ДЕТЕКТОР ЭЛЕМЕНТОВ КАРКАСА СО СХЕМОЙ РЕГУЛИРОВАНИЯ
DETECTOR OF CAMERA ELEMENTS WITH REGULATION SCHEME

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к схемному устройству для емкостного детектора скрытых объектов, а также к детектору для обнаружения скрытых элементов каркаса, содержащему такое схемное устройство.
Уровень техники
Известно, что емкостные датчики оснащаются мостовыми схемами с обратной связью, описанными, например, в книге "Capacitive sensors" ("Емкостные датчики"), Larry K. Baxter, IEEE Press. Такими мостовыми схемами с обратной связью также оснащаются емкостные детекторы элементов каркаса для обнаружения скрытых в стенах элементов каркаса (в частности, балок и стоек), как это описано, например в публикации DE 102010028718.
Как известно, в емкостных детекторах элементов каркаса используется один или несколько электродов, к которым прикладываются напряжения, в результате чего возникают электрические поля. С этими полями можно соотнести емкости. Объекты, находящиеся в зоне действия детектора элементов каркаса, изменяют электрические поля и приводят к изменениям емкостей.
Однако изменения емкостей очень малы по сравнению с самой изменяющейся емкостью. Это предъявляет высокие требования к емкостным измерительным средствам детекторов.
Раскрытие изобретения
Задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в создании схемного устройства, которое позволяло бы обнаруживать изменение емкости, малое по сравнению с общей емкостью, при улучшенном разрешении. Эта задача решается в схемном устройстве, охарактеризованном признаками пункта 1 формулы. Задачей настоящего изобретения является также создание детектора элементов каркаса, который обладал бы повышенной достоверностью результатов измерения в отношении слишком высокой и слишком низкой чувствительности обнаружения скрытых объектов и повышенной глубиной обнаружения. Эта задача решается в детекторе элементов каркаса, охарактеризованном признаками пункта 10 формулы. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.
Предлагаемое в изобретении схемное устройство содержит первый конденсатор, второй конденсатор и третий конденсатор. При этом первая обкладка каждого из конденсаторов соединена с первым узлом схемы. Обкладки конденсаторов также могут называться пластинами или электродами конденсатора. Эти три термина употребляются в рамках данной заявки синонимично.
При этом схемное устройство выполнено с возможностью подачи на первый конденсатор первого зависящего от времени, т.е. переменного во времени, напряжения, на второй конденсатор - второго зависящего от времени напряжения и на третий конденсатор - третьего зависящего от времени напряжения. При этом первое напряжение и второе напряжение тактируются противофазно, т.е. подаются синхронно в противоположных друг другу фазах, а второе напряжение и третье напряжение тактируются синфазно, т.е. подаются синхронно в одинаковых фазах. Схемное устройство также содержит усилитель, синхронный демодулятор и компаратор. Входы усилителя соединены с первым узлом схемы и с контактом массы. Синхронный демодулятор предусмотрен для того, чтобы синхронно с тактом первого напряжения подавать выходной сигнал усилителя попеременно на два входа компаратора. Далее, схемное устройство выполнено с возможностью генерации регулирующего параметра в зависимости от значения на выходе компаратора. Кроме того, схемное устройство выполнено с возможностью изменения значений амплитуды первого напряжения и третьего напряжения и/или значения амплитуды второго напряжения в зависимости от регулирующего параметра. Преимуществом изобретения является то, что такое схемное устройство позволяет обнаруживать с высоким разрешением изменение емкости первого конденсатора, второго конденсатора и/или третьего конденсатора, малое по сравнению с абсолютным значением емкости первого конденсатора, второго конденсатора и/или третьего конденсатора.
В одном варианте выполнения схемного устройства оно содержит четвертый конденсатор. При этом первая обкладка четвертого конденсатора соединена с первым узлом схемы. Схемное устройство при этом выполнено с возможностью подачи на четвертый конденсатор четвертого зависящего от времени напряжения. Это четвертое напряжение и первое напряжение тактируются синфазно. Преимуществом этого варианта осуществления изобретения является получение симметричной компоновки схемного устройства, позволяющей обнаруживать малые изменения емкостей конденсаторов с очень высоким отношением "сигнал-шум".
В одном варианте выполнения схемного устройства оно содержит регулируемый источник постоянного тока, расположенный между контактом массы и второй обкладкой первого конденсатора, или второго конденсатора, или третьего конденсатора, или четвертого конденсатора. При этом схемное устройство также содержит резистор, расположенный между второй обкладкой конденсатора и вторым узлом схемы, предусмотренным для того, чтобы находиться под постоянным потенциалом, повышенным относительно контакта массы. При этом между источником постоянного тока и второй обкладкой конденсатора расположен выключатель (коммутирующее устройство). В этом случае резистор действует в качестве подтягивающего (нагрузочного) резистора, на котором падает напряжение, величина которого зависит от значения силы тока, выдаваемого регулируемым источником постоянного тока. Это напряжение подается на конденсатор. Выключатель позволяет тактировать это напряжение, т.е. подавать его с определенным тактом.
В одном варианте выполнения этого схемного устройства оно содержит первый регулируемый источник постоянного тока, второй регулируемый источник постоянного тока, третий регулируемый источник постоянного тока, четвертый регулируемый источник постоянного тока, первый выключатель, второй выключатель, третий выключатель, четвертый выключатель, первый резистор, второй резистор, третий резистор и четвертый резистор. При этом первый выключатель расположен между второй обкладкой первого конденсатора и первым контактом первого источника постоянного тока. Второй контакт первого источника постоянного тока соединен с контактом массы. Первый резистор расположен между второй обкладкой первого конденсатора и вторым узлом схемы. Второй выключатель расположен между второй обкладкой второго конденсатора и первым контактом второго источника постоянного тока. Второй контакт второго источника постоянного тока соединен с контактом массы. Второй резистор расположен между второй обкладкой второго конденсатора и вторым узлом схемы. Третий выключатель расположен между второй обкладкой третьего конденсатора и первым контактом третьего источника постоянного тока. Второй контакт третьего источника постоянного тока соединен с контактом массы. Третий резистор расположен между второй обкладкой третьего конденсатора и вторым узлом схемы. Четвертый выключатель расположен между второй обкладкой четвертого конденсатора и первым контактом четвертого источника постоянного тока. Второй контакт четвертого источника постоянного тока соединен с контактом массы. Четвертый резистор расположен между второй обкладкой четвертого конденсатора и вторым узлом схемы. Применение четырех источников постоянного тока в сочетании с четырьмя резисторами, действующими в качестве подтягивающих (нагрузочных) резисторов, выгодно тем, что позволяет генерировать четыре зависящих от времени напряжения, которые могут тактироваться посредством четырех выключателей.
В еще одном варианте выполнения схемного устройства оно содержит инвертирующий усилитель. При этом инвертирующий вход инвертирующего усилителя соединен через первый резистор со второй обкладкой конденсатора. Неинвертирующий вход инвертирующего усилителя соединен с третьим узлом схемы, предусмотренным для того, чтобы находиться под постоянным потенциалом, находящимся посредине между потенциалом второго узла схемы и потенциалом контакта массы. Выход инвертирующего усилителя соединен через второй резистор с инвертирующим входом инвертирующего усилителя. Кроме того, выход инвертирующего усилителя соединен со второй обкладкой другого конденсатора. В этом варианте выполнения схемного устройства выгодно достигается возможность генерации двух из зависящих от времени напряжений с помощью только одного источника постоянного тока. При этом использование инвертирующего усилителя обеспечивает тактирование этих двух напряжений в противофазе.
В альтернативном варианте выполнения схемного устройства оно содержит регулируемый источник постоянного напряжения, расположенный между контактом массы и второй обкладкой первого конденсатора, или второго конденсатора, или третьего конденсатора, или четвертого конденсатора. При этом между источником постоянного напряжения и второй обкладкой конденсатора расположен дополнительный выключатель (переключатель), выполненный с возможностью соединения второй обкладки конденсатора либо с источником постоянного напряжения, либо с контактом массы. Этот вариант выполнения схемного устройства выгоден тем, что одно из зависящих от времени напряжений может генерироваться посредством регулируемого источника постоянного напряжения. При этом выключатель обеспечивает возможность тактирования приложенного к конденсатору напряжения.
