CN104765074B

CN104765074B - 用于检测热发射对象的系统和方法

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Publication number: CN104765074B
Application number: CN201410006901.1A
Authority: CN
Inventors: 林迪恒; 张瑞勤
Original assignee: City University of Hong Kong CityU
Current assignee: City University of Hong Kong CityU
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2034-01-07
Also published as: CN104765074A

Abstract

提供一种用于检测热发射对象的存在或不存在的系统，该系统包括：用于容纳所述对象的平台，该平台定义所述对象的温度梯度能够存在于其中的区域；热电设备，用于生成指示所述温度梯度的存在或不存在和/或所述温度梯度的幅度的电压；以及指示器，用于指示将被检测的所述对象的存在或不存在。

Description

用于检测热发射对象的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于检测热发射对象的存在或不存在的系统和方法，诸如用于检测热发射对象的存在或不存在的基于热电效应的系统。

背景技术

市场上存在着各种用于检测对象的存在或不存在的系统。例如，这些系统中的一些系统用于安全性应用并且利用运动检测设备。一些其他系统利用机械感测技术。在这些其他系统中，可以使用压力传感器或电感电容式近距离传感器（inductive-capacitiveproximity sensor）。虽然这些传感器在一定程度上有效，但是它们具有一定的局限性。例如，它们趋向于具有更短的使用寿命。另外，压力传感器不能区分所检测到的对象是人还是仅仅是非生物对象。对于电感电容式传感器，它们通常是消耗（电）能量的并且将使它们的应用复杂化。进一步地，现有感测技术中的许多技术或许并不适用于在繁忙或拥挤的区域中使用。对于电感电容式近距离传感器，典型地需要使用电极。然而，如果电感电容式近距离传感器被偶然地暴露或接地，例如当有水的情况下，则检测将变得不准确。而且，这种传感器所产生的电磁场会受到环绕它的外部场的干扰。

本发明致力于解决上面的问题，或者至少提供对公众有用的替代。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于检测热发射对象的存在或不存在的系统，该系统包括：用于容纳对象的平台，该平台定义该对象的温度梯度可以存在于其中的区域；热电设备，用于生成指示温度梯度的存在或不存在和/或温度梯度的幅度的电压；以及指示器，用于指示将被检测的对象的存在或不存在。热电设备可以作为传感器来用于检测温度梯度。

优选地，热电设备可以包括一个p-n二极管或者p-n二极管阵列，一个或多个二极管可以适用于将热功率转换成电功率以生成信号。

适当地，该系统可以包括功率放大器，用于放大由传感器和/或热电设备所产生的信号。

有利地，该系统可以包括用于记录由传感器和/或热电设备所产生的信号和数据的装置。该系统可以加载计算机程序，该计算机程序用于处理由传感器和/或热电设备所产生的数据以确定温度梯度的存在或不存在和/或温度梯度的幅度并且确定对象的存在或不存在。

传感器可以包括使用由热电材料制成的热电生成器。

在特定的实施方式中，由热电设备产生的电压的范围可以为大致4mV至70mV。该电压实际上可以更大，尤其是当该系统提供有电压放大器时。然而，更大电压的检测通常在技术上不是问题。

在该系统的第一实施方式中，该系统可以是车辆并且平台可以是车辆中用于容纳乘客的乘客座椅，其中传感器被布置在当使用时坐在座椅上的乘客与其热接触的座椅位置处，从而在乘客与座椅之间产生了温度梯度。该位置可以是在使用时乘客的大腿和/或臀部与座椅相接触的位置。指示器可以被布置在可被潜在的乘客看到的车辆外部。指示器可以是单独的显示设备，但是其可操作地链接到热电设备，从而提供关于车辆的占用状态的信息。

在该系统的第二实施方式中，该系统可以是公共盥洗室设施系统。在特定实施方式中，平台可以是抽水马桶的马桶座圈，并且传感器可以被布置在在使用时使用者与其热接触的马桶座圈位置处，从而在使用者与马桶座圈之间产生温度梯度。在另一特定实施方式中，平台可以是小便器，并且传感器可以被布置在在使用时使用者与其热接触的小便器位置处，从而在使用时在使用者与小便器之间产生温度梯度。应当指出的是，在本发明的上下文中，术语“平台”具有广泛的含义，并且泛指使用者或者使用者的某些东西与其有温度梯度的结构。

在该系统的第三实施方式中，该系统可以是气炉。平台可以是在烹饪期间烹饪炊具位于其上的支撑结构。在这种实施方式中，传感器在使用时可以被布置在与在烹饪期间位于支撑结构上的烹饪炊具具有一定距离的位置处，并且适用于检测烹饪炊具与传感器之间的温度梯度。该系统可以包括用于监控在使用期间流向气炉的气流的装置。该系统可以包括在使用期间用于监控并比较由传感器和/或热电设备以及气流监控装置所产生的数据的装置。该系统可以包括用于在检测到关于气流和温度梯度的异常时关闭气炉的气体供应的装置。

