CN110249530A

CN110249530A - 用于相对于检测表面检测物体的接近和/或接触和压力的装置和方法

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Publication number: CN110249530A
Application number: CN201780085666.3A
Authority: CN
Inventors: 克里斯蒂安·尼尔; 弗雷德里克·奥萨尔特; 迪迪埃·罗齐埃
Original assignee: Fogale Nanotech SA
Current assignee: Fagel Sensor
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-09-17
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: FR3060733A1; FR3060733B1; KR102088608B1; CN110249530B; US10976460B2; EP3556016B1; EP3556016A1; WO2018108475A1; JP2020502515A; JP6698226B2; KR20190085173A; US20190302304A1

Abstract

本发明涉及一种相对于检测表面(104)检测物体(102)的装置(100)，该装置包括被分离距离(D)的至少一个检测电极(106)和至少一个保护电极(108)，所述距离通过物体(102)施加在所述检测表面(104)上的负荷而能局部弹性改变；以及用于电极(V、E)的电极化的器件被设置为(i)将同一交流电位(Vg)施加到测量电极和保护电极(106、108)，以便测量与电极‑物体电容(Ceo)有关的第一信号，以及(ii)在测量电极和保护电极(106、108)之间施加交流电位差(V1)，以便测量与电极‑保护电容(Ceg)有关的第二电信号。本发明还涉及一种使用这种检测装置的检测方法。

Description

用于相对于检测表面检测物体的接近和/或接触和压力的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种装置，一方面用于检测物体向表面的接近和/或所述物体与所述表面的接触，另一方面用于检测所述物体在所述表面上的压力。本发明还涉及一种使用这种装置的方法。

本发明的领域非限定性地是电子装置的用于物体的电容式检测的接口，使所述装置能够检测相邻物体，尤其是在机器人领域。

背景技术

电子装置以越来越自主的方式与它们的环境交互。这种自主交互大多数情况下需要检测物体/人位于装置附近或者与装置接触的可能性，特别是当所述装置是机器人，无论机器人是不是移动的。接近和接触的这种检测通过配备有用于检测接近和/或接触的传感器(特别是电容式传感器)的检测表面来执行。

为了完成这种交互，除了接近和接触之外，似乎需要检测由物体施加到装置的检测表面上的压力、负荷或力。目前存在用于检测装置的检测表面上的压力的传感器。现在存在用于检测在装置表面上的压力的传感器。

然而，在已经配备有接近和接触传感器的检测表面中添加这种压力检测传感器被证明是昂贵、笨重和复杂的。此外，专用于检测接近和接触的传感器和专用于检测压力的传感器的并置产生相干干扰，这降低了这些传感器的操作性和有效性。

本发明的目的在于克服上述缺点。

本发明的另一个目的是提出一种单个传感器装置，使得能够一方面检测物体对检测表面的接近和/或接触，另一方面检测物体对检测表面的压力。

本发明的另一个目的是提出一种单个传感器装置，使得能够一方面检测接近和/或接触，另一方面检测压力，与两个现有传感器的并置(一个专用于检测接近和接触，另一个专用于检测压力)相比，所述单个传感器装置体积更小、成本更低、复杂度更低。

发明内容

这些目的中的至少一个通过用于相对于检测表面检测物体的装置来实现，所述装置包括：

-至少一个测量电极；

-称为保护电极的至少一个电极，特别地面对所述测量电极设置；以及

-用于测量关于所述测量电极的电容的信号的测量电子器件；

其特征在于，所述测量电极和保护电极分离通过由所述物体施加到所述检测表面上的负荷而能局部弹性改变的距离；以及

其特征在于，所述装置包括用于电极的电极化的器件，其被设置为：

-将与地电位不同的以下电位施加到测量电极和保护电极：

·同一个第一交流电位，或者

·基本相同的第一交流电位；

以便测量关于所述测量电极和所述物体之间的称为电极-物体电容的电容的第一信号；

-在测量电极和保护电极之间施加交流电位差，以便测量关于所述电极之间的称为电极-保护电容的电容的第二信号。

电极-物体电容表示物体与检测表面的接近和/或接触。电极-保护电容表示由所述物体施加到所述检测表面上的压力、负荷和/或力。压力、负荷或者力能够被轴向地(垂直于检测表面)施加，或者包括切向剪切分量。

根据本发明的实施例，用于电极的电极化的器件非限制性地包括以下元件中的至少一个：至少一个电源、至少一个电开关、设置为控制所述至少一个电源和/或所述至少一个电开关的至少一个控制器件。设置为控制电源的控制器件能够例如控制该电源使得其产生信号或者电压，和/或以改变所产生的信号，和/或以使该电源停用使得其充当短路或者无源组件。为此，控制器件能够例如作用于时钟信号或者参考电压。

电位能够施加到电极，非限制性地，通过将这些电极电连接到该电位，或者通过使这些电极直接地或者通过经由电子组件和/或轨道或连接线和/或任何其他的电耦合手段(电场、感应)使这些电极受制于该电位或者产生该电位的电源，。

相似地，在本发明的上下文中，在电位处电极化电极能够意味着例如使这些电极受制于电位，或者将电位施加到电极。

“地电位”意思是电子器件或者电子器件的一部分的参考电位。地电位还能够对应于接地或者接地电位。

在不失一般性的情况下，能够相对于电参考来定义电位，电参考能够是产生这些电位的电源的参考点，或者一般的参考电位，例如地电位。

“交流电位”意思是随着时间变化的电位，其具有非零频率的至少一个频率分量。

因此，第一电位能够非限制性地相对于地电位来定义(以地电位为参考)。在这种情况，第一电位也能够对应于相对于地电位(认为是零)的电位差。

为了施加交流电位差(或者交流电位的差)，极化器件被设置为分别施加第三电位到测量电极以及施加第四电位到保护电极。第三电位和第四电位能够非限制性地相对于地电位来定义(以地电位为参考)。因此，交流电位差与第三电位和第四电位之差相对应，或者或换句话说，与施加在测量电极和保护电极之间的差异电位相对应。

通常地，施加到测量电极和保护电极以产生第一交流电位和交流电位差的电位能够是任何形状，特别是正弦、方形、三角形等等。它们能够直接地或者通过脉冲宽度调制(PWM)技术产生。

在本发明的上下文中，当施加给电极的第一交流电位在测量电极的输出端不产生任何可用电极-保护电容测量时，施加给电极的交流电位能够认为是基本相同的。特别地，以下能够作为相同的或者基本相同的第一交流电位的示例：

-具有同一时间形状(正弦、方形、三角形等)，同一变化振幅和同一相位(或换句话说，同步变化)的交流电位；

-包括在至少一个工作频率下的具有相同振幅和相位的至少一个频谱分量的交流电位。

需要注意的是电极能够极化或者受制于全局电位，其对应于第一交流电位与其他电位的叠加，所述第一交流电位对于每个电极是相同或基本上相同的，所述其他电位具有其他分量，所术其他分量对于每个电极是可选不同的但是在测量电极的输出端不产生可用的电极-保护电容测量。

因此，根据测量电子器件的实施方式，通过分别给测量电极和保护电极施加全局电位能够测量电极-物体电容，全局电位包括相同的第一交流电位和不同的分量，不同的分量例如是直流分量，或者没有落入测量电子器件的检测的通带的频率分量，或者甚至具有与第一交流电位的波形正交的波形的另一分量。

因此，根据本发明的装置使得能够用单个测量电子器件和一组(至少)两个电极测量一方面依赖于(表示)第一项信息的第一信号和另一方面依赖于(表示)第二项信息的第二信号，第一项信息是物体与检测表面的接近和接触，第二项信息是由物体施加在检测表面上的压力或者负荷。因此能够分别且明确地一方面获得接近和接触的测量，另一方面获得负荷的测量。

因此，与两个专用传感器(一个用于检测接近和接触，另一个用于检测压力)的并置相比，根据本发明的装置使用时成本更低、体积更小、复杂度更低。此外，根据本发明的装置与使用可能相互干扰的两个单独传感器相比具有更好的检测性能。

