ДАТЧИК РУКИ
HAND SENSOR

Область техники
Изобретение относится к области средств сигнализации о нарушении охраняемого пространства, которые приводятся в действие электрическим путем и срабатывают при изменении емкости или индуктивности цепи, вызванной приближением или вторжением нарушителя.
Более конкретно, изобретение может быть использовано в системах контроля доступа, например, в биометрических устройствах идентификации человека по геометрии кисти руки, устройствах обнаружения следов взрывчатых веществ на кисти руки и т.п., где требуется защита от попыток обмануть устройство с помощью макета кисти руки.
Предшествующий уровень техники
На сегодняшний день устройства идентификации личности по биометрическим признакам, например, по форме пальцев руки являются одним из приоритетных направлений развития систем безопасности. В таких устройствах требуется, чтобы человек положил кисть руки на поверхность устройства для идентификации человека по геометрии кисти руки. При этом необходимо проверять, действительно ли предъявлена рука или макет - предмет, имеющий силуэт руки человека. Для этого необходим датчик, срабатывающий только на реальную руку, и только тогда, когда ладонь и пальцы касаются поверхности устройства, причем с некоторой минимальной площадью соприкосновения.
7
Известен детектор, описанный в патенте Японии JP 201141836(A) "HUMAN BODY DETECTOR" («Обнаружитель человеческого тела»); МПК : G01V 3/08; заявитель SUMITOMO CHEMICAL СО + (SUMITOMO СНЕМ СО LTD); опубликовано 25.05.2001; приоритет JP 19990322826 19991112. Детектор содержит электростатический емкостный сенсор в виде двух оппозитных электродов, индуктивный элемент, соединенный последовательно с сенсором, резистор, генератор частоты и выходные клеммы, подключенные к обоим выводам резистора. Сенсор, индуктивный элемент и резистор образуют последовательный резонансный контур. При приближении объекта даже с такой малой емкостью, как человеческое тело, на выходе будет значительное изменение сигнала.
Недостатком детектора можно считать то, что такой детектор будет срабатывать и на металлический макет руки. Такое устройство не способно срабатывать только в тот момент, когда рука заняла определенное положение (ладонь и пальцы одновременно приложены к поверхности устройства), следовательно, оно не может использоваться в устройстве идентификации по геометрии кисти руки.
Известно устройство, описанное в патенте США US5,760,688 «Устройство обнаружения тела»; приоритет 24.05.1996; опубликовано 02.07.1998 г; МПК (20060101): G01D 5/12; G01R 27/02; G01D 5/20; автор: Kasai Eiji (Kyoto, JP). Устройство содержит генератор, оснащенный катушкой обнаружения. При отсутствии человека около катушки обнаружения генератор формирует высокочастотный сигнал большой амплитуды для обнаружения его с помощью детектора для того, чтобы включился транзистор контроллера. В момент, когда рядом с катушкой обнаружения находится тело человека, генерация останавливается вследствие снижения добротности LC-контура генератора, вызванной влиянием магнитной проницаемости тела человека. Сигнал от детектора к транзистору становится крайне низким и транзистор выключается.
Недостатком такого устройства можно считать неспособность его срабатывать только в тот момент, когда рука заняла определенное положение (ладонь и пальцы одновременно приложены к рабочей поверхности устройства). Следовательно, оно не может использоваться в устройстве идентификации по геометрии кисти руки.
В качестве прототипа к предлагаемому устройству было выбрано устройство охранной сигнализации с осциллятором, который выключается емкостью, вносимой телом потенциального злоумышленника, описанное в патенте США US 4173755; МПК (20060101): G08B 13/22, G08B 13/26, G08B 013/26; приоритет  06.03.1978; опубликовано 06.11.1979, авторы Butler; George N. (Boca Raton, FL).