根据本发明的第二方面，提供一种操作如上所述的系统的方法。

根据本发明的第三方面，提供一种可操作地耦合到如上所述的检测系统的信号切换与控制系统。

根据本发明的第三方面，提供一种检测热发射对象的存在或不存在的方法，该方法包括：a）提供用于容纳对象的平台，该平台定义对象的温度梯度可以存在于其中的区域；b）提供用于检测温度梯度的传感器；以及c）提供用于产生电压的热电设备，该电压用于指示温度梯度的存在或不存在和/或温度梯度的幅度。

附图说明

现在将参照附图来解释本发明的一些实施方式，其中：

图1是示出了根据本发明的系统的布置的实施方式的示意图；

图2a是示出了布置在座椅表面上的热电传感器的位置的图示；

图2b是示出了布置在座椅表面上的热电传感器的一个模型的图示；

图2c是示出了布置在座椅表面上的热电传感器的另一模型的图示；

图3是示出了具有热电传感器的座椅并且有人坐在座椅上的图示；

图4是示出了当传感器被布置在当使用时使用者的大腿与该传感器相接触的座椅位置处时由热电传感器产生的电压与时间之间的关系的图示；

图5是示出了当传感器被布置在当使用时使用者的臀部与该传感器相接触的座椅位置处时由热电传感器产生的电压与时间之间的关系的图示；

图6是示出了在一系列不同阶段情况下当热电传感器（模型号TEC12703）接触时由该传感器所产生的电压的图示；

图7是示出了在一系列阶段情况下当热电传感器（模型号MARLOW TG12-4L）接触时由该传感器所产生的电压的图示；

图8是示出了当热电传感器（模型号MARLOW TG12-4L）处于两个不同接触条件下时由该传感器所产生的电压的图示；

图9至14是示出了由热电传感器（模型号MARLOW TG12-4L）所产生的电压随着时间变化的一系列图示，其中传感器处于不同的接触条件下，即条件A至F；以及

图15是示出了两个传感器被布置在公共交通车辆的座椅表面上以用于检测温度梯度的图示。

具体实施方式

本发明的一些方面利用热电传感器来检测热发射对象的存在或不存在。这些传感器可以采取热电设备的形式，或者在特定实施方式中可以采取在座椅上使用以用于信号切换和控制的“热座椅传感器”的形式。热电传感器通常利用热电材料的属性来将热变量转换成电信号。在某些实施方式中，本发明可以应用于用于检测乘客是否存在或通常车辆、公交车或地铁的占用状态的系统中。当使用时，传感器的热电材料被布置在车辆的座椅处。传感器的位置被布置成使得在使用时传感器与坐在座椅上的乘客物理地或至少热接触。在实施方式中，热电材料的“冷侧”面向座椅，并且热电材料的“热侧”面向坐着的乘客的身体。应当理解，当例如热从乘客的身体流向支撑乘客的座椅时，传感器的热电材料能够将来自乘客的热能（热功率）转换成电能（电压）。检测系统包括连接到热电传感器以接收由热电材料产生的随时间变化的电压的数据记录器。当例如电压快速增加时，例如当由数据记录器登记时，其典型地意味着存在着从热电设备的热侧流向冷侧的热，这表明乘客刚刚坐下。在乘客已经坐在座椅上之后，来自乘客的热流将达到最大值。在所产生的电压已经达到最大值之后，所产生的电压将逐渐减小（衰减）至更低的电压，直到该更低的电压已经变得相对恒定。数据记录器将之后在热流达到动态均衡之后接收恒定正电压值。当乘客离开座椅以致他不再与该座椅相接触时，来自座椅的热将向着对立的方向从座椅（之前的冷侧）流向周边（之前的热侧）。当这发生时，所产生的电压将快速下降至负值，并且数据记录器将再次接收快速变化的电压。负值指示座椅现在是空闲的并且可用。为清楚起见，应当指出的是，在本发明的上下文中，“接触”具有相对广泛的含义，并且通常指物理和/或热接触。请参见图1。

本发明的一个元素涉及材料的选择，或者更特别地涉及热电材料的选择。虽然在制造感测装置时热电材料的选择是重要的，但是在本发明的上下文中，当传感器被用在座椅上以用于检测乘客对座椅的占用时，该传感器的灵敏度不需要非常高。这是因为无需感测或检测温度波动的小的变化——乘客与乘客坐于其上的座椅之间的温度梯度通常是相对大的。这实际上是有利的，至少在商业上是有利的，因为即使是更低灵敏度的热电传感器或更低的传感器规范仍然将允许相对精确的检测。还应当指出的是，热电材料的温度范围不需要非常大，因为人体（乘客）与周边（包括例如座椅）之间的温度差不是那么大，并且典型地从大约10℃变化到20℃。因此，使用具有温度范围（能力）相对窄的热电材料仍然能够提供相对大幅度且精确的信号。在应用中，当座椅被提供有热电传感器时，座椅的（材料的）热传导率也会影响传感器的灵敏度。对于由具有更高热传导率的材料制成的座椅，热能够更容易地流向传感器，从而产生更灵敏的响应和减少检测的时间迟滞。