В одном варианте выполнения схемного устройства оно содержит тактовый генератор, выполненный с возможностью генерации тактового сигнала и обратного тактовому сигналу противотактового сигнала. При этом схемное устройство выполнено с возможностью управления синхронным демодулятором посредством тактового сигнала. Кроме того, схемное устройство выполнено с возможностью тактирования первого напряжения посредством тактового сигнала и тактирования второго напряжения посредством противотактового сигнала. Это выгодно тем, что в этом случае первое напряжение и второе напряжение тактируются в противофазе.
В еще одном альтернативном варианте выполнения схемного устройства оно содержит регулируемый источник переменного тока, расположенный между контактом массы и второй обкладкой первого конденсатора, или второго конденсатора, или третьего конденсатора, или четвертого конденсатора. При этом схемное устройство также содержит резистор, расположенный между второй обкладкой конденсатора и вторым узлом схемы, предусмотренным для того, чтобы находиться под повышенным относительно контакта массы постоянным потенциалом. В этом варианте выполнения схемного устройства резистор действует в качестве подтягивающего (нагрузочного) резистора, на котором падает напряжение, зависящее от силы тока, выдаваемого регулируемым источником переменного тока. Это напряжение прикладывается к одному из конденсаторов. Благодаря зависимости от времени тока, выдаваемого регулируемым источником переменного тока, также обеспечивается зависимость от времени напряжения, падающего на конденсаторе.
В предпочтительном варианте выполнения схемного устройства компаратор представляет собой интегрирующий компаратор или компаратор выборки-хранения. В этом случае компаратор позволяет сравнивать сигналы, выдаваемые усилителем во время обеих тактовых фаз противофазно тактируемых напряжений.
Предлагаемый детектор для обнаружения скрытых элементов каркаса (далее для краткости называемый детектором элементов каркаса) содержит охарактеризованное выше схемное устройство. Предлагаемый детектор элементов каркаса обладает повышенной чувствительностью обнаружения объектов. Благодаря этому уменьшается опасность ошибочных обнаружений объектов, т.е. ошибочных обнаружений, обусловленных слишком высокой и слишком низкой чувствительностью обнаружения. Кроме того, увеличивается максимальная глубина обнаружения объектов детектором элементов каркаса.
В предпочтительном варианте выполнения детектора элементов каркаса он содержит первый электрод и второй электрод. При этом первый электрод образует вторую обкладку первого конденсатора. Второй электрод образует первую обкладку первого конденсатора. В этом случае емкость первого конденсатора изменяется при приближении детектора элементов каркаса к объекту. Преимуществом является возможность обнаружения объекта схемным устройством с высоким отношением "сигнал-шум".
В одном варианте выполнения детектора элементов каркаса он содержит третий электрод. При этом первый электрод и третий электрод совместно образуют вторую обкладку первого конденсатора. В этом варианте выгодно достигается симметричность компоновки детектора элементов каркаса.
В дополнительном варианте выполнения детектора элементов каркаса схемное устройство выполнено с четвертым конденсатором. При этом детектор элементов каркаса содержит четвертый электрод и пятый электрод. Четвертый электрод и пятый электрод совместно образуют вторую обкладку второго конденсатора, или третьего конденсатора, или четвертого конденсатора. При этом второй электрод образует первую обкладку этого конденсатора. В этом вариант детектор элементов каркаса также имеет симметричную компоновку. При этом, когда такой детектор элементов каркаса приближается к объекту, изменяются емкости двух конденсаторов. Преимуществом является возможность обнаружения объектов схемным устройством с высоким разрешением.
В альтернативном варианте выполнения детектора элементов каркаса он содержит третий электрод. При этом третий электрод и второй электрод образуют второй конденсатор, третий конденсатор или четвертый конденсатор. Преимуществом детектора элементов каркаса и в этом варианте его выполнения является то, что когда такой детектор элементов каркаса приближается к объекту, изменяются емкости двух конденсаторов.
В одном варианте выполнения этого детектора элементов каркаса схемное устройство выполнено с четырьмя конденсаторами. При этом детектор элементов каркаса содержит четвертый электрод и пятый электрод. Четвертый электрод и второй электрод, а также пятый электрод и второй электрод образуют оба конденсатора, не образованных первым электродом и третьим электродом. Преимуществом детектора элементов каркаса в этом варианте его выполнения является то, что когда детектор элементов каркаса приближается к объекту, изменяются емкости всех четырех конденсаторов.
В предпочтительном варианте выполнения детектора элементов каркаса второй электрод расположен между первым электродом и третьим электродом. В этом случае преимуществом является то, что детектор элементов каркаса, в зависимости от схемы включения электродов, позволяет выполнять абсолютное или дифференциальное измерение приближения детектора элементов каркаса к объекту.
Целесообразно, чтобы конденсаторы схемного устройства детектора элементов каркаса, образованные не электродами, были выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости. В этом случае преимуществом является то, что при приближении детектора элементов каркаса к объекту емкости конденсаторов, выполненных в виде конденсаторов постоянной емкости, не изменяются.
В предпочтительном варианте выполнения детектора элементов каркаса электроды выполнены в виде металлических пластин. Например, электроды могут быть выполнены в виде металлических поверхностей на печатной плате. В этом варианте преимуществом является то, что емкость электродов изменяется тогда, когда детектор элементов каркаса приближается к объекту.
Краткое описание чертежей
Осуществление изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - структурная схема схемного устройства;
на фиг. 2 - фрагмент альтернативного схемного устройства;
на фиг. 3 - фрагмент еще одного альтернативного схемного устройства;
на фиг. 4 - структурная схема еще одного альтернативного схемного устройства;
на фиг. 5 - структурная схема детектора элементов каркаса в базовом варианте;
на фиг. 6 и 7 - схематические изображения двух детекторов элементов каркаса для абсолютных измерений с помощью двух возбужденных электродов;
на фиг. 8 и 9 - схематические изображения детекторов элементов каркаса с двумя возбужденными электродами для дифференциальных измерений;
на фиг. 10 - график для сравнения абсолютных и дифференциальных измерений;
на фиг. 11-14 - схематические изображения детекторов элементов каркаса с пятью электродами для дифференциальных измерений;
на фиг. 15-18 - схематические изображения режима измерения детекторами элементов каркаса;
на фиг. 19 и 20 - схематические изображения детекторов элементов каркаса с пятью электродами для абсолютных измерений;
на фиг. 21 и 22 - схематические изображения режимов измерения этими детекторами элементов каркаса;
на фиг. 23, 24 и 25 - схематические изображения других детекторов элементов каркаса с пятью электродами для абсолютных измерений;
на фиг. 26, 27 и 28 - схематические представления режимов измерения этими детекторами элементов каркаса; и
на фиг. 29-32 электрические поля, получаемые во время работы детекторов элементов каркаса, имеющих различные конфигурации.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана структурная схема схемного устройства 100. Схемное устройство 100 служит схемой регулирования для обнаружения изменений емкостей одного или нескольких конденсаторов. Схемное устройство 100 может использоваться, например, в емкостных детекторах, в частности в емкостных детекторах элементов каркаса.
Схемное устройство 100 содержит первый узел 101 схемы, второй узел 102 схемы и контакт 103 массы. Во время работы схемного устройства 100 второй узел 102 схемы находится под потенциалом, повышенным относительно контакта 103 массы, так что между вторым узлом 102 схемы и контактом 103 массы приложено напряжение Vcc. Кроме того, схемное устройство 100 содержит четвертый узел 104 схемы, пятый узел 105 схемы, шестой узел 106 схемы и седьмой узел 107 схемы.
Схемное устройство 100 содержит первый конденсатор 110, второй конденсатор 120, третий конденсатор 130 и четвертый конденсатор 140. Первый конденсатор 110 имеет первую обкладку 111 и вторую обкладку 112. Обкладки 111, 112 конденсатора также можно назвать пластинами конденсатора или электродами конденсатора. Второй конденсатор 120 имеет первую обкладку 121 и вторую обкладку 122. Третий конденсатор 130 имеет первую обкладку 131 и вторую обкладку 132. Четвертый конденсатор 140 имеет первую обкладку 141 и вторую обкладку 142. Первые обкладки 111, 121, 131, 141 конденсаторов 110, 120, 130, 140 соединены с первым узлом 101 схемы.
