СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕМКОСТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ
METHOD AND APPARATUS FOR CAPACITIVE DETECTION OF OBJECTS

Настоящее изобретение относится к емкостному обнаружению объектов, например людей.
Известный уровень
Присутствие тел или объектов можно обнаружить путем определения изменения емкости между двумя пластинами. Присутствие объекта вызывает изменение диэлектрической постоянной между пластинами, а это, в свою очередь, вызывает изменение емкости, создаваемой упомянутыми двумя пластинами, по сравнению с ситуацией, когда объект находится вдали от пластин.
Емкостной датчик можно использовать, например, для обнаружения движения людей, например, в системе антикражевой сигнализации.
Емкость емкостного датчика обычно имеет очень малую абсолютную величину. Электромагнитный шум, связанный с датчиком и контрольной схемой, затрудняет обнаружение небольших изменений емкости.
Известно, что величину емкости конденсатора можно измерить путем подключения конденсатора как части RC-цепи и определения постоянной времени этой RC-цепи. Резистор и конденсатор соединяются последовательно, и конденсатор заряжается через резистор, начиная с определенного напряжения. Время зарядки можно охарактеризовать постоянной времени. Постоянную времени цепи, образованной конденсатором и резистором, определяют либо посредством измерения времени до достижения предварительно определенного уровня напряжения, либо посредством измерения напряжения по истечении предварительно определенного времени загрузки. Когда постоянная времени и сопротивление известны, можно вычислить емкость.
Этот способ можно использовать для измерения емкости емкостного датчика. Однако проблема данного способа состоит в том, что, если измеряемая емкость маленькая, энергия измеряемого сигнала очень мала. Поэтому сложно достичь достаточной точности путем измерения времени зарядки или напряжения, достигнутого после предварительно определенного времени загрузки. Кроме того, на измерение может влиять электромагнитное излучение. На практике датчик имеет настолько малую емкость, что время зарядки тоже короткое и его невозможно измерить достаточно точно, например, с помощью недорогого микроконтроллера. Кроме того, измерение на основании этого принципа не предусматривает какого-либо фильтра нижних частот, что позволяет высокочастотному шуму от наложения спектров накладываться на измеряемый сигнал.
Известно, что величину емкости конденсатора можно измерить путем подключения переменного напряжения к конденсатору и определения импеданса этого конденсатора.
Конденсатор оказывает сопротивление потоку переменного тока за счет своего импеданса. Этот импеданс обратно пропорционален емкости в частотной области. Импеданс неизвестного конденсатора можно сравнить с импедансом известного конденсатора, например, с помощью мостовой схемы сравнения, такой как мост Уитстона. Этот способ требует использования сложных схем и поэтому неэкономичен.
Известно, что изменения величины емкости конденсатора можно обнаружить путем подключения конденсатора как части настроенного колебательного контура.
Устройство емкостного датчика может содержать резонансный контур, состоящий из неизвестного воспринимающего конденсатора и известной катушки (индуктивности). Когда емкость воспринимающего конденсатора достигает определенной величины, контур начинает резонировать и амплитуда колебаний внезапно увеличивается. Можно легко измерить, резонирует контур или нет. Этот способ очень чувствительный, но только в определенном узком диапазоне емкости. Данный способ не годится для применений, требующих более широкого диапазона.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения - создание устройства и способа, пригодных для емкостного обнаружения объектов.
Присутствие объекта изменяет емкость емкостного датчика, т.е. воспринимающего конденсатора, по сравнению с ситуацией, когда объект находится далеко. Движение объекта вблизи емкостного датчика изменяет емкость воспринимающего конденсатора.
Согласно первому аспекту изобретения предложено устройство для емкостного обнаружения объекта, содержащее:
емкостной датчик, имеющий воспринимающий конденсатор, образованный между по меньшей мере одним первым емкостным элементом и по меньшей мере одним вторым емкостным элементом, так что присутствие объекта может изменять емкость воспринимающего конденсатора,
источник напряжения,
первый переключатель для соединения воспринимающего конденсатора с источником напряжения для зарядки воспринимающего конденсатора,
накопительный конденсатор,
второй переключатель для соединения воспринимающего конденсатора с накопительным конденсатором для передачи заряда от воспринимающего конденсатора накопительному конденсатору и для изменения напряжения накопительного конденсатора,
по меньшей мере один блок управления переключателями для управления зарядкой и передачей заряда путем размыкания и замыкания переключателей несколько раз, чтобы переключатели не находились в замкнутом состоянии одновременно,
блок контроля напряжения для контролирования напряжения накопительного конденсатора, и
контроллер для определения по меньшей мере одного значения измерения, которое зависит от скорости изменения напряжения накопительного конденсатора.
Согласно второму аспекту изобретения предложен способ для емкостного обнаружения объекта с использованием емкостного датчика, имеющего воспринимающий конденсатор, образованный между по меньшей мере одним первым емкостным элементом и по меньшей мере одним вторым емкостным элементом, так что присутствие объекта может изменять величину емкости воспринимающего конденсатора, способ содержит:
зарядку воспринимающего конденсатора путем подключения его к источнику напряжения, причем во время зарядки источник напряжения отсоединяется от накопительного конденсатора,
передачу заряда от воспринимающего конденсатора накопительному конденсатору, причем во время передачи заряда источник напряжения отсоединяется от накопительного конденсатора,
повторение зарядки и передачи заряда несколько раз,
контролирование напряжения накопительного конденсатора, и
определение по меньшей мере одного значения измерения, которое зависит от скорости изменения напряжения накопительного конденсатора.
Согласно изобретению с помощью измерительной схемы определяется неизвестная емкость воспринимающего конденсатора. Согласно изобретению известный накопительный конденсатор заряжается посредством передачи заряда несколько раз от источника напряжения к накопительному конденсатору с использованием воспринимающего конденсатора. Зарядка повышает напряжение накопительного конденсатора со скоростью, пропорциональной емкости воспринимающего конденсатора. Движение объекта можно обнаружить путем сравнения первой скорости изменения со второй скоростью изменения, измеренной ранее. Если скорость изменения напряжения накопительного конденсатора увеличилась, можно сделать вывод, что объект переместился ближе к емкостному датчику. Изменение скорости изменения напряжения (вторая производная) показывает, что объект приблизился к емкостному датчику.
Напряжение воспринимающего конденсатора является низкоэнергетическим сигналом, а напряжение накопительного конденсатора является высокоэнергетическим сигналом. Передача заряда большему известному конденсатору меньшим воспринимающим конденсатором позволяет интегрировать низкоэнергетический сигнал в высокоэнергетический сигнал, например, перед аналого-цифровым преобразованием. Следовательно, существенно снижается чувствительность измерительного устройства к электромагнитным помехам.
Можно также оптимизировать рабочие параметры измерительного устройства, чтобы оптимизировать разрешение, диапазон измерений и/или скорость получения данных. Можно также регулировать рабочие параметры с помощью программного обеспечения.
Измерительное устройство также по своей сути содержит фильтр нижних частот, образованный меньшим воспринимающим конденсатором, переключателем передачи заряда и большим накопительным конденсатором. Фильтр нижних частот эффективно ослабляет шум, вызванный высокочастотными помехами.
Известно, что точное измерение малых емкостей можно осуществлять при использовании опасно высоких напряжений, например порядка 100 В или выше. Настоящее изобретение позволяет точно контролировать изменения в емкости с помощью более низких напряжений, например 24 В или ниже.
Варианты осуществления изобретения и его преимущества станут более очевидными для специалистов из описания и приведенных ниже примеров, а также из прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будут подробно описаны примерные варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 - трехмерный вид емкостного датчика приближения,
фиг.2 - схематический вид измерительной схемы переключаемого конденсатора согласно изобретению,
фиг.3 - принципиальная схема устройства измерения емкости, содержащего компаратор напряжения,
фиг.4 - временная диаграмма для устройства, показанного на фиг.3,
фиг.5 - принципиальная схема устройства измерения емкости, содержащего аналоговое переключающее устройство DG403DJ,
фиг.6 - примерный вывод измерения,
фиг.7a - примеры возможного выбора параметров измерения,
фиг.7b - частота отсечки для переключения емкости,
фиг.8 - принципиальная схема устройства измерения емкости, содержащего аналого-цифровой преобразователь,
фиг.9 - пример временной диаграммы для устройства, показанного на фиг.8,
фиг.10a - пример временной эволюции напряжения конденсатора для устройства, показанного на фиг.3,
фиг.10b - пример временной эволюции напряжения конденсатора для устройства, показанного на фиг.8,
фиг.11 - трехмерный вид матрицы емкостных датчиков,
фиг.12a - вид сверху воспринимающего полотна,
фиг.12b - поперечное сечение полотна, показанного на фиг.12a,
фиг.13 - принципиальная схема устройства измерения дифференциальной емкости,
фиг.14a - трехмерный вид емкостного датчика приближения, содержащего три пластины, и
фиг.14b - трехмерный вид емкостного датчика приближения, содержащего две пластины, причем датчик расположен над электрическим заземлением.