下面通过实验、示例和讨论的方式示出了本发明的不同实施方式。

实验

采取了一系列的实验。这些实验用于研究检测座椅占用的行为和占用检测的不同方面或条件。

背景和条件

实验1

在该实验中，研究热电传感器在座椅上的位置，以确定传感器在座椅上的理想位置。具体地，进行研究以确定传感器位置与接收到的信号（的幅度）之间的关系。确定了传感器应当被放置在座椅上的某个位置处，即在乘客坐着期间，乘客的身体和传感器将良好接触的位置。研究了两个传感器的位置。

位置1：传感器位于座椅上并且与乘客的臀部相接触

位置2：传感器位于座椅上并且与乘客的一条大腿相接触

图2a示出了在实验期间如何将传感器布置在座椅上。其示出，当使用者（或乘客）坐在座椅上时，传感器总是与座椅完全接触。换言之，不管传感器是被布置在位置1还是位置2，其都在实验期间与使用者的大腿或臀部接触，以使得传感器的热接收最大化。

实验2

在该实验中，执行测试以研究热电生成器的材料的热电效率，因为传感器的材料的选择将影响灵敏度。在该测试中使用了两种类型的热电材料，即TEC12703（由杭州澳凌制冷设备有限公司制造）和MARLOW TG12-4L（由Marlow Industries,Inc.制造）。这些热电材料所产生的热流和（电压）电力的行为在相同的条件下进行比较。选择在相同温度设置下给出更大和/或更稳定电力信号的热电材料来完成下一阶段的进一步分析。请分别参见图2b和图2c。下面的表格总结了这两个传感器的详情。

表1

TEC12703(5cm x5cm)	MARLOW TG12-4L(4cm x4cm)
		最大温度(℃):67	最大温度(℃):250
--	效率(%):4.97
		功率(W):29.7	功率(W):4.05
VOC(V):12	VOC(V):9.45
		电阻(Ω):3.3-4.3	电阻(Ω):5.1
	塞贝克系数(mV/℃):7.78
			热电阻(℃/W):2.21

实验3

布置在座椅上的热电传感器基本上用于检测座椅与周边之间的热流，无论座椅是否被乘客占用。为了理解传感器在不同坐法或占用条件下的行为，该实验用于在以下不同条件下分析由木材材料制成的座椅。请参见图3。

1、就座之前电压的变化

2、就座之后电压的变化

3、就座一段时间后电压的变化

4、就座之后站起来时电压的变化

5、站起来之后立马坐下之后电压的变化

6、在站起来一段延长的时间之后电压的变化

实验4

该实验用于研究传感器的滞后时间和传感器的阈值温度梯度。

滞后时间的信息对于调整该系统以便其将能够检测占用条件而言是有用的，例如当频繁的占用座椅且频繁的离开座椅时。传感器的阈值温度梯度对于研究阈值温度梯度以便传感器能够检测例如该传感器能够检测的最小和最大温度梯度而言是有用的。该信息将有助于选择能够在检测系统的上下文中使用以确定公共交通系统的占用状态的热电材料。

这些实验在实验室中执行，其中一个男人和一个女人被邀请作为使用者（乘客）。木质座椅被用作用于容纳乘客的座椅（平台）。在实验期间，实验室的室温是24.6±0.1℃，并且（实验开始之前且在未被占用时）木质座椅的温度是25.5±0.1℃。

结果

实验1

热电材料（TEC12703）被用来测试热座椅传感器在座椅上的最佳或至少可工作位置。具体地，在实验期间被测量由传感器产生的电压。使用数据记录器，并且将数据记录器的采样速率设置成20s-1。测量持续时间被设置为5分钟。传感器被布置在座椅位置上以便使用者的大腿在就座期间与传感器相接触。换言之，传感器为置于使用者的大腿与座椅/座椅表面之间。图4是示出了被放置在座椅的上表面与大腿位置之间的具有热电材料（TEC12703）的传感器所产生的电压关系图。

执行相应的测试以进行比较。传感器被布置在座椅位置上以便使用者的臀部在就座期间与传感器相接触。图5是示出了被放置在座椅的上表面与臀部位置之间的具有热电材料（TEC12703）的传感器所产生的电压关系图。

如图4和图5所示，在两个位置（即大腿位置和臀部位置）处由具有热电材料（TEC12703）的传感器所产生的电压差不多相同。因此，只要座椅传感器的位置允许使用者（乘客）的身体与传感器接触或热接触，检测系统便会工作。

实验2

图6和图7示出了两种材料在一系列接触条件下的热电效率。如上所述，所使用的这两种材料是TEC12703(5cm×5cm)和MARLOW TG12-4L(4cm×4cm)。这两幅图中的数值标记表示在测试期间在不同条件下不同身体部位或对象的接触。请参见下面的标记以用于参考。