有利地，关于电极-物体电容的第一信号和关于电极-保护电容的第二信号能够在同一个测量点处由测量电子器件测量。

因此，根据本发明的装置的实施得到简化。

根据实施例，通过同时或者顺序地将第一交流电位和交流电位差施加到电极，依赖于电极-物体电容的第一信号和依赖于电极-保护电容的第二信号能够同时测量。

根据实施例，用于电极的电极化的器件能够被设置为产生满足以下标准的至少一个的第一交流电位和电位差：

-第一交流电位和电位差分别包括在不同频率的至少一个频率分量；

-第一交流电位和电位差包括相互正交的信号。

因此能够产生依赖于电极-物体电容的第一电信号和依赖于电极-保护电容的第二电信号，第一电信号和第二电信号以不同方式编码，并且因此即便它们在相同的测量电极上被测量并且同时产生也能够区分。

当用不同频率下的至少一个频率分量实施第一交流电位和电位差时，可以产生频率复用并且单独解调以不同工作频率产生的第一电信号和第二电信号。

正交信号被定义为在多个样本和预定区间的这些信号的任意两个的标量积为零，或者几乎为零(相对于这些信号的模，即这些信号与它们自己的标量积)。此外，传统的定义是：在配备有正交基的矢量空间中的标量积是在预定区间内信号样本逐项乘积之和。

与下述同步检测结合，利用互相正交的信号实施第一交流电位和电位差，使得能够解调由此单独产生的第一电信号和第二电信号，同时最小化第一信号和第二信号之间的串扰效应。

需要注意的是，不同频率的信号通常不相互正交。然而，如果它们具有对应于彼此整数倍的频率，则它们彼此正交。

此外，正交信号能够是具有相同频率或者更通常具有相同形状、相同振幅但是相位正交的信号。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括具有至少一个解调器件的测量电子器件，所述至少一个解调器件使用以下元件中的至少一个：

-同步解调器；

-振幅检测器；

-数字解调器。

通常，同步解调器能够由乘法器和低通滤波器表示(或者包括乘法器和低通滤波器)，乘法器执行测量信号与载波信号的乘法。

载波信号能够分别是或者包括：

-第一交流电位，用于第一电信号的解调；

-交流电位差，用于第一电信号的解调。

同步解调器的利用使得能够解调不同工作频率的频分复用信号，和/或解调相互正交的信号。

振幅检测器(或者异步解调器)能够由整流元件(例如二极管整流器、选择器开关或二次检测器)和低通滤波器表示(或者包括整流原件和低通滤波器)。振幅检测器使得能够获得源自电流检测器的调制的测量信号的振幅。

振幅检测器的使用使得能够解调不同工作频率的频分复用信号。

解调器件还能够包括设置在解调器之前的带通滤波器或者抗混叠低通滤波器。

当然，解调器件能够以数字和/或模拟的形式制成。解调器件能够特别地包括模拟-数字转换器和微处理器和/或FPGA，FPGA数字地执行同步解调、振幅检测或者任何其它解调操作。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括利用第一交流电位以确定第一信号的第一解调器件和利用交流电位差以确定第二信号的第二解调器件。

在这种情况下，第一解调器件能够使用第一交流电位作为载波信号，用于第一电信号的解调，第二解调器件能够使用交流电位差作为载波信号，用于第二电信号的解调。

如果如上所述仔细地选择第一交流电位和交流电位差，第一电信号和第二电信号能够同时并行解调。

根据实施例，用于电极的电极化的器件能够被设置为产生具有与第一交流电位的振幅不同的振幅的交流电位差。

特别地，用于电极的电极化的器件能够设置为产生具有小于第一交流电位的振幅的振幅的交流电位差。交流电位差能够具有例如第一交流电位的振幅1/2、或者1/5、或者1/10、或者1/100小的振幅。这种振幅差使得能够补偿电极-保护电容和电极-物体电容之间的差值(电极-保护电容能够具有比电极-物体电容大的值，例如约2至100倍大)，并且利用测量电子器件在良好条件下检测两个电容。需要注意的是，能够利用振幅比第一交流电位的振幅大的交流电位差来获得相似的结果，因为它是产生补偿效应的所获得的电位差。

根据实施例，用于电极的电极化的器件能够包括在输入端参考地电位并且提供第一交流电位的第一电源。

换句话说，第一电源在其端子之间产生与第一交流电位相等的电位差。

根据实施例，第一电源能够在输出端电连接到至少一个保护电极，用于电极的电极化的器件还能够包括第一电源开关，第一电源开关使得能够使所述至少一个测量电极在第一交流电位或者在地电位处电极化。

因此，在第一电源开关的第一位置，第一交流电位被施加到测量电极和保护电极，使得能够测量第一电信号。

在第一电源开关的第二位置，在测量电极和保护电极之间施加交流电位差，交流电位差在这种情况下与第一交流电位相对应，并且使得能够测量第二电信号。

根据实施例，用于电极的电极化的器件能够包括第二电源，第二电源在其端子之间提供交流电位差，所述第二电压源在其输入端参考第一交流电位，并且在输出端根据以下配置中的一个来设置：

-将交流电位差施加到至少一个保护电极；

-将交流电位差施加到至少一个测量电极；

根据实施例，用于电极的电极化的器件能够包括以下开关中的至少一个：

-第一开关，其被设置为使得能够将地电位或者第一交流电位(例如，源自第一电源)施加到所述至少一个保护电极和所述至少一个测量电极；

-第二开关，其被设置为使得能够将交流电位差(例如，由第二电源产生的)、或者零或基本为零的电位差施加到所述至少一个保护电极和所述至少一个测量电极之间。

第一开关和第二开关能够包括所有类型的可控电开关，例如，基于机电继电器或者晶体管的开关。

第一开关能够包括输出端，输出端能够选择性地连接到与地电位连接的输入端，或者连接到与第一电源的输出端连接的输入端。

第二开关能够包括输出端，输出端能够选择性地连接到与第一电源的输出连接或者如果合适与第一开关的输出端连接的输入端，或者连接到与第二电源的输出端连接的输入端。

根据本发明的装置还能够包括至少一个计算模块，其配置为：

-根据第一信号(和/或速度、路径、移动、姿势等等)确定在物体和检测表面之间的距离或者接触；和/或

-根据第二信号确定所述物体施加到检测表面上的负荷。

所述至少一个计算模块能够通过计算或者与之前建立的参考表比较来分别确定所述距离或者接触以及所述负荷。

所述至少一个计算模块能够根据第一测量的信号或者所述信号的数字化版本或者根据由测量的或者数字化的所述第一信号推导出的电极-物体电容值来直接确定所述距离或者接触。

所述至少一个计算模块能够根据第二测量的信号或者所述信号的数字化版本或者根据由测量的或者数字化的所述第二信号推导出的电极-保护电容值来直接确定所述负荷。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括通过弹性可压缩的、特别是局部弹性可压缩的、包括介电材料或者由介电材料形成的层分离的至少一个测量电极和至少一个保护电极。

介电材料能够包括，例如：

-介电液体，例如油；

-介电聚合物，例如硅基聚合物；或者

-介电泡沫，例如由织物或者硅制成的泡沫。

当然，介电材料能够包括几种材料或者由几种材料组成，例如用于减小刚度的结构化材料(聚合物/空气)。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括由以下制成的一个或更多个测量电极和/或保护电极：

-导电油墨的沉积物，例如通过丝网印刷或喷墨工艺沉积在介电材料的表面上；

-通过真空沉积工艺沉积或通过蚀刻工艺蚀刻的金属材料层，例如铜、银或其他导电材料，例如碳或金属氧化物(氧化铟锡或ITO、氧化锌或ZnO)；

-刚性、半刚性或柔性(介电环氧树脂、聚酰亚胺、PET等)、具有单个金属层或几个金属层等的印刷电路板或类似物；

-导电聚合物；

-以具有由编织或针织等导电材料(金属等)制造的导线的织物或织物层的形式。

-集成到密封绝缘材料中的液态物质(例如，水)。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括一个或更多个透明的测量电极和/或第二电极。这种电极能够例如利用透明导电氧化物(例如氧化铟锡(或ITO))在透明介电聚合物(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))层上的沉积物来制造。