Все чертежи имеют схематический характер.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Изображенный на фиг.1 емкостной датчик 20 может содержать первый проводящий элемент 10a и второй проводящий элемент 10b. Элементы 10a, 10b электрически изолированы друг от друга. Элементы 10a, 10b могут иметь любую форму. Один или оба элемента 10a, 10b могут быть проводящими структурами, состоящими из нескольких частей. Можно также использовать электрическое заземление или землю в качестве проводящего элемента 10a или 10b (см. фиг.14b). Первый элемент 10a имеет вывод T0, и второй элемент имеет вывод T1.
Предпочтительно элементы 10a, 10b являются пластинами. Пластины 10a, 10b могут быть расположены внутри или сверху на электроизолирующем основании 5.
Пластины 10a, 10b вместе со средой, расположенной между ними, образуют емкостную систему. Емкостная система CX имеет величину емкости CX. Для простоты символ CX используется в данном описании для обозначения как физического элемента (конденсатора), так и измеряемой величины (емкости).
Присутствие объекта BOD1 вблизи датчика 20 изменяет диэлектрическую проницаемость среды между пластинами 10a, 10b. Следовательно, присутствие объекта BOD1 изменяет емкость CX по сравнению с ситуацией, когда объект BOD1 находится далеко от датчика 20.
Емкость CX зависит от расстояния между объектом BOD1 и датчиком 20, а также от материала, размера и формы объекта BOD1. Таким образом, емкостная система CX представляет неизвестный конденсатор.
Емкость CX может быть, например, меньше или равна 5 нФ, когда объект BOD1 находится далеко от датчика 20, или даже меньше или равна 1 нФ, чтобы повысить пространственное разрешение. Для обеспечения достаточного пространственного разрешения могут потребоваться пластины 10a, 10b с маленькой площадью.
Диэлектрическая проницаемость объекта обычно отличается от диэлектрической проницаемости воздуха. Присутствие объекта BOD1, как правило, увеличивает емкость CX. Присутствие проводящего объекта BOD1 также увеличивает емкость CX. Это обусловлено тем, что электропроводящий объект можно понимать как объект, имеющий по существу бесконечную диэлектрическую проницаемость.
Датчик 20 может содержать электроизолирующий слой (см., например, фиг.12b) для предотвращения электрического контакта между пластинами 10a, 10b и объектом BOD1.
Чтобы обеспечить оптимальное пространственное разрешение и соотношение сигнал-шум, размер пластин 10a, 10b может иметь такой же порядок величины, как размер объекта BOD1, подлежащего обнаружению. Если объект BOD1 является, например, стопой человека, то размеры пластин 10a могут быть, например, в интервале 3-30 см в направлениях DX и DY.
DX, DY и DZ являются ортогональными направлениями. Основание 5 может быть расположено в плоскости, образованной направлениями DX и DY.
На фиг.2 представлена схема переключаемого конденсатора, которая содержит конденсатор, включенный между двумя переключателями, так что конденсатор может попеременно заряжаться и разряжаться. Схема такого типа работает как резистор.
SW
Фиг.2 изображает схему переключаемого конденсатора, которая содержит неизвестную воспринимающую емкость CX, первый переключатель S1, второй переключатель S2 и источник напряжения 40. Источник напряжения обеспечивает напряжение V1. Переключатели S1 и S2 размыкаются и замыкаются с частотой переключений f, так что переключатели S1, S2 не бывают в замкнутом состоянии одновременно. Например, первый переключатель может находиться в замкнутом (проводящем) состоянии, когда второй переключатель S2 находится в разомкнутом (непроводящем) состоянии, и наоборот.
Источник напряжения 40 обеспечивает напряжение V1. Замыкание переключателя S1 передает заряд воспринимающему конденсатору CX. Размыкание переключателя S1 и замыкание переключателя S2 передает заряд от воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору C2. попеременное размыкание и замыкание переключателей S1, S2 несколько раз повышает напряжение накопительного конденсатора C2 ступенчатым образом. Это переключение может продолжаться, например, до тех пор, пока не будет достигнуто предварительно определенное напряжение на накопительном конденсаторе C2.
На фиг.3 изображено устройство 100 обнаружения приближения, которое может содержать емкостной датчик 20 приближения, переключатели S1, S2, S3, накопительный конденсатор C2, источник 40 напряжения, источник 58 опорного напряжения, компаратор 50 и контроллер 60. Источник 40 напряжения обеспечивает напряжение V1. Емкостной датчик 20 представлен воспринимающим конденсатором CX.
Первая точка соединения источника 40 напряжения подключена к первому выводу T0 воспринимающего конденсатора CX. Вторая точка соединения источника 40 напряжения подключена ко второму выводу T1 воспринимающего конденсатора CX через переключатель S1. Следовательно, воспринимающий конденсатор CX может заряжаться до напряжения V1 источника 40.
Вывод T0 можно также соединить с заземлением GND, например с землей. Однако это не всегда необходимо.
Сначала можно разрядить накопительный конденсатор C2 путем замыкания переключателя S3. После этого переключатель S3 размыкается и удерживается в разомкнутом состоянии.
Теперь заряжается воспринимающий конденсатор CX путем замыкания переключателя S1, а переключатель S2 находится в разомкнутом состоянии. Затем размыкается переключатель S1 и заряд передается от воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору C2 при замыкании переключателя S2. Переданный заряд повышает напряжение VX на накопительном конденсаторе на небольшую величину.
Емкость накопительного конденсатора C2 может быть, например, больше чем или равна десятикратному минимальному значению емкости воспринимающего конденсатора CX, предпочтительно выше или равна стократному значению емкости воспринимающего конденсатора CX.
Напряжение VX накопительного конденсатора увеличивается при последовательном замыкании и размыкании переключателей S1 и S2 несколько раз до тех пор, пока напряжение VX не достигнет или не превысит опорное напряжение Vref, обеспечиваемое источником 58 опорного напряжения.
Напряжения VX и Vref можно подавать на входы 51, 52 компаратора 50. Выход 53 компаратора 50 можно подсоединить ко входу 61 контроллера 60.
Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью разрядки накопительного конденсатора C2 путем замыкания переключателя S3, когда изменяется состояние выхода 53 компаратора.
Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью разрядки накопительного конденсатора C2 путем замыкания переключателя S3 по истечении предварительно определенного времени после изменения состояния выхода 53 компаратора.
Переключатели S1, S2, S3 можно регулировать по меньшей мере одним блоком 90 управления переключателями, который может быть отдельным элементом или частью контроллера 60.
k
k
Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью подсчета числа N циклов передачи заряда, т.е. количества замыканий переключателя S2, необходимых для изменения состояния выхода компаратора. Контроллер 60 можно выполнить с возможностью отправки числа N внешнему устройству 200 обработки данных через выводы 62, 201.
k
k
Число N или дополнительная информация, зависящая от подсчитанного числа N, представляет результат измерения.
k
FIX
Этой дополнительной информацией может быть, например, постоянная времени, период времени T, необходимый для того, чтобы напряжение CX накопительного конденсатора достигло предварительно определенного напряжения, напряжение VX накопительного конденсатора C2, достигнутое после предварительно определенного периода времени T, абсолютное значение воспринимающего конденсатора CX, изменение емкости воспринимающего конденсатора CX по сравнению с ее предыдущим значением или относительное изменение (например, +1%) емкости воспринимающего конденсатор CX по сравнению с ее предыдущим измеренным значением.