1、手指接触

2、膝盖接触

3、腿肚子接触

4、向传感器吹气

5、风

6、掌背接触

这些图示出了在手指触摸传感器的条件下所产生的电压为大约4mV至10mV，与就座条件下所产生的电压（大约100mV，请参见图4和图5）相比，该电压是相对小的。尽管所检测到的相对小的电压，这两种类型的热电产生材料（TEG）都能够对手指触摸的这种快速动作做出响应，从而表明它们的灵敏度是令人满意的高。

因乘客的膝盖和腿肚子的触摸所产生的电压分别是大约24-40mV和40-70mV。这些值更大，可能因为与手指相比这些身体部位的更大的表面积以及它们更热的表面。

当向传感器吹气时，对于两种类型的TEG而言，得到了意想不到的更大的电压正值。这表明TEG对检测呼出的热气而言足够灵敏。

也执行研究以示出风对传感器的影响。如图所示，电压的值是负的，表明热自座椅上的传感器流出。

最后，掌背被放在座椅上的传感器上。产生了4mV至10mV的小的正值。

如上所述，在大部分情况下，由MARLOW TG12-4L(4cm×4cm)所产生的电压比TEC12703(5cm×5cm)所产生的电压大。这意味着MARLOW传感器比TEC传感器更灵敏。图7也暗示了MARLOW传感器没有检测到太多的噪声。然而，TEG传感器检测到了更多的波动或噪声。

当比较图6和图7时，其表明MARLOW传感器所产生的峰值电压在类似条件下更大且更大幅度，表明MARLOW传感器与TEC12703(5cm×5cm)相比能够给出更大幅度且更清楚的信号。

当比较图6和图7时，就两个TEG传感器的滞后或响应时间而言，示出了类似的响应时间，表明它们都快速地对温度变化进行响应。

总之，MARLOW传感器对温度变化更灵敏，并且在热感测时给出相当稳定的信号。

在下面的实验中，在进一步的特定研究中主要使用MARLOW传感器。

图8示出了当将包放置在座椅上时并之后当将手提电话放置在座椅上时由MARLOW传感器所产生的电压。当将包放置在座椅上时，电压下降，表明热从座椅上的传感器流出。然而，当将手提电话放置在传感器上时，电压正增加，表明热从手提电话流向座椅。这些结果并非不被预期的，因为包的温度更冷而手提电话（已经开机）比座椅更热，并且传感器检测到这种情况并给出信号。虽然在非生物对象被放置在传感器上时产生了信号（大约10至40mV），但是这些信号没有由人体产生的信号强（大约100-160mV）。

实验3

条件A

该实验在车辆中执行。该实验有六个阶段，持续了总共大约1个小时。车辆中的座椅被男性乘客占用了30分钟。之后该男性站起来几秒钟。之后女性乘客占用了座椅1分钟并之后站起来。座椅空闲15分钟。之后男性乘客再次占用座椅5分钟。之后男性乘客站起来并且座椅空闲9分钟。使用的TEG是MARLOW TG12-4L。图9示出了由传感器在1个小时的时段内产生的电压。下面的表格示出了在不同时段期间电压值的变化。

表2

每个阶段的动作	ΔV
		*刚坐下	(0.15-0.00)/3=(0.050±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
就座30分钟	(0.02-0.15)/1800=(-0.0001±0.00002)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚站起来	(-0.005-0.02)/1=(-0.025±0.0001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
站起来10秒钟	(0.000-(-0.005))/10=(0.0005±0.00001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚坐下	(0.025-0.000)/1=(0.025±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
就座1分钟	(0.02-0.025)/60=(0.000083±0.000001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚站起来	(-0.008-0.02)/1=(-0.028±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
站起来15分钟	((-0.001)-(-0.008))/900=(0.0000077±0.0000001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚坐下	(0.1-(-0.001))/2.5=(0.0404±0.0001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>

就座5分钟	(0.02-0.1)/300=(-0.00027±0.00001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚站起来	(-0.008-0.02)/1=(-0.028±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
站起来9分钟	((-0.003)-(-0.008))/540=(0.0093±0.0001)mV<sub>S</sub><sup>-1</sup>

条件B

该实验类似地在车辆中执行。该实验中有四个阶段。在第一阶段中，座椅被男性乘客占用了15分钟。在第二阶段中，座椅空闲15分钟。之后，女性乘客坐下15分钟。最后，座椅再次空闲剩下的15分钟。该测试用于检测座椅处的传感器是否能够对温度的连续变化进行响应。请见图10。

表3

每个阶段的动作	ΔV
		*刚坐下	(0.119-0.00)/3.5=(0.034±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
就座15分钟	(0.022-0.119)/900=(-0.00011±0.00001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚站起来	(-0.001-0.022)/1=(-0.023±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
站起来15分钟	(-0.001-(0.000))/900=(0.000001±0.00001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚坐下	(0.080-0.000)/2=(0.040±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
就座15分钟	(0.021-0.080)/900=(0.000065±0.000001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚站起来	(-0.001-0.021)/1=(-0.022±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
站起来15分钟	((0.000)-(-0.001))/900=(0.0000±0.0001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>

