無誤差電容性記錄測量值的裝置和方法

2023-05-06 23:49:56 1

專利名稱：無誤差電容性記錄測量值的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於位於對電磁輻射透明的平坦物(例如，面板)後面的物體的精確電容式測量值獲取的裝置和方法，例如，根據權利要求I和5的前序部分所述的。
背景技術：
通常基於電容式測量技術來構造傳感器，所述傳感器通過對光學照射不透明的平坦物(例如，通過板)檢測非金屬物體的存在或者移動。已知應用為例如電容式觸控板(例如，從例如DE10324579A1已知的)、電容式接近傳感器以及所謂「螺栓檢測器」(尋跡器)。在提到的前兩個應用中，傳感器單元牢固地連接至待穿透板，從傳感器單元看，被檢測物體在該板後面移動。由於其機械配置，傳感器和板具有固定互電容，所述互電容在測量值中反映為恆定基本電容。更多應用為必須在平坦物或者板上移動以定位平放於其後面的物體的傳感器，諸如從例如EP 0657032B1和EP 1740981B1已知的。包括在此類中的為所謂的「尋跡器」(螺栓檢測器)。一般地，尋跡器為愛好者和專業人士自製的手持式裝置，其用於檢測位於例如裝配式房屋中實木板或者鑲板後面的梁、柱或者管道或者載流導線。為此，在整面牆上操縱傳感器。傳感器藉助於電極測量相對於牆的電容。如果木質梁、管到或者載流導線位於傳感器檢測範圍內，那麼所述電容由於電介質改變而增加。這種情況被相應地評估並且吸引了使用者的注意力。只要傳感器在距離平坦物件或者板完全相同的距離處移動，介於傳感器與平坦物或者板之間電容就不改變。如在前兩個實例情況下，其僅僅以恆定值形式構成測試信號或者測量值信號的一部分。然而，使用螺栓探測器的實例，人們可以理解，由於牆構造方式，實際上幾乎不可能維持恆定間距，使得基本電容將基本上根據間距而改變。因此，螺栓探測器也被選為用作本發明以下描述中的示例性實施方式。一般地，由於牆構造而形成的基本電容基本上高於由於位於牆後面或者牆內的物體而導致的電容增加。當螺栓探測器在牆上移動時，因牆不平坦引起的極小傾斜量可引起電容極大減少，使得需要檢測的物體可不能再被識別出。在紋理石膏、木屑牆紙情況下或者在牆紙條之間的接縫處，這種效果尤為明顯。不僅紋理石膏導致傳感器傾斜，而且紋理石膏通常也塗布不均勻。因為石膏層厚度對由傳感器所作出的測量結果也有很大影響，所以梁或者柱的搜索成為純粹靠運氣的事。此外，尤其當它們位於表面附近(即，在傳感器附近)時，牆構造的局部不均勻也構成基本電容一部分。為了提供更好的解釋，現在將基於傳統現有技術傳感器來說明傾斜處理效果。圖
11不出包括電極5. 12的傳感器I. 3,電極5. 12用於藉助於電磁場5. 15判定電容。未不出相關聯的電子系統，假設該電子系統運作模式為常見的。根據圖1，如果傳感器I. 3從給定位置向牆I. I移動，那麼如測量值曲線I. 7中所示的電容值C改變為更高的值，直到產生接近牆I. I最近可能點。只要柱或者梁I. 2等未位於牆後面，沿牆理想移動就不會改變測量值。為了指示梁等的存在，作為實例，閾值I. 6可設定為測量值I. 7以上，這樣，由於當跨過梁I. 2時發生測量值I. 8的結果增加，將超過閾值1.6。然而，圖2示出諸如現實中通常出現的測量值曲線。這裡所示的牆I. I具有石膏塗層2. 5、不平體2. I和不均勻體2. 2。例如，不平體可為石膏中略厚的點或者牆紙接縫。當傳感器I. 3遇到不平體2. I時，傳感器表面被迫稍微遠離牆。結果，電容減少，並且測量值曲線I. 7相應地下降(圖2，2. 3)。因為在該情況下未超過閾值I. 6，所以這種情況不會首先出現問題。然而，如果不平體位於作為待確定位置的梁1.2附近，那麼它確實成為關鍵。於是，結果為梁未被識別到(圖2，2. 6)。