CN101137814A - 采用电容式测量原理的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用电容式测量原理的传感器和接近电介质(5)的测量方法，优选的是人体部分的测量方法，它可用于防挟系统中。所述传感器包括一个电容器(1)和一个电子测评系统。它能够测出由于电介质(5)引起的电容器(1)的电容的变化。所述电容器可以区分人体部分和/或固体物质与水和/或湿气，其特征在于，该电容器(1)可以在变电器场(4)内以至少两种不同的频率和/或至少两种不同的脉冲占空系数对电容进行连续操控。本发明还涉及到相应的方法。

Description

采用电容式测量原理的传感器

技术领域

本发明涉及一种采用电容式测量原理的传感器以及一种接近电介质的测量方法，优选的是人体部位的测量方法。所述传感器用于防挟系统中，该传感器包括一电容器和一电子测评系统，它可以检测电容器电容的变化，这种变化是由于电介质而引起的。

背景技术

人们在长期实践经验中知道了电容式接近传感器。它们包括特别设计的电容器，其杂散电场受到接近的物体的影响。非导电体，由于其相对于环境空气的相对电容率的增大，导致传感器电容的增加。电容量的变化取决于目标物体与传感器的距离，物体相对于传感器的位置，物体的大小和相对电容率。为检测接近的物体必须测定传感器的电容。本领域技术人员在实践经验中认知的所有的电容测量方法都可用于此目的。大多数情况下，传感器只是调谐电路的一部分，假定调谐电路的尺寸合适，通过接近物体会使调谐电路失效，或仅仅当物体在传感器的杂散场中就出现调谐电路的振荡。特别设计的接近传感器能比较好的用在防挟系统中。这样的一个例子在德国的专利说明书DE1024876A1中公开。

由于人体含水量高和水的相对电容率很高，在接近传感器的杂散场中的人体部分得到特别高的测量效果。然而，这不仅有助于检测到人体部分的存在，而且可以检测传感器电场中的水分和/或湿度。这就导致不正确的测量结果，尤其是在雨天或有雾的情况下。

上述问题在DE10248761A1的专利说明书中得到解决，其通过相互比较同一型号的几个传感器的测量结果以及假定组合传感器范围内的水分/湿度分布均匀以及所有的相关传感器的电容呈恒定增加，通过调整单个传感器的阀值来实现。然而，通常不可能保证这种假定的精确性。还有就是，使用几个具有相关测评电子系统的传感器则成本高和必须对传感器作出相互补偿。

由实践经验得知的其他方法规定了使用额外的补偿电极。如果电路连结尺寸合适，其能够减弱传水和/或雾对感器中离散场的影响。然而，在这种情况下还需要昂贵的补偿测量。

发明内容

因此，本发明的目的是设计和精制一种传感器，以及以上所述的任何一种接近电介质的测量方法，优选为人体部分测量方法，为的是使用一个简单的结构就能保证可靠的测量结果，而且与环境因素的影响无关，尤其是湿气和/或水分。

根据本发明的测量接近电介质的传感器，通过权利要求1所述的特征而达到了上述目的。因此，这种传感器的特征在于，使用至少两种不同频率和/或至少两种不同的脉冲占空系数连续地操控电容器。

关于本发明的方法，通过权利要求11所述的特征可实现上述的目的。根据权利要求11，一种接近电介质的测量方法，其特征在于，使用至少两种不同频率和/或至少两种不同的脉冲占空系数连续操控电容器。

根据本发明，人们已经认识到利用电容来测量放电过程，有可能利用与可变电场相关的单个电介质的特征模式。本发明还进一步发现，用这种方法有可能从人体部分和各种固体物质，例如木头和聚乙烯与水和/或湿气中区分开。

在根据本发明利用电容测量的放电过程中，使传感器与可随时间作周期性变化的电压源相连，设在电压源提供的输出电压大体上等于零的时候，测量传感器上的电荷。从传感器上电容的电荷可以得出这样的结论，可以测量电容发生的变化。这样，就可能检测进入传感器的离散场的电介质。

由于充电电压的频率和脉冲占空系数的变化，由传感器发射的电子离散场的方向随时间而变化。术语“脉冲占空系数”  意指脉冲持续时间与随时间作周期性变化的电压的比值，脉冲持续时间是指一个时间间隔，在该时间间隔中，随时间作任意方向波动的电压的波幅大于50％。

在由不同频率的电压和/或脉冲占空系数产生的离散场中，不同的电介质有不同的性能。因此，传感器电容因人体部分而引起的增加，在一个很宽的范频率围内基本上都是恒定的。在不同的脉冲占空系数的情况下，也出现同样的结果。许多固体物质，例如木头和聚乙烯，与人体部分一样显示了相似的效应。相反，在传感器的离散场中有水和/或湿气则会使传感器电容增大，其增量取决于使用的频率和/或使用的脉冲占空系数。

这种现象的原因之一是水的偶极性。因为水的永久偶极性，在电场中可以看到水的定向极化。由于施加的电场，单独的偶极克服惯性来定向。定向性的程度取决于施加的电场频率和持续时间。选用的频率越高，极化反应就越少，产生的热量就越多。而脉冲的持续时间越短，不能完全定向极化的可能性就越高。

通过利用这种效应，就可能去把进入传感器离散场的电介质进行分类。为此，一组测试中至少包括两种测试，而对于两种测试中的每一种测试均采用至少两种不同频率和/或至少两种不同的脉冲占空系数来实现。以这样一种方式有利地选择进行测试的时段，即诸如通过改变湿度分布或者温度影响所引起的可能出现的系数变化是很小的。最好周期性地重复进行一组测试。