测量电极和保护电极中的至少一个的连接轨道也能够是透明的。

弹性可压缩分离层还能够由透明介电材料制造。为此，该分离层可以例如由柔性透明塑料或聚二甲基硅氧烷(或PDMS)制造。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括设置在支撑件上、或者中、或者下的至少一个测量电极，支撑件由诸如织物(例如，编制的或者针织的结构)之类的柔性材料制造，支撑件设置在至少一个保护电极之上并且距离所述至少一个保护电极一定距离，并且当负荷施加在所述支撑件上时，该支撑件至少局部地变形。

在这种情况下，一个或多个测量电极能够例如以织物或者以织物或织物层的形式制造，织物具有由编织或针织等导电材料(金属等)制造的导线。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括几个测量电极。

根据本发明的装置能够特别地包括分布在检测表面的平面中的多个测量电极。

测量电极能够特别地以阵列布置来设置。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括根据以下配置中的至少一个来设置的一个或更多个保护电极：

-至少一个保护电极与几个、特别是所有测量电极相对设置；

-对于至少一个、特别是每个测量电极，保护电极与所述测量电极相对设置；

-对于至少一个、特别是每个测量电极，几个保护电极与所述测量电极相对设置。

根据实施例，根据本发明的装置还能够包括至少一个第二保护电极，其在与一个或多个测量电极的电位相等的电位处极化。

特别地，该装置能够包括一个或更多个第二保护电极，例如设置在：

-与测量电极相同的一个平面中(例如以保护连接轨道)；

-与保护电极相同的一个平面中(以及保护电极周围)；

-相对于与测量电极相对的面，与保护电极相对。

根据实施例，根据本发明的装置能够包括：

-测量电极的阵列；

-在与测量电极相对设置并且彼此电连接的各个保护电极；

-在同一平面围绕保护电极设置的第二保护电极。

根据实施例，根据本发明的装置包括几个测量电极和电极开关，电极开关使得能够选择性地将称为“有源电极”的测量电极连接到测量电子器件，所述电极开关还设置为将其它测量电极在与有源电极相同的电位处极化。

电极开关能够特别地顺序地选择多个或者所有测量电极作为有源电极。

因此，电极开关使得能够利用测量电子器件(或者测量通道)以进行利用几个测量电极的顺序测量。

因此，具有多个测量电极的根据本发明的装置能够包括：

-具有单个测量通道和电极开关的测量电子器件，使得能够顺序轮询所有测量电极(顺序测量)；

-利用几个测量通道的一个或更多个测量电子器件，每个具有电极开关，其能够轮询测量电极的部分(顺序和并行测量)；

-与测量电极一样多的测量电子器件或者测量通道，而不具有开关电极，以同时轮询所有测量电极(并行测量)。

根据实施例，在具有设置为将交流电位差施加到多个保护电极的第二电源的配置中，根据本发明的装置还能够包括保护电极开关，使得能够选择性地将称为“激励的保护电极或者电极”的一个或多个电极连接到第二电源，所述电极开关还被设置为将其他保护电极在与有源电极相同的电位处极化。

该实施例的优点在于，相对于利用测量电极获得的空间分辨率，在第二信号(负荷)的测量期间能够改善空间分辨率，特别是当根据本发明的装置包括与测量电极相对地设置的几个保护电极。实际上，在这种情况下，如果测量电极是可形变的，则测量的空间分辨率由一个或多个激励的保护电极的尺寸确定。

根据实施例，测量电子器件能够包括利用运算放大器的电路，其具有包括反馈电容部件的阻抗，一个或多个测量电极连接到运算放大器的负输入端。

因此，测量电子器件能够例如实施具有反馈电容的电荷放大器。

实施运算放大器的电路能够以任何形式制成，特别是模拟或者数字形式，使得能够执行运算放大器功能。

回想一下，运算放大器是本领域技术人员所熟知的具有理想无限阻抗的正输入端和负输入端的部件模型，该部件模型能够在输出端产生与施加到输入端的电位差相对应、以理想无限增益放大的信号。

根据本发明的装置还能够包括实现用于将电荷转换为电信号或数字信号(开关电容等)的电路的电路的测量电子器件。

根据实施例，实施运算放大器的电路能够由参考第一交流电位的电源供电。

根据其它实施例，实施运算放大器的电路能够由参考地的电源供电。

根据同一发明的另一方面，提出了一种利用根据本发明的检测装置来相对于检测表面检测物体的方法。

特别地，根据一般定义，根据本发明的方法包括以下步骤的至少一个迭代：

-检测物体相对于所述检测表面的接近和/或接触的第一步骤，其包括以下操作：

-将与地电位不同的以下电位施加给测量电极和保护电极：

·同一个第一交流电位，或者

·基本相同的第一交流电位；

-测量关于所述测量电极和所述物体之间的称为电极-物体电容的电容的第一信号；以及

-检测所述物体对所述检测表面的压力的第二步骤，其包括以下操作：

·将交流电位差施加到测量电极和保护电极之间，以及

·测量关于所述测量电极和所述保护电极之间的称为电极-保护电容的电容的第二信号。

检测接近和/或接触能够包括例如测量距离、检测接近、测量或检测接触。

压力的检测能够包括例如检测压力、测量力、测量负荷。

在步骤或者操作方面，根据本发明的方法还能够包括由根据本发明的装置在实施方式/示例中的每一个中根据以上描述的特性实现的功能。

根据如上所述的实施方式，第一步骤和第二步骤能够同时地或者顺序地实施。

根据实施方式，当检测装置包括多个测量电极，第二检测步骤能够仅在检测表面的区域中(顺序地或者并行地)进行，在该区域中，在第一检测步骤期间已检测到物体(例如，接近检测表面或与检测表面接触)。

因此，没有必要在第二检测步骤期间扫描整个检测表面，或者将该第二检测步骤施加给整个检测表面。

根据实施方式，根据本发明的方法还能够包括校准步骤，校准步骤包括：

-检测接近和/或接触；

-在不存在检测物体时，检测压力以确定称为“校准电容”的电极-保护电容。

不存在检测物体的条件能够根据标准实现，标准例如能够是：

-测量电极-物体电容为零，或者处于与检测完全不存在相对应的测量噪音的水平；

-测量电极-物体电容小于预定阈值，针对该预定阈值，确定没有物体与检测表面接触(这足够使得没有压力施加)，即使有物体在检测表面附近。

与负荷或者压力不存在的条件相对应并且因此与测量电极和保护电极之间的标称距离相对应的电极-保护校准电容然后能够用于校准压力或者负荷测量。其使得能够补偿特别是当由于电极之间的材料的压碎或者属性变化而导致压力不存在时随时间产生的距离变化。

根据实施方式，当检测装置包括多个测量电极时，在检测表面的至少一个区域(或者在检测表面的区域)中能够局部地进行校准步骤。

根据实施方式，根据本发明的方法能够包括功能验证步骤，其包括将电极-保护校准电容与标称电极-保护电容或者标称电极-保护电容范围进行比较。

标称电极-保护电容或者标称电极-保护电容范围与预先确定的预期电容值(与该装置的正确功能相对应)相对应。

该验证步骤使得能够在任何时刻验证装置的正确功能，这对于安全相关的应用是必不可少的。实际上，如果测量电极-保护校准电容不在预期值的范围内，这意味着该装置是故障的，因此存在不能检测到物体接近或者接触的风险。因此能够特别地非常可靠地触发报警。