Схемное устройство 100 также содержит первый источник 150 постоянного тока, второй источник 160 постоянного тока, третий источник 170 постоянного тока и четвертый источник 180 постоянного тока. Четыре источника 150, 160, 170, 180 постоянного тока являются регулируемыми источниками постоянного тока, предусмотренными для выдачи постоянных токов с регулируемой амплитудой. Первый источник 150 постоянного тока имеет первый контакт 151, второй контакт 152 и управляющий контакт 153. Второй источник 160 постоянного тока имеет первый контакт 161, второй контакт 162 и управляющий контакт 163. Третий источник 170 постоянного тока имеет первый контакт 171, второй контакт 172 и управляющий контакт 173. Четвертый источник 180 постоянного тока имеет первый контакт 181, второй контакт 182 и управляющий контакт 183. Каждый из вторых контактов 152, 162, 172, 182 источников 150, 160, 170, 180 постоянного тока соединен с контактом 103 массы. Посредством управляющих контактов 153, 163, 173, 183 для соответствующих источников 150, 160, 170, 180 постоянного тока может задаваться управляющее воздействие, определяющее величину сил постоянных токов, выдаваемых источниками 150, 160, 170, 180 постоянного тока через свои контакты 151, 152, 161, 162, 171, 172, 181, 182.
Схемное устройство 100 также содержит первый выключатель 154, первый подтягивающий резистор 155, второй выключатель 164, второй подтягивающий резистор 165, третий выключатель 174, третий подтягивающий резистор 175, четвертый выключатель 184 и четвертый подтягивающий резистор 185. Вторая обкладка 112 первого конденсатора 110 соединена с четвертым узлом 104 схемы. Первый подтягивающий резистор 155 расположен между четвертым узлом 104 схемы и вторым узлом 102 схемы. Первый выключатель 154 расположен между четвертым узлом 104 схемы и первым контактом 151 первого источника 150 постоянного тока. Вторая обкладка 122 второго конденсатора 120 соединена с пятым узлом 105 схемы. Второй подтягивающий резистор 165 расположен между пятым узлом 105 схемы и вторым узлом 102 схемы. Второй выключатель 164 расположен между пятым узлом 105 схемы и первым контактом 161 второго источника 160 постоянного тока. Вторая обкладка 132 третьего конденсатора 130 соединена с шестым узлом 106 схемы. Третий подтягивающий резистор 175 расположен между шестым узлом 106 схемы и вторым узлом 102 схемы. Третий выключатель 164 расположен между шестым узлом 106 схемы и первым контактом 171 третьего источника 170 постоянного тока. Вторая обкладка 142 четвертого конденсатора 140 соединена с седьмым узлом 107 схемы. Четвертый подтягивающий резистор 185 расположен между седьмым узлом 107 схемы и вторым узлом 102 схемы. Четвертый выключатель 184 расположен между седьмым узлом 107 схемы и первым контактом 181 четвертого источника 180 постоянного тока.
Схемное устройство 100 также содержит генератор 190, имеющий выход 191 для тактового сигнала и выход 192 для противотактового сигнала. Тактовый генератор 190 выполнен с возможностью выдачи через выход 191 тактового сигнала с заданной частотой. Кроме того, тактовый генератор 190 выполнен с возможностью выдачи через выход 192 противотактового сигнала, сдвинутого по фазе на 180° относительно тактового сигнала, выдаваемого через выход 191. Схемное устройство 100 выполнено таким образом, чтобы приводить в действие первый выключатель 154 и четвертый выключатель 184 синхронно с тактовым сигналом, выдаваемым через соответствующий выход 191. Кроме того, схемное устройство 100 выполнено таким образом, чтобы приводить в действие второй выключатель 164 и третий выключатель 174 синхронно с противотактовым сигналом, выдаваемым через соответствующий выход 192.
Схемное устройство 100 также содержит усилитель 200, синхронный демодулятор 210, компаратор 220 и генератор 230 регулирующего параметра. Усилитель имеет отрицательный вход 201, положительный вход 202 и выход 203. Отрицательный вход 201 усилителя 200 соединен с первым узлом 101 схемного устройства 100. Положительный вход 202 усилителя 200 соединен с контактом 103 массы. Синхронный демодулятор 210 имеет сигнальный вход 211, модулирующий вход 212, первый выход 213 и второй выход 214. Сигнальный вход 211 синхронного демодулятора 210 соединен с выходом 203 усилителя 200. Модулирующий вход 212 соединен с выходом 191 для тактового сигнала тактового генератора 190. Компаратор 220 имеет первый вход 221, второй вход 222 и выход 223. Первый вход 221 соединен с первым выходом 213 синхронного демодулятора 210. Второй вход 222 компаратора 220 соединен со вторым выходом 214 синхронного демодулятора 210. Генератор 230 регулирующего параметра имеет вход 231 отклонения, первый выход 232 управляющих сигналов, второй выход 233 управляющих сигналов и выход 234 регулирующего параметра. Вход 231 отклонения соединен с выходом 223 компаратора 220. Первый выход 232 управляющих сигналов соединен с управляющим контактом 153 первого источника 150 постоянного тока и с управляющим контактом 173 третьего источника 170 постоянного тока. Второй выход 233 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра соединен с управляющим контактом 163 второго источника 160 постоянного тока и с управляющим контактом 183 четвертого источника 180 постоянного тока.
A
B
-A
-B
A
-B
B
-A
A
B
-A
-в
Первый источник 150 постоянного тока генерирует ток I. Второй источник 160 постоянного тока генерирует ток I. Третий источник 170 постоянного тока генерирует ток I. Четвертый источник 180 постоянного тока генерирует ток I. Токи I и I первого источника 150 постоянного тока и четвертого источника 180 постоянного тока прерываются первым выключателем 154 и четвертым выключателем 184 с частотой тактового сигнала, выдаваемого через соответствующий выход 191 тактового генератора 190. Токи I и I второго источника 160 постоянного тока и третьего источника 170 постоянного тока прерываются посредством второго выключателя 164 и третьего выключателя 174 с частотой противотактового сигнала, выдаваемого через соответствующий выход 192 тактового генератора 190. На четырех подтягивающих резисторах 155, 165, 175, 185 падают пропорциональные токам I, I, I, I напряжения, приложенные к четырем конденсаторам 110, 120, 130, 140 относительно общего опорного потенциала на первом узле 101 схемы. Первый узел 101 схемы образует виртуальную "массу".
Сигнал, выдаваемый на выходе 203 усилителя 200, подается синхронным демодулятором 210 синхронно с тактом тактового сигнала, выдаваемого через соответствующий выход 191 тактового генератора, попеременно на два входа 221, 222 компаратора 220. Компаратор 220 может быть, например, интегрирующим компаратором или компаратором выборки-хранения. Если компаратор 220 выполнен в виде интегрирующего компаратора, то он сравнивает интеграл сигнала, выдаваемого через выход 203 усилителя 200, взятый во время первой половины такта, с интегралом этого сигнала, взятым во время второй половины такта. Если компаратор 220 выполнен в виде компаратора выборки-хранения, то он сравнивает сигнал, выдаваемый через выход 203 усилителя 200, в определенный момент времени в первой половине такта, с сигналом в соответствующий момент времени во второй половине такта. Компаратор 220 выдает через свой выход 223 сигнал, зависящий от результата этого сравнения.
Генератор 230 регулирующего параметра генерирует, в зависимости от этого сигнала компаратора, принимаемого через вход 231 отклонения, регулирующий параметр n. Для этого генератор 230 регулирующего параметра может содержать пропорциональные, интегрирующие и дифференцирующие компоненты. Генератор 230 регулирующего параметра может быть выполнен, например, цифровым.
