Satz, A. (2009). New methods and concepts for capacitive passenger detection [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/177817
Kapazitive Sensoren haben sich für viele verschiedene berührungslose Sensoranwendungen gut bewährt. Beispiele solcher Anwendungen sind: Personenerkennung im Gefahrenbereich von automatisierten Maschinen oder kapazitive Schalter. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von kapazitiven Sensoren zur Sitzbelegungserkennung in Fahrzeugen. Moderne Sitzbelegungserkennungssysteme basieren auf dem Einsatz von Drucksensoren. Der Nachteil von Drucksensoren liegt darin, dass sie nur gewichtsabhängige Signale liefern können. Dieses Faktum führt zu einem Ansprechen des Sensors bei Einkaufstaschen, Laptops oder anderen Objekten welche über einem definierten Gewichtslimit liegen. Einen Ausweg aus dieser Situation bietet der Einsatz von einem Drucksensor-Array und die Auswertung von Einsitzprofielen. Aber an dem Punkt, wo eine Sensoranwendung den Einsatz von vielen Sensoren erfordert und dadurch wesentlich teurer wird, verliert diese an wirtschaftlicher Attraktivität. Der große Vorteil von kapazitiven Sensoren liegt in einem preiswerten Front-End Design, welches aus einer anwendungsspezifischen Elektrodenkonfiguration besteht. Das Hauptproblem bei der Entwicklung eines derartigen Sensorsystems besteht in der Entwicklung eines Algorithmus zur Verarbeitung und Bewertung der gemessenen Sensorsignale.<br />Letztendlich müssen diese Signale auf einen Sitzbelegungszustand abgebildet werden. Diese Abbildung muss auf Methoden basieren, welche eine Unterscheidung zwischen menschlichen Beifahrern und beliebig geformten elektrisch leitendem oder nichtleitendem Material erlauben.<br />Die Identifikation solcher Methoden zur Beifahrererkennung ist das Hauptziel dieser Arbeit.<br />Den Ausgangspunkt dieser Arbeit bildet ein physikalisches Model einer kapazitiven Sensoranordnung, welches den Signalverlauf in einem kapazitiven Detektor wiedergibt. Die auftretenden Signalverläufe in einer Anordnung von zwei Elektroden und einem Objekt werden durch verschiedene Koppelkapazitäten und intrinsische Impedanzen dargestellt.<br />Zunächst wird eine Methode zur Modellierung und Messung von Impedanzen verschiedener biologischer Gewebearten vorgestellt. Neben den Absolutwerten für die elektrische Leitfähigkeit und Permittivität liegt der Hauptunterschied zwischen biologischem Gewebe und Leitern bzw.<br />Isolatoren in der Frequenzabhängigkeit ihrer elektrischen Eigenschaften.<br />Am Beispiel des entwickelten Impedanzmodells, welches die Dispersion in der elektrischen Permittivität von biologischem Gewebe mitberücksichtigt, wird der Beitrag dieser Frequenzabhängigkeit in den gemessenen Impedanzen deutlich sichtbar gemacht. Darüber hinaus werden Wege aufgezeigt diese Information zur Unterscheidung zwischen biologischem Gewebe und anderen Stoffen oder Objekten zu verwenden.<br />Neben der Methode zur Identifikation von Passagieren, wird das Problem der variablen kapazitiven Kopplung des Passagiers zum Chassis untersucht. Ein stark geerdeter Passagier führt zu einer Abschattung des Sensorsignals von der Empfangselektrode. Ein schwach geerdeter Passagier führt zu einer verstärkten Signalübertragung zwischen Sende und Empfangselektrode. Die Signalinterpretation muss nun für beide Fälle unterschiedlich sein, da ein Passagier immer unabhängig von dessen Erdungszustand detektiert werden muss. Darüber hinaus kann noch zwischen einem direkten Übertragungspfad zwischen Sender und Empfänger und einem Übertragungspfad zwischen Sender und Empfänger, der über den Passagier führt unterschieden werden. Um dieses Unterscheidung durchführen zu können, wird in dieser Arbeit eine Elektrodenflächenvariation vorgestellt. Kapazitive Sensoren stellen eine leistungsfähige Technologie zu Realisierung von hochentwickelten Sitzbelegungserkennungssystemen dar. Diese Systeme werden neben der Anwesenheit von Passagieren auch deren Haltung, Größe und Position feststellen können. Zusätzlich zur Anwendung der Sitzbelegungserkennung, sind Anwendungen wie zum Beispiel kapazitive Füllstandsdetektoren mit inkludierter chemischer Analyse der zu detektierenden Flüssigkeit oder kapazitive Parksensoren denkbar. Eine detaillierte Untersuchung dieser Anwendungen ist ein Ziel für die nahe Zukunft.<br />