检测的物体能够是例如，配戴或者没有配戴手套的手、人体的任何其它部分、触笔，例如由塑料或金属制成的触笔。

检测的物体还能够是检测装置环境中的任何物体，例如工具、墙壁等。

根据本发明的又一方面，提供一种用于设备的检测层，其包括根据本发明的检测装置。

根据本发明的装置，特别地是电极能够集成到检测层中。

特别地，该设备能够包括装置或者电子装置，例如，机器人的一部分或者机器人。

检测层能够设置在器具的表面或者壳体上或者集成在器具的表面或者壳体中。

替代地，检测层能够具有装饰元件的形式，例如独立于所述装置的装饰织物。

检测层还能够具有皮肤(或者“敏感皮肤”)的形式，使得能够覆盖机器人(例如人形的机器人)的全部或部分。该皮肤能够被设计为具有与人体皮肤相近的外观(颜色、表面、触感等等)。

检测表面还能够具有管状的装饰部分或者装饰元件的形式，适合于例如围绕机器人的肢或者机器人的肢的部分设置。

设备还能够包括医疗设备或者用于医用的设备，例如，床、床垫、座椅或椅垫。

在这种情况下，特别地，检测层能够以装饰元件(例如床单或套)的形式制造，或者形成该设备的整体部分。

在这种情况下，根据本发明的装置能够非限制性地使用以检测身体或者人的存在、其位置、施加的负荷(例如，用于防止褥疮)、移动、生理参数(呼吸、心跳)、水分(尿)的存在等。

根据本发明的另一方面，提出了一种配备有根据本发明的检测装置的设备。

特别地，设备能够还包括装置或者电子装置，例如，机器人的一部分或者机器人。

特别地，检测装置能够被设置为使得测量电极和保护电极设置在设备的周边的至少一部分上。

根据所述设备的实施例：

-一个或多个测量电极和一个或多个保护电极能够设置在所述设备的表面或者壳体上、中、或者下；

-一个或多个测量电极和一个或多个保护电极能够设置在独立于所述设备的装饰元件中以及安装在所述设备上；

一个或多个保护电极能够设置在所述设备的表面或者壳体上或中或下；一个或多个测量电极能够设置在独立于所述设备的装饰元件中以及安装在所述设备上。

附图说明和具体实施方式

参考附图，通过阅读非限制性示例的详细描述，其他优点和特征将变得显而易见，其中：

-图1是根据本发明的装置的第一非限制性实施例示例的电原理的示图；

-图2是根据本发明的装置的第二非限制性实施例示例的电原理的示图；

-图3是根据本发明的装置的第三非限制性实施例示例的电原理的示图；

-图4是根据本发明的装置的第四非限制性实施例示例的电原理的示图；

-图5是根据本发明的装置的第五非限制性实施例示例的电原理的示图；

-图6-8是能够在根据本发明的装置中实施的电极的不同配置的示图；

-图9是根据本发明具有多个测量电极的装置的非限制实施例示例的示图；

-图10是根据本发明具有多个独立控制的保护电极的装置的非限制实施例的示图。

应该理解，下面描述的实施例绝不是限制性的。特别地，如果从下文描述的特征中选择的特征(与所描述的其它特征分离)足以带来技术优点或者使本发明与现有技术区别开，则可以想到本发明的变型仅包括该选择的特征。该选择的特征包括至少一个，优选地功能性的特征，不具有结构细节，或者只具有结构细节的一部分，如果这部分单独足以赋予技术优点或者使本发明与现有技术区别开。

特别的，如果从技术观点不反对将所描述的所有实施例和所有变型组合在一起，则可以进行这种组合。

在附图中，几幅图的共同元件保持相同的附图标记。

图1是根据本发明的检测装置的第一非限制性实施例的电原理的示图。

图1中图示的装置100旨在检测控制物体102对检测表面104的接近、接触以及检测表面104对检测表面104施加的压力。

为此，装置100至少包括称为测量电极的电极106和称为保护电极的电极108，电极106设置在检测平面104的水平处或者与检测平面104相对设置，电极108根据其与检测表面104相反的面与测量电极106相对设置，并且距测量电极106一定距离。

在所示实施例中，检测表面104由一个或多个测量电极106的面表示，优选地覆盖有绝缘材料(聚酰亚胺、绝缘漆膜等)的薄层以避免与控制物体102的短路。

装置100还包括电子电路。电子电路能够由运算放大器(AO)110的形式表示，运算放大器110的输出通过阻抗112在运算放大器110的负输入端循环，阻抗112能够是例如：电容器、与电阻器结合的电容器或者与重置开关或放电开关结合的电容。在所示示例中，阻抗112由电容器C形成。

装置100还包括第一电源E，其提供第一交流电位V_g。第一电源E还被称为保护电源，第一交流电位V_g还被称为保护电位V_g，其原因将在下文中解释。第一交流电位V_g或者保护电位V_g与标记为M的地电位不同，该地电位对应于系统的一般地电位(例如，能够是接地)。第一电源E在输入端与地电位M连接，特别地在输出端与保护电极108连接。

应该注意的是控制物体102根据定义通常通过电阻性耦合或者电容性耦合直接或者间接地在地电位M处极化。当然，物体在地电位M处完美地极化不是必要的。为了使物体可检测，仅仅需要使物体在与保护电位V_g不同的电位处极化。

在所示的实施例中，运算放大器(AO)110参考保护电位V_g。为此，运算放大器由也参考保护电位V_g的电源(未示出)供电。

可替代地，运算放大器(AO)110能够参考地电位，同时其由参考电地电位M的电源(未示出)供电。

在AO110输出端提供的电压V_s参考保护电位V_g。

为了获得参考一般地电位M的电压V_s，该装置包括以差分放大器114的形式示出的模块114，该差分放大器114电参考一般地电位M并且在输入端分别连接到AO110的输出端和保护电位。因此，参考一般地电位M，在差分放大器114的输出端获得V_s的图像信号。

在所示实施例中，装置100还包括第二电源V，其设置在AO110的正输入端和保护电源E之间并且提供交流电位差V1。

在该实施例中，测量电极106连接到AO110的负输入端，保护电极108连接到保护电源E与第二电源V之间的点。

由于AO110的非常高的阻抗和开环增益，能够认为与AO110的负输入端连接的测量电极106在与保护电位V_g(或者第一交流电位V_g)和交流电位差V1之和相对应的电位处(相对于地电位M)极化。

保护电极在保护电位或者第一交流电位V_g处极化。

测量电极106被设置为使得测量电极106和保护电极108之间的距离D能够通过控制物体102施加在检测表面104上的负荷而局部弹性地改变。特别地，当负荷施加到检测表面104上时，测量电极106移动得更靠近保护电极108。为此，测量电极106和保护电极108设置在由弹性可压缩介电材料(例如泡沫或者塑料或者还有液体电介质)形成的层118的任何一侧上(或层118中)。

在这些条件下，控制物体102与检测表面104的接近和接触能够通过测量表示在测量电极106和控制物体102之间形成的电容C_eo的值来检测和/或测量，所述电容C_eo称为电极-物体电容。一旦与检测表面104接触，由控制物体102施加的负荷能够通过测量在测量电极106和保护电极108之间形成的称为电极-保护电容的电容C_eg的值来检测和/或测量。

在两种情况下，可以通过使用平行板电容器规范来将测量的电容分别链接到测量电极和物体之间的距离以及测量电极和保护电极之间的距离。因此，负荷能够根据介电材料118的测量厚度的变化来计算。

在AO110的输出端测量的信号V_s包括第一信号V_sa和第二信号V_sp的组合，第一信号V_sa和第二信号V_sp分别依赖于电极-物体电容C_eo以及电极-物体电容和电极-保护电容C_eg之和：

V_s＝V_sa+V_sp (1)

和

以及

根据实施方式，生成第一电位V_g和电位差V1，它们具有足够间隔开的不同基本频率以便能够通过解调和/或滤波而分离。例如，这些信号能够是正弦或者正方形。在这种情况下，获得的第一信号V_sa和第二信号V_sp具有不同的基本频率。然后，能够通过分别在针对第一信号V_sa的第一电位V_g的基本频率和针对第二信号V_sp的电位差V1的基本频率附近解调信号V_s来获得这些第一信号V_sa和第二信号V_sp各自的振幅。然后，能够从这些信号的振幅分别地推导出电极-物体电容C_eo以及电极-物体电容和电极-保护电容之和C_eo+C_eg，因而推导出电极-保护电容C_eg。因此，同时获得关于电极-物体电容C_eo的值的第一信号和关于电极-保护电容C_eg的值的第二信号。