Под скоростью получения данных устройства 100 обнаружения приближения подразумевается количество независимых значений емкости CX, измеренных за единицу времени. Частота переключения означает количество циклов замыкания второго переключателя S2 за единицу времени. Частота переключения может превосходить скорость получения данных на несколько порядков величины.
k
Опорное напряжение Vref может быть ниже чем или равно 30% напряжения V1 источника 40 напряжения, чтобы обеспечить по существу линейную зависимость между подсчитанным числом N и значением емкости CX.
Источник 58 опорного напряжения может содержать, например, делитель напряжения, образованный резисторами R1 и R2. Преимущество делителя напряжения состоит в том, что результат измерения по существу не зависит от абсолютного напряжения V1. Можно также использовать источник опорного напряжения, построенный, например, на основе стабилитрона.
Устройство 200 обработки данных может быть, например, компьютером системы наблюдения.
Абсолютное значение неизвестной воспринимающей емкости CX может определяться устройством 100. Абсолютное значение CX воспринимающей емкости можно вычислить из известных значений емкости накопительного конденсатора C2, известной частоты переключений и известного соотношения между напряжением VX накопительного конденсатора C2 и напряжением V1 источника 40 напряжения.
Еще более точное вычисление можно произвести, если учитывать импедансы (сопротивление и емкость) переключателей S1 и S2.
Определенные вычислением значения емкости CX можно дополнительно уточнить с помощью калибровки, например, путем определения калибровочного коэффициента посредством подключения известного конденсатора к выводу T0 и T1.
Однако во многих случаях нет необходимости определять абсолютное значение воспринимающей емкости CX. Устройство 100 можно выполнить с возможностью обнаружения изменения в воспринимающей емкости CX. Это изменение можно определять как относительное изменение, например 1% увеличения по сравнению с предыдущим измеренным значением.
Частоту переключения и/или емкость C2 можно сделать регулируемой, чтобы оптимизировать скорость получения данных, точность и/или разрешение. Например, контроллер 60 можно выполнить с возможностью осуществления такой регулировки на основании предыдущего измеренного значения. Скорость получения данных, точность и/или разрешение могут регулироваться с помощью программного обеспечения.
Емкость C2 можно регулировать, например, путем параллельного подключения дополнительного конденсатора с помощью дополнительного переключателя.
На фиг.4 изображена временная диаграмма для устройства на фиг.3. Первая, вторая, третья и пятая кривые, если считать сверху, показывают логические состояния переключателей S1, S2, S3 и выхода компаратора соответственно. Четвертая кривая сверху изображает временную эволюцию напряжения VX накопительного конденсатора.
4,k-1
Переключатель S3 замыкается в момент времени t для разрядки накопительного конденсатора C2. Переключатель S3 можно удерживать замкнутым в течение предварительно определенного времени, чтобы гарантировать, что накопительный конденсатор C2 разрядится в достаточной степени. t означает время, k - целое число, являющееся индексом текущего измеренного результата. Логическое состояние 0 означает разомкнутый переключатель, а логическое состояние 1 означает замкнутый переключатель. По меньшей мере один из переключателей S1, S2 должен быть разомкнут во время разрядки накопительного конденсатора C2.
1,k
2,k
Переключатель S3 размыкается в момент t, и воспринимающий конденсатор CX заряжается посредством замыкания переключателя S1. S2 удерживается в разомкнутом состоянии. Переключатель S1 размыкается в момент t, а переключатель S2 замыкается для передачи заряда от воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору C2. Переключатели S1 и S2 попеременно размыкаются и замыкаются несколько раз до тех пор, пока напряжение VX накопительного конденсатора не достигнет или не превысит опорное напряжение Vref.
3,k
Напряжение VX накопительного конденсатора становится равным опорному напряжению Vref в момент t.
4,k
Переключатель S3 замыкается в момент t, чтобы снова разрядить накопительный конденсатор C2.
k
2,k
3,k
k
ref
k
k
Период времени T между моментами t и t пропорционален подсчитанному числу N, т.е. числу последовательных циклов размыкания и замыкания переключателей S1, S2, необходимых для достижения уровня опорного напряжения V. Длительность периода времени T или соответствующее подсчитанное число N представляет результат измерения.
1,k+1
k+1
k+1
Новая последовательность зарядки и передачи заряда с использованием переключателей S1 и S2 начинается снова в момент t, чтобы определить следующее подсчитанное число N и/или следующий период времени T.
На фиг.5 изображен вариант реализации устройства с использованием микроконтроллера IC1 и аналогового полупроводникового переключающего устройства IC2(DG403DJ). Переключающее устройство запускается прямоугольным сигналом, который поступает на вход 15 переключающего устройства. Частота управляющего сигнала может составлять, например, 500 кГц. Переключающее устройство содержит внутренний инвертор для установки первого переключателя в состояние, отличное от состояния второго переключателя. Первый переключатель включен между выводами 3 (D2) и 4 (S2) переключающего устройства. Второй переключатель включен между выводами 1 (D1) и 16 (S1) переключающего устройства.
Воспринимающий конденсатор CX1 заряжается до напряжения VCC первым переключателем. Затем заряд передается накопительному конденсатору C1.
Емкость воспринимающего конденсатор CX1 может составлять, например, около 200 пФ. Емкость накопительного конденсатора C1 может составлять, например, 470 нФ.
Обозначения выводов микроконтроллера не следует путать с обозначениями других частей устройства, показанных на фиг. 1, 11, 12a, 12b, 14a и 14b.
k
Фиг.6 изображает пример временной эволюции определенного значения числа N, когда объект BOD1 находится на различных расстояниях от емкостного датчика 20. Самые низкие значения были обнаружены, когда объект находился далеко от датчика.
Эти значения измерялись при частоте дискретизации 19.52 Гц. Наименьшее значение индекса k определенных значений было 9670, наибольшее - 33991.
SW
На фиг.7a линии A, B, C, D и E показывают возможные отношения между частотой дискретизации f и подходящими значениями емкости накопительного конденсатора C2 при данной частоте переключения f, когда требуется разрешение 12 бит для измерений.
Например, при частоте переключения 500 кГц и тактовой частоте микроконтроллера 60 8 МГц подходящим значением для накопительного конденсатора C2 может быть, например, 470 нФ. Состояние выхода компаратора или выхода АЦП можно проверять (отсчитывать) с тактовой частотой микроконтроллера 60.
SW
Больший накопительный конденсатор C2 можно выбрать для более высокой частоты переключения f, потому что заряд, передаваемый за единицу времени, также больше при более высокой частоте переключения.
12
Частота дискретизации может быть также равна частоте переключения. В этом случае точность будет ограничена частотой переключения. Когда частота переключения равна, например, 500 кГц, а разрешение равно 12 бит, можно достичь частоты дискретизации (скорости получения данных), приблизительно равной 120 Гц (=500 кГц/2).
Скорость, с которой проверяется выход компаратора (частота дискретизации), может также быть выше частоты переключения. Заряд не передается из воспринимающего конденсатора CX в накопительный конденсатор C2 бесконечно быстро. При использовании частоты дискретизации, которая выше частоты переключения, можно получить более детальную информацию, когда заряд полностью передается из воспринимающего конденсатора CX в накопительный конденсатор. Следовательно, можно дополнительно повысить точность. Частота дискретизации может быть, например, выше или равна двукратной частоте переключения. Частота дискретизации может быть, например, целым кратным частоте переключения.
c
Переключаемый конденсатор CX и накопительный конденсатор C2 образуют вместе фильтр нижних частот, способный подавлять шум. На фиг.7b линии A, B, C, D, и E показывают отношение между емкостью накопительного конденсатора C2 и частотой отсечки f фильтра нижних частот.
c
c
c
Для эффективного подавления шума было бы целесообразно выбрать низкую частоту отсечки f. Однако частота отсечки f также устанавливает верхний предел для скорости получения данных (количества независимых значений емкости CX, которые можно измерить за единицу времени). Поэтому частоту отсечки f невозможно выбирать.
c
Например, когда частота переключения составляет 500 МГц и C2 = 470 нФ, частота отсечки f приблизительно равна 100 Гц.
Фиг.8 изображает устройство 100 обнаружения приближения, которое может содержать емкостной датчик 20, переключатели S1, S2, S3, накопительный конденсатор C2, источник 40 напряжения, источник 58 опорного напряжение, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 70 и контроллер 60.
Источник 40 напряжения обеспечивает напряжение V1. Емкостной датчик 20 приближения представлен неизвестной воспринимающей емкостью CX.
