[发明专利]采用电容式测量原理的传感器

说明书

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。