1
2
1
0
Δ
1
0
Δ
2
0
Δ
2
0
Δ
1
2
0
1
A
-A
2
B
-в
Генератор 230 регулирующего параметра также генерирует первый управляющий сигнал I, выдаваемый через первый выход 232 управляющих сигналов, и второй управляющий сигнал I, выдаваемый через второй выход 233 управляющих сигналов. Первый управляющий сигнал I представляет собой сумму значения смещения Ι и умноженного на n значения диапазона I: I=I+nI. Второй управляющий сигнал I представляет собой разность значения смещения Ι и умноженного на n значения диапазона I: Ι=Ι-nI. Таким образом, регулирующий параметр n изменяет оба управляющих сигнала I, I в противоположных направлениях на значение смещения Ι. Первый управляющий сигнал I подается через первый выход 232 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра в качестве управляющего сигнала в первый источник 150 постоянного тока и в третий источник 170 постоянного тока и определяет амплитуды токи I и I, выдаваемых этими источниками 150, 170 постоянного тока. Второй управляющий сигнал I подается через второй выход 233 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра в качестве регулирующего параметра во второй источник 160 постоянного тока и в четвертый источник 180 постоянного тока и определяет амплитуды токов I и I, выдаваемых этими источниками 160, 180 постоянного тока.
A
-A
b
-в
Посредством зависящего от регулирующего параметра n управления амплитудами силы токов I, I, I, I, выдаваемых источниками 150, 160, 170, 180 постоянного тока, изменяющаяся синхронно с тактом составляющая сигнала, поступающего на отрицательный вход 201 усилителя 200, приводится в процессе регулирования к эталонному значению на положительном входе 202 усилителя 200, т.е. к потенциалу контакта 103 массы. В зависимости от того, выполнен ли компаратор 220 в виде интегрирующего компаратора или в виде компаратора выборки-хранения, это относится ко всей длительности такта или только к моментам выборки. В результате этого первый узел 101 схемы становится виртуальной "массой".
Поскольку схемное устройство 100 регулирует разность между сигналами, поступающими на входы 201, 202 усилителя 200, приводя ее к нулю, усилитель 200 может быть выполнен с очень высоким коэффициентом усиления. Благодаря этому для схемного устройства 100 достигается очень высокое отношение "сигнал-шум".
изм
этал
комп,изм
комп,этал
p
p
Первый конденсатор 110 имеет емкость С. Второй конденсатор 120 имеет емкость С. Третий конденсатор 130 имеет емкость С. Четвертый конденсатор 140 имеет емкость С. Каждый из подтягивающих резисторов 155, 165, 175, 185 имеет значение сопротивления R. В предельном случае, когда R→0, справедливо выражение:
изм
комп,изм
этал
комп.этал
изм
комп,изм
этал
комп,этал
Регулирующий параметр n четко определен, пока знаменатель в уравнении 1 не равен нулю. Однако схемное устройство 100, показанное на фиг. 1, осуществляет регулирование, только если С больше С и С больше С. Если поменять соотношение выходов 213, 214 синхронного демодулятора 210 с входами 221, 222 компаратора 220, то схемное устройство 100 будет осуществлять регулирование, если С меньше С, а С меньше С. Такой же эффект дает инвертирование входных сигналов усилителя 200.
изм
этал
изм,0
этал,0
изм
этал
Емкости С и С являются переменными и имеют соответствующую постоянную составляющую С, С и соответствующую переменную составляющую Δ и Δ. Таким образом, эти емкости можно выразить следующим образом:
изм
изм,0
изм
С=С+Δ
этал
этал,0
этал
С=С+Δ
комп,изм
изм,0
комп,этал
этал,0
Выбор С=C-ε и С=С-ε, дает выражение:
изм
этал
Остаточную связь ε можно выбирать произвольно, в частности также произвольно малой. Таким образом, изменение регулирующего параметра n для заданных изменений Δ, Δ емкостей измерительного конденсатора 110 и эталонного конденсатора 120 можно задать произвольно, в частности также произвольно большим. Это означает, что и малые изменения емкостей дают большое значение регулирующего параметра и, который служит измеряемой величиной.
Преимуществом схемного устройства 100 является возможность уменьшить эффективную основную емкость, не влияя при этом на абсолютное изменение емкости. Эффективная в схемном устройстве 100 основная емкость определяется суммой разностей емкостей первого конденсатора 110 и четвертого конденсатора 140, с одной стороны, и второго конденсатора 120 и третьего конденсатора 130, с другой стороны. За счет подходящего выбора емкостей корректирующих конденсаторов 130, 140 эффективная основная емкость может принять сколь угодно малое значение. Однако абсолютное изменение емкости, вызываемое, например, приближением объекта к схемному устройству 100, по-прежнему пропорционально абсолютным значениям емкостей конденсаторов 110, 120. Поскольку емкости этих конденсаторов 110, 120 могут принимать сколь угодно большие значения, не влияя на эффективную основную емкость, это позволяет без больших затрат реализовать достаточно высокие значения изменений емкостей, обусловленных влиянием близости объекта.
Вместо корректирующих конденсаторов 130, 140 схемное устройство 100 также может содержать любые комплексные полные сопротивления, которые могут быть выполнены, например, в виде LCR-цепей.
1
2
1
0
Δ
2
0
1
0
2
0
Δ
В упрощенном варианте выполнения схемного устройства 100 от регулирующего параметра n зависит лишь один из генерируемых генератором 230 регулирующего параметра управляющих сигналов Ι, I. То есть, тогда справедливы выражения: I=I+nI; I=I+const или I=I+const; I=I-nI.
Измерительный конденсатор 110 в детекторе элементов каркаса со схемным устройством 100, как правило, будет выполнен в виде одного или нескольких электродов, например в виде металлической поверхности на печатной плате. Вместе с тем, в качестве таких электродов также может быть выполнен один или несколько остальных конденсаторов 120, 130, 140. Это может быть полезным, в частности, с точки зрения стабильности регулирующего параметра n при изменчивых внешних условиях (температура, влажность воздуха). Подробнее это рассматривается ниже.
изм
этал
комп,изм
комп,этал
p
0
Δ
0
Δ
Принцип действия, положенный в основу схемного устройства 100, можно обобщить следующим образом. Согласно уравнению 1 четыре емкости С, С, С и С входят в выражение для определения регулирующего параметра n с одинаковыми весами. Это справедливо в случае, когда, как было описано выше, все подтягивающие резисторы 155, 165, 175, 185 имеют одинаковое значение сопротивления R, а для приведения в действие четырех источников 150, 160, 170, 180 постоянного тока используются одно и то же значение смещения Ι и одно и то же значение диапазона I. Если же допустить, что значения сопротивления подтягивающих резисторов 155, 165, 175, 185, а также значения смещения I и значения диапазона I различны, то уравнение 1 можно расширить, включив перед емкостями весовые коэффициенты. Тогда получаем:
х
х
0
Δ
Вообще α=α'. Значения стоящих перед емкостями коэффициентов со штрихом и без него различаются только в случае, если и значения смещения I, и значения диапазона I варьируются независимо друг от друга.
Ниже со ссылкой на фиг. 2, 3 и 4 рассматриваются другие варианты схемного устройства 100, показанного на фиг. 1. При этом на фиг. 2 и 3 показаны только те части схемных устройств, которыми эти схемные устройства отличаются от схемного устройства 100, показанного на фиг. 1. На фиг. 2, 3 и 4 для компонентов, соответствующих компонентам схемного устройства 100, показанного на фиг. 1, используются те же номера позиций.
На фиг. 2 показан фрагмент схемного устройства 1100. По сравнению со схемным устройством 100, показанным на фиг. 1, в этом схемном устройстве 1100 отсутствуют первый источник 150 постоянного тока, первый выключатель 154 и первый подтягивающий резистор 155. Вместо них схемное устройство 1100 содержит первый источник 1150 постоянного напряжения с первым контактом 1151, вторым контактом 1152 и управляющим контактом 1153. Кроме того, схемное устройство 1100 содержит дополнительный выключатель (переключатель) 1154. Второй контакт 1152 первого источника 1150 постоянного напряжения соединен с контактом 103 массы. Дополнительный выключатель 1154 схемного устройства 1100 служит для того, чтобы соединять четвертый узел 104 схемы либо с первым контактом 1154 первого источника 1150 постоянного напряжения, либо с контактом 103 массы. Управляющий контакт 1153 первого источника 1150 постоянного напряжения соединен с первым выходом 232 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра. Дополнительный выключатель 1154 приводится в действие синхронно с тактовым сигналом, выдаваемым через соответствующий выход 191 тактового генератора 190.