S卩，由於不平體2. I上傳感器的傾斜，使得由於牆後面的梁導致的電容增加被掩蓋。在該情況下，未超過閾值I. 6，因此梁沒有被定位。在例如釘子的不均勻體的情況下有不同效果。這裡，測量值I. 7可能增加，以至於超過閾值I. 6並且標誌假「梁」。圖6中示出了根據現有技術當傳感器傾斜或者略微遠離牆抬高時所檢測的傳感器電容降低。可以清楚看出，在現有技術中，電容曲線6. I中最大改變出現在傾斜動作或者傳感器遠離表面的第一個幾毫米內(圖6，D)。由DE102005031607A1已知一種用於將用於加速度傳感器中的差動電容器的信號的電容改變轉換為數位訊號的裝置。為了該目的，使用了 Σ-Λ調製器。Σ-Λ調製原理是基於藉助於量化器的信號粗測量。由此引起的測量誤差被積分並且藉助於負反饋配置得到連續補償。根據進行的轉換處理類型，Σ-Λ調製器的單獨模塊以數字或者模擬方式實施。差動電容器被集成到負反饋路徑和參考反饋結構中。電容改變可因此從模擬值直接轉換為數位訊號。由於差動電容器的集成，所以二進位流形式的轉換器輸出信號是僅取決於差動電容器振動塊偏轉的第一近似。可將不同的參考電壓施加於差動電容器的電極，不同的參考電壓可以以特定的時間模式特定的振幅進行選擇。待數位化的信號的不同範圍的值和解析度可由不同選擇的參考電壓來表示。輸入信號極性的改變通過適當選擇的參考電壓序列來實現。此外，為了藉助於參考電壓序列以及用於將參考電壓連接至電極的合適時鐘定時模式來執行自檢測功能，調整力可施加於可移動電極上。在時間平均化情況下，電極電位均等通過參考電壓的選擇來實現。從而，防止振動塊充電和由此產生的輸出信號的改變。然而，沒有反向調節傳感器電極和包圍傳感器電極的另一電極。DE19843749A1描述了用於評估電容式接近開關中電容小改變的方法和電路裝置。為此，利用橋接電路，其中，以電容器形式的電抗位於橋各臂中。兩個橋臂電壓根據各自橋臂分開整流，隨後，以直流電壓形式評估對角線橋電壓，所述直流電壓隨著電容器電容改變而相應地改變。接近開關由多層印刷電路板組成，該多層印刷電路板包括兩個電氣絕緣層，所述兩個電氣絕緣層之間有金屬化中間層，該金屬化中間層用作電容器第一表面。用作探針的平坦塗層施加於兩個層中的一個，該探針形成電容器的第二表面。金屬表面被配置為可相對於探針移動，並且與所述探針一起形成第二可變電容器。藉助於該電路裝置來實現、噪聲免疫性增加以及溫度穩定性增加。為了該目的，藉助於可變電容器來調節該電路，以這樣的方式使得差分電壓在接近開關操作時的時間點處等於零，這是因為然後僅僅評估前綴符號就足夠了。在US7，148，704B2中，描述一種用於建立物體(即，觸控板上手指)位置的電容式裝置。為此使用的傳感器包括兩個測量通道，兩個測量通道各連接至各自的電極。通道被同時操作，由此各通道對由手指產生的電容效應作出非線性響應。線性組合這些各自的輸出信號以提供位置信號，所述位置信號隨著手指位置線性改變，因此，所述傳感器作為比例測量傳感器工作。US5, 585, 733描述用於測量電容式傳感器的電容改變的裝置和方法。為此,設置用於將恆定電流施加於電極的構件，並且還設置用於產生第一串時鐘脈衝的構件。電容器的電壓與參考電壓比較，如果電容器的電壓超過參考電壓，那麼產生信號。電容式傳感器用於測量具有可變尺寸的物體(例如，諸如伸縮裝置)的尺寸改變。電容器由包圍活塞絕緣套筒的兩個導電層形成。電容器電容由於活塞的移動以及因而套筒的移動而改變。該改變通過控制系統來檢測和評估，由此檢測活塞的位置改變。 DE3942159A1描述用於處理藉助於電容式傳感器檢測的傳感器信號的電路裝置。該傳感器包括測量電容，被配置為受需要檢測的物理變量的影響；以及參考電容器，呈現參考電容並且提供測量效果，該測量效果取決於測量電容和參考電容。傳感器的電容器第一電極保持在固定電位處，同時，為了執行電荷轉移處理，電容器的第二電極連接至輸入運算放大器的第一輸入端，其第二輸入端處於參考電位。產生傳輸的電荷所需的傳感器的電容器上的電荷反轉受輸入運算放大器的參考電位的切換的影響。因此，運算放大器的兩個輸入端實際上處於基本上相同的電位。因此，由於輸入運算放大器的參考電位的轉變，連接至另一輸入端的電容器電極的電位也每次都以相同方式改變。因此，對連接至信號線的電容器電極上的電壓作出必要的改變，使得只有它們有效。其他電極無效並且為處於任何任意電位，例如，處於傳感器外殼的電位。