Устройство охранной сигнализации работает от батареи и содержит батарею, осциллятор, получающий энергию от вышеуказанной батареи для нормального генерирования колебаний, датчик, оперативно сцепленный с вышеуказанным осциллятором для остановки вышеуказанных колебаний в ответ на емкость, вносимую телом человека, касающегося датчика или находящегося в непосредственной близости от него, и средства, оперативно сцепленные с вышеуказанным осциллятором для подачи звукового сигнала тревоги, когда осциллятор прекращает колебания.
Недостатками этого устройства охранной сигнализации можно считать его неспособность срабатывать только в тот момент, когда рука заняла определенное положение (ладонь и пальцы одновременно приложены к рабочей поверхности устройства) и возможность вызвать срабатывание с помощью металлического макета руки.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание датчика, формирующего сигнал при касании пальцами и ладонью реальной руки рабочей поверхности устройства, но не срабатывающего на металлический или диэлектрический макет.
Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в срыве генерации LC-генератора при касании пальцев и ладони только реальной руки рабочей поверхности устройства с требуемой площадью соприкосновения вследствие влияния электрических свойств руки на добротность LC-контура.
Технический результат достигается тем, что в датчике руки человека, содержащем источник питания, дающий энергию генератору для генерирования колебаний, соединенному со средствами для обнаружения факта прекращения генерации и выработки соответствующего сигнала, согласно изобретению, датчик имеет два электрода. Причем один электрод расположен в зоне, предназначенной для размещения пальцев руки, а второй - в зоне размещения основания ладони. Датчик снабжен трансформатором. Электроды соединены с первой обмоткой трансформатора и образуют с ней колебательный LC-контур. Вторая обмотка трансформатора подключена к выходу усилителя с положительной обратной связью. Электроды, трансформатор и усилитель образуют LC-генератор с петлевым усилением, устанавливаемым в зависимости от требуемой чувствительности датчика, выражающейся в площади соприкосновения руки и электродов, при которой происходит срабатывание датчика. Хотя бы один электрод должен иметь защитное, специальное или декоративное покрытие из тонкого диэлектрика, второй электрод может иметь покрытие из тонкого диэлектрика или металла. Покрытие из диэлектрика необходимо, чтобы металлическим макетом руки нельзя было накоротко замкнуть электроды, так как это может привести к срыву генерации, т.е. срабатыванию датчика на макет руки.
Совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата - срыва генерации LC-генератора - когда площадь соприкосновения пальцев и ладони реальной руки с электродами превышает желаемую величину, задаваемую регулировкой петлевого усиления LC-генератора.
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 показано расположение электродов относительно пальцев и ладони.
На фиг. 2 показана функциональная схема датчика руки.
На фиг. 3 показаны емкости, образующиеся между рукой и электродами датчика руки, а также между электродами датчика руки.
Вариант осуществления изобретения
Ниже рассмотрен вариант реализации датчика руки для устройства идентификации по форме пальцев руки. На фиг. 1. изображена рабочая поверхность устройства биометрической идентификации в виде столика 1, предназначенного для размещения кисти руки 2.
Для реализации изобретения первый электрод 3 расположен в зоне столика 1, предназначенной для размещения пальцев 4 кисти руки 2. Устройство, в котором установлен датчик руки, не использует для идентификации большой палец, поэтому он размещается вне зоны для размещения остальных пальцев. Второй электрод 5 расположен в зоне столика 1, предназначенной для размещения ладони 6. Зоны с электродами 3 и 5 изолированы друг от друга.
Электрод 3 покрыт световозвращающей пленкой (на фиг. 1 не показано), обеспечивающей улучшение качества изображения руки 2, а также изоляцию руки 2 от электрода 3.
На фиг. 2 показана структурная схема датчика. Электроды 3 и 5 подключены к обмотке 6 трансформатора 7 и образуют с ней LC-контур. Обмотка 8 подключена к выходу усилителя 9 с положительной обратной связью. Электроды 3 и 5, трансформатор 7 и усилитель 9 образуют LC-генератор. Петлевое усиление LC-генератора (без руки) устанавливают в зависимости от требуемой чувствительности датчика. Под чувствительностью понимается площадь соприкосновения пальцев 4 и ладони 6 с электродами 3 и 5, при которой происходит срабатывание датчика. Площадь соприкосновения, в свою очередь, зависит от силы прижатия ладони 6 и пальцев 4 к столику 1. Сигнал с LC-генератора подается на схему обработки сигнала 10, формирующую сигнал для устройства идентификации.
