CN101217273A - 床用人体介质电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种床用人体介质电容传感器。它包括两个平铺在床铺上的两张铜片电极，铜片电极通过导线与控制电路相连，控制电路包括LC振荡器、频率电压转换器、电压比较器和继电器，铜片电极连接LC振荡器，LC振荡器的输出接入频率电压转换器，频率电压转换器的输出连接电压比较器，电压比较器的输出控制继电器。本发明使用安装方便，外在表现是一张普通毛毯，铺在病床上就可使用。由于此传感器的电容变化非常显著，因而非常敏感，可靠性极高。材质就是两张铜片，原料简易，造价低廉。此传感器凭借接触面积的变化和介质的改变使电容量发生变化，无需电源。比传统的压力开关式安装简单，比人体热释电传感器有效，比光电反射或对射式传感器可靠。

Description

床用人体介质电容传感器

(一)技术领域

发明涉及的是一种基本电器元件，具体地说是一种电容器。

(二)背景技术

传统的人体介质接近式传感器主要有以下几种：(1)压力开关。即在病床的四脚下安装弹簧式压力开关，病人上床后，开关受到压力触发。这种方法原理简单，但是安装不方便，且容易损坏。(2)人体热释电传感器。利用人体辐射的远红外线感知人体的存在，但是当人体静止不动时，传感器无输出信号，不适合病床应用，只适合检测活动的辐射源。(3)光电反射式或对射式传感器。此法利用光线的反射或对射原理，缺点是可靠性低，容易误操作。(4)传统的人体接近式电容传感器，将人体作为电容的一极，要求人体站立，不适用于病床使用。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效灵敏地检测出病人是否在病床上，安装方便且不容易损坏，可靠性高的床用人体介质电容传感器。

本发明的目的是这样实现的：它包括两张平铺在床铺上的铜片电极，铜片电极通过导线与控制电路相连，控制电路包括LC振荡器、频率电压转换器、电压比较器和继电器，铜片电极连接LC振荡器，LC振荡器的输出接入频率电压转换器，频率电压转换器的输出连接电压比较器，电压比较器的输出控制继电器。

本发明还可以包括：

1、所述的两张铜片电极铺设在床铺的床毯中。

2、所述的控制电路的组成为：NE555定时器和外接元件电阻R2、R1、变阻器W2、电容C4、C5、CZ1构成多谐振荡，NE555定时器的脚2与脚6直接相连；12V电压经过电阻R2、R1及变阻器W2分压后提供基准电压，C4和C5并联作为多谐振荡的固定电容，CZ1连接人体介质电容传感器，它与C4和C5并联构成多谐振荡的总电容；IC2为LM331，输入脉冲经过C1、R4构成的微分电路加到IC2的输入比较器的反向输入端6脚，电源经电阻R5、R6分压后接到输入比较器的同相输入端7脚，电阻R8和电容C2构成定时电路接到IC2的5脚，输出电压通过1脚接入后面的电压比较器，IC2的输出电压接入电压比较器LM393的两个比较端，变阻器W3和W4调节电压范围的两个端点，比较器输出连接三极管T1和继电器J1，控制信号通过CZ2输出。

本床用人体介质电容传感器，使用安装方便，外在表现是一张普通毛毯，铺在病床上就可使用。由于此传感器的电容变化非常显著，因而非常敏感，可靠性极高。材质就是两张铜片，原料简易，造价低廉。此传感器凭借接触面积的变化和介质的改变使电容量发生变化，无需电源。比传统的压力开关式安装简单，比人体热释电传感器有效，比光电反射或对射式传感器可靠。