發明內容
本發明目的是製造電容式傳感器，其減少並且在最佳情況下對相對於表面的傾斜或者與表面間距的小改變不作出反應。該目的通過包括權利要求I的特徵的裝置和包括權利要求5的特徵的方法來實現。因此，接著描述還可考慮相對於平坦物(例如，板)的可變間距的傳感器。同時，包圍電極抑制對傳感器表面的電氣影響，例如，由於溼氣膜導致的電氣影響。因此，在「螺栓探測器」的示例性實施方式情況下，產生對由於牆不平坦導致的傾斜、遠離牆的略微移動、石膏層不同厚度或者局部不均勻體不作出反應的傳感器。同時，對傳感器電極和包圍該傳感器電極的額外包圍電極的閉環控制分別有相反方向調節的處理。此外，信號優選地可被放大一定程度，以至於產生例如被傳感器掃過的平坦物後面的顯著地更大的範圍，或者以至於使得被突出的物體能夠更加清晰。因此，如果使用來自若干個傳感器電極的用於表示物體的位置和/或厚度的測量值來實現計算，那麼其可本示出在顯示器上。以完全相同方式，其還涉及在顯示器上對以單個物體(例如，螺釘)形式的不均勻體進行圖示。在應用於觸控板和接近傳感器的情況下，可實現小尺寸的電容式傳感器，諸如，在手指僅從固定靜止點傾斜或者只從該位置略微「滾動」的情況下，用作檢測手指位置的傳感器。然後，檢測位置可用於例如控制光標。為了實現可感知的觸覺效果，例如，為了驅動機械微開關，按壓表面，從而啟動功能。由於構造原因，如果電容式傳感器未集成至可移動部件中，那麼在按壓過程期間不論表面的移動與否都不會「離開」檢測位置。在觸控板情況下，由於多個傳感器子部的測量值曲線的計算，滑鼠功能可代替「梁」直接示出在顯示器上。此外，由於系統的高靈敏度，所以也可檢測在Z軸方向上接近物體(諸如手指)的間距。優選地，在「螺栓探測器」情況下，不僅示出牆後面梁的存在，還示出牆後面梁的位置。更多優點通過所附權利要求和以下描述變得顯而易見。


下文將基於附圖中所示示例性實施方式對本發明作出描述。其中圖I示出傳感器沿平坦物的理想移動以及隨其發生的電容值C的改變；圖2示出了現有技術傳感器沿圖I所示的平坦物的理想移動以及隨其發生的電容值C的改變；圖3示出了根據本發明的傳感器沿圖I所示的平坦物的移動以及隨其發生的電容值C的改變；圖4示出包括閉環調節裝置的傳感器電子系統的示例性實施方式，所述閉環調節裝置用於使傳感器電極的信號振幅保持恆定；圖4. I示出包括阻抗轉換器的傳感器電子系統的又一示例性實施方式；圖5示出根據本發明的傳感器；圖6和圖7示出根據現有技術的傳感器和根據本發明的傳感器隨著距離平坦物的距離增加電容減少；圖8和圖9示出根據本發明的又一傳感器的示例性實施方式，包括在垂直梁或者柱以及一個對角線擺放的情況下使電容比不同的測量值曲線和顯示單元。圖10示出利用IC實現本發明的外部電路裝置的示例性實施方式。圖11示出根據現有技術的傳感器，所述傳感器包括用於電容判定的電極。
