Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Detektion der Annäherung von Personen oder Gegenständen, Verfahren zum Betreiben des Sensorsystems sowie dessen Verwendung. Sie kann bevorzugt an bzw. in Verbindung mit Fahrzeugen, insbesondere mit Kraftfahrzeugen eingesetzt werden um Türen, Toren oder Klappen öffnen und/oder schließen zu können, ohne dass ein zusätzliches Gerät oder ein Schlüssel manuell betätigt werden müssen. Günstig ist es dabei, wenn Fahrzeuge mit sogenannten„keyless-Systemen" ausgestattet sind, bei denen die Anwesenheit eines berechtigten Nutzers automatisch und drahtlos erkannt werden kann.

Für die Detektion der Annäherung von Personen oder Gegenständen können die verschiedensten physikalischen und optischen Prinzipien angewandt werden. Dabei spielen insbesondere bei Systemen, die in Verbindung mit mobil betriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, der jeweilige Energiebedarf und die Zuverlässigkeit eine Rolle. Der Energiebedarf muss dabei über bordeigene Energiespeicher auch bei den verschiedensten Umgebungsbedingungen und über lange Zeiträume gedeckt werden.

Außerdem dürfen äußere Störeinflüsse, wie z.B. wechselnde Temperaturen, wechselnde Luftfeuchtigkeiten oder auch eine Eisbildung keine Fehldetektio- nen hervorrufen. Weitere Probleme bestehen, darin, dass eine Annäherung, die den gewünschten Effekt bewirken soll, auch sicher detektiert werden muss, um Fehlinterpretationen oder nichtgewollte Aktionen vermeiden zu können.

Außerdem ist insbesondere bei Einsatz an Fahrzeugen auch ein Einfluss elektromagnetischer oder elektrischer Felder, die andere elektronische Komponenten beeinflussen können, zu vermeiden. Letztgenanntes spielt insbesondere bei technischen Lösungen eine Rolle, die Sensoren auf induktiver Basis nutzen.

Andere Systeme, die optisch detektieren oder Radartechnik nutzen, erfordern einen hohen Aufwand, haben erhöhte Energieverbräuche und sind mit hohen Kosten verbunden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen die Annäherung von Personen oder Gegenständen sicher, mit geringem Energiebedarf und geringem anlagentechnischen Aufwand sowie geringen Kosten, detektiert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Sensorsystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 8 betrieben werden. Der Anspruch 17 gibt besonders geeignete Verwendungen an.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem kommt eine kapazitive Erfassung zur Anwendung. Zur Erfassung der Kapazitätsänderung wird ein Messverfahren, das wie folgt beschrieben wird, eingesetzt: Die Anordnung ist mit einer Einrichtung zum Laden einer Sensorkapazität, einem Schalter zum Umladen der elektrischen Spannung auf einen entladenen Kondensator Co. Dabei kann es sich um mindestens zwei Sensoren handeln. Dabei weist jeder Sensor eine Einrichtung zur Bestimmung der sich ändernden elektrischen Kapazität mit einer konstanten elektrischen Spannungsquelle, einen Schalter, einen hochauflösenden Verstärker sowie eine Spannungsänderungserkennung auf.

Ein weiterer Schalter zum Aufladen der Sensorkapazität (Kondensatoren) auf eine bekannte elektrische Spannung kann ebenfalls vorhanden sein, der dann mit einem Schalter zum Umladen der Ladungen der geladenen Kapazität eines Kondensators Co auf einen bekannten Kondensator Cx genutzt werden kann, kann auch vorhanden sein. Beide Kondensatoren Co und Cx können mittels weiterer Schalter entladen werden. Außerdem ist eine Einrichtung zur Messung der elektrischen Spannung an den Kondensatoren Co und Cx unmittelbar nach dem Umladen vorhanden.

Die Einrichtung zur Messung der elektrischen Spannung kann ein Analog- Digital-Wandler oder ein solcher Analog-Digital-Wandler Bestandteil der Einrichtung mit einem Vorverstärker sein. Diese Einrichtung kann auch ein Kom- parator in Verbindung mit einem Vorverstärker sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Sensorsystem mit zwei jeweils mit den Kondensatoren und den Schaltern sowie einer Einrichtung zur Messung der elektrischen Spannung gebildeten und in einem Abstand zueinander angeordneten Systemen gebildet ist, die unabhängig voneinander, bevorzugt alternierend betreibbar sind.