本发明的床用人体介质电容传感器，将人体站立转为平躺，床面上水平并列平铺两张铜片作为电极。当病床上没有病人时，极板的作用面是两个铜片的侧面，面积S非常小，此时空气作为电容的介质，其相对介质常数ε_r＝1比较小，根据平行板电容的电容量决定式 $C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}S}{4\mathrm{\πd}}$ 得知此时的电容量比较小(ε_r为介质相对介质常数，ε₀为真空介质常数为8.85×10^-12法拉第/米，S为平行板相对面积，d为两极板之间的距离。)。当病人躺在病床上时，极板作用面相当于扭转了九十度，近似变为铜片的两个表面，极板作用面积S变大，介质变为人体，一般人体的相对介质常数为10～70，明显大于空气的介电常数，因而此时电容量迅速变大。传感器电容与控制电路的定时电阻构成多谐振荡器，病床上从没有病人到有病人躺下，其电容量的变化将引起振荡频率的变化，根据原理图可知，总电容量C＝C₄+C₅+CZ1，根据多谐振荡器的输出频率计算式f＝1/[0.7(R₂+2R₁+2W₂)C]，可见，其振荡频率随着电容量的增大而减小，随着电容量的减少而增大。所以当病床上没有病人时输出频率比较大，当病床上有病人躺着时输出频率比较小。由此输出频率的变化将引起频率电压转换器的输出电压的变化，最后通过电压比较器的比较输出控制继电器动作。查阅相关文献得知一般物料的介电常数为1～5，也比人体介质常数小，而且普通物料为绝缘体，而人体是导体，当床上有一般的普通衣物时，继电器也不会有误动作的产生。要产生误动作除非病床上放置大面积的金属类的物品，该情况在病床上使用时鲜见，所以该发明的可靠性和灵敏性都相当高。

(四)附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的控制电路的电路图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，床用人体介质电容传感器的组成包括两个平铺在床铺上的两张铜片电极，铜片电极通过导线与控制电路相连，控制电路包括LC振荡器、频率电压转换器、电压比较器和继电器，铜片电极连接LC振荡器，LC振荡器的输出接入频率电压转换器，频率电压转换器的输出连接电压比较器，电压比较器的输出控制继电器。两张铜片电极铺设在床铺的床毯中。结合图2，控制电路的组成为LC振荡器、频率电压转换器、电压比较器和继电器。NE555定时器和外接元件R2、R1、变阻器W2、C4、C5、CZ1构成多谐振荡，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外加触发信号。12V电压经过电阻R2、R1及变阻器W2分压后提供基准电压，C4和C5并联作为多谐振荡的固定电容，CZ1连接人体介质电容传感器，它与C4和C5并联构成多谐振荡的总电容。根据多谐振荡器的输出频率计算式f＝1/[0.7(R₂+2R₁+2W₂)C]，可见，其振荡频率随着电容量的增大而减小，随着电容量的减少而增大。IC2为LM331，用作频率电压转换器。输入脉冲经过C1、R4构成的微分电路加到IC2的输入比较器的反向输入端6脚，电源经电阻R5、R6分压后接到输入比较器的同相输入端7脚。电阻R8和电容C2构成定时电路接到IC2的5脚，输出电压通过1脚接入后面的电压比较器。输入频率越高，输出电压越高，输出电压V与输入频率f的关系是：V＝2.09R4*R8*C2*f/(R7+W1)。IC2的输出电压接入电压比较器LM393的两个比较端，使比较电压控制在某一范围内，W3和W4用来调节电压范围的两个端点。当电压落入比较电压的范围内时，比较器输出低电平，三极管T1导通，继电器J1吸合。控制信号通过CZ2输出。

Claims (3)

1.一种床用人体介质电容传感器，其特征是：它包括两个平铺在床铺上的两张铜片电极，铜片电极通过导线与控制电路相连，控制电路包括LC振荡器、频率电压转换器、电压比较器和继电器，铜片电极连接LC振荡器，LC振荡器的输出接入频率电压转换器，频率电压转换器的输出连接电压比较器，电压比较器的输出控制继电器。

2.根据权利要求1所述的床用人体介质电容传感器，其特征是：所述的两张铜片电极铺设在床铺的床毯中。

3.根据权利要求1或2所述的床用人体介质电容传感器，其特征是：所述的控制电路的组成为：NE555定时器和外接元件电阻R2、R1、变阻器W2、电容C4、C5、CZ1构成多谐振荡，NE555定时器的脚2与脚6直接相连；12V电压经过电阻R2、R1及变阻器W2分压后提供基准电压，C4和C5并联作为多谐振荡的固定电容，CZ1连接人体介质电容传感器，它与C4和C5并联构成多谐振荡的总电容；IC2为LM331，输入脉冲经过C1、R4构成的微分电路加到IC2的输入比较器的反向输入端6脚，电源经电阻R5、R6分压后接到输入比较器的同相输入端7脚，电阻R8和电容C2构成定时电路接到IC2的5脚，输出电压通过1脚接入后面的电压比较器，IC2的输出电压接入电压比较器LM393的两个比较端，变阻器W3和W4调节电压范围的两个端点，比较器输出连接三极管T1和继电器J1，控制信号通过CZ2输出。

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