具體實施例方式現在將參考附圖以示例性方式對本發明作出更詳細地描述。然而，示例性實施方式僅僅為並非旨在限制某個裝置的創新概念的實例。在詳細描述本發明之前，應指出，本發明並不限於裝置特定組件和特定方法步驟，這是因為這些組件和方法可改變。這裡所使用的術語只是為了描述特定實施方式，並不以限制之意而使用。此外，如果在說明書或者權利要求中使用單數或者不定冠詞，在沒有明確指明表示其意思的一般情況下，其還指多個這些元件。與現有技術相比，在根據本發明的傳感器5. I中，至少兩個電極被用於檢測目的。、圖5示出了一種可行裝置。其中，環狀電極5. 3包圍傳感器電極5. 2。這裡，然而，我們不關注通常在現有技術中使用的屏蔽電極，該屏蔽電極用於遮蔽電容式傳感器電場不均勻體邊界區以防測量值電極幹擾，以確保直到傳感器表面邊緣的均勻場。當然，這些根據測量值電極上的電位保持在相同電位處。相對於周圍接地表面的寄生電容由此被消除。當測量值電極上僅小的電容改變待檢測時，人們優選該方法。如果這種測量裝置被用於定位梁，那麼當傳感器傾斜時，將出現與圖6所示大致類似的曲線。在現有技術中，如果測量值電極上的電位上升或者下降，那麼屏蔽電極遵循該電位。以高阻抗方式施加於測量值電極的「電位」可為正弦或者矩形脈衝交流電壓形式，測量值電極上電容增加導致以相對應的頻率變形，或者導致交流電壓減小。在進一步描述中，「高阻抗」耦合是指例如由於牆後面的梁導致的電容改變導致測量值電極上信號的可評估改變。相應地，「低阻抗」耦合是指例如由於傳感器接近牆導致的電容的規則(regular)的大的改變不會對交流電壓波形造成重大影響。
測量值電極至發送電子系統的「高阻抗」稱合可藉助於例如470千歐姆電阻(以例如IOOkHz頻率)實現。這裡，測量值電極處的電容的小改變在波形中也可被清晰地察覺。在例如100歐姆電阻值的情況下呈現「低阻抗」耦合，連接電極處電容的小的改變則對信號造成幾乎不可測量的影響。然而，在根據本發明的方法中，圖5中所示的額外包圍電極5. 3不遵循傳感器電極5. 2或者測量值電極上的電位。此外，傳感器電極不變地保持在預定的恆定電位處。在由於傳感器電極5. 2處電容增加導致電位下降情況下，重新調整包圍電極5. 3上電位，直到傳感器電極5. 2上重新出現預定的恆定電位。則調整值為傳感器電極處電容的改變值。在以下示例性實施方式中，施加具有IOOkHz頻率的矩形交流電壓。在相對應高阻抗耦合情況下，當有電容改變時，傳感器電極5. 2上的振幅改變。當接近牆時振幅改變量達至Ij例如10%，牆後面另一梁I. 2使振幅另外改變了例如O. 1%。實際上，這些值對應於18mm厚的木牆和5X5cm的梁，然而，對於不同類型牆構造和位於牆後面的不同類型物體可能明顯不同。如果下文中涉及電極上的信號振幅，那麼該表達參照上述說明。圖4示出包括閉環調節裝置的傳感器電子系統的示例性實施方式，所述閉環調節裝置用於使傳感器電極上的信號振幅保持恆定。時鐘脈衝發生器4. 8將具有例如IOOkHz頻率的第一時鐘脈衝信號4. 13提供至第一調節電壓源4. 10，以及將第二反相時鐘脈衝信號4. 12提供至第二調節電壓源4. 9。第一調節電壓源4. 10饋給由R6和R8組成的低阻抗分壓器，電極5. 3連接至低阻抗分壓器的中點。同一電壓源4. 10饋給與由R6和R8組成的低阻抗分壓器並聯的高阻抗分壓器R2和R3。R3引腳連接至交流電壓放大器4. 5的輸入端。因為由於下文中將詳細描述的調節處理，該放大器的輸入信號總是保持恆定在「O」處，所以可以假設，這裡，分壓器R2/R3代表虛擬接地電位。傳感器電極5. 2連接至分壓器R2和R3的中點。R2和R3之比優選對應於R6和R8之比。實際上，例如，R6和R8各為100歐姆，以及R2和R3各為470歐姆。與該裝置類似，第二調節電壓源4. 9饋給(feed)低阻抗分壓器R5和R7以及高阻抗分壓器Rl和R4。傳感器電極5. 2形成相對於其環境(例如相對於傳感器外殼)的電容。電容器C2電容被選擇為大約與該電容一樣大。介於傳感器電極5. 2和包圍電極5. 3之間也存在電容。電容器Cl的電容被選擇為與該電容大約一樣大。因此，C2形成傳感器電極