Die beiden Systeme können Kondensatoren aufweisen, bei denen jeweils mindestens eine Elektrode eine Ausrichtung in einem Winkel von mindestens 30 °, bevorzugt 90° zur jeweiligen Elektrode des jeweils anderen Kondensators Cx aufweist. Dadurch kann mit einem System eine Erkennung einer Annäherung und mit dem zweiten Sensor eine gerichtete Bewegung detektiert werden. Bevorzugt ist das System für die Erkennung einer Annäherung mit mindestens einer horizontal ausgerichteten und das System zur Erkennung der gerichteten Bewegung mit mindestens einer vertikal ausgerichteten Elektrode der jeweiligen Kondensatoren ausgebildet.

Es kann jeweils eine der Elektroden der Kondensatoren ein metallischer elektrischer Leiter, der als Band- oder Rundleiter ausgeführt ist, sein. Die jeweils andere Elektrode des jeweiligen Kondensators kann Massepotential sein. Dies ist bevorzugt das Massepotential eines Fahrzeugs. Ein metallischer elektrischer Leiter kann in Form eines Drahtes oder Bandes, beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein. Er kann in einem Abstand d von einem Element, das an Massepotential angeschlossen ist, angeordnet sein. Der Abstand d kann dabei im Bereich mehrerer Zentimeter, beispielsweise im Bereich 30 mm bis 500 mm liegen. Elektrische Leiter können eine Länge im Bereich 10 mm bis 1500 mm, bevorzugt um 1000 mm und eine Dicke bzw. einen Durchmesser von 10 mm bis 50 mm aufweisen.

Die einsetzbaren Kondensatoren weisen eine Kapazität von 10 pF bis ca. 500 pF auf. Mit einer geeigneten elektrischen Spannung von ca. 5 V ist eine Detek- tion einer Kapazitätsänderung bis zu 1 pF möglich, was nach dem Umladen des einen Kondensators in den jeweils anderen Kondensator zu einer Änderung der erfassbaren elektrischen Spannung der beiden elektrisch parallel geschalteten Kondensatoren von 0,2 V führt.

Da sich die bei der erfassbare Kapazität infolge einer Annäherung ändernden Messwerte nur sehr geringfügig ändern, ist es von Vorteil, wenn an einer Einrichtung zur Messung der elektrischen Spannung eine Einheit zur Ermittlung des mittleren Wertes der elektrischen Spannung vorhanden ist, an die sich eine selektive Verstärkereinheit anschließt, mit der eine Verstärkung des ermittelten mittleren Messwertes der elektrischen Spannung um diesen mittleren Messwert durchgeführt werden kann. Dadurch kann eine Verstärkung der erfassten Messwerte im besonders interessierenden Bereich erreicht werden, um eine signifikantere Aussage einer oder keiner Annäherung treffen zu können. In diesem Bereich sollte eine Verstärkung mit einem Verstärkungsfaktor von mindestens 10 um diesen Mittelwert erfolgen. Dabei sollte der Mittelwert um ein Offset im Bereich zwischen 0 und 5 V verschoben werden.

Es erfolgt dabei also eine Erfassung der Messwerte im gesamten Bereich mit niedriger Auflösung und mit hoher Auflösung in der Nähe des eigentlichen Messsignals, im Bereich in dem eine Annäherung detektiert werden soll bzw. kann.

Beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Sensorsystems soll so vorgegangen werden, dass ein vorab vollständig entladener Kondensator von einer elektrischen Spannungsquelle auf eine vorgebbare elektrische Betriebsspannung Ub aufgeladen wird. Dann wird ein zwischen den beiden Kondensatoren angeordneter Schalter geschlossen und elektrische Ladung des auf die elektrische Betriebsspannung Ub aufgeladenen Kondensators wird in den jeweils anderen Kondensator umgeladen. Nach der vollständigen Umladung wird die elektrische Spannung der beiden parallel geschalteten Kondensatoren erfasst und als Maß für das Auftreten einer Annäherung oder keiner Annäherung an das Sensorsystem genutzt. Für die Detektion einer Annäherung sollte dabei eine Messwertänderung der elektrischen Spannung erfasst worden sein, die innerhalb eines vorgebbaren Zeitinervalls einen definierten Anstieg aufweist oder einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.