0
Δ
Таким образом, по сравнению со схемным устройством 100, показанным на фиг. 1, в схемном устройстве 1100, показанном на фиг. 2, первый источник 150 постоянного тока и первый подтягивающий резистор 155 заменены первым источником 1150 постоянного напряжения. Первый источник 1150 постоянного напряжения генерирует зависящее от времени постоянное напряжение с регулируемой амплитудой, которое прикладывается к первому конденсатору 110 относительно первого узла 101 схемы. Остальные источники 160, 170, 180 постоянного тока и подтягивающие резисторы 165, 175, 185, имеющиеся в схемном устройстве 100, в схемном устройстве 1100, показанном на фиг. 2, могут быть соответственно заменены источниками постоянного напряжения. Уравнение 2 в схемном устройстве 1100 сохраняет свою действительность, если допустить, что значения смещения Ι и значения диапазона I для отдельных источников постоянного напряжения различны.
На фиг. 3 показан фрагмент еще одного схемного устройства 1200. По сравнению со схемным устройством 100, показанным на фиг. 1, в схемном устройстве 1200 отсутствуют третий источник 170 постоянного тока, третий выключатель 174 и третий подтягивающий резистор 175. Вместо них схемное устройство 1200 содержит инвертирующий усилитель 1210 с инвертирующим входом 1211, неинвертирующим входом 1212 и выходом 1213. Инвертирующий вход 1211 инвертирующего усилителя 1210 соединен через первый резистор 1220 с четвертым узлом 104 схемы. Выход 1213 инвертирующего усилителя 1210 соединен через второй резистор 1211. Кроме того, выход 1213 инвертирующего усилителя 1210 соединен с шестым узлом 106 схемы. Неинвертирующий вход 1212 инвертирующего усилителя 1210 соединен с третьим узлом 1201 схемы. Третий узел 1201 схемы находится под постоянным электрическим потенциалом, находящимся посредине между потенциалом второго узла 102 схемы и потенциалом контакта 103 массы. Таким образом, между третьим узлом 1201 схемы и контактом 103 массы приложено напряжение Vcc/2.
Таким образом, в схемном устройстве 1200 напряжение, прикладываемое к третьему конденсатору 130, вырабатывается не посредством третьего источника 170 постоянного тока и третьего подтягивающего резистора 175, а посредством инвертирующего усилителя 1210 из тока, генерируемого первым источником 150 постоянного тока. Соответственно, напряжение, прикладываемое к четвертому конденсатору 140, также может вырабатываться из тока, генерируемого вторым источником 160 постоянного тока. И наоборот, напряжение, прикладываемое к первому конденсатору 110, может вырабатываться из тока третьего источника 170 постоянного тока, и/или напряжение, прикладываемое ко второму конденсатору 120, может вырабатываться из тока четвертого источника 180 постоянного тока.
Если для инвертирующего усилителя 1210 и дополнительного инвертирующего усилителя схемного устройства 1200 выбрать коэффициенты усиления, не равные 1, то для регулирующего параметра n также будет действовать выражение согласно уравнению 2, с весовыми коэффициентами перед значениями емкостей конденсаторов 110, 120, 130, 140. В этом случае весовые коэффициенты следуют из коэффициентов усиления инвертирующего усилителя 1210.
Обобщенная форма осуществления изобретения, представленная на примере схемного устройства 1200, показанного на фиг. 3, имеет преимущество, заключающееся в повышении гибкости выбора значений емкости конденсаторов 110, 120, 130, 140. Если, например, значения емкости для эталонного конденсатора 120 или корректирующих конденсаторов 130, 140 должны получиться очень малыми (поскольку, например, мала емкость измерительного электрода), то для таких емкостей конденсаторов могут выбираться весовые коэффициенты <1. Тогда можно использовать конденсаторы большей емкости, имеющиеся в более мелкой градации и с меньшими допусками.
На фиг. 4 показана структурная схема еще одного схемного устройства 1300. По сравнению со схемным устройством 100, показанным на фиг. 1, в схемном устройстве 1300 отсутствуют источники 150, 160, 170, 180 постоянного тока и выключатели 154, 164, 174, 184. Вместо них предусмотрены первый регулируемый источник 1350 переменного тока, второй регулируемый источник 1360 переменного тока, третий регулируемый источник 1370 переменного тока и четвертый регулируемый источник 1380 переменного тока. Первый источник 1350 переменного тока имеет первый контакт 1351, второй контакт 1352 и управляющий контакт 1353. Второй источник 1360 переменного тока имеет первый контакт 1361, второй контакт 1362 и управляющий контакт 1363. Третий источник 1370 переменного тока имеет первый контакт 1371, второй контакт 1372 и управляющий контакт 1373. Четвертый источник 1380 переменного тока имеет первый контакт 1381, второй контакт 1382 и управляющий контакт 1383. Каждый из вторых контактов 1352, 1362, 1372, 1382 источников 1350, 1360, 1370, 1380 переменного тока соединен с контактом 103 массы. Управляющий контакт 1353 первого источника 1350 переменного тока и управляющий контакт 1373 третьего источника 1370 переменного тока соединены с первым выходом 232 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра. Управляющий контакт 1263 второго источника 1360 переменного тока и управляющий контакт 1383 четвертого источника 1380 переменного тока соединены со вторым выходом 233 управляющих сигналов генератора 230 регулирующего параметра.
Первый контакт 1351 первого источника 1350 переменного тока соединен с четвертым узлом 104 схемы. Первый контакт 1361 второго источника 1360 переменного тока соединен с пятым узлом 105 схемы. Первый контакт 1371 третьего источника 1370 переменного тока соединен с шестым узлом 106 схемы. Первый контакт 1381 четвертого источника 1380 переменного тока соединен с седьмым узлом 107 схемы.
По сравнению со схемным устройством 100, показанным на фиг. 1, в схемном устройстве 1300 отсутствует тактовый генератор 190. Вместо него синхронный демодулятор 210 управляется, или приводится в действие, от источника, синхронного с переменным током, генерируемым первым источником 1350 переменного тока.
0
Δ
Еще одно существенное преимущество схемных устройств 100, 1100, 1200, 1300, показанных на фиг. 1-4, проявляется в случае, если значения сопротивления подтягивающих резисторов 155, 165, 175, 185, значения смещения Ι, значения диапазона I или коэффициенты усиления инвертирующего усилителя 1210 выполнить регулируемыми (настраиваемыми). Это позволяет подстраивать весовые коэффициенты в уравнении 2 к соответствующей ситуации измерения и таким образом, например, поддерживать введенную выше остаточную связь ε на заранее определенном значении или устанавливать ее на определяемое подходящим образом значение.
Если схемное устройство 100, 1100, 1200, 1300 используется в емкостном детекторе элементов каркаса, то эта возможность имеет смысл, если емкость измерительного конденсатора изменяется, например при приближении детектора элементов каркаса к стене, на значение, большое по сравнению с типичными изменениями измерительной емкости, обусловленными влиянием подлежащих обнаружению объектов. Таким образом стена оказывает влияние на изменение измерительного сигнала, обусловленное подлежащими обнаружению объектами, поскольку ее наличие ведет к изменению (обычно к повышению) остаточной связи ε. Это представление исходит из того, что стена не является объектом, а представляет собой измерительную среду. Изменение остаточной связи ε зависит от свойств стены, например от ее толщины, материала и влажности.
Пользуясь описанной возможностью настройки остаточной связи ε, после приложения детектора элементов каркаса к стене можно установить остаточную связь ε на заданное значение. Таким образом компенсируется влияние стены на детектор элементов каркаса, и подлежащие обнаружению объекты дают изменение измерительного сигнала (регулирующего параметра n), являющееся по существу независящим от стены.
Такое же преимущество достигается, если сделать емкость эталонного конденсатора 120 или емкости корректирующих конденсаторов 130, 140 регулируемой(-ыми).
