[发明专利]鲁棒、低成本的电容测量系统

说明书

一种用于确定在加载模式下操作的保护‑感测电容传感器的复感测电流的复电流测量电路，包括周期性信号电压源(1)，差分跨阻抗放大器电路(DTA)和多路分解器电路(DMX)。电容传感器的至少一个感测天线电极电连接到多路分解器电路(DMX)的信号输入线。多路分解器电路(DMX)的信号输出线中的每一个电连接到差分跨阻抗放大器电路(DTA)的差分信号输入线(8，8'，9，9')中的不同的一个。多路分解器电路(DMX)包括三个或四个信号输出线，并且在三个信号输出线的情况下，差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括三个运算放大器(15，20，61)且各自具有单个信号输入端口，或者在四个信号输出线的情况下，差分跨阻抗放大器电路(DTA)包括两个差分放大器(30，30')且各自具有两个信号输入端口。每个信号输出线电连接到信号输入端口中的不同一个。对于每个差分信号输入线(8，8'，9，9')，电容器(10，10'，11，11'；10，11，60)电连接在周期性信号电压源(1)的输出端口和差分信号输入线(8，8'，9，9')之间，其中在电测量信号的工作频率下的电容器(10，10'，11，11'；10，11，60)的阻抗接近零欧姆，或者电流连接被提供给多路分解器电路(DMX)的信号输出线(8，8'，9，9')中的不同的一个。由差分跨阻放大器电路(DTA)提供的输出信号可用于确定复感测电流。

技术领域

本发明通常地涉及电容测量电路技术领域，并且更特别地，涉及一种具有一个或多个电极的电容测量装置，通过该电容测量装置，具有与环境不同的复介电常数的物体的形状和位置等特征是由通过该物体的电容耦合确定的。

背景技术

电容传感器和采用电容传感器的电容测量和/或检测装置具有广泛的应用，并且尤其用于检测在天线电极附近的导电体的位置和/或存在。如本文所使用的，术语“电容传感器”指传感器，该传感器生成响应于被感测物(人，人体的一部分，宠物，物体等)对电场的影响的信号。电容传感器通常包括至少一个天线电极，当该传感器工作时，向该天线电极施加振荡电信号并且其随即将电场发射到靠近该天线电极的空间区域中。该传感器包括至少一个感测电极，其可以和发射天线电极相同或不同，在该感测电极处检测物体或生物对电场的影响。

在一些(所谓的“加载模式(loading mode)”)电容传感器中，至少一个天线电极同时用作感测电极。在这种情况下，测量电路确定响应于施加到所述至少一个电极的振荡电压而流入至少一个天线电极的电流。电压和电流的关系生成所述至少一个天线电极和地电势之间的复阻抗。在电容传感器(耦合模式电容传感器)的替代形式中，(一个或多个)发送天线电极和(一个或多个)感测电极是彼此分离的。在这种情况下，该测量电路确定当操作至少一个发送天线时在感测电极中感应的电流或电压。

例如，标题为“用于图形界面的电场感应”的技术论文中解释了不同的电容感测机制，作者为J.R.Smith等人，发表在IEEE计算机图形和应用，18(3)卷，第54-60页，出版时间为1998年。该论文描述了用作进行非接触式三维位置测量(并且更具体地，用于感测人手位置以便向计算机提供三维位置输入)的电场感测的概念。在电容感测的通常概念中，作者区分了对应于各种可能电流路径的他称为“加载模式”，“旁路模式”和“发送模式”的不同机制。在“加载模式”中，将振荡电压信号施加到发送电极，该发送电极建立到地的振荡电场。待感测的物体改变发送电极和地之间的电容。在“旁路模式”(或者被称为“耦合模式”)中，振荡电压信号被施加到发送电极，该发送电极建立到接收电极的电场，并且测量在接收电极处感应的位移电流。被测量的位移电流取决于正在被感测的主体。在“发送模式”中，发送电极被放置与用户的身体接触，然后该发送电极通过直接电连接或经由电容耦合成为相对于接收器的发送器。

电容耦合强度可以通过例如向天线电极施加交替电压信号和通过测量从该天线电极流到地(在加载模式中)或流到第二天线电极(在耦合模式中)的电流来确定。该电流可以由跨阻抗放大器来测量，该跨阻抗放大器连接到感测电极，并将流入感测电极的电流转换为与该电流成比例的电压。