5.2的固定參考電容。R5、R7、Rl和R4的值對應於R6、R8、R2和R3的值。因此，電路的該部分作為整體形成發送路徑的參考路徑，該發送路徑包括傳感器5. 1,8. I。來自多個傳感器電極或者傳感器子部SA、SB、SC、SD的測量值的計算因此可用於在顯示器上表示牆後面物體的位置和/或厚度，或者用於在顯示器上表示諸如螺釘形式的單個物體的不均勻性。在本發明的其他應用領域中，顯示器上的滑鼠功能也可想到。代替「梁」，然後在顯示器上示出滑鼠功能，藉此可以以相同的方式實現基於測量值曲線的計算。在電壓源4. 10和4. 9的輸出端呈現相同電壓情況下，取消交流電壓放大器4. 5的輸入信號。
因為放大器4. 5在電路補償狀態下在其輸入端僅看到噪聲，所以它可具有非常高的放大因子，或者實施為高限幅放大器。放大器4. 5的輸出信號被提供至同步解調器4. 6。後者經由4. 18從時鐘發生器4. 8接收解調處理所需的時鐘脈衝信號。在最簡單的情況下，同步解調器4. 6在整個時鐘相位周期期間將放大器4. 5的輸出信號同步提供至積分比較器4.7的適當輸入端。然而，也有可能僅在時鐘相位的部分中執行解調功能。因此,在積分比較器4. 7的第一輸入信號4. 15和第二輸入信號4. 17的電壓相同的情況下，在交流電壓放大器4. 5輸入端將沒有時鐘同步信號分量。通過積分比較器4. 7檢查與兩個時鐘脈衝信號4. 12和4. 13相關聯的同步解調器4.6的輸出信號的振幅差。比較器4. 7可以以高放大比較器電路形式實施。輸入電壓4. 15和4. 17的每個即使最小偏差都導致控制值4. 16與其瞬時值的相對應偏差。由於系統的高 靈敏性，即，由於高放大因子，對於傳感器，也可在Z軸方向上具有接近功能。相關聯信息可由測量值曲線的振幅獲得。因此，例如，在滑鼠功能的情況下，手指檢測有可能高達例如50mmo調節電壓源4. 9和4. 10藉助於反相級4. 11通過控制值4. 16被向彼此相反的方向控制。如果調節電壓源中的一個的電壓上升，那麼另一個的電壓相應地下降。對於根據本發明的傳感器的功能而言，然而，電壓源4. 9和4. 10兩者並不一定必須向彼此相反的方向調節，如果調節處理只應用於一個電壓源，那麼這種情況也是足夠的。控制環通過由R1、R4和R2、R3形成的分壓器閉合。相應地，經由Rl和R4的路徑形成經由R3和R2的路徑的參考(reference)。因此，在不受改變傳感器電容的平坦物(例如，牆)影響的情況下，調節電壓源4. 9和4. 10輸出端的電壓被均等化，因此，在放大器4. 5的輸入端不會產生時鐘同步分量，即，將在放大器4. 5輸入端上僅存在噪聲信號。調節輸出端4. 16因此將採用與由傳感器構造所決定的傳感器電極5. 2的特定電容值對應的某一電氣值。例如，如果傳感器現在放置於牆上，那麼兩個電極5. 2和5. 3的電容改變。優選地，對物體的表面有積極效應的包圍電極5. 3的表面積與傳感器電極5. 2的表面積的大小大約相同。包圍電極5. 3上電容的改變對控制環實際上相當於根本無影響。傳感器電極5. 2有些不同。由於R2、R3的固有高阻抗，電壓將趨於降低。在該情況下，雖然在放大器4. 5輸入端產生時鐘同步信號分量，但是其立即被調節回到「O」。為此，控制值4. 16以適當的方式改變。
因此，傳感器電極5. 2上的電壓總是保持等於C2上的電壓。傳感器電極上電容的增加因此不產生傳感器電極上電壓電平的改變，而它導致電壓的增加，從而導致包圍電極