Если остаточная связь ε пропадает, то регулирующий параметр n согласно уравнению 1' без подлежащего обнаружению объекта расходится. На практике это проявляется в том, что с уменьшением остаточной связи ε шум регулирующего параметра n будет возрастать до тех пор, пока в случае пропадания остаточной связи ε выполняемое схемным устройством 100, 1100, 1200, 1300 регулирование не откажет, и регулирующий параметр n не начнет свободно колебаться. Поэтому остаточную связь ε целесообразно задавать превышающей шум. Так, например, остаточную связь ε можно изменять, варьируя весовые коэффициенты корректирующих емкостей, до тех пор, пока шум не примет определенное значение. В конкретном случае шум можно определять, например, как стандартное отклонение конечной последовательности измеряемых величин. Если это стандартное отклонение превышает заданное значение, то остаточную связь ε повышают. Если это стандартное отклонение меньше заданного значение, остаточную связь ε уменьшают. Эти операции также могут выполняться итерационно.
Дальнейшая обработка регулирующего параметра n может выполняться, в частности, микроконтроллером или микропроцессором.
Схемные устройства 100, 1100, 1200, 1300, показанные на фиг. 1-4, могут использоваться в емкостных детекторах скрытых объектов, в частности в емкостных детекторах элементов каркаса, таких как балки и стойки. Ниже рассматриваются не имеющие заземления емкостные детекторы элементов каркаса, содержащие схемные устройства вышеназванного типа.
Не имеющие заземления детекторы элементов каркаса содержат по меньшей мере два электрода, причем на один из двух электродов (излучающий электрод) подается сигнал возбуждения, а на втором электроде (приемный электрод) измеряется ток или напряжение. Как и по всему тексту заявки, термином "электроды" обозначаются обкладки конденсаторов, выполненные в виде проводящих поверхностей, например в виде металлических поверхностей на печатной плате.
На фиг. 5 схематически показан первый детектор 300 элементов каркаса, соответствующий базовому варианту детектора. Первый детектор 300 элементов каркаса содержит первый электрод 301 и второй электрод 302. Кроме того, первый детектор 300 элементов каркаса содержит схемное устройство 100, 1100, 1200, 1300, выполненное, как показано на одной из фиг. 1-4. Первый электрод 301 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Таким образом, первый электрод 301 соединен с четвертым узлом 104 схемы. Второй электрод 302 образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110. Таким образом, второй электрод 302 соединен с первым узлом 101 схемного устройства 100. Второй конденсатор 120, третий конденсатор 130 и четвертый конденсатор 140 выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости.
Форма, размер и взаимное положение двух электродов 301, 302 вытекают из конкретного случая применения первого детектора 300 элементов каркаса.
Если первый детектор 300 элементов каркаса приближается к объекту, то изменяется емкость образованного электродами 301, 302 первого конденсатора 110, что может быть определено схемным устройством 100, 1100, 1200, 1300 путем сравнения этой емкости с постоянной эталонной емкостью конденсатора 120. Этот вид измерения можно назвать абсолютным измерением.
этал
изм
комп.изм
Поскольку в первом детекторе 300 элементов каркаса емкость второго конденсатора 120 является постоянной, от четвертого конденсатора 140 можно отказаться. Тогда второй конденсатор 120 должен иметь емкость С, величина которой соответствует разности емкости С первого конденсатора 110 и емкости С третьего конденсатора 130.
Детектор элементов каркаса также может содержать более одного излучающего электрода. Детекторы элементов каркаса с несколькими излучающими электродами рассматриваются ниже со ссылкой на фиг. 6-9, 11-14, 19, 20 и 23-25. Эти детекторы элементов каркаса всегда содержат по меньшей мере первый электрод, второй электрод и третий электрод. При этом второй электрод всегда расположен между первым электродом и третьим электродом. Первый электрод всегда образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Второй электрод всегда образует приемный электрод, соединенный с первым узлом 101 схемы.
На фиг. 6 показана структурная схема второго детектора 310 элементов каркаса. Второй детектор 310 элементов каркаса содержит первый электрод 311, второй электрод 312 и третий электрод 313. Первый электрод 311 и третий электрод 313 совместно образуют вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Второй электрод 311 образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110. Второй конденсатор 120, третий конденсатор 130 и четвертый конденсатор 140 выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости. Преимуществом второго детектора 310 элементов каркаса, показанного на фиг. 6, является то, что он имеет симметричную компоновку.
На фиг. 7 показана структурная схема третьего детектора 320 элементов каркаса. Третий детектор 320 элементов каркаса содержит первый электрод 321, второй электрод 322 и третий электрод 323. Первый электрод 321 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Третий электрод 323 образует вторую обкладку 142 четвертого конденсатора 140. Второй электрод 322 образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110 и первую обкладку 141 четвертого конденсатора 140. Второй конденсатор 120 и третий конденсатор 130 выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости.
изм
комп,этал
этал
комп,этал
этал
В случае третьего детектора 320 элементов каркаса при приближении третьего детектора 320 элементов каркаса к объекту изменяется не только емкость С первого конденсатора 110, но и емкость С четвертого конденсатора 140. Поэтому в третьем детекторе 320 элементов каркаса величину емкости С второго конденсатора 120 нужно выбирать такой, чтобы в любых случаях надлежащего применения детектора емкость С четвертого конденсатора третьего детектора 320 элементов каркаса была меньше емкости С второго конденсатора 120.
изм
комп,этал
изм
комп,этал,0
изм
комп,этал
комп,изм
изм,0
этал
комп,этал0
Емкость С первого конденсатора 110 и емкость С четвертого конденсатора 140 являются переменными и имеют соответствующие постоянные составляющие С,0, С и соответствующие переменные составляющие Δ и Δ. Тогда при выборе С=С-ε и С=С+ε получается выражение
.
изм
комп,этал
Если Δ равно Δ, то регулирующий параметр n является линейным, что является благоприятным. Кроме того, преимуществом является то, что в этом случае чувствительность третьего детектора 320 элементов каркаса не зависит от значения регулирующего параметра n, т.е. от значения измеряемой величины.
1
2
Если в третьем детекторе 320 элементов каркаса выбрать управляющий сигнал I постоянным и регулировать лишь второй управляющий сигнал I, то регулирующий параметр n будет определяться выражением
.
2
1
Если же выбрать постоянным второй управляющий сигнал I и регулировать лишь первый управляющий сигнал I, то регулирующий параметр n будет определяться выражением
.
На фиг. 8 показана структурная схема четвертого детектора 330 элементов каркаса. Четвертый детектор 330 элементов каркаса содержит первый электрод 331, второй электрод 332 и третий электрод 333. Первый электрод 331 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Третий электрод 333 образует вторую обкладку 122 второго конденсатора 120. Второй электрод 332 образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110 и первую обкладку 121 второго конденсатора 120. Третий конденсатор 130 и четвертый конденсатор 140 выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости.
изм
этал
Таким образом, в четвертом детекторе 330 элементов каркаса емкость С первого конденсатора 110 и емкость С второго конденсатора 120 являются переменными. Регулирующий параметр n определяется выражением
.
На фиг. 9 показана структурная схема пятого детектора 340 элементов каркаса. Первый электрод 341 пятого детектора 340 элементов каркаса образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Третий электрод 343 пятого детектора 340 элементов каркаса образует вторую обкладку 132 третьего конденсатора 130. Второй электрод 342 пятого детектора 340 элементов каркаса образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110 и первую обкладку 131 третьего конденсатора 130. Второй конденсатор 120 и четвертый конденсатор 140 выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости.
изм
комп,изм
изм
комп,изм
этал
комп,этал
Таким образом, в пятом детекторе 340 элементов каркаса емкость С первого конденсатора 110 и емкость С третьего конденсатора 130 являются переменными. Если из соображений симметрии связи обоих излучающих электродов 341, 343 с приемным электродом 342 должны быть одинаковой величины, то посредством дополнительной постоянной емкости у четвертого узла 104 схемы можно обеспечить, чтобы С была больше С. Тогда разность емкости С второго конденсатора 120 и емкости С четвертого конденсатора 140 выбирается равной по величине этой дополнительной постоянной емкости. В этом случае регулирующий параметр n определяется выражением
.
1
2
Если выбрать первый управляющий сигнал I постоянным и регулировать только второй управляющий сигнал I, то регулирующий параметр n будет определяться выражением
.