条件C

该实验用于研究在乘客就座的延长时段期间电压的衰减。测量持续了1给小时。在第一阶段中，座椅被女性乘客占用了30分钟。之后座椅空闲30分钟。在整个阶段中，监控电压的衰减。请见图11。

表4

每个阶段的动作	ΔV
		*刚坐下	(0.130-0.000)/3=(0.043±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
就座30分钟	(0.022-0.130)/1797=(0.00006±0.00001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
		*刚站起来	(-0.002-0.022)/1=(-0.020±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
站起来30分钟	((-0.001)-(-0.000))/1799≈0V<sub>S</sub><sup>-1</sup>

条件D

该实验持续了30分钟并且具有6个阶段。在第一阶段中，座椅空闲5分钟。在第二阶段中，座椅被男性乘客占用了5分钟。之后座椅再次空闲5分钟。在第四阶段中，座椅被女性乘客再次占用了5分钟。之后座椅空闲5分钟。最后，座椅被男性乘客占用了最后5分钟。请见图12。

表5

条件E

在该实验中，座椅被占用1个小时。该实验是作为对照以用于检查长期占用座椅时电压的衰减。预测电压在长期占用座椅期间变成稳态值，因为其变成热流的动态均衡。请见图13。

表6

每个阶段的动作	ΔV
		*刚坐下	(0.138-0.000)/3=(0.039±0.001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>
就座60分钟	(0.02-0.138)/3597=(-0.000033±0.000001)V<sub>S</sub><sup>-1</sup>

条件F

在该实验中，座椅被空闲1个小时。该实验是作为对照以用于检查传感器是否能够在甚至没有占用时具有电压的任意变化。在这种条件下没有产生电压。请见图14。

表7

每个阶段的动作	ΔV
		站起来60分钟	(0.000-0.000)/3600≈0V V<sub>S</sub><sup>-1</sup>

上面的实验示出，本发明能够应用于用于检测座椅的占用或例如公共交通系统中的就座的系统。在检测就座时能够使用热电材料或热电传感器。感测装置因此能够被称为热座椅传感器。该检测利用热电产生或生成器（TEG）。将影响这种系统的性能的因素包括TEG的位置、TEG的灵敏度、热座椅传感器的精度等。

上面的实验已经证明了在座椅传感器的上下文中使用的热传感器的灵敏度。热电生成器（TEG）的灵敏度由

定义，并且如上示出的MARLOW TG12-4L的灵敏度大约是7mV℃^-1。典型地，乘客的大腿与座椅之间的温度梯度从大约15至20℃。因此，所产生的电压将是大约105至140mV。根据该结果，在就座期间所产生的电压将是大约100mV至130mV。这完全是在实验中所示出的值。在传感器被手指触摸时所产生的电压为～4至10mV，与在乘客就座时所产生的电压（大约100mV）相比该电压是小的。两个TEG都能够精确地检测并对快速动作（例如刚坐下、刚站起来等）进行响应，从而表明响应时间足够快以进行检测。

在膝盖和腿肚子触摸的情况中，所产生的电压分别是大约25-40mV和40-70mV。这些是更大的值，虽然与在就座期间产生的电压相比它们不够大。换言之，该系统仍然能够工作并且能够确定座椅是否被就座乘客所占用。

当向传感器吹气时，其不期望地给出了大约70mV的大正值。这或许是因为来自呼吸的热气。而且，该信号没有大于80mV，因此不认为座椅被占用。

在该测试中，发现热传感器对风非常灵敏。如数据所显示的，在风吹动时该值下降，这是因为空气分子将热从座椅中拿出。实际上，其没有严重影响结果，因为在弱风的情况下其仅将电压下降至大约-9mV。

根据该数据，在大部分情况下由MARLOW TG12-4L产生的电压大于TEC12703产生的电压，表明MARLOW TG12-4L对热变化的灵敏度更大。在实验期间，MARLOW TG12-4L没有检测到太多的噪声，而在TEC12703中波动信号是可检测的。在MARLOW TG12-4L中产生的峰值电压大于TEC12703中的峰值电压，表明在相同温度梯度情况下，与TEC12703相比，MARLOWTG12-4L将给出更大幅度且更清楚的信号。

在两个TEG的时间滞后测试中，存在着几乎相同的响应时间。因此，在检测快速温度变化方面，它们都是可靠的。这或许是因为传感器的陶瓷板的良好的热传导性，从而在TEG设备中热能够被快速地传递给P-N结。