Bei der Ladung eines Kondensators sollte eine konstante elektrische Spannung eingehalten werden.

Der Vorgang des Entladens, des Ladens und Umladens der Kondensatoren und der Erfassung der elektrischen Spannung sollte zyklisch wiederholt werden. Dabei können die Abstände zwischen den einzelnen Zyklen je nach Einsatz gewählt werden. So kann zwischen den Zyklen ein Abstand von einigen Millisekunden bis hin zu einigen Sekunden liegen. Soll die Erfindung beispielsweise zur Aktivierung eines Öffnungs- und/oder Schließvorgangs an einem Fahrzeug, bei einer Annäherung erfolgen, kann zwischen den einzelnen Zyklen ein Abstand von mindestens einer Sekunde eingehalten werden, ohne dass es zu Problemen kommt.

Werden bei einem erfindungsgemäßen Sensorsystem zwei Systeme bzw. Sensoren eingesetzt, sollten diese bevorzugt alternierend nacheinander betrieben werden, um eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Systeme zu vermeiden. Dies bedeutet, dass während bei einem System die Ladung eines der beiden Kondensatoren und das anschließende Umladen in den zweiten Kon- densator sowie die Messung der elektrischen Spannung nach dem Umladen durchgeführt wird, ist das zweite System ausgeschaltet bzw. seine beiden Kondensatoren werden in dieser Zeit vollständig entladen.

Der Einsatz zweier Systeme/Sensoren führt auch zu einem gewissen Maß an Redundanz. Wird nämlich festgestellt, dass eines der beiden Systeme defekt ist oder Messwerte liefert, die außerhalb eines erwarteten Messwertebereichs liegen, kann das Sensorsystem entsprechend umgeschaltet und lediglich mit einem der beiden Systeme betrieben werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn zumindest einer der beiden Kondensatoren oder eine Elektrode eines Kondensators eines Systems von einer Eis- oder Schmutzschicht überdeckt ist, die zu einer Verstimmung des jeweiligen Systems führt.

In der Regel sollte aber erst bei Erfassung einer Annäherung mit den zwei Systemen/Sensoren eine Annäherung als solche erkannt und akzeptiert werden, wodurch sich Fehler bei der Nutzung des Ausgangssignals und insbesondere Fehlaktivierungen von mit dem Sensorsystem auszulösenden Aktionen, wie z.B. die Betätigung von Türen, Toren oder Klappen, vermeiden lassen.

Die Kapazität eines bei der Erfindung einsetzbaren Kondensators bestimmt sich nach der Gleichung:

C = (e* I * 2n)/(((ln(2*d) - r) / r))) wobei ε = Permittivität

I = Länge der einer Elektrode

d = Abstand der Elektroden eines Kondensators und

r = der Durchmesser einer Elektrode eines Kondensators sind.

Die Permittivität ε = ε ₀ * ε _Γ , wobei die absolute Permittivität ε ₀ = 8,8541 * 10 ^"12 F/m ist und die relative Permittivität ε _Γ abhängig von der Umgebung ist. Sie liegt beispielsweise im Vakuum bei 1 und in normaler Umgebungsluft bei 1,00059. Bei Eis kann sie temperaiuraDnangig ö°C bis 50 °C) im Bereich 90 bis 150 liegen.

Die Kapazität eines Kondensators hängt von der Länge der Elektrode(n) und deren Dimensionierung (Durchmesser, Querschnittsfläche) ab. Mit größer werdendem Durchmesser/Querschnitt erhöht sich die Kapazität und bei größerem Abstand d der Elektrode zu der Fahrzeugmasse(Fahrzeugpotential) reduziert sie sich. Wird zu Beginn eines Messzyklus ein Kondensator mit der elektrischen Betriebsspannung Ub aufgeladen, kann die Energie, wie folgt berechnet werden :

Wl = / ₂ * Co * Ub ² . Erfolgt das Umladen auf den zweiten Kondensator bestimmt sich die Energie nach:

