且前述申請也通過引用合并在本文中。

根據(jù)一個實施方式，電容感測系統(tǒng)10包括控制器26和一個或更多個傳感器22。圖1示出了與提升式門12相關聯(lián)的三(3)個傳感器22。可以將傳感器22放置成覆蓋位于提升式門12的內側的區(qū)域110?？梢詫鞲衅?2電耦接至適于插入控制器26中的可選線束(未示出)。控制器26通?？刂乞寗訖C構20用于打開和閉合提升式門12。然而，控制器26還控制驅動機構20以在控制器26接收到來自于傳感器22中的一個或更多個傳感器的適當電信號的情況下自動地打開提升式門12。

在操作中，當提升式門12隨著其朝其閉合位置進行鉸接而靠近接近于傳感器22中的一個或更多個傳感器的障礙物時，一個或更多個傳感器22被激活?？刂破?6檢測到一個或更多個傳感器22的激活。作為響應，控制器26使驅動機構20反向以朝提升式門12的打開位置鉸接提升式門12。

驅動機構20部分地由電容感測系統(tǒng)10控制。如所提到的，電容感測系統(tǒng)10包括細長傳感器22，該細長傳感器22有助于防止在提升式門12朝其閉合位置降下時提升式門12接觸或碰撞可能正延伸穿過開口100的障礙物如人的手或頭(未示出)。本領域技術人員將理解的是，電容感測系統(tǒng)10可以應用于在打開位置與閉合位置之間移動的任何機動的或自動的閉合板結構。例如，閉合板的非詳盡列表包括窗玻璃、推拉門、尾門、天窗等。對于諸如玻璃窗或天窗的應用，可以將細長傳感器22安裝在車輛14的車身16上，而對于諸如電動提升式門和推拉門的應用，可以將細長傳感器22安裝在閉合板它本身上，例如在提升式門12的裝飾板內。

圖3是示出根據(jù)本公開內容的實施方式所構造的電容傳感器22的截面圖。電容傳感器22是允許電容模式的障礙物檢測的兩電極傳感器。通常，兩個電極1、2在被驅動的屏蔽配置下起作用(即，上電極2作為被驅動的屏蔽)。殼300將兩個電極1、2放置在有助于在電容模式下的傳感器22的操作的布置中。第一或下方電極1(可選地，包括嵌入在導電樹脂1b中的導體1a)用作電容傳感器電極，并且第二或上方電極2(可選地，包括嵌入在導電樹脂2b中的導體2a)用作電容屏蔽電極。將電介質320(例如，殼300中的部分320)布置在電容屏蔽電極2與電容傳感器電極1之間以隔離二者并且維持二者之間的距離?？刂破?或傳感器處理器(“ECU”))26與電極1、2進行電通信以處理從電極1、2接收到的感測數(shù)據(jù)。根據(jù)一個實施方式，電容傳感器22可以類似于2005年9月20日發(fā)布的Gifford等的第6,946,853號美國專利中所描述的電容傳感器，并且前述申請通過引用合并在本文中。

根據(jù)一個實施方式，電容傳感器22包括細長非導電殼300，細長非導電殼300具有沿其長度方向延伸的兩個細長導電電極1、2。電極1、2被封裝在殼300中并且被彼此間隔開。當障礙物出現(xiàn)在尾門12與車輛14的車身16之間時，障礙物會影響由電容傳感器電極1產(chǎn)生的電場，這會引起兩個電極1、2之間的電容的變化，而電容的變化指示障礙物接近了尾門12。因此，兩個電極1、2作為電容非接觸式傳感器或接近傳感器起作用。

根據(jù)一個實施方式，電容傳感器電極1可以包括嵌入在第一部分導電體1b中的第一導體1a并且電容屏蔽電極2可以包括嵌入在第二部分導電體2b中的第二導體2a。導體1a、2a可以由金屬線形成。部分導電體1b、2b可以由導電樹脂形成。并且，殼300可以由非導電(例如，電介質)材料(例如，橡膠等)形成。另外，通過殼300中的部分320將電容傳感器電極1與電容屏蔽電極2隔開。