总之，MARLOW TG12-4L更灵敏并且在温度感测时给出相当稳定的信号。其足够精确从而能够被用作热座椅传感器的传感器。

为了证明热座椅传感器的工作，下面解释了不同的条件。总共有六个条件。请参见图9至14，其分别示出了条件A至F。

条件A

图9示出了在一系列阶段（事件）（称为条件A）期间产生的电压的变化。在该图中，示出了当乘客刚坐下时的电压大幅度上升。此时，所达到的最大电压是大约150mV。之后，在几分钟内，电压逐渐下降至大约0.04V。之后电压在最终的大约20mV处变成动态均衡。从乘客刚坐下的时刻开始至电压已经达到动态均衡的时刻为止的电压衰减是大约30分钟。在30分钟之后，人站起来，并且电压在大约2秒钟内快速降至零。当人站起来时，电压变化是快速的。当乘客再次坐下，电压快速返回20mV，并且在人再次坐下时维持在该水平处。电压之后在乘客站起来并座椅空闲时降至大约-5mV。当乘客站起来并且离开座椅时，电压之后在15分钟内返回0mV。当另一乘客坐下时，电压之后快速增加至大约100mV。在另一乘客占用座椅时产生了明显的电压变化。该电压之后再次衰减至大约20mV。当该另一乘客离开座椅时，电压初始地降至-5mV。在一些时间之后，电压返回0mV。

这些结果表明该系统能够精确且可靠地检测座椅占用的存在或不存在。

条件B

图10示出了在一系列阶段（称为条件B）期间产生的电压的变化。当乘客首先坐下时，电压在3秒中内上升至大约120mV，并且之后衰减至20mV的动态均衡。之后，当乘客站起来，电压在一秒钟之内下降至大约零（-1.0±0.5mV）。电压变化图案类似于第三和第四阶段，如图10所示。然而，应当指出的是，在阶段3初始感应的电压值没有阶段1中的大。其或许是因为在阶段3开始处的早期阶段中的热传感器已经被加热。因此，温度梯度没有之前大。

根据这些结果，由坐在座椅上的乘客引起的电压应当是80mV或更大。当乘客刚坐下时的电压变化应当至少30mV_S ^-1。当乘客刚站起来时的电压变化应当是大约-20mV_S ^-1。

条件C

图11示出了在一系列阶段（称为条件C）期间产生的电压的变化。在该条件中，座椅被占用了半个小时，之后在随后的半个小时内空闲。该实验用于研究在座椅被乘客联系占用半个小时时的电压衰减行为。如图11所示，当乘客刚坐下时，电压在3秒钟内上升至130mV，并且电压变化是大约43±1mV_S ^-1。该变化是明显大幅度且可检测的。之后电压在15分钟内衰减至大约21mV。这接近于在所产生的电压变得平坦时感应电压的动态均衡值。这意味着所产生的电压或者座椅上的传感器将在座椅已经被占用大约30分钟时达到动态均衡。当座椅传感器在15分钟之后变成动态均衡时，所感应的电压没有进一步下降而是维持在大约20mV。通过采用该电压图案，座椅能够被认为是被占用的，如果所产生的电压被维持在大约20mV的话。当人在30分钟之后站起来时，所感应的电压下降大约0至-1mV。该变化是大幅度的，并且能够被认为座椅未被占用。在接下来的30分钟期间产生的电压是0mV，这表明座椅未被占用。

条件D

图12示出了在一系列阶段（称为条件D）期间产生的电压的变化。图12示出了当座椅空闲时，在第一个5分钟内产生的电压是零（阶段1）。当乘客坐下时，电压之后在3秒钟内从0mV大幅度上升至大约130mV（阶段2）。之后，所产生的电压在5分钟的时段内从130mV衰减至30mV。在5分钟的结束处，座椅空闲并且所产生的电压下降至0mV。在连续阶段期间的图案通常类似于初始阶段。然而，在乘客刚坐下（阶段4）时初始产生的电压比阶段2处的电压小。其可能是因为随后阶段处的座椅传感器已经被加热。在任意情况中，至少30±1mV_S ^-1的电压变化无疑是可检测的或显著的。

条件E

图13示出了在一系列阶段（称为条件E）期间产生的电压的变化。在该条件中，座椅被连续占用1个小时。该实验被执行以模拟长时间座椅占用情况下所感应的电压。图13示出了在乘客已经坐下之后，最大电压将在短时间内达到大约140mV，并且之后电压在大约16分钟内下降或衰减至20mV。应当指出，在初始电压尖峰之后，不存在任何的电压突然变化。在人刚坐下时电压的初始变化是大约39±1mV_S ^-1，其大幅度足够被认为是座椅被占用。在电压已经达到140mV的最大值之后电压的随后变化是-0.0033±0.0001mV_S ^-1，这是相对非常小的。这些结果表明座椅传感器达到（电压）动态均衡的时间是大约16分钟，并且动态均衡处的电压是大约20mV。在该电压处，热电传感器能够适用于识别座椅正在被占用。

条件F

图14示出了在被提供有热电传感器的座椅空闲（称为条件E）时的电压变化。图14示出了当没有人坐在座椅上时不存在电压变化。该结果表明基本上没有从座椅传感器产生电压。在该条件下，座椅传感器将指示座椅可用。虽然在图14中示出了一些电压波动，但是该波动是非常小的，可能因为背景噪声（诸如座椅上的风和空气循环）所致。