5.3的電場5.4的增加。由此產生的優點示出於圖7中。相比之下，圖6示出根據現有技術的傳感器的電容曲線6. I。當傾斜或者略微遠離牆移動時，立即出現電容的大改變。如果該傳感器在包括不平體的整面牆上操作，那麼出現最初於圖2中示出的誤差。作為對比，圖7示出在根據本發明的方法的情況下，當傳感器相似程度地傾斜或者略微遠離牆移動時出現電容改變。在靠近牆的範圍內的間距改變實際上不會導致電容改 變，因此不會導致控制值改變。然而，電容在稍微遠地遠離傳感器的範圍內的改變被完美地檢測。如圖3所示，如果傳感器在整面牆I. I上操作，那麼不平體2. I以及不均勻體2. 2對電容值C無影響，因此對控制值4. 16無影響。定位設置於牆後面的梁I. 2的過程完美進行(圖 3，3. 2)。實踐中獲得的測量表明，在根據本發明的放置於18mm厚粗紙板上具有40mm直徑表面積的傳感器情況下，傾斜4-5_或者隆起2_對測量結果幾乎沒有影響。從而，梁是否位於粗紙板後面無關緊要。在圖4的示例性實施方式中，高阻抗電阻R3和R4用於以高阻抗方式分接傳感器電極51. 2的電壓信號。如果其值選擇為諸如等於Rl和R2各自值，那麼待檢測信號相應地減少。為了增加傳感器靈敏度，如圖4. I所示，傳感器電極5. 2或者電容器C2上信號可通過相對應的阻抗轉換器4. 21直接拾取，並且通過以下差分放大器4. 23進行進一步處理。在該情況下，電壓源4. 9和4. 10的信號同步。然後，電阻R9和RlO被優選地選擇為等於阻抗轉換器4. 21的輸入阻抗的輸入電阻，或者在4. 21的適當高阻抗輸入阻抗情況下被分配。這裡，發射時鐘脈衝速率4. 12和4. 13未相移。圖8不出根據本發明的傳感器8. I的另一實施方式。傳感器表面5. 2被細分為四個傳感器子部，即，SA、SB、SC和SD。與圖5相對應，傳感器各子部被相對應的包圍電極子部8. 11包圍。此外或者作為另一種選擇，對於它們部件而言，傳感器子部還可完全或者部分地被各自的相對應電極包圍。現在可以以相對於參考電容C2測量各電極子部的方式實現測量。例如，SD相對於C2等。此外，例如，為了判定傳感器後面的物體是否為橢圓形梁還是小的單個物體，傳感器子部均還可相對於另一子部測量。在圖8示的例性實施方式中，示出傳感器子部SD相對於SB以及SA相對於SC的測量波形。圖8中，梁8. 2在傳感器8. I下從左到右通過。傳感器子部SA至SD相對於參考電容C2的測量產生測量值曲線8. 3,8. 4、8. 5和8. 6。可單從這些測量值曲線計算梁位置並且在顯示器8. 9上呈現為梁8. 10。傳感器子部相對於彼此的電容比提供額外信息。在示例性實施方式中，傳感器子部SD和傳感器子部SB的電容比示出於測量值曲線8. 7中，以及傳感器子部SA和傳感器子部SC的電容比示出於測量值曲線8. 8中。測量值曲線8. 8例如不包含信息，因為梁的移動相同程度地影響傳感器子部SA和SC。因此可計算梁的確切位置，並且相應地呈現於顯示器中。此外，可由測量值曲線中測量值改變的振幅獲得梁的寬度，並且相應地呈現於顯示器中。圖9示出在傳感器8. I後面對角線移動的情況下的測量值曲線9. 3至9. 8以及顯示器8. 9上梁9. I的相對應對角線表示。Elmos半導體AG公司的IC 9. 9. 05提供了實施上述本發明的電子系統10. 8的一個可能性。圖10示出了用於實現本發明的基本外部電路配置。所述IC包括五個可自由配置的調節電源10. I至10. 5 (與調節電壓源4. 9,4. 10相對應)、輸入端10. 6、本發明中所述的信號處理的數字實施、內部數據處理配置以及適當的數據傳輸系統10. 7。在利用調節電源10. I電路布局實例的圖10中，示出了上述本發明中所採用的一個傳感器電極和包圍電極各自的電阻可如何用導線連接起來，同樣示出了參考電容C2的配線圖。顯而易見，可對本描述進行最多樣化的修改、改變和調整，其均應包括在所附權利 要求的等同物的範圍內。參考標號列表I. I 牆I. 2 梁1.3傳感器(現有技術)I. 4測量值I. 6 閾值1.7測量值曲線減少I. 8測量值增加I. 9控制值的靜止狀態2. I 不平體2. 2不均勻體2. 3無梁情況下發生傾斜時的測量值2. 5石膏塗層2. 6有梁情況下發生傾斜時的測量值I. 8測量值增加4.5交流電壓放大器4. 6同步解調器4. 7積分比較器4.8時鐘脈衝發生器4.9第二調節電壓源4. 10第一調節電壓源4. 11 反相級4. 12第二反相時鐘脈衝信號4. 13第一時鐘脈衝信號4. 15比較器的第一輸入信號輸入電壓4. 16 控制值