關于電容感測，殼300中的部分320將電容傳感器電極1與電容屏蔽電極2電隔離以使得可以以傳統(tǒng)電容器的方式將電荷存儲在電容傳感器電極1與電容屏蔽電極2之間。根據(jù)一個實施方式，可以改變電容屏蔽電極2的內表面2d的形狀以改進電極2的屏蔽功能。根據(jù)一個實施方式，如圖3所示，內表面2d可以是平坦的。

圖4是示出用于根據(jù)本公開內容所構造和可操作的電容感測系統(tǒng)10的感測電路400的框圖。感測電路400可以形成控制器26的一部分。

控制器26使用傳感器22來測量延伸通過提升式門12下方的開口100的電場的電容(或電容值)Cx。根據(jù)一個實施方式，由于電容屏蔽電極2被放置成較靠近提升式門12的金屬片(sheet metal)，所以電容屏蔽電極2作為屏蔽電極起作用。因此，與受車輛金屬片影響相比，由電容傳感器電極1感測到的電場將會更容易受較近的電容屏蔽電極2影響。

通常，傳感器22的電容(或電容值)Cx按照如下來測量。由控制器26使用預定脈沖序列傳感器信號Vx將電容傳感器電極1和電容屏蔽電極2充電至相同電位。對于每個周期，控制器26將在電極1、2之間累積的電荷轉移至較大的參考電容器Cs，并且控制器26記錄指示傳感器22的電容Cx的電特性。在使用固定數(shù)目的周期來對電極1、2充電的情況下電特性可以是參考電容器Cs兩端的結果電壓(resultant voltage)Vs，或者在使用可變數(shù)目的脈沖來將參考電容器Cs充電達預定電壓的情況下電特性可以是周期數(shù)(或時間)。也可以直接計算傳感器22在周期內的平均電容。當障礙物進入提升式門12下方的開口100時，電極1、2之間的介電常數(shù)將改變，從而通常增加傳感器22的電容Cx并且因此影響所記錄的電特性。所測量的電容Cx的該增加指示障礙物的存在(例如，障礙物接近于提升式門12)。

更詳細地，控制器26使用電荷轉移技術來測量傳感器22的電容值Cx。電荷轉移技術在一個階段(開關SW1閉合、開關SW2斷開)使傳感器22(或感測電容器Cx)充電并且在第二階段(SW1斷開、SW2閉合)使感測電容器Cx放電到參考(或求和)電容器Cs中。以重復地將電荷從感測電容器Cx轉移至參考電容器Cs的方式來操作前兩個開關SW1和SW2。

按照下面的方式操作感測電路400以測量傳感器22的電容Cx。在初始階段，通過暫時閉合第三個開關SW3來使參考電容器Cs上的電荷放電以使參考電容器Cs進行復位。然后，開關SW1和SW2開始在兩個階段操作：對感測電容器Cx充電，以及將電荷從感測電容器Cx轉移至參考電容器Cs。參考電容器Cs兩端的電壓Vs隨著每個電荷轉移階段而增加?？梢酝ㄟ^測量使參考電容器Cs升高至預定電壓電平所需的周期數(shù)(或時間)來確定感測電容器Cx的電容?？商孢x地，可以通過在執(zhí)行了預定數(shù)目的電荷轉移周期之后測量參考電容器Cs兩端的電壓Vs來確定感測電容器Cx的電容。

關于測量參考電容器Cs兩端的電壓Vs，感測電路400包括用于對電壓Vs進行放大的放大器410。放大器410的輸出端耦接至產(chǎn)生數(shù)字信號的模數(shù)轉換器(“ADC”)420，其中數(shù)字信號由控制器26的處理器(“CPU”)430接收以進行進一步處理。所測量的參考電容器Cs兩端的電壓Vs被控制器26用于作出關于障礙物是否存在的確定。如下面將描述的，控制器26還向傳感器22(或感測電容器Cx)輸出脈沖序列或傳感器信號Vx。