为此，装置100包括两个同步解调器115，其执行源自AO110的信号V_S分别与对应于第一电位V_g的载波信号和对应于电位差V1的载波信号相乘的功能，然后进行低通滤波。

不同频率的第一信号V_sa和第二信号V_sp的解调还能够利用包括整流的异步解调器，然后低通滤波器来执行。

优选地，在解调之前，信号V_s分别在第一信号V_sa的基本频率和第二信号V_sp的基本频率附近进行通带滤波。

根据其它的实施方式，能够以彼此正交的信号的形式(即，信号的标量积为零)产生第一电位V_g和电位差V1。这种信号能够例如以相位正交信号的形式(例如，正弦或者方形)产生或者以构成正交基信号的二进制序列的形式产生。

在这种情况下，能够通过分别利用与第一电位V_g相对应的载波信号和与电位差V1相对应的载波信号来如先前那样利用同步解调器115解调第一信号V_sa和第二信号V_sp，然后进行低通滤波。更一般地，如果利用与第二信号V_sp正交的载波信号解调第一信号V_sa，或者相反，则能够获得没有串扰的第一信号和第二信号各自的振幅。

当然，能够利用模拟电子组件以模拟方式和/或利用FPGA、微处理器等以数字方式执行这些解调操作。例如，能够通过使模拟信号(例如信号V_s)数字化，然后通过利用FPGA或者微处理器的计算执行解调操作来执行这些解调操作。

还能够实现具有交替接通(因此每次接通一个)的保护电源E和第二电源V的装置100。在这种情况下，根据接通的电源，在AO的输出端处交替地测量分别与第一信号V_sa或第二信号V_sp相对应的信号V_s。然后能够如之前那样利用两个解调器115解调该信号V_s，或者能够仅利用单个解调器，通过切换载波信号使得其对应于接通的电源的信号来解调该信号V_s。

需要注意的是，电压源，例如第一电源E或第二电源V，在关断时表现为短路。

在该实施方式中，还能够利用相同的激励频率或者产生相同形状的信号来实现保护电源E和第二电源V，这简化检测电子装置。

还可以保持保护电源E永久接通，但是仅周期性地接通第二电源V，或者仅仅地基于电极-物体C_eo的测量检测到物体102与检测表面104接触或接近检测表面104时，接通第二电源V。这使得能够在更好的条件下更准确地并且限制串扰风险地测量电极-物体电容C_eo，特别是当物体102很远并且因此电极-物体电容C_eo很小时。当物体102接近检测表面104或者与检测表面104接触时，如上所述，同时地(或者顺序地)测量电极-物体电容C_eo和电极-保护电容C_eg。

需要注意的是，保护电极108满足以下功能：

-为了测量电极-物体电容C_eo，至少从相对于第一交流电位的解调的观点来说，保护电极108通过与测量电极106在相同电位极化来防止测量电极106与环境寄生电容耦合。需要注意的是，即使当第二电源V接通时，这仍然适用，因为第二电源V提供与第一交流电位正交或者具有不同频率的交流电位差V1。在这个情形下，第一交流电位是保护电位；

-为了测量电极-保护电容C_eg，保护电极108与测量电极106在不同的电位极化，其中差值对应于交流电位差V1。这允许电容C_eg产生，电容C_eg能够利用基于交流电位差V1的解调来测量。

图2是根据本发明的装置的第二非限制性实施例示例的电原理的简化示图；

图2中示出的装置200包括图1中装置100的所有元件。

与装置100不同，在装置200中，通过如图1所示的AO110的输入端，第二电源V连接到保护电极108而不连接到测量电极106。AO110的正输入端连接到保护电位V_g。第二电源V也参考保护电位V_g。

装置200的功能与装置100的功能实质相似。

当第一电源E和第二电源V接通，并且分别产生保护电位(或者第一交流电位)V_g和交流电位差V1时，在运算放大器(AO)110的输出端，测量与两个信号V_sa和V_sp之和相对应的信号V_s，V_sa和V_sp分别代表电极-物体电容C_eo和电极-保护电容C_eg：

V_s＝V_sa+V_sp (4)

和

以及

需要注意的是，与装置100的情况一样，在装置200的实施例中，代表电极-保护电容C_eg的信号V_sp不依赖于电极-物体信号C_eo。这是这个实施例的优点。

如关于装置100解释的那样，能够利用一个或者两个解调器115解调信号V_s。特别地，关于装置100解释的所有解调方法适用于装置200。

如上所述，装置200因此能够通过同时接通或者激活的第一电源E和第二电源V来实施，条件是产生的第一交流电位V_g和交流电位差V1是正交信号或者具有不同频率。因此，能够利用两个解调器115并行解调信号V_sa和V_sp，如上所述。在这种情况下，获得关于电极-物体电容C_eo的值的第一信号和关于电极-保护电容C_eg的值的第二信号。

装置200还能够通过交替地仅接通第一电源E，然后接通第二电源V来实施。在这种情况下，如上所述，产生的第一交流电位V_g和交流电位差V1能够是正交信号或者具有不同频率，但是它们也能够具有相同频率或者相同形状。然后交替地或顺序地测量分别表示电极-物体电容C_eo和电极-保护电容C_eg的两个信号。

如关于装置100所描述的，还可以保持第一电源E永久地接通，但是仅周期性地接通第二电源V，或者仅仅在基于电极-物体电容C_eo的测量检测到物体102与检测表面104接触或者接近检测表面104时，接通第二电源V。这使得能够在更好的条件下更准确地并且限制串扰风险地测量电极-物体电容C_eo，特别是当物体102很远并且因此电极-物体电容C_eo很小时。当物体102接近检测表面104或者与检测表面104接触时，如上所述，同时地(或者顺序地)测量电极-物体电容C_eo和电极-保护电容C_eg。

图3是根据本发明的装置的第三非限制性实施例示例的电原理的简化示图；

图3中示出的装置400包括图1中装置100的所有元件。特别地，装置400包括第一电源E，所述电源E在输入端连接到地电位M，特别地在输出端连接到保护电极108。装置400还包括第二电源V，第二电源V设置在一方面是保护电极108和第一电源E的输出端与另一方面是AO110的正输入端之间。

装置400还包括设置在第一电源E的输出端的第一开关402。第一开关402由控制模块116控制并且能够将保护电极108：

-在第一个位置，连接到第一电源E的输出端；以及

-在第二个位置，连接到地电位M。

装置400还包括设置在第二电源V的输出端的第二开关302。第二开关302由控制模块116控制，并且能够将AO110的正输入端：

-在第一个位置，连接到保护电极108；以及

-在第二个位置，连接到第二电源V的输出端。

需要注意的是，在第一电源E或者第二电源V分别地接通或者关断的情况下，装置400在功能上与装置100相等。

第一开关402被设置为将第一电源E，或者更具体地说，该第一电源E的输出端连接到电路的其余部分，或者与电路的其余部分断开，同时被设置为当第一电源E断开时将保护电极108连接到地电位M(就像第一电源E关断)。因此，第一开关402使得能够避免高速率地接通或者关断第一电源E。

类似地，第二开关302被设置为将第二电源V，或者更具体地说，将第二电源V的输出端连接到电路的其余部分，或者与电路的其余部分断开，同时被设置为当第二电源V断开时将AO110的输入端连接到保护电极108(就像第二电源V关断)。因此，第二开关302使得能够避免高速率地接通或关断第二电源V。

关于图1中的装置100描述的所有实施方式适用于装置400。

然而，当然，通过第一电源E和第二电源V交替地激活(因此每次激活一个)，装置400特别地适合执行顺序测量。在这种情况下，根据激活的电源，在AO的输出端，交替地测量分别与第一信号V_sa相对应或与第二信号V_sp相对应的信号V_s。然后，能够如上所述利用两个解调器115解调该信号V_s，或者仅利用如图3中所示的单个解调器115、通过切换载波信号(例如利用控制模块116)使得其与激活的电源的信号相对应来解调信号V_s。

