CN103090892A

CN103090892A - 一种电容式传感器测量方法及电容式传感器系统

Info

Publication number: CN103090892A
Application number: CN 201110336756
Authority: CN
Inventors: 宋宏宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-05-08

Abstract

本发明提供一种电容式传感器系统。所述电容式传感器系统包含一个以上的检测探头和一个检测控制单元。本电容式传感器系统在不同的时间段内根据不同的测试需要，改变感应电极、屏蔽电极的功能定义及同时改变其与检测控制单元的连接关系。本发明还提供了一种电容传感器测量方法，该方法使用分析同一检测探头的两种不同测量模式的数据差和不同检测探头同一模测量式之间的数据差的方法，来分辨和处理共模干扰信号和有效测量数据的变化。本发明的电容式传感器系统可用于汽车雨刮、气象雨水、物料液位、物体接近检测等领域。

Description

一种电容式传感器测量方法及电容式传感器系统

技术领域

本发明涉及一种电容式传感器测量方法及电容式传感器系统，所述电容式传感器系统包含检测探头和一个检测控制单元。检测探头由感应电极、屏蔽电极两个电极组成的电容式传感器构成。本电容式传感器系统的特征在于系统使用了一个及以上的检测探头、在不同的时间段内根据不同的测试需要，可以改变感应电极、屏蔽电极的功能定义及同时改变其与信号检测控制单元的连接关系。本发明涉及电容式传感器系统在汽车风挡雨水、物料液位、物体接近检测等领域的应用。

背景技术

电容式传感器由于结构简单、成本低廉等优点在汽车风挡和气象雨水，物料液位、人体和金属物体接近检测等方面得到了越来越多的应用。如中国专利公开号CN101283281A所述的密封的电容式雨传感器，中国专利公开号CN101943586A所述的的电容式传感器系统等，都介绍了电容式传感器在相关应用领域的技术进展和具体应用。

现有技术的电容传感器，由2个电极构成一个电容检测探头，再加上一个检测控制单元，构成一个电容传感器测控系统。电极根据功能分为感应电极和屏蔽电极，2个电极的功能一旦确定后，和检测控制单元的电路连接关系随即固化，是不再改变的。电容检测探头，也只有一个。这种电容传感器测控系统对检测量是一种绝对量变化的检测，存在容易受温度及空间电磁场变化的影响的缺陷，表现为在测量对象没有变化的情况下，传感器的输出有变化，这可视为一种测量噪声。这种缺陷在检测可引起电容大的变化的探测场合下(比如人体和金属物体接近或直接在电容传感器上覆盖一层水)，没有太大的影响。因为检测对象变化引起的传感器检测信号的变化，远大于一定时间段内环境因素引起传感器检测信号的变化，探测信号的信噪比较高，有利于信号的分析处理。在测量微小信号变化(比如安装汽车风挡玻璃内侧的电容传感器检测微雨变化)的情况下，如果测量信号变化幅值和噪声变化幅值相近时，测量信噪比很低，要用常规技术来分辨出有效的测量信号变化是非常困难的。这一缺陷直接影响了电容传感器测量微小信号变化领域的应用。

发明内容

本发明的目的就是从结构上提高电容式传感器在检测微小信号变化时的信噪比和敏感度，从而提高电容式传感器系统探测微小信号变化的可靠性。

本发明提供了一种提高电容传感器敏感度的方法和一种电容式传感器系统。采用一个以上的电容检测探头、在不同的时间段内根据不同的检测目标对象动态改变传感器电极与检测控制单元电路的连接关系、相对检测和差动检测相结合的方法来提高传感器系统的灵敏度和可靠性。该系统可用于汽车风挡玻璃内侧来检测微量雨滴的变化、检测人体或金属物体接近等不同使用场合。

本发明是通过具有权利要求书1所述的电容式传感器系统实现的。本发明的电容式传感器系统包括一个以上的检测探头和一个检测控制单元。检测探头由具有感应电极和屏蔽电极的电容式传感器组成。感应电极探测其正前方由于空间电介质变化所引起传感器电容发生变化的过程，屏蔽电极屏蔽感应电极背面空间电介质变化对传感器的影响，使得传感器具有较强的指向性。感应电极联接到检测控制单元的信号检测输入端，屏蔽电极接到地电位。

本发明提出的电容检测方法基于下述考虑：

将电容式传感器的2个电极置于同一个温度场和电场内，在结构上表现为2个电极安装在同一个平面或不同的平面上，构成一个检测探头。在检测点相距很近地布置电极形状、尺寸完全相同的一个以上的检测探头，来检测感应电极所面对空间检测参数的变化。

当2个电极在同一个平面上时，各个检测探头具有几乎完全相同的测量背景噪声，当检测空间受外界温度场或电磁场的变化而引起传感器电容变化时，由于这种场的变化是均匀的，变化的梯度很小，相邻检测探头的电容变化也几乎完全相同，有几乎相同的检测数据，这可以视为一种共模噪声。当检测对象变化而引起检测探头电容变化时，比如汽车挡风玻璃上的雨滴变化、外部物体移动或接进时，由于这种变化在空间分布上是不均匀的，对于各个探头来说，检测数据值并不相同，有和这种不均匀对应的测量数据差，可以采用差动测量方法来分辨和处理这2种不同性质的测量信号变化。