Первая точка соединения источника 40 напряжения подключена к первому выводу T0 воспринимающего конденсатора CX. Вторая точка соединения источника 40 напряжения подключена ко второму выводу T1 воспринимающего конденсатора CX через переключатель S1. Таким образом, воспринимающий конденсатор CX может заряжаться по существу до напряжения V1 источника 40.
Вывод T0 можно также подсоединить к земле GND. Однако это не всегда является необходимым.
Сначала можно разрядить накопительный конденсатор C2 путем замыкания переключателя S3. Затем переключатель S3 размыкается и удерживается в разомкнутом состоянии. Воспринимающий конденсатор CX заряжается при замыкании переключателя S1, в то время как переключатель S2 находится в разомкнутом состоянии. Затем переключатель S1 размыкается и заряд передается из воспринимающего конденсатора CX в накопительный конденсатор C2 при замыкании переключателя S2. Переданный заряд увеличивает напряжение VX на накопительном конденсаторе на небольшую величину.
FIX
Напряжение VX накопительного конденсатора повышается путем последовательного замыкания и размыкания переключателей S1 и S2 несколько раз, например, в течение предварительно определенного периода времени T (фиг.9).
Альтернативно, напряжение VX накопительного конденсатора можно увеличить путем последовательного замыкания и размыкания переключателей S1 и S2 несколько раз до тех пор, пока напряжение VX не достигнет или не превысит предварительно определенный уровень напряжения Vref.
Напряжение VX можно подавать на вход 71 АЦП 70. Вывод АЦП 70 можно подсоединить ко входу 61 контроллера 60.
Переключатели S1, S2, S3 могут управляться по меньшей мере одним блоком 90 управления переключателями, который может быть самостоятельным элементом или частью контроллера 60.
FIX
Управляющий блок 90 может быть выполнен с возможностью разрядки накопительного конденсатора C2 путем замыкания переключателя S3 после предварительно определенного периода времени T. Альтернативно, управляющий блок 90 может быть выполнен с возможностью разрядки накопительного конденсатора C2 путем замыкания переключателя S3, когда напряжение VX достигает или превосходит предварительно определенный уровень напряжения Vref.
k
k
Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью подсчета числа N циклов передачи заряда, т.е. количества замыканий переключателя S2, необходимого для изменения состояния выхода компаратора. Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью отправки подсчитанного числа N внешнему устройству 200 обработки данных через выводы 62, 201.
k
Подсчитанное число N или дополнительная информация, зависящая от подсчитанного числа, представляет результат измерения.
Альтернативно или дополнительно контроллер 60 может быть выполнен с возможностью определения скорости изменения напряжения VX во время зарядки накопительного конденсатора C2. Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью определения дополнительной информации из скорости изменения напряжения VX.
FIX
k
Период времени T может быть достаточно малым, чтобы обеспечить по существу линейную зависимость между числом N и значением емкости CX.
Опорное напряжение Vref может быть достаточно низким, чтобы обеспечить по существу линейную зависимость между подсчитанным числом и значением емкости CX. Vref может быть, например, ниже или равно 30% напряжения V1 источника 40 напряжения.
Скорость получения данных АЦП 70 может быть выше или равна частоте переключения второго переключателя S2, чтобы регистрировать значение напряжения VX для каждого этапа передачи заряда и чтобы захватить максимальное количество точек данных для цифровой обработки сигнала. Однако скорость получения АЦП 70 может также быть ниже, чтобы упростить и ускорить цифровую обработку сигнала.
Для дополнительного уменьшения шума перед входом 71 АЦП 70 может быть включен аналоговый фильтр нижних частот.
Фиг.9 изображает временную диаграмму для устройства на фиг.8. Первая, вторая и третья кривые сверху показывают состояния переключателей S1, S2 и S3 соответственно. Четвертая кривая отображает временную эволюцию напряжения VX накопительного конденсатора C2.
4,k-I
Переключатель S3 замыкается в момент U,чтобы разрядить накопительный конденсатор C2. Переключатель S3 можно удерживать замкнутым в течение предварительно определенного времени, чтобы гарантировать, что накопительный конденсатор C2 разрядится в достаточной степени.
Логическое состояние 0 означает разомкнутый переключатель, а логическое состояние 1 - замкнутый переключатель. По меньшей мере один из переключателей S1, S2 должен быть разомкнут во время разрядки накопительного конденсатора C2.
1,k
2,k
FIX
2,k
Переключатель S3 размыкается в момент времени t, и воспринимающий конденсатор CX заряжается при замыкании переключателя S1. S2 находится в разомкнутом состоянии. Переключатель S1 размыкается в момент времени t, и переключатель S2 замыкается для передачи заряда от воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору C2. Переключатели S1 и S2 размыкаются и замыкаются попеременно несколько раз, пока не истечет фиксированный период времени T от момента времени t.
FIX
3,k
k
k
k
В конце периода времени T, т.е. в момент t, можно зарегистрировать конечное значение V напряжения VX накопительного конденсатора C2. Конечное значение V представляет измеренное значение, имеющее индекс k. Теперь датчик емкости CX приблизительно обратно пропорционален конечному значению V.
4,k
Переключатель S3 замыкается в момент t, чтобы снова разрядить накопительный конденсатор C2.
1,k+1
k+1
Новая последовательность зарядки и передачи заряда с помощью переключателей S1 и S2 начинается снова в момент t, чтобы определить следующее конечное значение напряжения V, т.е. чтобы определить новое значение измерения.
k
Вместо определения конечного напряжения V контроллер 60 может также быть выполнен с возможностью определения изменения напряжения VX во время зарядки накопительного конденсатора C2. Контроллер 60 может быть также выполнен с возможностью определения скорости изменения напряжения VX или какого-то другого параметра, зависящего от скорости изменения во время зарядки накопительного конденсатора C2.
v
Как видно на фиг.10a, напряжение VX накопительного конденсатора может содержать шум δ. Электромагнитный шум может, например, изначально поступать на пластины 10a, 10b датчика 20 и в провода датчика 20. Обычно наиболее вредные шумовые компоненты имеют место на частоте 50 Гц (в Европе) и ее гармониках из-за переменного сетевого напряжения сети электроснабжения (на частоте 60 Гц в США). Шум датчика 20, т.е. шум напряжения воспринимающего конденсатора CX, значительно уменьшается, когда заряд передается из воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору, потому что комбинация переключателя S2 и накопительного конденсатора C2 действует как фильтр нижних частот. Однако часть шума воспринимающего конденсатора CX все же переносится на напряжение VX накопительного конденсатора C2. Шум может также передаваться непосредственно в измерительную схему устройства 100. Уровень опорного напряжения Vref на входе компаратора также может содержать значительный шум.
k
k
k
k
Продолжительность периода времени T и/или подсчитанное число N определяются путем определения времени, когда напряжение VX достигает или превосходит уровень опорного напряжения Vref. Иными словами, продолжительность периода времени T и/или подсчитанное число N можно измерить путем определения точки CP1, в которой кривая напряжения VX касается или пересекает уровень опорного напряжения Vref.
Т
k
k
Шум обуславливает неопределенность при определении напряжения VX накопительного конденсатора C2 и, следовательно, отклонение Δ продолжительности определенного периода времени T и/или отклонение значения подсчитанного числа N.
Эффект шума можно снизить, если учитывать несколько значений напряжения вместо единственного значения напряжения, предоставленного АЦП 70.
2,k
FIX
На фиг.10b линию LIN1, которая проходит через нулевое напряжение в t, можно подогнать к двум или более дополнительным значениям напряжения MP. Следовательно, положение точки пересечения CP1 можно интерполировать или экстраполировать. CP1 - это точка пересечения линии LIN1 с уровнем опорного напряжения Vref. Линию LIN1 можно подогнать по существу ко всем значениям MP напряжения, измеренным в течение периода T, чтобы повысить точность измерения. Например, можно использовать выравнивание методом наименьших квадратов, чтобы определить наклон линии LIN1. Наклон линии LIN1 аппроксимирует производную по времени напряжения VX накопительного конденсатора C2, т.е. скорость изменения.
FIX
k
k
k
Продолжительность периода времени T может быть фиксированной и она может быть значительно короче, чем период времени T, который бы потребовался для действительного достижения уровня опорного напряжения Vref. Значит, можно определить точку пересечения CP1, период времени T и подсчитанное число N путем экстраполяции. Следовательно, емкость CX датчика 20 можно определять с более высокой скоростью, чем без экстраполяции.