4. 17比較器的第二輸入信號輸入電壓4. 18解調器時鐘脈衝信號4，21阻抗轉換器4. 23差分放大器5.1 根據本發明的傳感器5. 11具有電極的傳感器5. 12現有技術的傳感器電極5. 15 電磁場5. 2 傳感器電極5. 3 包圍電極5.4 包圍電極的電場6. I 電容曲線(現有技術)8. I 根據本發明的傳感器的另一實施方式8. 2 梁8. 3-8. 8測量值曲線8.9 顯示器8. 10垂直梁表示8. 11包圍電極9.1對角線梁表示9.3-9.8測量值曲線10. 1-10. 5第一至第五調節電源10. 6 輸入端10.8電子系統D 距離C2參考電容SA傳感器子部ASB傳感器子部BSC傳感器子部CSD傳感器子部D權利要求
1.一種物體的電容式檢測裝置，所述物體為優選地被設置在牆(I. I)或者對電磁輻射透明的平坦物後面的例如柱(I. 2)、線或者手指，所述裝置包括 傳感器(5. 1,8. I)，所述傳感器包括傳感器電極，所述傳感器電極用於檢測所述物體，優選地用於檢測所述傳感器和所述平坦物或者手指之間的相對移動， 控制電路，用於控制所述傳感器電極，以及用於評估所述傳感器的輸出信號， 其特徵在於，所述傳感器包括至少一個傳感器電極(5.2 ;SA，SB, SC，SD)，所述傳感器電極被至少一個額外包圍電極(5. 3;8. 11)所包圍，其中，所述額外包圍電極(5. 3;8. 11)通過所述控制電路連接至所述傳感器電極，使得在所述傳感器電極的電位改變的情況下，與所述傳感器電極相反地調節所述額外包圍電極的電位，以使所述傳感器電極保持在預定的或者預定義的電位。
2.根據權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述傳感器電極包括多個傳感器子部(SA，SB, SC，SD)，所述多個傳感器子部被至少一個所述額外包圍電極(8. 11)整體地或者單 獨地包圍，以及為了判定所述物體或者例如諸如螺釘的不均勻體的位置和/或厚度，配置有評估單元，所述評估單元評估所述傳感器子部和/或所述額外包圍電極相對於彼此或相對於參考電容(C2)的電容比。
3.根據權利要求I或2所述的裝置，其特徵在於，對所述物體的表面有積極效應的所述額外包圍電極(5.3)的表面積與所述傳感器電極(5.2)的表面積的大小約相同。
4.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述控制電路包括時鐘脈衝發生器(4. 8)，所述時鐘脈衝發生器(4. 8)將時鐘脈衝信號傳送至所述額外包圍電極(5. 3 ；.8.11)用於調節所述傳感器電極(5.2)的電位，並將反相時鐘脈衝信號形式的電信號提供至參考電容(Cl，C2)，其中，從所述傳感器電極(5. 2)接收的信號受外部影響的影響，並形成其上疊加有反相時鐘脈衝的輸入信號，和/或 為了形成用作控制值(4. 16)的比較值，設置有用於以定時方式分配所述輸入信號的同步解調器(4. 6)，以使周期性細分信號呈現在比較器(4. 7)的輸入端，以及 至少一個振幅調節器(4. 9,4. 10)被設置於所述時鐘脈衝信號和/或所述反相時鐘脈衝信號的信號路徑中，所述振幅調節器為了調節所述時鐘脈衝信號的振幅值而利用所述控制值(4. 16)，以使周期性細分輸入信號的振幅為基本上彼此相同的幅值，使得在穩定狀態下所述比較器的所述輸入端的輸入信號不包含時鐘同步分量。