当2个电极不在同一个平面上时，比如电极在印制板不同的面上。定义面对检测空间一面的电极为感应电极，另一面的电极为屏蔽电极，称此为A测量模式。定义面对检测空间一面的电极为屏蔽电极，另一面的电极为感应电极，称此为B测量模式。对温度场或电磁场的变化而言，由于所有检测探头的电极都处于同一个环境，所有探头自身A模式和B模式的测量输出值，不一定相等，但具有相同的变化趋势。不同探头A模式和B模式的测量值则几乎完全相同，差异仅仅由于测量误差引起，可以视为一种共模噪声。由于传感器的结构决定了传感器对于测量空间的变化敏感，而对测量空间背面的变化不敏感。对于测量对象信号的变化而言，探头A模式具有最大的测量敏感度，B模式几乎没有敏感度。在检测对象信号发生变化时，A模式和B模式的测量值，有明显的差异。如果检测对象的变化在空间分布不均匀，各相邻探头A模式的测量值之间也是有差异的。在时间顺序上对全部探头交替进行A模式和B模式的测试并记录相应的测量值，通过对全部探头自身的A，B模式测量值的差值比较和不同探头A模式测量数据之间的差值比较，就比较容易分辨和处理共模噪声和微小有效测量信号的变化。

本发明提出的电容检测方法的具体操作和分析过程是：

(a)将一个检测探头面对检测空间的电极定义为感应电极，背对检测空间的电极定义为屏蔽电极，将此定义称为A测量模式，检测控制单元检测和记录A测量模式下的一个检测数据A；

(b)再将同一检测探头面对检测空间的的电极定义为屏蔽电极，将背对检测空间的电极定义为感应电极，检测控制单元检测和记录B测量模式下的一个检测数据B，完成本探头的第1次信号检测；

(c)对其它检测探头重复(a)～(b)过程，直到完成全部检测探头的第1次信号检测；

(d)循环(a)～(c)过程，完成全部检测探头第2次信号检测；

(e)无限循环(a)～(c)过程，完成全部检测探头的连续次信号检测；

(f)逐个分析全部检测探头同次检测数据A和检测数据B，如果同一探头A、B数据有相同的变化趋势及不同探头同次检测数据A、B的值基本相同，而且对最近几次连续测量的数据分析，也有前述的同样的分析结果，认为测量对象参数无变化；

(g)在(f)步分析的基础上，逐个分析全部检测探头同一探头前后两次检测信号数据A的差及全部检测探头任意二个检测探头同次检测数据A之间的差，如果二种差值其中之一达到预定阈值，同时同一探头A、B数据有不同的变化趋势，并且在对由此开始的连续几次信号检测数据的分析，都有本步骤前述的同样的分析结果，认为测量对象参数有变化。

以上所述的传感器的数据测量处理方式及电极连接模式的控制，都是由检测控制单元

可以设想的实施方式是：采用本发明的传感器检测方法和传感器系统，检测探头的数量是不受限制的，主要视传感器外形尺寸及对敏感度的要求而定，传感器电极的形状和尺寸也可以视检测任务要求而灵活设定。

上述电容传感器系统的实施方式可以是：设置在汽车挡风玻璃内侧检测挡风玻璃的雨滴变化来控制汽车雨刮动作；或是用来检测人体或金属物体接近或移动等场合。

附图说明

下面借助附图对本发明进行详细说明。在附图中：

图1为1组以上检测探头电极在同一个平面上和检测控制单元联接的方案示意图；

图2为1组以上检测探头电极不在同一个平面上和检测控制单元联接的方案示图；

图3为依据本发明的传感器系统优选实施例传感器电极形状示意图。

图4为依据本发明的传感器系统优选实施例示意图；

具体实施方式

图1为依据本发明的电容式传感器系统的示意图，该传感器系统包含1个以上的检测探头和一个检测控制单元，每个探头由具有2个电极的电容式传感器构成，11，12为第一组检测探头的2个电极，1n1，1n2为第n个检测探头的2个电极，它们的2个电极都具有相同的外形及尺寸且在一个平面上。13为检测控制单元。11，12及1n1，1n2可以根据需要由13动态分别定义为检测电极或屏蔽电极。

图2为依据本发明的电容式传感器系统的另一示意图，该传感器系统包含1个以上的检测探头和一个检测控制单元。每个探头由具有2个不在同一平面的电极的电容式传感器构成。21，22为第一个检测探头的2个电极，2n1，2n2为第n个检测探头的2个电极，它们的2个电极具有相同的尺寸和形状。22，2n2为电极间绝缘介质，24为检测控制单元。21，22及2n1，2n2可以根据需要由24动态分别定义为感应电极或屏蔽电极。