通过采用上述实验中产生的数据，能够设计用于检测例如乘客座椅上的热发射对象的存在或不存在或者车辆中座椅的占用状态的系统。能够定义用于检测的参数。例如，在座椅被占用时的电压变化大于20±1mV_S ^-1（正值），并且感应电压的范围从大约80±1mV至160±1mV（正值）。通过采用这些检测到的值，座椅能够被确定为占用。

当乘客刚站起来时的电压变化是至少20±1mV_S ^-1（负值），并且所感应的电压为大约-3.0±0.1mV。当这发生时，座椅能够被确定为未被占用。一些条件（诸如当手提电话被置于座椅上、膝盖或腿肚子触摸座椅等）将产生类似条件。然而，这些感应的电压明显更低。当这些值被检测到时，座椅能够被确定为未被占用。在任意情况下，为了使得错误识别最小化，两个热电传感器可以被安装在座椅上。更具体地，这两个传感器能够被布置在座椅位置上以便乘客的两条大腿都将分别与这两个传感器相接触。仅当由这两个传感器所登记的值相一致，该系统才提供被占用的指示。

一种用于检测交通系统中座椅占用状态的系统可以要求在不同环境条件下进行校准。这是因为冬季和夏季时座椅的温度是不同的。因此，所产生的电压或者电压随时间的变化是不同的。为了减小源自环境条件的复杂度，用于校正该系统的装置是需要的。例如，设想在冬季，在乘客刚坐下时所产生的电压将是更大的，因为乘客与座椅之间的温度梯度将更大。该校准将需要将这作为考虑校准的因素。另外，为了确保在座椅状态变化时存在最小的滞后（响应）时间，座椅传感器应当被布置成非常靠近座椅表面，从而增强座椅传感器与传感器之间的热流。该系统还应当适用于考虑大约1%的仪器误差。

座椅占用状态的检测依赖于来自热电产生（TEG）板的热电信号和乘客与座椅之间的恒定热流。为了确保乘客与座椅之间的热流，可以在TEG板的冷侧放置热沉，从而能够维持稳定梯度。热沉能够通过在就座的乘客已经离开座椅之后更快速地散热来改善TEG板的灵敏度。通过采用该布置，响应时间或滞后时间能够被减小。

座椅稳定的大幅度变化是该系统能够用来确定是否被占用的主要参数。换言之，座椅的热传导性影响了传感器用于响应及其灵敏度的滞后时间。当座椅由具有良好热传导性的材料制成时，热能够从乘客的臀部有效且快速地流向座椅，从而产生更快的电信号。由具有良好热传导性的材料制成的座椅的使用还能够减小系统的滞后时间并增加系统的可靠性。更有效的热电材料还能够改善检测精度。换言之，所产生的具有小温度变化的电信号越高，检测精度越高。

在将受到源自风感应的电压的噪声影响的感测系统中，用于校准该系统的适当装置将是需要的。具体地，该校准适用于忽略对应于由风所产生的电压幅度的电压。由该校准装置所使用的参数能够通过测试在特定TEG上因风而产生的电压来确定。

在实际应用中，放大电路可以用来识别非常小的信号并且因此由任何足够好的热电材料制成的热座椅传感器能够用于与放大电路集成的热座椅传感器。

如上所述，被提供有热电传感器或热座椅传感器的系统能够精确地检测该系统中座椅或就座的占用状态。通过采用这种系统，源自检测的信号能够被馈送给显示装置，例如视觉显示器。该显示装置可以被安装在例如具有多条电缆的地铁的外部。具有多车厢占用信息的该显示装置能够引导潜在的乘客走向具有更多未被占用座椅的车厢。可替换地，该系统能够被安装在双夹板公交车，并且乘客能够用该显示装置来在走向上夹板之前自己检查上夹板是否具有空座。

该系统能够被应用于私人客车，以例如用于安全应用。在该应用中，类似的热电传感器被安装在座椅上。这些传感器被安装以用于确定在事故情况中是否部署气囊或者部署哪些气囊。例如，当传感器已经检测到乘客存在于后座椅上时，将在事故中仅部署针对后乘客车厢的气囊；以及在前乘客车厢中的乘客气囊将不被部署。该系统还能够被设计以便其能够确定座椅是否被成人还是儿童占用。该其他设计能够适用，以便以适当的部署角度来部署气囊以在事故中更好地保护乘客（成人或儿童）。

虽然本发明能够应用于用于感测座椅上乘客的存在或不存在或者车辆车厢中的占用的系统，但是本发明还能够适用于其他上下文。例如，本发明能够适用于盥洗室设施。类似的热电传感器被安装在例如盥洗室设施中的马桶座圈或小便器上以检测该设施的占用状态。该设施的潜在使用者能够从一定距离处获得特定盥洗室的占用状态。如果特定盥洗室满了，则其可以选择其他盥洗室来使用。从检测产生的信号还能够被用于一般的转换和控制，例如在适当时间进行刷洗。