Контроллер 60 можно также выполнить с возможностью выполнения операций обработки сигнала, необходимых для подгонки и экстраполяции.
Зависимость между напряжением VX и временем не является точно линейной. Кроме того, вместо линии LIN1 можно подогнать к точкам измерения MP экспоненциальную кривую.
AVE
Вместо подгонки и экстраполяции контроллер 60 можно также выполнить с возможностью определения, когда среднее V из по меньшей мере двух значений напряжения MP напряжений VX накопительного конденсатора превысит предварительно определенное опорное напряжение Vref. Уровень опорного напряжения Vref можно также регулировать адаптивно, чтобы гарантировать достаточное разрешение и/или достаточную частоту дискретизации. Эту регулировку может осуществлять контроллер 60 или компьютер 200 на основании измеренного значения из предыдущего цикла измерения.
Контроллер 60 можно также выполнить с возможностью определения скорости изменения напряжения VX накопительного конденсатора на основании разности между первым средним значением первой группы точек MP и вторым средним значением второй группы точек MP.
На фиг.11 матрица (структура) 20 датчиков может содержать матрицу пластин 10a, 10b, 10c и 10d для обнаружения положения объекта BOD1. Каждая пластина 10a, 10b, 10c, 10d может быть подсоединена к мультиплексору 30 проводниками 11a, 11b, 11c, 11d. Мультиплексор 30 может быть выполнен с возможностью последовательного подсоединения каждой пластины 10a, 10b, 10c, 10d к выводу T1. Одна или более из смежных пластин может последовательно подсоединяться к другому выводу T0 соответственно. Например, когда пластина 10c подсоединяется к выводу T1, соседняя пластина 11b может подсоединяться к выводу T1 для установления емкостного датчика CX, образованного пластинами 10b и 10c.
Выводы T0 и T1 мультиплексора 30 могут быть подключены к измерительной схеме, как показано на фиг.3 и 8.
Мультиплексор 30 может быть выполнен с возможностью обмена данными с контроллером 60 и/или с процессором данных 200, чтобы связать измеренный сигнал с положением пластин активного в данный момент датчика, т.е. указать положение объекта BOD1.
Фиг.12a иллюстрирует сенсорное полотно W для наблюдения за электропроводящими объектами, например движение и положение тела человека. Полотно W можно использовать, например, для контролирования пожилых людей и инвалидов. Возможные применения также включают в себя, без ограничения перечисленным, контролирование тюрем и мест заключения, бытовых и промышленных автоматических систем, систем воздушных подушек безопасности и другие сенсорные области применения. Воспринимающее полотно W содержит последовательные электропроводящие участки 1. Проводник 2 соединяет электропроводящий участок 1 с выходом 3. Выход 3 снабжен соединителем. Параллельные проводники 2 простираются линейно и образуют угол α по отношению к продольному направлению LD полотна W.
Кусок полотна W можно использовать в качестве напольного датчика.
Матрица 20 датчиков может представлять собой отрезанную часть продольного полотна W. Полотно W может содержать множество пластин 1, каждая из которых имеет проводник 2. Проводник 2 нескольких пластин 1 может простираться до соединительного участка 3 на отрезанном конце полотна W. Поэтому можно легко присоединить измерительную схему или удлинительные кабели к датчику 20, например, с помощью обжимных соединителей.
Пластины и проводники неразрезанного полотна W можно расположить через определенные промежутки на основании 5 таким образом, чтобы можно было получить матрицу 20 датчиков путем отрезания от полотна W. В случае, показанном на фиг.12a, матрица 20 датчиков может содержать пять или менее пластин 1, и проводники 2 пластин проходят до соединительного участка 3 на конце датчика 20.
Фиг.12b изображает поперечное сечение воспринимающего полотна W (сечение А-А на фиг.12a). Это воспринимающее устройство содержит основание 5, электропроводящие участки 1, которые образуют чувствительные элементы, сформированные на поверхности основания 5, и проводники 2, соединяющие чувствительные элементы с выводом 3. Электропроводящие участки 1 могут быть сформированы, например, из вытравленной меди.
Пластины 1 и проводники 2 расположены на электроизолирующем основании 5. Пластины 1 и проводники 2 могут быть покрыты защитным слоем 4 для предотвращения износа и электрического контакта с объектом BOD1.
Датчик 20 можно также реализовать без защитного слоя 4. Датчик 20 можно реализовать в перевернутом положении. Проводники 2 и пластины 1 могут находиться на разных сторонах основания 5. Датчик 20 может содержать дополнительные защитные и/или электроизолирующие слои.
Электропроводящие участки и проводники можно высечь штампом из металлической фольги, и они могут быть проложены слоями между двумя основаниями, т.е. между двумя наложенными друг на друга полотнами.
Электропроводящие участки и их проводники можно расположить в одном слое, а в другом слое можно расположить факультативные РЧ цепи и их проводники. В принципе, можно использовать различные методы, например травление, печать или высечку в одном и том же продукте. Например, электропроводящие участки можно высечь штампом из металлической фольги, а их проводники можно вытравить. Электропроводящие участки и их проводники можно соединить друг с другом через сквозные переходные отверстия.
Устройство 100 согласно изобретению можно использовать, например, для контроля присутствия и/или движения людей в частных домах, банках или на предприятиях при реализации системы охранной сигнализации. Сеть датчиков 20 можно использовать для контроля присутствия и/или движения людей в магазинах, например, чтобы оптимизировать выкладку товара на полки. Такой датчик можно использовать, например, в больницах и домах престарелых для определения активности и жизненных функций пациентов. Датчик можно использовать в тюрьмах для контролирования запретных зон. Датчик можно использовать для обнаружения движения других больших проводящих тел, таких как инвалидные коляски или алюминиевые лестницы. Датчик можно использовать для обнаружения движения животных.
Датчик 20 можно установить, например, внутри или сверху конструкции пола. Измерительную схему можно расположить близко к датчику 20, чтобы уменьшить шум. Расстояние между первой пластиной 10a датчика 20 и накопительным конденсатором C2 может быть, например, меньше чем или равно 0,5 м. Ширина первой пластины 10a может быть, например, больше чем или равна десятикратной ширине проводника 2, который соединяет первую пластину 10a с измерительной схемой. Устройство 100 обнаружения приближения можно полностью установить, например, внутри или сверху конструкции пола, чтобы минимизировать расстояние между датчиком 20 и накопительным конденсатором C2. Например, расстояние между накопительным конденсатором C2 и верхней поверхностью пола может быть меньше чем или равно 50 мм.
Расстояние от обеих пластин 10a, 10b емкостного датчика C2 до накопительного конденсатора C2 может быть меньше чем или равно 0,5 м для уменьшения шума.
Как показано на фиг.13, два емкостных датчика можно присоединить к дифференциальной измерительной схеме, чтобы снизить эффект шума. В некоторых случаях существует вероятность, что электромагнитный шум будет попадать в соседние емкостные датчики по существу похожим путем. Следовательно, наведенный синфазный шум можно эффективно исключить с помощью дифференциального измерения, когда движение объекта BOD1 вблизи датчиков может вызывать различие емкостей двух датчиков.
Устройство 100 обнаружения приближения может содержать первый емкостной датчик, представленный первой воспринимающей емкостью CXa, и второй емкостной датчик, представленный второй воспринимающей емкостью CXb. Устройство 100 может содержать первый подузел для определения первой воспринимающей емкости CXa, при этом первый подузел содержит переключатели S1a, S2a, S3a и первый накопительный конденсатор C2a. Устройство 100 может содержать второй подузел для определения второй воспринимающей емкости CXb, при этом второй подузел содержит переключатели S1b, S2b, S3b и второй накопительный конденсатор C2b. Кроме того, устройство 100 может содержать источник 40 напряжения, дифференциальный усилитель 80, АЦП 70 и контроллер 60.