图4为依据本发明的传感器系统优选实施例示意图。系统使用了n个检测探头。检测探头的2个电极外形如图3所示。其中，41a，41b为第一个检测探头的2个在不同平面上的电极，4na，4nb为第n个检测探头的2个在不同平面上的电极，42为包含微控制系统的检测控制单元。A为探测空间，B为屏蔽空间。41a至4na电极面对探测空间，布置在同一平面上。41b至4nb面对屏蔽空间，也一同布置在另一平面上。在传感器系统使用过程中，该布置关系始终不变。图4还展示了各检测探头电极与检测控制单元的连接关系。

在图4本发明的传感器系统优选实施例中，所有检测探头的两个电极都按照下面的描述分时被设置成感应电极或屏蔽电极：如果其中的一个被设置为感应电极，另外一个就被设置为屏蔽电极，保持一段时间后，再交换它们的电极设置，将原设置为感应电极的电极设置为屏蔽电极，原设置为屏蔽电极的电极，设置为感应电极。电极的设置，是通过检测控制单元完成的，电极被设置为检测电极时，它被连接到检测控制单元内部或外部的电容检测电路。电极被设置为屏蔽电极时，它被连接到检测控制单元的地电平。

按照图4，具体的检测过程是这样进行的：首先检测控制单元将探头1的41a电极设置为感应电极，将41b电极设置为屏蔽电极，41a面对探测空间A，41b面对屏蔽空间B，将此电极状态定义为A测量模式。然后检测控制单元检测和记录下A模式此时的一个数据。接着检测控制单元将41a设置为屏蔽电极，将41b设置为测量电极，将此电极状态定义为B测量模式。检测控制单元再检测和记录下B模式此时的一个数据。完成探头1的第一次测量。接着按照以上步骤完成第二个和直到第n个探头的第一次测量。然后再无限重复进行这一测量过程，完成全部探头的第2次～第N次测量，得到全部探头连续的测量数据。

探头电极的功能设置，是通过检测控制单元完成的，在图4中，检测控制单元包含一个微处理器系统，C、D、E、F、G、H、I、J为微处理器的处理端口。其中，D、E、H、I被固定设置为模拟量输入，它可以被在内部或外部连接到电容检测电路，该检测电路的输出表达了电容的变化。C、F、G、J被设置成数字开路输出口。

如果要将探头1的2个电极设置为A模式，则F端口被置成高阻开路输出，此输出在电路连接上表现为F端口和41a电极开路断开。C端口被设置成低电平输出，此输出在电路连接上表现为C端口及所连接的41b电极被接到传感器系统地电平。检测控制单元多路模拟输入开关切换到E端口，将E端口所联接的41a电极连接到电容检测电路，完成探头1的A模式设置。如果要将探头n的2个电极设置为A模式，G端口被置成高阻开路输出，电路连接上为开路断开。J被设置成低电平输出，电路连接为接地电平。检测控制单元多路模拟输入开关切换到H端口，完成探头n的A模式设置。

如果要将探头1的2个电极设置为B模式，则C端口被置成高阻开路输出，F端口被设置成低电平输出，检测控制单元多路模拟输入开关切换到D端口，完成探头1的B模式设置。如果要将探头n的2个电极设置为B模式，J端口被置成高阻开路输出，G端口被设置成低电平输出，检测控制单元多路模拟输入开关切换到I端口，完成探头n的B模式设置。

在实施例中的检测控制单元包含微处理器系统和控制电路部分。微处理器根据以上描述的检测方法和检测过程，来控制各个输入端口的功能状态，检测、记录和分析处理相应的测量数据，通过控制电路部分输出相应的信号。

在附图和前述说明中对本发明进行了详细的说明和描述。这些说明和描述是原理和方法性的而非限制性的，不应理解为对本发明的实施和权利要求的限制。例如，传感器电极可以不一定是平面型的，也可以是曲面型的，检测探头的数量，可以是一个，也可以是多个，完全由检测任务的实际情况和要求来灵活确定。本领域的技术人员可以根据对附图、说明和权利要求的理解、研究，实现公开实施例及对公开实施例进行其它变化。

Claims

1.一种电容式传感器系统，具有由感应电极和屏蔽电极二个电极构成的电容式检测探头和检测控制单元，其特征在于电容式检测探头二个电极的功能定义不是固定的，检测探头电极的功能可以根据检测需要在感应电极或屏蔽电极之间动态定义，检测探头二个电极与检测控制单元的联接和设置关系，也随着对应改变。

2.按权利要求1所述的电容式传感器系统，其特征在于当探头电极在被定义为感应电极时，电极被连接到电容检测电路，电极在被定义为屏蔽电极时，电极被连接到系统地电平。

3.按权利要求1至2所述的电容式传感器系统，其特征在于具有1个以上的电容感应探头。

4.按权利要求1至4所述的电容式传感器系统，其特征在于当一个探头的一个电极被定义为感应电极时，同一探头的另外一个电极被定义为屏蔽电极。

5.一种检测电容变化的方法，使用了具有感应电极和屏蔽电极的电容检测探头和一个检测控制单元，其特征包括以下步骤和过程：

(d)循环(a)～(c)过程，完成全部检测探头第2次信号检测；

6.一种程序单元，当被微处理器执行时，所述程序单元的内容适合执行如权利要求5所述的方法。

7.一种计算机可读介质，其储存有如权利要求6所述的程序单元。