本发明的教导有不同的可能性去有利地构成及其改进。为此，一方面可以参照从属于权利要求1和11的权利要求，另一方面，结合附图参照以下对本发明的较佳实施例的叙述。

附图说明

图1是是本发明的传感器基本结构的正视图。

图2是图1中所示的A-A向剖视图。

具体实施方式

图1和图2是本发明优选实施例的不同的视图。构成传感器的电容器1由两根电线2、3形成，电线之间相隔一定距离，并且最好大体上相互平行。可以用本领域技术人员在实践中所知的所有类似的导电结构来代替电线，例如是气相沉积或胶合导线，导电聚合物层等等。电线2和3优选结合到窗户，后挡板，滑动门或者像机动车的马达驱动的部件的密封处。总的来说，本发明的装置可以用于确保所有的部件，电动、汽动、液动或其他任何类似的方式移动，这些确保包含人体部分或者受困的物体的危险。因此，可以在百货商场的旋转门安装本发明的装置，当人体部分或物体被困住的情形下，可以停止门的转动，如果适用，还可暂时改变转动的方向。

形成电容器的电线2和3会同电压源紧密接触(图中未示)，优选的电压是方波电压，电压的频率最好在100k-100MHZ的范围内。原则上，更高频率的电压也是可以的。另外，电压的脉冲占空系数也是可以调节的，最佳的是能够分别调节电压的频率和脉冲占空系数。这样，能够在电容1及其周边区域内产生随时间变化的电离散场4，离散场4的电场线标示在图1和图2中。图示的电介质5处于电离散场4中，电介质5能增大传感器的电容。这种电介质，可以是诸如水，湿气，人体部分，固体物质，例如木头或聚乙烯。

在测量过程中，给传感器施加方波电压，接着，在某一时间间隔内测量电容器的电荷。测量使用至少两种不同频率和/或不同脉冲占空系数的充电电压，最好周期性地重复进行测量。

从测量的电荷就可以得出关于传感器的电容的结果，再确定该电容器相对于前面几组的测量的数值的电容值变化。如果电容值的变化大致恒定，则可以断定，传感器的极近处有人体部分和/或固体物质存在。在本组内的所有测量的情况下，如果所有的电容值的变化互不相同，可以断定，在传感器能及的范围内存在水和/或湿气，例如由下雨或湿封引起的。

最后应该注意，上述的具体实施例仅对要求保护的构思作出说明，而并不把本发明限于这一具体实施例。

Claims (21)

1.一种采用电容式测量原理的传感器，用于检测接近电介质(5)，尤其是检测人体部位分，所述传感器可用于防挟系统，其包括电容器(1)和电子测评系统，该系统用于测量电容器(1)由于电介质(5)引起的电容的变化；其特征在于：使用至少两种不同频率和/或两种不同脉冲占空系数可以连续地操控所述的电容器(1)。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于：电容器(1)是由两根电线(2，3)或类似的导电结构构成，两根电线之间相隔一定距离。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于：电线(2，3)大体上相互平行。

4.如权利要求2或3所述的传感器，其特征在于：电线(2，3)装在部件电动、气动、液动、或者其他任何类似的方式移动的区域的的边界上，且该区域处于危险的受挟状态。

5.如权利要求2-4任一项所述的传感器，其特征在于：电线(2，3)结合到窗户，后挡板，滑动门或类似物，机动车的马达驱动部分的密封处。

6.如权利要求1-5任一项所述的传感器，其特征在于：所述电容器(1)可以同随时间作周期性变化的电压紧密接触。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于：所述电压是方波电压。

8.如权利要求6或7所述的传感器，其特征在于：所述电压的频率优选在100K-10MHZ的范围内。

9.如权利要求6-8任一项所述的传感器，其特征在于：电压的脉冲占空系数是可以调节的。

10.如权利要求8或9所述的传感器，其特征在于：频率和脉冲占空系数可以互相独立地进行调节。

11.如权利要求1-10任一项所述的传感器，其特征在于：电容器(1)的电荷是可以测量的。

12.一种接近电介质(5)的检测方法，优先检测人体部分，该方法用于防挟系统中，其包括电容器(1)和电子测评系统，其中，可以测量电容器(1)由于电介质(5)引起的电容变化，特别是使用根据权利要求1-11任一项所述的传感器；其特征在于：使用至少两种不同的频率和/或两种不同的脉冲占空系数可以连续操控电容器(1)。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：电容器(1)用方波电压充电。

14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：电容器(1)上的电压是可以测量的。

15.如权利要求12-14任一项所述的方法，其特征在于：电容器(1)的充电和电荷测量相互相隔一个时间间隔。

16.如权利要求12-15任一项所述的方法，其特征在于：一组测量包括至少两次测量，而对于两次测试中的每一次测试采用不同的频率和/或不同的脉冲占空系数的充电电压来实现。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：每一组的所有测量都是在很短的时间范围内进行，并且忽略了个别参数的波动所带来的影响。

18.如权利要求12-17任一项所述的方法，其特征在于：每组的测量是周期性地重复进行。

19.如权利要求12-18任一项所述的方法，其特征在于：从测量的电荷可得出电容器(1)的电容。

20.如权利要求12-19任一项所述的方法，其特征在于：如果电容的变化是由于电介质(5)引起的，且在一组的所有测量中数值各不相同，则可得出水进入电容器的电场的结果。

21.如权利要求12-20任一项所述的方法，其特征在于：如果电容的变化是由于电介质(5)引起的，且在一组的所有测量中大致恒定，则可得出人体部分进入电容器的电场的结果。

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