Трансформатор 7 выполнен на сердечнике с малыми потерями. Схема LC-генератора построена так, чтобы в LC-контур вносились как можно меньшие потери. Маленькие потери требуются, если необходимо обеспечить срабатывание датчика уже при слабом прижатии пальцев 4 и ладони 6 к электродам 3 и 5.
Работает датчик следующим образом.
Когда человек кладет руку 2 на столик 1, то между пальцами 4 и электродом 3 создается емкость 11, а между ладонью 6 и электродом 5 создается емкость 12 (фиг. 3), величины которых зависят от площадей соприкосновения пальцев 4 и ладони 6 с электродами 3 и 5. Площади соприкосновения зависят от силы прижатия пальцев 4 и ладони 6 к электродам 3 и 5. Чем больше эти емкости, тем большие потери, обусловленные протеканием тока через руку 2, вносятся в LC-контур. Электроды 3 и 5 имеют небольшую толщину и расположены с зазором (как показано на фиг. 1). Благодаря этому емкость между ними мала и добротность LC-контура может уменьшаться в несколько раз при прижатии пальцев 4 и ладони 6 к электродам 3 и 5. При определенной силе прижатия пальцев 4 и ладони 6 добротность LC-контура уменьшается настолько, что петлевое усиление LC-генератора становится меньше единицы и генерация прекращается. Отсутствие генерации является признаком того, что реальная рука 2 заняла правильное положение. Регулировкой петлевого усиления LC-генератора можно настроить чувствительность датчика от слабого касания до сильного прижатия с большой площадью соприкосновения пальцев 4 с электродом 3 и ладони 6 с электродом 5.
Если прижать руку 2 только к одному электроду, например, пальцы 4 к электроду 3, то срыва генерации не произойдет, поскольку емкость между ладонью 6 и электродом 5, будет слишком маленькой, чтобы рука 2 могла повлиять на добротность LC-контура. То есть датчик обеспечивает выдачу сигнала на устройство идентификации только тогда, когда рука 2 заняла правильное положение на столике 1 устройства.
При одновременном касании металлическим макетом руки электродов 3 и 5 не произойдет срыва генерации, а лишь уменьшится частота колебаний LC-генератора 8, поскольку конденсаторы 11 и 12, образованные металлическим макетом руки с электродами 3 и 5, будут иметь малые потери, а металл имеет очень низкое сопротивление, поэтому потери, вносимые в LC-контур, будут очень малы и не ухудшат добротность LC-контура на величину, достаточную для срыва колебаний LC-генератора.
При одновременном касании диэлектрическим макетом руки электродов 3 и 5 немного увеличится емкость между электродами 3 и 5, поскольку диэлектрическая проницаемость диэлектрика больше, чем у воздуха, но, благодаря чрезвычайно высокому удельному сопротивлению диэлектриков, добротность колебательного контура LC-генератора не ухудшится на величину, достаточную для срыва колебаний LC-генератора. Поэтому генерация будет продолжаться, хотя и с несколько меньшей частотой.
Следовательно, датчик, построенный с использованием всех отличительных признаков, позволяет решить поставленную задачу формирования сигнала при касании пальцами и ладонью реальной руки рабочей поверхности устройства, но несрабатывания на металлический или диэлектрический макет.
Промышленная применимость
Описанный вариант выполнения изобретения реализован в разработанном и используемом во ВНИИТФ устройстве идентификации по форме пальцев руки. Датчик прошел испытания, подтверждающие срабатывание на реальную руку, но несрабатывание на металлический или диэлектрический макет. Датчик находится в эксплуатации. Это подтверждает работоспособность изобретения и его промышленную применимость.