Сначала переключатели S3a, S3b могут разрядить накопительные конденсаторы C2a, C2b. Затем первый накопительный конденсатор C2a можно зарядить через переключатели S1a, S2a и через первый воспринимающий конденсатор CXa, как описано в контексте, связанном с фиг.8. Второй накопительный конденсатор C2b может по существу одновременно заряжаться через переключатели S1a, S2a и через второй воспринимающий конденсатор CX2, как описано в контексте, связанном с фиг.8. Следовательно, напряжение VXa первого накопительного конденсатора C2a увеличивается, и также увеличивается напряжение VXb второго накопительного конденсатора C2b. Если допустить, что объект BOD1 находится ближе к первому датчику, представленному воспринимающей емкостью СХа, чем ко второму датчику, представленному воспринимающей емкостью СХb, то первый датчик передает заряд первому накопительному конденсатору С2а более эффективно, чем это делает второй датчик. Таким образом, напряжение VXa первого накопительного конденсатора С2а увеличивается с большей скоростью, чем напряжение VXb второго накопительного конденсатора С2b. Первый накопительный конденсатор СХа может быть подключен к неинвертирующему входу 81 дифференциального усилителя 80. Второй накопительный конденсатор СХb может быть подключен к инвертирующему входу 82 дифференциального усилителя 80. Следовательно, дифференциальный усилитель 80 может быть выполнен с возможностью увеличения разности VXa-VXb между напряжениями VXa и VXb. Выход 83 усилителя 80 можно подключить ко входу 71 АЦП 70. Выход 73 АЦП можно подключить ко входу 61 контроллера 60.
Первая точка соединения источника 40 напряжения подключается к первому выводу Т0 воспринимающего конденсатора СХа. Вторая точка соединения источника 40 напряжения подключается к выводу Т1а первого воспринимающего конденсатора СХа переключателем S1a. Следовательно, воспринимающий конденсатор СХа может заряжаться по существу до напряжения V1 источника 40.
Первая точка соединения источника 40 напряжения подключается к первому выводу Т0 воспринимающего конденсатора СХb. Вторая точка соединения источника 40 напряжения подключается к выводу T1b второго воспринимающего конденсатора СХb переключателем S1b. Следовательно, воспринимающий конденсатор CXb может заряжаться по существу до напряжения V1 источника 40.
Вывод T0 может быть также соединен с землей GND. Однако это не всегда необходимо.
Блок 90 управления переключателей может быть выполнен с возможностью управления переключателями, как в случае, показанном на фиг.8. Контроллер 60 может осуществлять связь с процессором 200 данных через выводы 62, 201. Источник 40 напряжения обеспечивает напряжение V1.
Накопительные конденсаторы C2, C2b можно разрядить путем замыкания переключателей S3a, S3b. Затем переключатели S3a, S3b размыкаются и удерживаются в разомкнутом состоянии. Воспринимающий конденсатор CXa заряжается путем замыкания переключателя S1a, в то время как переключатель S2a находится в разомкнутом состоянии. Воспринимающий конденсатор CXb заряжается путем замыкания переключателя S1b, в то время как переключатель S2b находится в разомкнутом состоянии. Затем переключатели S1a, S1b размыкаются и заряды передаются из воспринимающих конденсаторов CXa, Cxb в накопительные конденсаторы C2a, C2b путем замыкания переключателей S2a, S2b. Передаваемые заряды увеличивают напряжения VXa, VXb на накопительных конденсаторах.
Напряжения VXa, VXb накопительных конденсаторов увеличиваются при последовательном замыкании и размыкании переключателей S1a, S1b, S2a, S2b несколько раз.
a
b
a
b
Напряжение VXa может расти со скоростью ΔV/dt. Напряжение VXb может расти со скоростью ΔV/dt. Напряжения VXa, VXb растут с различной скоростью, потому что объект BOD1 может находиться, например, ближе к первому датчику, чем ко второму датчику. Разность ΔV/dt-ΔV/dt между скоростями роста представляет значение измерения, которое можно определить и/или вычислить из выходных данных АЦП 70.
Положительная разность может свидетельствовать, что объект BOD1 находится ближе к первому датчику CXa, а отрицательная разность может свидетельствовать, что объект находится ближе ко второму датчику CXb.
Дифференциальный усилитель 80 можно исключить, если используются два АЦП по существу одновременно (не показано на фиг.13).
На фиг.14a и 14b показаны матрицы 20 датчиков, пригодные для использования с устройством 100 на фиг.13. Изображенная на фиг.14a матрица 20 датчиков может содержать первую пластину 10a, вторую пластину 10b и третью пластину 10c, расположенные на основании 5. Первая пластина 10a подсоединена к выводу T1a, вторая пластина может быть подсоединена к выводу T0, и третья пластина может быть подсоединена к выводу T1b.
Первая пластина 10a и вторая пластина 10b могут вместе образовать первый емкостной датчик приближения, представленный воспринимающей емкостью CXa. Вторая пластина 10b и третья пластина 10c могут вместе образовывать второй емкостной датчик приближения, представленный воспринимающей емкостью CXb.
Выводы T1a, T1b и T0 могут быть подключены к устройству 100, как показано на фиг.13. Емкость CXa выше, чем емкость CXb, когда объект BOD1 находится ближе к пластине 10a, чем к пластине 10c (при условии, что диэлектрическая постоянная объекта BOD1 больше единицы).
Как показано на фиг.14b, матрица 20 датчиков может содержать первую пластину 10a и вторую пластину 10b, расположенные на основании 5. Первая пластина 10a может быть подсоединена к выводу T1a, а вторая пластина 10b может быть подсоединена к выводу T1b. Матрица 20 датчиков может работать в комбинации с проводящей структурой 22. Этой проводящей структурой 22 может быть, например, земля, большая металлическая пластина или система водопроводных труб в здании. Следовательно, проводящая структура 22 может быть электрической землей GND. Вывод T0 может быть подключен к проводящей структуре 22, которая в этой случае действует как емкостной элемент емкостного датчика.
В этом случае первый емкостной датчик образуется между первой пластиной 10a и проводящей структурой 22. Вторая емкостная структура образуется между второй пластиной 10b и проводящей структурой 22.
Выводы T1a, T1b и T0 могут быт подсоединены к устройству 100, как показано на фиг.13. Емкость CXa выше, чем емкость CXb, когда объект BOD1 находится ближе к пластине 10a, чем к пластине 10b (при условии, что диэлектрическая постоянная объекта BOD1 больше единицы).
k
k
k
k
Достижимое разрешение зависит от количества последовательных циклов передачи заряда, необходимых для зарядки накопительного конденсатора C2 перед возвратом (т.е. разрядкой). Например, подсчитанное число N или период времени T, определенный на основании 1024 циклов передачи заряда, соответствует разрешению 10 бит. Подсчитанное число N или период времени T, определенный на основании 256 циклов передачи заряда, соответствует разрешению 8 бит.
k
Возвращаясь к фиг.3 и 8, можно увидеть, что переключатели S1 и S2 могут быть также двунаправленными и напряжение источника 40 напряжения также может изменяться. Напряжение V1 источника напряжения может изменяться до нуля, или его полярность может изменяться на обратную. Следовательно, накопительный конденсатор может также разряжаться через переключатели S1 и S2 и воспринимающий конденсатор CX обратно в источник напряжения. В этом случае нет необходимости оперировать разряжающим переключателем S3, и его даже можно исключить из системы. Значение числа N можно регистрировать как во время зарядки, так и во время разрядки накопительного конденсатора C2. Это позволяет еще больше увеличить частоту дискретизации.
Устройство 100 может содержать один или более фильтров нижних частот для уменьшения шума. Например, аналоговый фильтр нижних частот может быть реализован между усилителем 80 и АЦП 70 на фиг.13.
Во многих случаях нет необходимости определять абсолютное значение емкости CX. Может быть достаточно обнаружить изменения значения емкости CX.
Дыхательные и сердечные функции создают периодические колебания пространственного распределения крови у людей и животных, т.е. в объекте BOD1. Они обуславливают периодические колебания емкости датчика 20. Следовательно, устройство 100 можно использовать для контролирования сердечной и/или дыхательной функции людей или животных. Человек может лежать на датчике, или датчик расположен на полу или на кровати. На датчик 20, т.е. между датчиком и человеком, можно положить дополнительный коврик или матрас.
Измерение емкости важно в емкостных датчиках. Значение емкости пропорционально измеренному значению сигнала и может изменяться как функция времени. Точность и скорость измерения емкости прямо определяет свойства емкостного датчика или другого применения, где важно измерение емкости. В некоторых случаях измеряемая емкость очень маленькая, и измерение осуществляется путем интеграции очень низкоэнергетического сигнала. Следовательно, такое измерение чувствительно к помехам электромагнитного излучения. "Низкоэнергетический" означает, что период интеграции или значение сигнала очень маленькие, что затрудняет дискретизацию и квантование значений емкости в цифровой сигнал с достаточно высоким разрешением. Дискретизация и квантование нужны для дальнейшей обработки сигнала, например, компьютером или микроконтроллером.