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Capacitive sensors are a well-established sensing technology for non-contact proximity detection applications. Typical examples are:<br />Personnel detection for human machine interactions and capacitive switches. This thesis is focused on the application of capacitive passenger detection in vehicles. Nowadays, passenger detection in vehicles is usually realized by the usage of pressure sensors. The disadvantage of a pressure sensor is given by its nature to be weight sensitive only. This fact means that the pressure sensor also reacts on objects like shopping-bags, laptops or other objects which are above a critical weight limit. An improved solution is given by the use of a set of pressure sensors (pressure sensor array). This pressure sensor array enables to detect passenger characteristic weight distributions. But at the point where a detection system consists of many sensors it becomes very expensive and therefore it looses its economic attractiveness. The big advantage of capacitive sensors in comparison to pressure sensors, is their inexpensive front-end design, which is given by a certain electrode structure. The major problem is to find an algorithm which uses the information about the sensor signals measured, in order to invert these signals to information about the occupancy status of the vehicle seat.<br />The above mentioned algorithm requires a method, which is able to distinguish between human passengers and arbitrary shaped conducting or insolating objects. To identify methods and concepts, which are suitable to serve as passenger identification methods is the main focus of this thesis. The starting point of this work is given by a physical sensor model of a capacitive detector. This model describes the basic signal paths occurring in a capacitive detector arrangement consisting of two electrodes and an arbitrary object to be sensed. The model is focused on several coupling capacitors and intrinsic object impedances. Firstly, a method to model and to sense impedances of different sorts of biological tissue is introduced. Besides the absolute values for the electrical conductivity and permittivity the major difference between biological tissues and other materials is the dispersion observed in their electrical properties. Secondly, an impedance model, which includes the dispersion in the electrical permittivity, the contribution to the sensed impedance of these frequency dependent parameters is demonstrated.<br />Thirdly, a way to utilize this sensed information about the dispersion observed for passenger identification purposes is described. In addition to the passenger identification method presented, the problem of a variable passenger to car body coupling is investigated in this thesis.<br />For a strongly ground-coupled passenger, the sensor signal is shunted away from the receiver electrode to the car body, whereas for a weakly ground-coupled passenger the signal is transmitted via the passenger to the receiver electrode. The interpretation of the sensor signal must be completely different for the two cases, because the passenger has to be detected for all possible ground-coupling cases in a reliable way.<br />Furthermore, sensor signals which are directly transmitted from the emitter to the receiver electrode, without a coupling via the passenger, need to be distinguished from signals transmitted via the passenger. In order to separate these two different detection modes, the electrode area variation method is introduced in this thesis. Capacitive passenger detection is a very powerful sensing technology for advanced passenger detection systems. These advanced systems will detect not only the presence of a seated passenger, but also his posture, size and position in the vehicle. Beside passenger detection also applications like liquid level detection in combination with a chemical analysis of the liquid of interest or capacitive park control systems are thinkable and will be the target of detailed investigations in the near future.<br />