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的電容感測系統(tǒng)10內的操作模塊的用于確定電容傳感器22的電容值Cx的方法的流程圖，該方法漸增地由附圖標記500標識。此外，圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的列出用于傳感器信號Vx的示例占空比的表。注意，由于頻率與周期成反比例，因此圖6的表中所列出的納秒(ns)范圍內的脈沖周期對應于兆赫茲(MHz)范圍內的頻率。例如，250ns的脈沖周期對應于1/(250ns)或4MHz的頻率。

如以上所提及的，在施加傳感器信號Vx時由傳感器22發(fā)射的噪聲對于外部的AM、FM和衛(wèi)星傳輸可能是破壞性的。為了減小對外部AM、FM、衛(wèi)星以及其他傳輸?shù)母蓴_，本發(fā)明使用擴展頻譜傳感器信號Vx。通過使用擴展頻譜或跳頻信號傳送，傳感器信號Vx以隨機模式跨許多頻率分布，以因此減小在任何一個頻率處的總噪聲水平，以及關于噪聲/干擾更加不受任何一個所接收的頻率的影響。通過結合較高的傳感器信號Vx的信號傳送頻率使用被驅動的屏蔽電容傳感器22，可以實現(xiàn)更長距離的接近電容感測。

根據(jù)一個實施方式，如圖5所闡述的，電容感測系統(tǒng)10內的操作模塊的方法500從由塊502標識的針對電容傳感器22初始化傳感器變量和關聯(lián)的I/O的變量的模塊、步驟或操作開始。例如，可以使電容電容器Cs復位以使得累加電容值(“ACCUMULATE”)具有零值。然后，方法進行至由塊504標識的模塊、步驟或操作，以輸出“X”個充/放電脈沖，其中每個輸入對具有不同的周期。例如，每“T”秒(例如，T＝10ms)對參考電容電壓Vs取測量樣本。每個測量樣本包括被累加的數(shù)目“N”(例如，N＝10)個樣本包。在每個脈沖對具有不同的周期(或頻率)的情況下，N個樣本包中的每個樣本包與輸出至傳感器22的數(shù)目“X”個充放電脈沖或脈沖對相關聯(lián)。圖6列出了充放電脈沖對的示例性周期。通過改變每個充放電脈沖對的周期(或頻率)來大幅地減小來自傳感器22的峰值電磁干擾(“EMI”)發(fā)射。可以將這看作為一種形式的脈沖寬度調制(“PWM”)抖動。

與每個樣本包相關聯(lián)的脈沖對的數(shù)目X可能是小的(例如，5至12)。脈沖對的該小數(shù)目引起來自傳感器22的較低的EMI發(fā)射，但是對測量樣本靈敏度有負面影響。為了實現(xiàn)較高的測量樣本靈敏度，將樣本包的數(shù)目N分布在測量樣本時間T(例如，10ms)上。例如，可以每1ms輸出1個樣本包。因此，實現(xiàn)了一種形式的過采樣。

如圖5中另外示出的，電容感測系統(tǒng)10內的操作模塊的方法500進行至由塊506標識的模塊、步驟或操作，以測量由微控制器ADC產(chǎn)生的經(jīng)放大的電容值。例如，放大器(例如，運算放大器或“OP-AMP”)410對累加的模擬充電電壓Vs進行放大。由于所使用的充放電脈沖對的數(shù)目X小，因此過采樣和放大的使用引起返回“失去靈敏度”。通過放大器增益G(模擬增益)和過采樣(數(shù)字增益)來增加總的靈敏度增益。換句話說，由具有增益等于G的OP-AMP對參考電容器Cs上累積的電荷的電壓進行放大。