Измерение емкости методом с использованием переключаемого конденсатора позволяет интегрировать низкоэнергетический сигнал в сигнал большей энергии перед дискретизацией и квантованием. Следовательно, измерения уже не будут так чувствительны к помехам. Можно также регулировать измерение в целях оптимизации разрешения. Метод измерения в соответствии с настоящим изобретением также предусматривает включение аналогового фильтра нижних частот в измерительную схему, который дополнительно подавляет сигналы высокочастотных помех.
Способ и устройство согласно изобретению можно реализовать путем введения известного конденсатора и управляемых процессором переключателей в измерительную схему.
В концепции схем переключаемого конденсатора конденсатор включен между двумя переключателями S1, S2. Переключатели S1 и S2 размыкаются и замыкаются по очереди. Предпочтительно эти переключатели никогда не замыкаются одновременно. В такой схеме конденсатор будет действовать как сопротивление, имеющее величину
sw
c
где f - частота переключения переключателей, C - емкость. R определяет зависимость между напряжением на конденсаторе C и током, передаваемым конденсатором C.
c
SW
Переключаемые конденсаторы можно использовать, например, в аналоговой обработке сигналов, так как сопротивление R можно регулировать путем изменения частоты переключения f.
sw
sw
2
Изображенная на фиг.2 схема переключаемого конденсатора может содержать воспринимающую емкость CX и два переключателя S1 и S2. Во время действия схемы переключаемого конденсатора можно использовать известную частоту переключения f для размыкания и замыкания первого переключателя S1 и второго переключателя S2 таким образом, чтобы, когда первый переключатель S1 замкнут, второй переключатель S2 был разомкнут, и наоборот. Известный конденсатор C2 заряжается через схему переключаемого конденсатора путем замыкания первого переключателя S1 для зарядки воспринимающей емкости CX. По истечении некоторого периода времени, определенного частотой переключения f, первый переключатель S1 размыкается, а второй переключатель S2 замыкается, чтобы зарядить известный конденсатор C путем перемещения заряда из воспринимающего конденсатора CX в известный конденсатор C2. При этом можно измерить постоянную времени образовавшейся RC-цепи, и эта постоянная времени будет пропорциональна величине емкости CX.
sw
Измеренная постоянная времени может зависеть от трех факторов: частоты переключения f, емкости C2 и напряжения нагрузки V (т.е. уровня напряжения конденсатора C2, достигнутого после передачи заряда). Следовательно, можно регулировать время измерения и точность, чтобы получить максимальное разрешение и минимальное время измерения. Эту регулировку также можно осуществить с помощью программного обеспечения, что также позволяет увеличить диапазон измерений, время или точность во время измерения. Кроме того, фильтр нижних частот первого порядка, образованный RC-цепью, существенно подавляет высокочастотные электромагнитные помехи.
В предложенном методе можно использовать два переключателя и известную емкость в дополнение к элементам, используемым для прямого измерения постоянной времени CX. Следовательно, во многих случаях эта схема не является слишком сложной или дорогой.
Может быть поставлена цель обеспечить по возможности наиболее точное измерение емкости емкостного датчика (с точностью выше 8 бит) при минимальных расходах. Эта система может быть способна измерять колебания емкости с частотой от 0 до 40 Гц.
Величина шумовых сигналов, введенных в систему (50 Гц и кратные, а также флуктуации временного положения импульсов при дискретизации), вероятно, будут кратными измеряемому сигналу.
В экспериментах можно использовать микроконтроллер, свойства которого показаны в Таблице 1. Возможные параметры измерения показаны в Таблице 2.
Таблица 1. Свойства микроконтроллера AtMega8L (товарный знак)
Тактовая частота
8 МГц
Программная память
8 КБ, Flash
Память данных
1 КБ SRAM
Энергонезависимая память данных
512 B EEPROM
Таймеры
2 × 8b, 1 × 16b
АЦП
1 × 10b
Аналоговый компаратор
1
Цифровой I/O
23
Рабочее напряжение
2,7-5,5 В
Flash означает флеш-память, SRAM - статическое ОЗУ, EEPROM - электрически S стираемое программируемое ПЗУ, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, I/O - вход/выход, и b - бит.
Таблица 2. Параметры измерения
Рабочее напряжение
V<sub>cc</sub> = 5В
Целевое напряжение
V<sub>t</sub>≈<sub></sub>V<sub>cc</sub>/3 = 1,7В
Воспринимающий конденсатор
200-400 пФ
Сопротивление
0,1 мОм
1
2
sw
1
c
sw
Измерительная схема с переключаемым конденсатором была показана на фиг.2. Во время переключения переключатели S и Sразмыкаются и замыкаются попеременно, оба с частотой f, и при этом переключении конденсатор C работает как сопротивление. Следовательно, конденсатор C2 заряжается постепенно. Сопротивление потока R, обусловленное CX, находится в зависимости от емкости CX и частоты переключения f согласно следующей формуле:
sw
sw
Емкость CX можно определить, когда C2 и f известны. Так как емкость известного конденсатора C2 и частоту переключения f можно выбирать относительно свободно, можно выбрать подходящее время зарядки известного конденсатора C2.
charge
Время зарядки t можно вычислить из уравнения
charge
dk
Если известно время зарядки, а также известно, что значение x счетчика, принятое из измерительного устройства, является произведением времени зарядки t и тактовой частоты процессора F:
то емкость CX датчика можно вычислить из значения x счетчика:
t
Разрешение r, достигаемое с помощью переключения переключаемого конденсатора, можно вычислить из формулы
clk
sw
где F - тактовая частота процессора (частота, с которой увеличивается значение x счетчика). Частоту переключения f можно обеспечить, например, с помощью ШИМ-генератора (с широтно-импульсной модуляцией) процессора, при этом не будет использоваться время ЦПУ (центрального процессорного устройства) процессора. Частота выполнения измерения (т.е. анализа состояния порта входа/выхода) зависит от того, сколько обрабатывающих ресурсов требуется процессору для операций обработки сигналов.
Фиг.7a изображает емкость C2 как функцию от частоты дискретизации. Частота дискретизации показана по горизонтальной оси (абсциссе). Фиг.7a показывает возможное соотношение свободно выбираемых параметров, если желательно получить разрешение 12 бит для точности измерения.
sw
Clk
В одном возможном варианте частота переключения F=500 кГц, тактовая частота F=8 МГц и C2=470 нФ. С этими параметрами можно достичь частоты дискретизации несколько выше 100 Гц.
При анализе точности измерения основное внимание уделяется точности, которую возможно достигнуть с использованием микропроцессора. Аналоговые компоненты и переключатели могут также оказывать влияние на точность измерения.
При переключении переключаемого конденсатора по меньшей мере фильтр нижних частот, образованный переключаемым конденсатором (CX) и известным конденсатором C2, отфильтровывает высокие частоты, при этом сигнал не должен сильно складываться. Частоту отсечки фильтра можно получить из формулы
sw
Clk
c
На фиг.7b показана зависимость частоты отсечки от выбранной емкости. Вертикальная ось показывает частоту отсечки. При указанных выше составляющих величинах (F=500 кГц, F=8 МГц и C2=470 нФ) частота отсечки приблизительно равна f=100 Гц. Частоту отсечки невозможно выбирать свободно, потому что те же самые параметры также влияют на выбор требуемой точности измерения. Кроме того, образованный таким образом фильтр является фильтром только первой степени, и его крутизна составляет всего около -6дБ на октаву.
Можно также подключить к схеме дополнительный аналоговый фильтр нижних частот, чтобы исключить вредное наложение сигнала.
Из-за аналоговой фильтрации существует вероятность того, что дискретизируемый сигнал будет содержать частоты в менее интересной полосе частот. Поэтому можно было бы относительно хорошо отфильтровать импульсоподобный шум еще до дискретизации. Однако при этом может возникнуть та же самая проблема флуктуации временного положения импульсов при дискретизации, обусловленная колебаниями времени дискретизации, что и при прямом измерении времени зарядки.