5.一種物體的電容式檢測方法，所述物體為優選地被配置在牆(1.1)或者對電磁輻射透明的平坦物後面的例如柱(I. 2)、線或者手指，其中，設置有電極的傳感器(5. I ；8. I)與平坦物或者所述物體之間存在相對移動，並且通過檢測電容的改變來判定所述物體的位置，以及其中，控制電路控制所述傳感器的傳感器電極並且評估其輸出信號， 其特徵在於，在至少一個傳感器電極(5. 2 ；SA, SB, SC，SD)的電位改變的情況下，與所述傳感器電極相反地調節包圍所述傳感器電極的至少一個額外包圍電極(5. 3 ；8. 11)的電位，使得所述傳感器電極保持在預定的或者預定義的電位。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，為了判定所述物體或例如諸如螺釘的不均勻體的位置和/或厚度，評估所述傳感器(8. I)的多個傳感器子部(SA，SB, SC，SD)和/或整體地或單獨地包圍所述傳感器子部的至少一個額外包圍電極(8. 11)相對於彼此或者相對於參考電容(C2)的電容比。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，來自所述傳感器的信號，通過有源電路，具體地藉助於阻抗轉換器(4. 21)，以高阻抗的方式被分接，以及隨所述有源電路之後，組合來自所述傳感器電極(5. 2 ;SA，SB, SC，SD)的信號和來自參考路徑的參考信號的處理通過差分放大器(4. 23)積極地執行。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的方法，其特徵在於，時鐘脈衝發生器(4.8)為了調節傳感器電極電位而將時鐘脈衝信號提供至所述額外包圍電極(5. 3)，還將反相時鐘脈衝信號提供至至少一個參考電容(C1，C2)，並將從所述傳感器電極(5. 1,8. 11)接收的信號疊加到其上。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述時鐘脈衝發生器(4.8)將時鐘脈衝信號提供至所述額外包圍電極(5. 3)，所述時鐘脈衝信號被傳感器電極(5.2)同相接收，其中，所述傳感器電極上的信號可受外部影響的影響，並且與疊加的反相時鐘脈衝信號一起形成輸入信號，以及 為了形成用作控制值(4. 16)的比較值，以定時方式細分所述輸入信號，以使所產生的按時鐘周期性細分信號出現在比較器(4. 7)輸入端，以及 至少一個振幅調節器(4. 9,4. 10)被設置於所述時鐘脈衝和/或所述反相時鐘脈衝的信號路徑中，所述振幅調節器利用所述控制值(4. 16)調節所述時鐘脈衝信號的振幅值，以使按時鐘周期性細分輸入信號的振幅大小基本上彼此相同，使得所述比較器(4.7)的輸入端的輸入信號不包含時鐘同步分量。
10.根據權利要求5至9中任一項所述的方法，其特徵在於，所述控制電路利用高放大因子元件(4.5，4.7，4.23)由測量值曲線的振幅獲得物體相對於所述傳感器的間距。
全文摘要
一種物體的電容式檢測裝置和方法，所述物體優選地被設置在對電磁輻射透射的平坦物或者牆後面，所述裝置包括傳感器(5.1)，該傳感器(5.1)包含用於檢測物體的傳感器電極，該傳感器電極優選地用於檢測傳感器和平坦物或者手指之間的相對移動。控制電路，用於控制傳感器電極以及評估傳感器的輸出信號。由於以下事實傳感器包括被至少一個另一電極(5.3)包圍的至少一個傳感器電極(5.2)，其中，該額外包圍電極(5.3)通過控制電路連接至傳感器電極，以這樣的方式使得在傳感器電極的電位改變的情況下，該額外包圍電極的電位被在該傳感器電極的反方向上調節，以這樣的方式使得傳感器電極保持在預定的或者預定義的電位處，所以生成傾斜或者與表面的間隔的小改變不作出反應的電容式傳感器。
文檔編號G01V3/08GK102741711SQ201080048964
公開日2012年10月17日 申請日期2010年10月25日 優先權日2009年10月27日
發明者格爾德·賴梅 申請人:格爾德·賴梅