因此，为了测量第一信号V_sa，第一开关402被切换以将保护电极108与第一电源E的输出端连接，第二开关302被切换以将AO110的正输入端与第一电源E的输出端(或者保护电极108)连接。为了测量第二信号V_sp，第一开关402被切换以将保护电极108与地电位连接，第二开关302被切换以将AO110的正输入端与第二电源V的输出端连接。

根据变型，装置400能够包括第一开关402并且不包括第二开关302。在这种情况下，第二电源V依然被插入电路。当然，第二电源V能够如上所述接通或者关断。

根据变型，装置400能够包括第二开关302并且不包括第一开关402。在这种情况下，第一电源E依然被插入电路。当然，第一电源E能够如上所述接通或者关断。

图4是根据本发明的装置的第四非限制性实施例的电原理的简化示图。

图4中示出的装置500包括图2中装置200的所有元件。装置500特别地包括第一电源E，第一电源E在输入端连接到地电位M并且在输出端连接到AO110的正输入端。装置500还包括第二电源V，第二电源V设置在一方面是第一电源E的输出端与另一方面是保护电极108之间。

装置500还包括设置在第一电源E的输出端处的第一开关402。第一开关402由控制模块116控制，并且能够将AO110的正输入端：

-在第一个位置，连接到第一电源E的输出端；以及

-在第二个位置，连接到地电位M。

装置500还包括设置在第二电源V的输出端处的第二开关302。第二开关302也由控制模块116控制，并且能够将保护电极108：

-在第一个位置，连接到AO110的正输入端；以及

-在第二个位置，连接到第二电源V的输出端。

需要注意的是，在第一电源E或者第二电源V分别接通或者关断的情况下，装置500在功能上与装置200相等。

第一开关402被设置为将第一电源E，或者更具体地说，将该第一电源E的输出端连接到电路的其余部分或者与电路的其余部分断开，同时被设置为当第一电源E断开时将AO110的正输入端连接到地电位M(就像第一电源E关断)。因此，第一开关402使得能够避免高速率地接通或关断第一电源E。

类似地，第二开关302被设置为将第二电源V，或者更具体地说，将第二电源V的输出端连接到电路的其余部分或者与电路的其余部分断开，同时被设置为当第二电源V断开时将保护电极108连接到AO110的正输入端(就像第二电源V关断)。因此，第二开关302使得能够避免高速率地接通或关断第二电源V。

关于图2中的装置200所描述的所有实施方式适用于装置500。

然而，当然，利用交替地激活(因此每次激活一个)的第一电源E和第二电源V，装置500特别地适合执行顺序测量。在这种情况下，根据激活的电源，在AO的输出端，交替地测量分别地与第一信号V_sa相对应或与第二信号V_sp相对应的信号V_s。然后，能够如上所述利用两个解调器115解调该信号V_s，或者仅利用如图4中所示的单个解调器115，通过切换载波信号(例如利用控制模块116)使得其与激活的电源的信号相对应来解调该信号V_s。

因此，为了测量第一信号V_sa，第一开关402被切换以将AO110的正输入端连接到第一电源E的输出端，第二开关302被切换以将保护电极108连接到第一电源E的输出端(或者AO110的正输入端)。为了测量第二信号V_sp，第一开关402被切换以将AO110的正输入端连接到地电位G，第二开关302被切换以将保护电极108连接到第二电源V的输出端。

根据变型，装置500可以包括第一开关402但不包括第二开关302。在这种情况下，第二电源V依然被插入电路。当然，第二电源V能够如上所述接通或者关断。

根据变型，装置500可以包括第二开关302但不包括第一开关402。在这种情况下，第一电源E依然被插入电路。当然，第一电源E能够如上所述接通或者关断。

图5是根据本发明的装置的第五非限制性实施例示例的电原理的简化示图。

图5中示出的装置600包括例如图4中装置500的所有元件。然而，不同的是：

-装置600不包括第二电源V，也不包括第二开关302；

-保护电极108一直连接到第一电源E的输出端并且接收由该第一电源E

提供的电位V_g。

装置600包括设置在第一电源E的输出端并且在保护电极108下游的第一开关402。第一开关402由控制模块116控制，并且能够将AO110的正输入端：

-在第一个位置，连接到第一电源E的输出端以及保护电极108；以及

-在第二个位置，连接到地电位M。

该实施例非常简单，因为其仅包括一个电源，第一电源E。在另一方面，其允许关于C_eo的值的第一信号和关于C_eg的值的第二信号的顺序测量。

为了测量关于C_eo的值的第一信号，控制模块116控制第一开关402以将AO110的正输入端连接到第一电源E：在该位置，保护电极108和测量电极106接收第一电位V_g。

为了测量关于C_eg的值的第二信号，控制模块116控制第一开关402以将AO110的正输入端连接到地电位M：然后，保护电极108位于第一电位V_g，测量电极106位于地电位M。换句话说，在这种配置中，在测量电极106和保护电极108之间施加与第一电位V_g相对应的交流电位差V1。

在这个实施例中，第一信号的测量在AO的输出端提供以下信号：

并且，第二信号的测量在AO的输出端提供以下信号：

然后，能够利用解调器115同时使用相同的载波信号(用于同步解调器)来解调第一信号V_sa和第二信号V_sp。

根据装置600的变型(未示出)，通过将AO110的正输入端一直连接到电源E，开关402能够设置在一方面保护电极108与另一方面电源E和地电位之间。

在这种情况下，第一开关402使得能够将保护电极108：

-在第一个位置，连接到第一电源E的输出端以及AO110的正输入端；以及

-在第二个位置，连接到地电位M。

在这种配置中，测量电极106总是通过AO110的正输入端在第一电位V_g处极化。

所描述的装置中的每个还能够包括(在附图中未示出的)至少一个计算模块，所述至少一个计算模块被设置为：

-根据第一测量信号确定物体102与检测表面104之间的距离、接触或者半接触；和/或

-根据第二测量信号确定所述物体102施加到检测表面104上的负荷。

图6是能够在根据本发明的装置中实施的电极的第一配置的示图。

在图6所示的配置700中，装置能够包括多个测量电极106₁-106_N和对于所有测量电极106₁-106_N共用的单个电极108。在所示的配置中，保护电极108与测量电极106₁-106_N的与检测表面104相反的面相对设置。

图7是能够在根据本发明的装置中实施的电极的第二配置的示图。

在图7所示的配置800中，装置能够包括多个测量电极106₁-106_N和针对每个测量电极106₁-106_N的单独保护电极，分别是108₁-108_N。在所示的配置中，这些保护电极108₁-108_N与测量电极106₁-106_N的与检测表面104相反的面相对设置。

图8是能够在根据本发明的装置中实施的电极的第三配置的示图。

在图8所示的配置900中，装置包括多个测量电极106₁-106_N和针对每个测量电极106₁-106_N的单独保护电极，分别是108₁-108_N。

装置还包括第二保护电极902，优选地与保护电极108₁-108_N设置在同一平面。这些第二保护电极能够以单个保护平面902的形式或者以连接到同一电位的单独的电极的形式来制造。

这些第二保护电极902保持在测量电极106的电位，或者至少保持在与测量电极106的电位相同或者基本相同的电位。因此，它们可以形成这些测量电极106的保护，包括在关于C_eg的值的第二信号的测量期间，同时避免这些电极106和它们的环境之间寄生电容的产生。为此，在关于图1至图5描述的实施例中，第二保护电极902电连接到AO110的正输入端。因此，在所有测量配置中，第二保护电极902“跟随”施加在AO110的输入端上和测量电极106上的电位。

图9是根据本发明的具有多个测量电极的装置的非限制实施例的示图。

该图示出了配置1000的示例，该配置1000使得能够利用多个测量电极106进行顺序测量。该配置1000基于图2中的配置200来描述，应理解该配置利用通过上述所有实施例来实现。