При переключении переключаемого конденсатора необходимо наличие аналогового переключающего устройства на обеих сторонах конденсатора. С этой целью можно использовать, например, аналоговые переключатели или полевые транзисторы. С точки зрения операции переключения важно, чтобы их сопротивление, когда переключатель замкнут, а также емкость переключателя, были как можно ниже. Сопротивление можно уменьшить путем увеличения площади полупроводникового канала. Однако увеличение площади увеличивает емкость переключателя. Следовательно, при стремлении к малой емкости может возникнуть необходимость в выборе несколько большего сопротивления. Аналоговые переключающие устройства, которые возможно могут быть использованы для переключения, а также их основные параметры, приведены в Таблице 3.
Таблица 3Сопротивления и емкости аналоговых переключающих устройств
Элемент
Код
R<sub>ON</sub>
Емкость
Аналоговый переключатель
MAX312CPE
6,5 Ом
47 пФ
Аналоговый переключатель
CD4066BE
470 Ом
8 пФ
Аналоговый переключатель
DG403DJ
50 Ом
39 пФ
Мощный МОП-транзистор
SFP9530
<0,3 Ом
160 пФ
N-канальный МОП-транзистор
2N5457
>1 кОм
3 пФ
ON
MAX312CPE, CD4066BE, DG403DJ, SFP9530 и 2N5457 являются идентификационными кодами, которые используются одним или более производителями элементов. R означает сопротивление в проводящем состоянии.
Сопротивление переключающего устройства не является очень важным фактором, потому что заряженная емкость типично составляет всего около 200-400 пФ. Если сопротивление переключателя не намного выше одного килоома, то время зарядки конденсатора при зарядке через переключатель все еще остается настолько малым, что можно использовать частоту переключения даже 1 МГц. Частоты выше 1 МГц могут вызывать радиопомехи.
С другой стороны, емкость переключающего устройства может достигать даже 50% емкости воспринимающего конденсатора. Следовательно, емкость переключающего устройства оказывает большое влияние на результат измерения. Поэтому целесообразно выбрать переключающее устройство, имеющее как можно меньшую емкость, даже если из-за этого его сопротивление будет выше.
Переключающая схема, в которой используется аналоговый переключатель DG403DJ, показана на фиг.5. DG403DJ содержит внутренний инвертер, при этом один переключатель всегда разомкнут, а другой всегда замкнут. Другие переключатели требуют наличия внешней схемы инвертера, с помощью которой можно обеспечить отдельное инвертирующее управление для одного из переключателей.
Работу измерительной схемы можно анализировать, например, с помощью компьютера в совокупности с компьютерной программой. С помощью этой программы можно выводить измеренные значения на экран в реальном времени. Эти значения могут приниматься компьютером, таким как ПК, от микроконтроллера по последовательному каналу. Примерные выходные данные (значение счетчика) измерения показан на фиг.6. Частота дискретизации была 19,52 Гц. Наименьшее подсчитанное число замеров 9670, наибольшее 33991.
В способе переключаемого измерения заряд небольшого воспринимающего конденсатора может передаваться большему конденсатору тысячи раз, прежде чем его напряжение возрастет до уровня, соответствующего напряжению логической единицы. Следовательно, время зарядки можно измерять с высоким разрешением даже при низкой тактовой частоте. Кроме того, измерительная схема образует фильтр нижних частот, который подавляет высокочастотные помехи. При прямом методе измерения помехи будут накладываться на дискретизированный сигнал. Как размер нагруженного конденсатора, так и частота переключения воспринимающего конденсатора оказывают влияние на время зарядки. Частоту переключения, а поэтому также и время зарядки можно регулировать компьютерной программой. Метод измерения с переключаемым конденсатором может существенно улучшить уровень измеряемого сигнала по сравнению с прямым измерением времени зарядки. Можно значительно уменьшить уровень шума сигнала и повысить разрешение измерения, например приблизительно до 14 или 15 бит.
Однако режим измерения с переключаемым конденсатором также имеет некоторые недостатки. Если время зарядки накопительного конденсатора увеличивается, уменьшается максимально достижимая частота дискретизации (скорость получения данных). Теоретическая максимальная частота дискретизации находится в интервале между 250 и 500 Гц при использовании процессора с 8 МГц и точности измерения 14-15 бит. На практике максимальная частота дискретизации может быть, например, 160 Гц. Для способа измерения с переключаемым конденсатором требуется схема, которая всего лишь незначительно сложнее и дороже, чем схема для прямого метода измерения.
Путем регулировки емкости накопительного конденсатора и частоты переключения можно изменять разрешение измерения, продолжительность измерения и частоту отсечки фильтра нижних частот схемы. К сожалению, разрешение, продолжительность и частоту отсечки невозможно установить независимо друг от друга. На практике можно установить два наиболее важных фактора: разрешение и продолжительность. Частота отсечки может оставаться на практике высокой, при этом шумовой сигнал может накладываться на эффективный сигнал во время дискретизации.
Изобретение можно использовать в емкостном напольном датчике. Емкость напольного датчика низкая, что затрудняет точное измерение емкости с помощью экономичного микроконтроллера, встроенного в элемент напольного датчика. Предложенный способ повышает точность измерения до около 12-14 бит по сравнению с 7 битами при прямом измерении постоянной времени. При применении изобретения можно использовать недорогой, маломощный микроконтроллер в измерительном блоке.
Стоимость и энергопотребление микроконтроллера могут быть важны, потому что он может питаться от батареи и быть встроен в элемент напольного датчика.
Схема переключаемого конденсатора имеет большой диапазон измерения. Напольные датчики должны быть способны измерять как небольшие емкости, чтобы обнаружить, что кто-то наступил на элемент, так и емкости в два или три раза выше, когда кто-то лежит на датчике. В обоих случаях датчик предпочтительно должен быть способен измерять изменения емкости, составляющие вероятно всего 1:1000 максимального значения.
Диапазон измерений схемы с переключаемым конденсатором можно регулировать. Когда человек идет по напольному датчику, емкость датчика составляет, например, всего около 200 пФ. Однако когда кто-то лежит на датчике, его емкость может увеличиться, например, до 400-500 пФ. В этом случае может потребоваться быстрое изменение диапазона измерения, чтобы обеспечить повышение точности измерения. Это можно реализовать, например, путем изменения частоты переключения или изменения нагрузочной емкости с помощью программного обеспечения.
Время измерения можно регулировать. В некоторых случаях люди могут быстро идти по полу. При этом элементы пола можно быстро сканировать с использованием низкой точности, чтобы контролировать быстрое движение. Когда человек лежит на полу, может потребоваться более высокая точность, чтобы контролировать его дыхание и сердцебиение. При этом время измерения может быть более продолжительным. Измерительный режим системы можно установить на более медленное, но более точное состояние посредством выбора более высокой накопительной емкости или уменьшения частоты переключения.
Схему с переключаемым конденсатором можно калибровать автоматически. Когда напольные датчики устанавливаются в различных средах, их чистые емкости могут быть различными в разных местах. Для эффективного измерения в любых средах датчик должен регулировать диапазон измерения должным образом и калибровать измеренные значения с использованием чистой емкости. Эта калибровка осуществляется легче и эффективнее, если диапазон измерений можно изменять с помощью программного обеспечения.
Постоянную времени можно интерпретировать как время, необходимое системе для того, чтобы ее отклик на скачок достиг 63,2% конечного (асимптотического) значения, т.е. чтобы отклик был на 36,8% ниже конечного значения. Когда емкость присоединена к источнику напряжения через последовательный резистор, постоянная времени может представлять собой время, необходимое для того, чтобы напряжение на емкости достигло 63,2% напряжения источника напряжения.
Дискретизация означает преобразование аналогового сигнала в цифровой сигнал.
Способ дискретизации означает способ, с помощью которого аналоговая переменная, например время зарядки конденсатора, преобразуется в цифровую переменную.
Алгоритм измерения означает операции обработки сигнала, выполняемые на дискретизированном сигнале для отделения исследуемого сигнал от шума и других помех.
Слово "содержащий" следует понимать в неограниченном значении, т.е. датчик, который содержит первый электрод и второй электрод, может также содержать другие электроды и/или другие части.
Специалистам будет понятно, что в устройства и способы в соответствии с настоящим изобретением можно внести модификации и изменения. Конкретные варианты и примеры, описанные выше со ссылками на прилагаемые чертежи, представлены только для иллюстрации и не ограничивают объем изобретения, который определен прилагаемой формулой изобретения.