此外，使用MHz范圍內的用于傳感器信號Vx的頻率來減小由于諧波而引起的對外部(例如，AM)無線電傳輸?shù)母蓴_。利用較低的在kHz范圍內的驅動頻率不可能實現(xiàn)該干擾的減小。較低頻率的傳感器信號或它們的諧波傾向于引起對AM、FM或衛(wèi)星傳輸?shù)母蓴_。雖然任何的輻射信號均可能引起EMC/EMI問題，然而較高頻率的信號傾向于對上AM和FM無線電波段引起干擾。本發(fā)明的擴展頻譜傳感器信號增大了功率譜的帶寬，因此減小在任何一個頻率處的噪聲(即，在任何一個頻率處很少發(fā)生干擾)。因此，無線電中的數(shù)字信號處理(“DSP”)然后有機會來移除并非以任何一個固定頻率為中心的噪聲。先前的例如在100kHz范圍內操作的電容傳感器具有——如果有的話——很小的采用任何擴展頻譜信號的帶寬，因為僅小于100kHz的帶寬可用。作為對比，因為本發(fā)明的傳感器信號在MHz范圍內操作，所以傳感器信號具有其中傳感器信號可以被解析的足夠的帶寬(例如，幾MHz的帶寬)。

如圖5中另外示出的，電容感測系統(tǒng)10內的操作模塊的方法500進行至由塊508標識的模塊、步驟或操作，以對在參考電容器Cs兩端測量的結果電壓Vs的樣本進行求和或累加以產(chǎn)生累加電容值(“ACCUMULATE”)。然后，方法500進行至由塊510標識的模塊、步驟或操作，以確定樣本的數(shù)目是否大于“N”。如果樣本的數(shù)目小于“N”，則方法500繼續(xù)進行以通過步驟504、506和508再循環(huán)。一旦樣本的數(shù)目大于“N”時，則方法500進行至由塊512標識的模塊、步驟或操作，在該處將累加電容值(“ACCUMULATE”)除以樣本的數(shù)目N以確定電容值Cx。換句話說，如圖5所示，通過相應地將ACCUMULATED除以N來得到電容值Cx的最終測量樣本。因此，可以實現(xiàn)作為累加的結果的10倍大的測量樣本(“ACCUMULATE”)。

因此，根據(jù)一個實施方式，提供了一種用于確定電容傳感器22的電容值Cx的方法，包括：向電容傳感器22施加傳感器信號Vx，傳感器信號Vx包括分布在第一時段T/N內的數(shù)目X個充放電脈沖對，每個脈沖對具有不同的脈沖周期；累加在第二時段T內在參考電容器Cs兩端測量的參考電壓Vs的數(shù)目N個樣本以產(chǎn)生累加電容值(ACCUMULATE)，其中，參考電容器Cs耦接至電容傳感器22；以及，將累加電容值(ACCUMULATE)除以樣本的數(shù)目N以確定電容值Cx。

在上述方法中，在一個非限制性示例實施方式中，脈沖周期可以介于大約250ns與大約1000ns之間。在一個非限制性示例實施方式中，充放電脈沖對的數(shù)目X可以介于5與12之間。第二時段T可以是10ms，樣本的數(shù)目N可以是10，并且第一時段T/N可以是1ms。電容傳感器22可以是被驅動的屏蔽電容傳感器。并且，電容傳感器22可以是用于車輛14的提升式門12的電容感測系統(tǒng)10中的電容傳感器22。

上述實施方式有助于用于驅動電容傳感器22的改進的方法和系統(tǒng)并且提供了一個或更多個優(yōu)點。首先，使用MHz范圍內的傳感器信號Vx的頻率減小了由于諧波而引起的對外部(例如，AM)無線電傳輸?shù)母蓴_。其次，使用擴展頻譜傳感器信號Vx減小了由電容傳感器22輸出的EMI信號的最大功率。

已經(jīng)出于說明和描述的目的提供了實施方式的前述描述。前述描述并非意在是窮舉的或者限制本公開內容。特定實施方式的個別元件或特征通常不限于該特定實施方式，而是在適用的情況下，即使并未明確示出或描述，也是可交換的并且能夠用在所選擇的實施方式中。也可以以許多方式來改變特定實施方式的個別元件或特征。這樣的變型不應被認為是偏離了本公開內容，并且所有這樣的修改意在包括在本公開內容的范圍內。