装置包括多个测量电极106₁-106_N，其通过连接轨道1002分别连接到电子电极开关(开关)1001。

电极开关1001在输出端连接到AO110的测量输入端(负输入端)。电极开关1001使得能够选择测量电极106₁-106_N，利用该测量电极来如上所述进行第一和第二信号的测量。电极开关1001还被设置为使得每个测量电极106₁-106_N与AO110的测量输入端连接以构成有源(测量)电极，或者与施加到一个或多个有源电极的电位相同或者基本相同的电位连接。优选地，一次选择单个有源电极。

在示出的所有实施例中，不是有源的测量电极106₁-106_N通过电极开关1001连接到AO110的正输入端，如上所述，AO 110的正输入端与有源测量电极106位于相同的电位。

在与施加到一个或多个有源电极的电位相同或者基本相同的电位处极化不是有源的测量电极106₁-106_N的事实使得能够避免所选的一个或多个测量电极与非测量电极之间的串扰。因此处于保护电位的非测量电极通过产生最大保护表面而参与用于接近检测的一个或多个测量电极的范围的最优化。

装置还包括分别与测量电极106₁-106_N相对地设置的多个保护电极108₁-108_N。这些保护电极108₁-108_N通过使得能够将这些保护电极连接到电子装置的连接轨道1003而互联。根据以上所讨论的和所描述的实施例，保护电极108₁-108_N因此全部连接到所示的第二电源V，或者：

-连接到第一电源E(配置100、配置600)的输出端；

-连接到开关302(配置500)；

-连接到开关402(配置400)。

这些电极108₁-108_N的表面、重叠覆盖率和形式能够根据应用而包括各种各样的配置：比测量电极106₁-106_N更大、相同或者更小，被设置为部分重叠一个或更多个测量电极，呈实心表面或镂空表面或轨道的形式或任何其他形式。

可替代地，如上所述，保护电极108₁-108_N能够以保护平面或者以单个保护电极108的形式被制造。

可选地，装置还能够包括设置在保护电极108₁-108_N之间的保护平面902形式的第二保护电极902。如上所述，第二保护电极连接到AO110的正输入端，以保持在和一个或多个有源测量电极106₁-106_N相同的电位。第二保护电极902例如通过消除检测表面104和电子装置之间的连接的电容泄漏而提供关于该连接的显著优点(所述连接能够是电缆、有源表面的延伸、柔性连接、印刷电路元件等)。

图10是根据本发明的具有多个测量电极和多个保护电极的装置的非限制实施例的示图。

该图示出示例性实施例1100，其使得能够选择性地控制保护电极。

实施例1100与实施例1000相似，因此这里仅详细说明不同之处。。

配置1100实施旨在与保护电极108连接的第二电源V，如实施例200中那样。

装置包括多个测量电极106₁-106_N，所述多个测量电极106₁-106_N通过连接轨道1002分别连接到电子电极开关(开关)1001。电子电极开关(开关)1001如实施例1000中所解释那样的运行。

装置还包括多个保护电极108₁-108_N，所述多个保护电极108₁-108_N分别与测量电极106₁-106_N相对设置。这些保护电极108₁-108_N通过连接轨道单独地连接到保护电极开关1101，保护电极开关1101的操作在下文解释。

测量电极106₁-106_N和保护电极108₁-108_N以横截面视图示出。测量电极106₁-106_N和保护电极108₁-108_N被设置在层118的任一侧，层118由弹性可压缩介电材料形成。

可选地，装置还包括设置在保护电极108₁-108_N之间的第二保护电极902。如上所述，第二保护电极连接到AO110的正输入端，以保持在与一个或多个测量电极106₁-106_N相同的电位。

根据所示的实施例，保护电极108₁-108_N具有小于相对的测量电极106₁-106_N的尺寸(例如宽和/或长)，使得测量电极面对几个保护电极。

保护电极开关1101连接到第二电源V的输出端。保护电极开关1101使得能够选择性地将由第二电源V产生的电位差V1施加到特定的保护电极108₁-108_N。电极开关1001还被设置为使得每个保护电极108₁-108_N连接到第二电源V以构成激励的保护电极，或者与施加到一个或多个测量电极的电位相同或者基本相同的电位连接。优选地，一次选择单个激励的保护电极。

根据示例实施方式，在为了获得电极-保护电容C_eg(和因此获得负荷)的第二信号的测量期间：

-利用电极开关1001选择测量电极106₁(有源电极)；

-利用电极开关1001选择与有源测量电极相对的保护电极108₁(激励的保护电极)；

-执行第二信号的测量，以获得有源测量电极和激励的保护电极之间的电极-保护电容C_eg。

如果测量电极106₁-106_N是可变形的，则因此能够获得如下空间分辨率的负荷测量，该空间分辨率与保护电极108₁-108_N的空间尺寸相对应并且因此优于利用测量电极106₁-106_N可实现的空间分辨率。

因此，该实施例具有以下优势：与用于电极-物体电容C_oe的测量的空间分辨率相比，允许更优的空间分辨率用于电极-保护电容C_eg的测量。因此能够保持具有更大范围的表面区域的测量电极106₁-106_N，从而允许对于利用合理空间分辨率的距离测量具有更好的敏感度和对于空间分辨率很重要的负荷测量具有更优的空间分辨率。

在这种配置中，能够具有连接到一起的几个保护电极108₁-108_N，每个保护电极与不同的测量电极106₁-106_N相对。因为测量电极106₁-106_N顺序地“轮询”，因此为负荷或者压力测量获得相同的空间分辨率，同时仍然限制保护电极开关1101所需要的轨道或者通道的数量。

根据实施例，保护电极108₁-108_N能够在至少一个方向上与几个测量电极106₁-106_N相对延伸。在这种情况下，在垂直方向上，保护电极108₁-108_N能够：

-根据单个测量电极延伸(因此具有与测量电极尺寸基本相同的尺寸)；

-根据几个测量电极延伸(因此具有比测量电极尺寸大的尺寸)；

-或者，如上所述，具有比测量电极尺寸小的尺寸，以便具有与一个测量电极相对的几个保护电极。

特别地，这使得能够在不过分降低由有源测量电极(如由电子电极开关1001选择的)和激励的保护电极(如由保护电极开关1101选择的)之间的重叠表面区域确定的负荷测量的空间分辨率的情况下限制保护电极开关1101所需要的通道数量。

保护电极开关1101还能够与实施旨在与保护电极108连接的第二电源V(例如在实施例200和实施例500中)的所有配置一起使用。当使用旨在连接或者断开第二电源V的开关302时，保护电极开关1101被插入保护电极108₁-108_N和该开关302之间。

根据实施例，装置能够包括保护电极108₁-108_N，保护电极108₁-108_N相对于测量电极106₁-106_N偏移或者部分重叠，和/或分别与几个测量电极106₁-106_N相对延伸，以允许通过测量在所述测量电极106₁-106_N的至少一个和所述保护电极108₁-108_N的至少一个之间的重叠表面区域的变化来测量介电材料118的剪切位移。特别地，这种配置能够测量施加在检测表面104上的压力的切向剪切分量。当然，该装置还能够包括分别与单个测量电极106₁-106_N相对的保护电极108₁-108_N，保护电极108₁-108_N因此对剪切分量不敏感(或者相反，测量电极106₁-106_N分别与单个保护电极108₁-108_N相对)。因此，还能够从利用多个电极进行的测量中推导出施加在检测表面104上的负荷的切向和垂直(或径向)分量。

例如，装置能够包括与两个相邻的测量电极106相对的至少一个保护电极108。在重叠方向上存在纯剪切位移时，测量电极106中的一个与该保护电极108之间的电极-保护电容C_eg由于相对表面区域的增大而增大，而在另一测量电极106与相同保护电极108之间的电极-保护电容C_eg降低。

当然，本发明不限于刚刚所描述的实施例，并且在不超出本发明的范围的情况下能够对这些实施例进行许多调整。

Claims

1.一种用于相对于检测表面(104)检测物体(102)的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，所述装置(100；200；400；500；600；1000)包括：