本发明还能够适用于确保在例如家用住所中烹饪气体供应的安全性。在这种应用中，适当的热电传感器被安装在烹饪炉附近。当烹饪气体流动时，在烹饪炉周围的温度应当相应增加。提供用于监控气流与温度增加（热梯度）之间的关系的装置。当检测到异常时，例如当存在着气流但是周边没有正热流时，和表明气体泄漏。监控装置之后能够介入并通过激活安全阀来停止气体供应以确保安全。换言之，本发明还能够适用于气体供应系统的一般切换和安全控制的上下文中。

在前述盥洗室设施或烹饪气体供应系统的实施方式中，用于信号切换和控制的系统能够可操作地耦合到盥洗室设施或烹饪气体供应。这种信号切换和控制能够广泛地应用于其他切换和控制系统。

应当理解，出于清晰起见，在单独实施方式的内容中描述的本发明的特定特征可以被提供在单个实施方式的组合中。相反地，出于简洁起见，在单个实施方式的内容中描述的本发明的各种特征可以被单独提供或者以任意适当的子组合的方式被提供。应当指出，这些实施方式的特定特征通过非限制性的示例示出。而且，本领域技术人员将意识到出于简洁的目的而没有在上面解释的现有技术。

Claims

1.一种用于检测发热对象的存在或不存在的系统，该系统包括：

用于容纳所述发热对象的平台，该平台定义所述发热对象的温度梯度能够存在于其中的区域；

放置在所述平台位置处的热电传感器，从而在使用时该热电传感器与所述发热对象有物理或热接触；所述热电传感器包括p-n二极管或p-n二极管阵列以用于生成指示所述温度梯度的幅度的电压信号；以及

指示器，用于根据由所述热电传感器所生成的所述电压信号的电压变化来指示将被检测的所述发热对象的存在或不存在；

其中，所述热电传感器和所述指示器电性连接，在所述温度梯度存在时，所述热电传感器可以将所述发热对象提供的热能转换为电能，以生成所述电压信号，以及所述指示器被配置为依据接收到所述电压信号，指示所述发热对象是否存在；其中，所述热电传感器生成的所述电压信号的电压增加，表明所述温度梯度增加，从而表明所述发热对象的存在；所述热电传感器生成的所述电压信号的所述电压减少，表明所述温度梯度减少，从而表明所述发热对象的不存在；所述热电传感器还被配置为依赖于滞后时间和阈值温度梯度来检测温度的变化。

2.根据权利要求1所述的系统，该系统包括功率放大器，用于放大由所述热电传感器所产生的所述电压信号。

3.根据权利要求1所述的系统，该系统包括用于记录由所述热电传感器所产生的所述电压信号和数据的装置。

4.根据权利要求3所述的系统，该系统还包括计算机程序，该计算机程序用于处理由所述热电传感器所产生的所述数据以确定所述温度梯度的幅度并且确定所述发热对象的存在或不存在。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热电传感器包括使用由热电材料制成的热电生成器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述热电传感器产生的电压的范围为4mV至70mV。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统是车辆并且所述平台是所述车辆中用于容纳乘客的乘客座椅，其中所述热电传感器被布置在当使用时坐在座椅上的乘客与其热接触的座椅位置处，从而在所述乘客与所述座椅之间产生温度梯度。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述位置是在使用时所述乘客的大腿和/或臀部与所述座椅相接触的位置。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述指示器被布置在可由潜在乘客看到的车辆外部。

10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述指示器是单独的显示设备并电性连接到所述热电传感器，从而提供关于所述车辆的占用状态的信息。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统是公共盥洗室设施系统。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述平台是所述公共盥洗室设施系统中抽水马桶的马桶座圈，并且所述热电传感器被布置在在使用时使用者与其热接触的所述马桶座圈的位置处，从而在所述使用者与所述马桶座圈之间产生温度梯度。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述平台是小便器，并且所述热电传感器被布置在在使用时使用者或该使用者的排泄物与其热接触的小便器位置处，从而在使用时在所述使用者或该使用者的排泄物与所述小便器之间产生温度梯度。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统是气炉。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述平台是在烹饪期间烹饪炊具位于其上的支撑结构。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述热电传感器在使用时，被布置在与在烹饪期间位于所述支撑结构上的烹饪炊具具有一定距离的位置处，并且适用于检测所述烹饪炊具与所述传感器之间的温度梯度。

17.根据权利要求16所述的系统，该系统包括用于监控在使用期间流向所述气炉的气流的装置。

18.根据权利要求17所述的系统，该系统包括用于在使用时监控并比较由所述热电传感器和所述气流监控装置所产生的数据的装置。

19.根据权利要求18所述的系统，该系统包括用于在检测到关于气流和温度梯度的异常时关闭所述气炉的气体供应的装置。

20.一种与权利要求1所述的检测系统相耦合的信号切换与控制系统。