В первом детекторе 300 элементов каркаса, втором детекторе 310 элементов каркаса, третьем детекторе 320 элементов каркаса, четвертом детекторе 330 элементов каркаса и пятом детекторе 340 элементов каркаса конденсаторы, выполненные в виде конденсаторов постоянной емкости, также могут быть образованы электродными парами. При этом важно лишь то, чтобы на емкость этих конденсаторов постоянной емкости не влияли объекты или измерительная среда, или чтобы это влияние было очень мало по сравнению с влиянием на переменные емкости детекторов 300, 310, 320, 330, 340 элементов каркаса.
Первый детектор 300 элементов каркаса, показанный на фиг. 5, второй детектор 310 элементов каркаса, показанный на фиг. 6, и третий детектор 320 элементов каркаса, показанный на фиг. 7, подходят для проведения абсолютных измерений. Четвертый детектор 330 элементов каркаса, показанный на фиг. 8, и пятый детектор 340 элементов каркаса, показанный на фиг. 9, подходят для проведения дифференциальных измерений. Для пояснения различия между этими принципами измерения на фиг. 10 приведен график 500, схематически иллюстрирующий формы кривых измеряемой величины в соответствующих случаях. На горизонтальной оси графика, показанного на фиг. 10, отложена координата 501 местоположения. На вертикальной оси 502 графика представлено значение регулирующего параметра n. Координата 501 местоположения соответствует направлению в пространстве, в котором электроды детекторов 300, 310, 320, 330, 340 элементов каркаса расположены рядом друг с другом. Если объект перемещается под детекторами 300, 310, 320, 330, 340 элементов каркаса в направлении координаты 501 местоположения, то в случае первого детектора 300 элементов каркаса, второго детектора 310 элементов каркаса и третьего детектора 320 элементов каркаса кривая регулирующего параметра n будет соответствовать кривой результатов абсолютного измерения 510. В случае четвертого детектора 330 элементов каркаса и пятого детектора 340 элементов каркаса кривая регулирующего параметра n будет соответствовать кривой дифференциального измерения 520.
Зависимость регулирующего параметра n от изменений емкостей конденсаторов 110, 120, 130, 140 можно представить следующим образом: Если увеличивается емкостная связь между первой обкладкой 111 и второй обкладкой 112 первого конденсатора 110, то в первой фазе течет больший ток, и регулирующий параметр n убывает. Если увеличивается емкостная связь между первой обкладкой 121 и второй обкладкой 122 второго конденсатора 120, то во время второй фазы течет больший ток, и регулирующий параметр n возрастает. Если увеличивается емкостная связь между первой обкладкой 131 и второй обкладкой 132 третьего конденсатора 130, то во время первой фазы течет меньший ток, и регулирующий параметр n возрастает. Если увеличивается емкостная связь между первой обкладкой 141 и второй обкладкой 142 четвертого конденсатора 140, то во время второй фазы течет меньший ток, и регулирующий параметр n убывает.
На фиг. 11-14 показаны другие примеры детекторов элементов каркаса, подходящие для проведения дифференциальных измерений. На фиг. 19, 20, 23, 24 и 25 показаны другие примеры детекторов элементов каркаса, подходящие для проведения абсолютных измерений. Все эти детекторы элементов каркаса имеют в общей сложности пять электродов. При этом также второй электрод расположен между первым электродом и третьим электродом. Кроме того, в этих детекторах элементов каркаса четвертый электрод расположен между первым электродом и вторым электродом. Пятый электрод расположен между вторым электродом и третьим электродом.
На фиг. 11 показана структурная схема шестого детектора 350 элементов каркаса. Первый электрод 351 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 354 образует вторую обкладку 142 четвертого конденсатора 140. Пятый электрод 355 образует вторую обкладку 132 третьего конденсатора 130. Третий электрод 353 образует вторую обкладку 122 второго конденсатора 120. Второй электрод 352 образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110, первую обкладку 121 второго конденсатора 120, первую обкладку 131 третьего конденсатора 130 и первую обкладку 141 четвертого конденсатора 140.
На фиг. 12 показана структурная схема седьмого детектора 360 элементов каркаса. Первый электрод 361 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 364 образует вторую обкладку 132 третьего конденсатора 130. Пятый электрод 365 образует вторую обкладку 142 четвертого конденсатора 140. Третий электрод 363 образует вторую обкладку 122 второго конденсатора 120. Второй электрод 362 образует первые обкладки 111, 121, 131, 141 конденсаторов 110, 120, 130, 140.
На фиг. 13 показана структурная схема восьмого детектора 370 элементов каркаса. Первый электрод 371 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 374 образует вторую обкладку 142 четвертого конденсатора 140. Пятый электрод 375 образует вторую обкладку 122 второго конденсатора 120. Третий электрод 373 образует вторую обкладку 132 третьего конденсатора 130. Второй электрод 372 образует первые обкладки 111, 121, 131, 141 четырех конденсаторов 110, 120, 130, 140.
На фиг. 14 показана структурная схема девятого детектора 380 элементов каркаса. Первый электрод 381 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 384 образует вторую обкладку 122 второго конденсатора 120. Пятый электрод 385 образует вторую обкладку 142 четвертого конденсатора 140. Третий электрод 383 образует вторую обкладку 132 третьего конденсатора 130. Второй электрод 382 образует первые обкладки 111, 121, 131, 141 четырех конденсаторов 110, 120, 130, 140.
На фиг. 15-18 схематически показаны зоны действия различных электродов детекторов 350, 360, 370, 380 элементов каркаса, показанных на фиг. 11-14.
На фиг. 15 показан первый режим 600 измерения, реализуемый посредством шестого детектора 350 элементов каркаса, показанного на фиг. 11. Первая зона 601 действия схематично представляет зону действия первого электрода 351. Объект, находящийся в первой зоне 601 действия, уменьшает регулирующий параметр n. Объект, находящийся во второй зоне 602 действия, являющейся зоной действия третьего электрода 353, увеличивает регулирующий параметр n. Объект, находящийся в третьей зоне 603 действия, являющейся зоной действия четвертого электрода 354, уменьшает регулирующий параметр n. Объект, находящийся в четвертой зоне 604 действия, являющейся зоной действия пятого электрода 355 шестого детектора 350 элементов каркаса, увеличивает регулирующий параметр n.
На фиг. 16 показан второй режим 610 измерения, реализуемый посредством седьмого детектора 360 элементов каркаса. Объект, находящийся в первой зоне 611 действия, являющейся зоной действия первого электрода 361, уменьшает регулирующий параметр n. Объект, находящийся во второй зоне 612 действия, являющейся зоной действия третьего электрода 363, увеличивает регулирующий параметр n. Объект, находящийся в третьей зоне 613 действия, являющейся зоной действия четвертого электрода 364, также увеличивает регулирующий параметр n. Объект, находящийся в четвертой зоне 614 действия, являющейся зоной действия пятого электрода 365, уменьшает регулирующий параметр n.
На фиг. 17 схематически показан третий режим 620 измерения, реализуемый посредством восьмого детектора 370 элементов каркаса. Объект, находящийся в первой зоне 621 действия, являющейся зоной действия первого электрода 371, уменьшает регулирующий параметр n. Объект, находящийся во второй зоне 622 действия, являющейся зоной действия третьего электрода 373, увеличивает регулирующий параметр n. Объект, находящийся в третьей зоне 623 действия, являющейся зоной действия четвертого электрода 374, уменьшает регулирующий параметр n. Объект, находящийся в четвертой зоне 624 действия, являющейся зоной действия пятого электрода 375, увеличивает регулирующий параметр n.
На фиг. 18 схематически показан четвертый режим 630 измерения, реализуемый посредством девятого детектора 380 элементов каркаса, показанного на фиг. 14. Объект, находящийся в первой зоне 631 действия, являющейся зоной действия первого электрода 381, уменьшает регулирующий параметр n. Объект, находящийся во второй зоне 632 действия, являющейся зоной действия третьего электрода 383, увеличивает регулирующий параметр n. Объект, находящийся в третьей зоне 633 действия, являющейся зоной действия четвертого электрода 384, также увеличивает регулирующий параметр n. Объект, находящийся в четвертой зоне 634 действия, являющейся зоной действия пятого электрода 385, уменьшает регулирующий параметр n.