-至少一个测量电极(106)；

-称为保护电极的至少一个电极(108)；以及

-测量电子器件，用于测量关于所述测量电极(106)的电容的信号；

其特征在于，所述测量电极和保护电极(106、108)被分离通过由所述物体(102)施加到所述检测表面(104)上的负荷而能局部弹性改变的距离(D)；以及

其特征在于，所述装置包括用于电极(V、E、302、402)的电极化的器件，其被设置为：

-将与地电位(M)不同的以下电位施加到测量电极和保护电极(106、108)：

·同一个第一交流电位(V_g)，或者

·基本相同的第一交流电位；

以便测量关于所述测量电极(106)和所述物体(102)之间的称为电极-物体电容的电容(C_eo)的第一信号；

-在测量电极和保护电极(106、108)之间施加交流电位差(V1)，以便测量关于所述电极(106、108)之间的称为电极-保护电容的电容(C_eg)的第二信号。

2.根据权利要求1所述的装置(100；200；400；500；1000；1100)，其特征在于，用于电极(V、E、302、402、116)的电极化的器件被设置为产生满足以下标准的至少一个的第一交流电位(V_g)和电位差(V1)：

-第一交流电位(V_g)和电位差(V1)分别包括在不同频率的至少一个频率分量；

-第一交流电位(V_g)和电位差(V1)包括彼此正交的信号。

3.根据权利要求1或2所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，所述装置包括具有至少一个解调器件(115)的测量电子器件，所述至少一个解调器件利用以下元件中的至少一个：

-同步解调器；

-振幅检测器；

-数字解调器。

4.根据权利要求3所述的装置(100；200；1000；1100)，其特征在于，所述装置包括利用第一交流电位(V_g)以确定第一信号的第一解调器件(115)；以及利用交流电位差(V1)以确定第二信号的第二解调器件(115)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；400；500；1000；1100)，其特征在于，用于电极(V、E、302、402)的电极化的器件被设置为产生具有与第一交流电位(V_g)的振幅不同的振幅的交流电位差(V1)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，用于电极的电极化的器件包括第一电源(E)，所述第一电源在输入端参考地电位(M)并且提供第一交流电位(V_g)。

7.根据权利要求6所述的装置(600)，其特征在于，第一电源(E)在输出端电连接到所述至少一个保护电极(108)，用于电极的电极化的器件还包括第一电源开关(420)，所述第一电源开关使得能够在第一交流电位(V_g)处或者在地电位(M)处使所述至少一个测量电极(106)电极化。

8.根据权利要求1至6的任一项所述的装置(100；200；400；500；1000；1100)，其特征在于，用于电极的电极化的器件包括第二电源(V)，所述第二电源在其端子之间提供交流电位差(V1)，所述第二电压源(V)在输入端参考第一交流电位(V_g)并且在输出端根据以下配置中的一个来设置：

-将交流电位差(V1)施加到所述至少一个保护电极(108)；

-将交流电位差(V1)施加到所述至少一个测量电极(106)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(400；500)，其特征在于，用于电极的电极化的器件包括以下开关(402、302)中的至少一个：

-第一开关(402)，其被设置为使得能够将地电位(M)或者第一交流电位(V_g)施加到所述至少一个保护电极(108)和所述至少一个测量电极(106)；

-第二开关(302)，其被设置为使得能够将交流电位差(V1)或者零电位差或者基本为零的电位差施加到所述至少一个保护电极(108)和所述至少一个测量电极(106)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，所述装置包括至少一个计算模块，其被配置为：

-根据第一测量信号来确定在物体(102)和检测表面(104)之间的距离或者接触；和/或

-根据第二测量信号来确定所述物体(102)施加到检测表面上的负荷或者压力。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，所述装置包括由弹性可压缩的层(118)分离的至少一个测量电极(106)和至少一个保护电极(108)，所述层(118)包括介电材料或者由介电材料形成。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，所述装置包括设置在支撑件上、中或下的至少一个测量电极(106)，所述支撑件由诸如织物之类的柔性材料制成并且设置在至少一个保护电极(108)之上并且距离所述至少一个保护电极(108)一定距离，并且当负荷施加到所述支撑件上时，所述支撑件至少局部地变形。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，所述装置包括几个测量电极(106₁-106_N)。

14.根据权利要求13所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，所述装置包括根据以下配置中的至少一个来设置的一个或更多个保护电极：

-至少一个保护电极(108)与几个、特别是所有测量电极(106₁-106_N)

相对设置；

-对于至少一个、特别是每个测量电极(106₁-106_N)，保护电极(108₁-108_N)与所述测量电极(106₁-106_N)相对设置；

-对于至少一个、特别是每个测量电极(106₁-106_N)，几个保护电极

(108₁-108_N)与所述测量电极(106₁-106_N)相对设置。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1000；1100)，其特征在于，所述装置包括至少一个第二保护电极(902)，所述至少一个第二保护电极在与一个或多个测量电极(106)的电位相同的电位处极化。

16.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1000；1100)，其特征在于，所述装置包括几个测量电极(106₁-106_N)以及电极开关(1001)，所述电极开关(1001)使得能够选择性将称为“有源电极”的测量电极(106₁-106_N)连接到测量电子器件，所述电极开关(1001)还被设置为将其它测量电极(106₁-106_N)在与有源电极相同的电位处极化。

17.根据权利要求13至16之一所述的装置(1100)，包括第二电源(V)，所述第二电源被设置为将交流电位差(V1)施加到多个保护电极(108₁-108_N)，其特征在于，所述装置还包括保护电极开关(1101)，所述保护电极开关(1101)使得能够选择性地将称为“一个或多个激励的电极”的一个或多个保护电极(106₁-106_N)连接到第二电压源(V)，所述电极开关(1101)还被设置为将其它保护电极(108₁-108_N)在与有源电极相同的电位处极化。

18.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，测量电子器件包括利用运算放大器(110)的电路，所述电路具有包括反馈电容部件(112)的阻抗，所述一个或多个测量电极(106)连接到所述运算放大器的负输入端。

19.根据权利要求16所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)，其特征在于，利用运算放大器的电路由参考第一交流电位(V_g)的电源供电。

20.一种利用根据前述权利要求中任一项所述的检测装置(100；200；400；500；600；1000；1100)来相对于检测表面(104)检测物体(102)的方法，所述方法包括以下步骤的至少一次迭代：

-检测物体(102)相对于所述检测表面(104)的接近和/或接触的第一步骤，所述第一步骤包括以下操作：

-将与地电位(M)不同的以下电位施加到测量电极(106)和保护电极(108)：

·同一个第一交流电位(V_g)，或者

·基本相同的第一交流电位；

-测量关于所述测量电极(106)和所述物体(102)之间的称为电极

-物体电容的电容(C_eo)的第一信号；

-检测所述物体(102)对所述检测表面(104)的压力的第二步骤，所述第二步骤包括以下操作：

·将交流电位差(V1)施加到测量电极(106)和保护电极(108)

之间，以及

·测量关于所述测量电极(106)和所述保护电极(108)之间的称为电极-保护电容的电容(C_eg)的第二信号。

21.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，检测装置包括多个测量电极，第二检测步骤仅在检测表面(104)的区域中执行，在该区域中，在第一检测步骤期间检测到物体(102)。

22.根据权利要求20或21之一所述的方法，其特征在于，所述方法包括校准步骤，所述校准步骤包括：

-检测接近和/或接触；

-在不存在检测物体的情况下，检测压力以确定称为“校准电容”的电极-保护电容。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法包括功能验证的步骤，该步骤包括将电极-保护校准电容与标称电极-保护电容或者标称电极-保护电容范围进行比较。

24.一种用于设备的检测层，其配备有根据权利要求1至19中任一项所述的装置(100；200；400；500；600；1000；1100)。

25.一种设备，其配备有根据权利要求1至19中的任一项所述的检测装置(100；200；400；500；600；1000；1100)。