W = ¹ / ₂ * (Co + Cx) * Ul ² . Nach dem Umladen verhält sich das Verhältnis der Kapazitäten und elektrischen Spannungen nach:

(Co + Cx) / Co = ( Ub/Ul) ²

Daraus lässt sich die Kapazität des zweiten Kondensators Cx mit

Cx = ((Ub/Ul) ² * Co) - Co bestimmen. Für die Änderungserkennung der elektrischen Spannung (AU) kann an jedem

Sensor ein hochauflösender Verstärker (VI) zur Erfassung der Änderung des Sensorsignals vorhanden sein. Das für die Messung notwendige Offset ist dann aus dem Sensorsignal selbst ableitbar, so dass am Ausgang des Verstärkers (VI) demzufolge nur die Änderung des Sensorsignals erfasst werden kann. Der Verstärker sollte ein Auflösungsvermögen von mindestens 1 mV aufweisen. Mit mindestens zwei unabhängig voneinander detektierenden Sensorsystemen/Sensoren kann eine Annäherung der mit ihnen erfassten Signale innerhalb einer bestimmten zeitlichen Abfolge erkannt werden.

Bei der Erfindung sollte eine Annäherung als solche erst erfasst und erkannt werden, wenn mindestens zwei Sensorsysteme oder Sensoren entsprechende Signale erkannt haben.

Bei der Verfahrensführung sollte die Zeitkonstante für das Nachregeln des Offsets sehr viel länger, bevorzugt mindestens dreimal so lang gewählt werden, als die zeitliche Änderung des erfassten Sensorsignals infolge einer Annäherung.

Es sollte mit jedem Sensorsystem oder Sensor lediglich eine kurzzeitige Änderung der elektrischen Kapazität erfasst und berücksichtigt werden. Dabei sollte die Erfassung innerhalb eines Zeitintervalls kleiner 5 s erfolgen.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 in schematischer Form eine Messanordnung von mit beispielsweise zwei Sensoren (Sensor 1, Sensor 2) mit den jeweiligen Kapazitäten (Cxl,Cx2) und den dazugehörigen Auswerteelektroniken (AE1, AE2);

Figur 2 ein Beispiel für die Ausführung einer Auswerteelektronik für einen Sensor mit der Sensorkapazität (Cx) und zwei Messkanälen MK1 und MK2 unterschiedlicher Auflösung.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel mit zwei Sensoren 1 und 2 detektiert jeder Sensor bzw. jedes Sensorsystem für sich eine Annäherung unabhängig voneinander. Bei gleichzeitigem Auftreten einer Erkennung einer ausreichend großen erfassten Änderungen der elektrischen Spannungen (ΔΙΙ1, AU2) wird das Triggersignal TS1 ausgelöst. Vor Beginn eines Messzyklus sind die Kondensatoren Co und Cx vollständig entladen.

Durch das Schließen des Schalters Sl wird der Kondensator Cx auf die Betriebsspannung Ub vollständig aufgeladen. Der Schalter S3 ist dabei geöffnet. Mit dem Schalter S4 wird der Kondensator Co vollständig entladen.

Ist der Kondensator Co vollständig geladen, werden die Schalter Sl und S4 geöffnet und durch schließen des Schalters S3 erfolgt die Umladung aus dem Kondensator Cx zum Kondensator Co, bis an beiden Kondensatoren die gleiche elektrische Spannung Ul anliegt. Diese elektrische Spannung Ul kann am Messpunkt M abgegriffen und mittels eines Analog-Digital-Wandlers ADC er- fasst und für die Detektion einer oder keiner Annäherung genutzt werden.

Nach dem Umladen gilt:

Cx/Co = (Ul/Ub) ² .

Bei einem ungünstigen Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren Cx zu Co von 1:50 bis 1:1000 kann der Vorgang wie folgt wiederholt werden.

Es wird der Schalter S3 geöffnet und der Kondensator Cx mit dem Schließen von Sl erneut auf die elektrische Spannung von 5V geladen. Danach wird der Schalter Sl geöffnet und durch das Schliessen von Schalter S3 der Ausgleich der Ladungen von dem Kondensator Cx zum Kondensator Co vorgenommen. Die Ladungen am Kondensator Co aus dem vorherigen Zyklus werden dafür durch das Offenhalten des Schalters S4 nicht entfernt.