На фиг. 19 схематически показан десятый детектор 390 элементов каркаса. Первый электрод 391 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 394 образует вторую обкладку 122 второго конденсатора 120. Пятый электрод 395 образует вторую обкладку 132 третьего конденсатора 130. Третий электрод 393 образует вторую обкладку 142 четвертого конденсатора 140. Второй электрод 392 образует первые обкладки 111, 121, 131, 141 четырех конденсаторов 110, 120, 130, 140.
На фиг. 20 схематически показан одиннадцатый детектор 400 элементов каркаса. Первый электрод 401 образует вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 404 образует вторую обкладку 132 третьего конденсатора 130. Пятый электрод 405 образует вторую обкладку 122 второго конденсатора 120. Третий электрод 403 образует вторую обкладку 142 четвертого конденсатора 140. Второй электрод 402 образует первые обкладки 111, 121, 131, 141 четырех конденсаторов 110, 120, 130, 140.
На фиг. 21 схематически показан пятый режим 640 измерения, реализуемый посредством десятого датчика 390 элементов каркаса, показанного на фиг. 19. При попадании объекта во внешнюю зону 641 действия, являющуюся зоной действия первого электрода 391 и третьего электрода 393, регулирующий параметр n уменьшается. Если объект попадает во внутреннюю зону 642 действия, являющуюся зоной действия четвертого электрода 394 и пятого электрода 395, это вызывает увеличение регулирующего параметра n.
На фиг. 22 схематически показан шестой режим 650 измерения, реализуемый посредством одиннадцатого детектора 400 элементов каркаса, показанного на фиг. 20. Если объект попадает во внешнюю зону 651 действия, являющуюся зоной действия первого электрода 401 и третьего электрода 403, это вызывает уменьшение регулирующего параметра n. Если объект попадает во внутреннюю зону 652 действия, являющуюся зоной действия четвертого электрода 404 и пятого электрода 405, это вызывает увеличение регулирующего параметра n.
На фиг. 23 показана структурная схема двенадцатого детектора 410 элементов каркаса. Первый электрод 411 и третий электрод 413 совместно образуют вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 414 и пятый электрод 415 совместно образуют вторую обкладку 142 четвертого конденсатора 140. Второй электрод 412 образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110 и первую обкладку 141 четвертого конденсатора 140. Второй конденсатор 120 и третий конденсатор 130 выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости.
На фиг. 24 показана структурная схема тринадцатого детектора 420 элементов каркаса. Первый электрод 421 и третий электрод 423 совместно образуют вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 424 и пятый электрод 425 совместно образуют вторую обкладку 122 второго конденсатора 120. Второй электрод 422 образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110 и первую обкладку 121 второго конденсатора 120. Третий конденсатор 130 и четвертый конденсатор 140 выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости.
На фиг. 25 показана структурная схема четырнадцатого детектора 430 элементов каркаса. Первый электрод 431 и третий электрод 433 совместно образуют вторую обкладку 112 первого конденсатора 110. Четвертый электрод 434 и пятый электрод 435 совместно образуют вторую обкладку 132 третьего конденсатора 130. Второй электрод 432 образует первую обкладку 111 первого конденсатора 110 и первую обкладку 131 третьего конденсатора 130. Второй конденсатор 120 и четвертый конденсатор 140 выполнены в виде конденсаторов постоянной емкости.
На фиг. 26 схематически показан седьмой режим 660 измерения, реализуемый посредством двенадцатого детектора 410 элементов каркаса, показанного на фиг. 23. Если объект попадает во внешнюю зону 661 действия, являющуюся зоной действия первого электрода 411 и третьего электрода 413, это вызывает уменьшение регулирующего параметра n. Если объект попадает во внутреннюю зону 662 действия, являющуюся зоной действия четвертого электрода 414 и пятого электрода 415, это также вызывает уменьшение регулирующего параметра n.
На фиг. 27 схематически показан восьмой режим 670 измерения, реализуемый посредством тринадцатого детектора 420 элементов каркаса. Если объект попадает во внешнюю зону 671 действия, являющуюся зоной действия первого электрода 421 и третьего электрода 423, это вызывает уменьшение регулирующего параметра n. Если объект попадает во внутреннюю зону 672 действия, являющуюся зоной действия четвертого электрода 424 и пятого электрода 425, это вызывает увеличение регулирующего параметра n.
На фиг. 28 схематически показан девятый режим 680 измерения, реализуемый посредством четырнадцатого детектора 430 элементов каркаса, показанного на фиг. 25. Если объект попадает во внешнюю зону 681 действия, являющуюся зоной действия первого электрода 431 и третьего электрода 433, это вызывает уменьшение регулирующего параметра n. Если объект попадает во внутреннюю зону 682 действия, являющуюся зоной действия четвертого электрода 434 и пятого электрода 435, это вызывает увеличение регулирующего параметра n.
Детекторы 350, 360, 370, 380, 390, 400, 410, 420, 430 элементов каркаса, изображенные на фиг. 11-14, 19, 20 и 23-25, можно отнести к четырем случаям, что касается приложенных к электродам напряжений. На фиг. 29-32 показаны электрические поля 700, получаемые в этих четырех случаях. На каждой из вышеупомянутых фигур изображены первый электрод 701, второй электрод 702, третий электрод 703, четвертый электрод 704 и пятый электрод 705. Пять электродов 701, 702, 703, 704, 705 расположены рядом друг с другом вдоль первой координатной оси 706, причем первый электрод 701, четвертый электрод 704, второй электрод 702, пятый электрод 705 и третий электрод 703 расположены в этой последовательности друг за другом. Вторая координатная ось 707 ориентирована перпендикулярно первой координатной оси 706 и перпендикулярно плоскости электродов 701, 702, 703, 704, 705.
Показанное на фиг. 29 первое распределение потенциалов 710 получается в том случае, когда ко всем четырем излучающим электродам 701, 704, 705, 703 приложен один и тот же потенциал. Этот случай может рассматриваться как абсолютное классическое измерение.
Показанное на фиг. 30 второе распределение потенциалов 720 получается в том случае, когда к излучающим электродам 701, 704, расположенным слева от приемного электрода 702, и к излучающим электродам 705, 703, расположенным справа от приемного электрода 702, приложен потенциал, одинаковый по величине, но различающийся по знаку между левой парой 701, 704 и правой парой 705, 703. Этот случай может рассматриваться как дифференциальное классическое измерение.
Показанное на фиг. 31 третье распределение потенциалов 730 получается в том случае, когда к внешним излучающим электродам 701, 703 и к внутренним излучающим электродам 704, 705 приложен потенциал, одинаковый по величине, но различающийся по знаку между внешней парой 701, 703 и внутренней парой 704, 705. Этот случай может рассматриваться как абсолютное прогрессивное измерение.
Показанное на фиг. 32 четвертое распределение потенциалов 740 получается в том случае, когда знаки потенциалов различаются как между излучающими электродами 701, 704 и 705, 703, расположенными по одну сторону, так и между внешними излучающими электродами 701, 703, так и между внутренними излучающими электродами 704, 705. Этот случай может рассматриваться как дифференциальное прогрессивное измерение.
Третье распределение потенциалов 730 и четвертое распределение потенциалов 740 делают возможной зависимость знака изменения регулирующего параметра n от расстояния от объекта до детектора элементов каркаса по нормали. Каждая из представленных графических картин электрического поля 700 имеет точку, в которой электрические поля 700 взаимно гасятся. На расстояние до детектора элементов каркаса, на котором имеет место такая перемена знака изменения регулирующего параметра n, можно влиять посредством геометрии электродов и прикладываемых к электродам напряжений. При этом расстоянии до объекта, характеризующемся переменой знака, детектор элементов каркаса слеп. В емкостном детекторе элементов каркаса эту особенность можно выгодно использовать, чтобы сделать детектор элементов каркаса более стойким к определенным помехам. К таковым относятся неоднородности материала стены и непреднамеренное перекашивание детектора элементов каркаса на поверхности стены, которое может иметь место, например, из недостаточности навыков работы у пользователя, шероховатости поверхности стены или по иным причинам. Это позволяет заметно повысить надежность детектора элементов каркаса по сравнению с уровнем техники.