Dieser Vorgang des„Ladungspumpens" kann mehrmals wiederholt werden. Durch das mehrmalige Umladen kann auch bei großen Verhältnissen zwischen den Kapazitäten der Kondensatoren Cx und Co eine signifikante Messspannungen Ul erreicht werden.

Nach Abschluss dieses Messzyklus wird der Kondensator Co durch das Öffnen des Schalters S3 und das Schließen des Schalters S4 entladen. Alle anderen Schalter Sl, S2 können dabei geschlossen sein. Nach dem der Kondensator Co vollständig entladen ist, kann der vorab beschriebene Vorgang für jeden nachfolgenden Messzyklus erneut entsprechend wiederholt werden.

Das Sensorsystem oder ein System eines Sensorsystems hatte folgenden Aufbau und folgende Parameter:

So ist in Figur 1 prinzipiell eine bei der Erfindung einsetzbare Schaltung gezeigt, mit der eine wie vorab bereits erläuterte Umladung der Kondensatoren Co und Cx möglich ist.

Die Figur 2 zeigt eine Schaltung für ein zweikanaliges Sensorsystem. Dabei erfolgt unmittelbar nach einer Kondensatorumladung und einer ersten Messung mit dem ersten Messkanal MK1, der eine niedrigere Auflösung als der zweite Messkanal MK2 aufweist, eine zweite Messung, die wie folgt durchgeführt wird:

Aus der Messung mit niedriger Auflösung wird ein elektrischer Spannungsschwellwert (Offset-Spannung) mittels des Digital-Analog-Wandlers DAC erzeugt, mit dem der Nullpunkt der elektrischen Spannung für die Messung mit höherer Auflösung verschoben wird.

Ausgehend von diesem Spannungsschwellwert wird bei einer erhöhten Verstärkung, vorzugsweise mit einem Verstärkungsfaktor zwischen 10 und 50, ein Messsignal mit hoher Auflösung gemessen.

Ausgehend von diesem Spannungsschwellwert und der gemessenen elektrischen Spannung mit dem Messkanal MK2, der eine höhere Auflösung aufweist, ergibt sich das eigentliche Messsignal für die Auswertung der Änderung der Kapazität.

Das dargestellte Sensorsystem kann in vorteilhafter Weise auch mehrfach vorhanden sein, um zum Beispiel eine Bewegungsrichtung in mehreren Achsen zu erfassen oder eine Annäherung aus verschiedenen Richtungen (z.B. vorne, unten) zu delektieren. Dabei kann jedes Sensorsystem mit einem eige- nen zweikanaligen Wandlersystem ausgestattet sein. Vorteilhafterweise kann dann ein Mikrokontroller die Steuerung der verschiedenen Systeme übernehmen und er kann auch die Signale der verschiedenen Systeme auswerten, kombinieren sowie entsprechende Aktionen aktivieren/starten.

Bezugszeichenliste

Cx Kondensator

Co Kondensator mit bekannter Vergleichskapazität

51 Schalter zum Laden des Kondensators Cx

52 Schalter für den Messkanal mit höherer Auflösung

53 Schalter für den Messkanal mit niedrigerer Auflösung

54 Schalter zum Entladen des Kondensators Co

ADCl Analog-Digitalwandler für den Messkanal mit niedrigerer Auflösung ADC2 Analog-Digitalwandler für den Messkanal mit höherer Auflösung DAC Digital-Analog-Wandler für die Erzeugung eines elektrischen Spannungsschwellwerts für den Messkanal mit höherer Auflösung

Rl, R2 Elektrische Widerstände zur Einstellung des Verstärkungsfaktors für den Messkanal ,mit höherer Auflösung

Uo elektrische Spannung für den Spannungsschwellwert des Messkanals mit höherer Auflösung

Ub elektrische Betriebsspannung

ΔΙΙ Messsignal der Änderung der Kapazität des Messkanals mit höherer Auflösung

MK1 Messkanal mit niedrigerer Auflösung

MK2 Messkanal mit höherer Auflösung

AE1 Auswerteelektronik

AE2 Auswerteelektronik

TS1 Triggersignal