CN111220063A

CN111220063A - 一种检测物体接近距离的方法

Info

Publication number: CN111220063A
Application number: CN202010157222.XA
Authority: CN
Inventors: 孙滕谌; 张大华; 庄玮
Original assignee: Beijing Tashan Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Tashan Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2020-06-02

Abstract

一种检测物体接近距离的方法，至少具有第一电极和第二电极，第一电极构成第一电容传感器单元，第二电极构成第二电容传感器单元；第一电极和第二电极布置成朝向待检测物体接近的方向，所述第一电极与第二电极在物体接近方向上成相互有距离差的布置；还包括电容检测电路和计算处理装置，检测电路分别连接至第一、第二电容传感器单元，分别检测第一、第二电容传感器单元的电容值；计算处理装置采用除法运算获得二个电容传感器单元电容值的比值，并计算出物体接近电容传感器的基础距离。采用此方法，可以完全消除电容检测中介电常数等受到环境严重影响的问题，非常准确地检测物体接近的距离，为低成本的电容测距方案开拓了广阔的应用前景。

Description

一种检测物体接近距离的方法

技术领域

本发明涉及一种检测物体接近距离的方法。

背景技术

低成本、低功耗的近距离物体接近距离传感器有广阔的应用市场，常用的技术路线有光电测距、超声波测距，电容测距等，其中电容测距有成本低和功耗小的优势，但依据电容基本公式C＝εS/d，电容值与介电常数ε成正比，而介电常数随着测量环境的介质、温度、湿度变化而变化，导致在实际应用中很难利用电容技术精确测量距离。现有技术大多利用布置在同一平面上的多个电容电极或电容电极点阵，测量物体在电容电极同一平面上水平方向的位置，例如电容式触摸屏，采用的方法基本都是利用减法比较触摸位置与附近位置电容的差计算出触摸点的水平坐标。例如专利申请号201410640098.7，提出在平面上有多个电容触摸传感器情形下先求的多个电容的平均电容量再用触摸点个电容量与平均电容比较大小以确定触摸发生的水平位置的方法。

现有技术的这些方法，在测量电容值时，受到环境的介质、温度、湿度变化的严重影响，为此，应用了现有技术中各种补偿的办法，但又同时带来电路结构的复杂性；另外，对于垂直方法的接近距离的测量，也难以有比较准确的方法。而接近的测量、判断在本领域内是急需解决的问题。

对于微小电容的测量，现有技术已经有比较成熟的方法，包括201320224960,7号专利中提到的U2AD7745芯片，还有AD7150D等CDC电容数字转换电路芯片。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种不受测量环境介电常数变化影响的利用电容精确测量物体接近的方法。

本发明公开了一种检测物体接近距离的方法，至少具有第一电极和第二电极，第一电极构成第一电容传感器单元，第二电极构成第二电容传感器单元；第一电极和第二电极布置成朝向待检测物体接近的方向，所述第一电极与第二电极在物体接近方向上成相互有距离差的布置，并且该距离差大于1mm；还包括电容检测电路和计算处理装置，检测电路分别连接至第一、第二电容传感器单元，分别检测第一、第二电容传感器单元的电容值；计算处理装置采用除法运算获得二个电容传感器单元电容值的比值，该比值与物体接近电容传感器的距离成反比关系的单调函数关系，通过该比值依据下列公式即可计算出物体接近电容传感器的基础距离，其公式为：

其中d1为物体与第一电极之间的距离，△d为第一电极与第二电极的距离差，k为二个电极结构设置确定后的一个常数。

本发明还具有以下附加特征：

所述电容检测电路可以采用CDC电容数字转换电路，它可以用分立元件搭成，也可以采用AD7745或者AD7150等芯片，还可以与计算处理装置更进一步集成在一起。

还包括第三电极构成第三电容传感器单元，第三电极与所述的第一、第二电极在物体接近方向上有距离差，依据第三电极与第一、第二电极的电容值的比值，计算出物体接近的距离，再与上述基础距离进行算术平均，以消除误差。

第一电极与第二电极可以相邻设置，也可以包容设置，即第一电极与第二电极在投影上，一个包容另外一个的方式设置。

上述任一电极可以是平面电极，也可以是曲面电极；在平面电极情况下，电极可以相对于物体接近方向倾斜设置。

本发明通过电容传感器来检测物体的接近距离，为此将第一电极和第二电极之间设置成有距离差。并将第一电极和第二电极所检测的结果进行通过除法运算获得二个电容传感器单元电容值的比值，该比值与物体接近电容传感器的距离成反比关系的单调函数关系，通过该比值依据下列公式即可计算出物体接近电容传感器的基础距离。而通过将两个电容传感器的电容值相除能够有效地消除环境对介电系数的影响所带来的电容值变化。使得检测更加精准。也同时为目前非常低成本的电容测距方案开拓了广阔的发展应用前景。

附图说明

图1为本发明中电极设置的示意性原理图。

图2为本发明中电极设置的立体结构示意图。

图3是本发明方法中设置第三电极的示意图。

图4是一种电极设置的示意图。

图5是另外一种电极设置的示意图。

图6是电容值检测电路的原理示意图。

具体实施方式

参照图1-6，特别是图1和6，本发明公开了一种检测物体3接近距离15的方法，至少具有第一电极1和第二电极2，第一电极1构成第一电容传感器单元，第二电极2构成第二电容传感器单元；第一电极1和第二电极2布置成朝向待检测物体3接近的方向，所述第一电极1与第二电极2在物体3接近方向上成相互有距离差4的布置，并且该距离差大于1mm；还包括电容检测电路12和计算处理装置13，检测电路12分别连接至第一、第二电容传感器单元，分别检测第一、第二电容传感器单元的电容值；计算处理装置13采用除法运算获得二个电容传感器单元电容值的比值，该比值与物体3接近电容传感器的距离成反比关系的单调函数关系，通过该比值依据下列公式即可计算出物体接近电容传感器的基础距离15。通过二个电容极板的设置，它们可以有不同的投影面积，也可以有相同的投影面积，再加上二个极板之间有距离差4的设置，判断计算物体接近的距离15时，可以使用上述公式，就可以很容易得出，其中电容C1、C2计算时根本没有必要计算出其真实的多少微法，而是二者用同样量纲单位去检测就可以，通过此公式可以发现，深受环境各种因素影响的电容值的介电常数已经不存在，所以，这种方法检测的距离不受环境因素的影响，准确性非常高，而且该方法的实施，为低成本的电容传感器在各个方面的应用面拓展打下坚实的基础。

其公式为：

其中，d1(标号15)为物体与第一电容传感器的电极的距离，△d为第一电极与第二电极的距离差，k为二个电极结构设置确定后的一个常数。常数k与电极的结构尺寸和形状以及设置有关，一个产品设计完成后，k值就是一个固定数。

距离差4设置大于1mm，是为了保证一定的结构设置和测量分辨率，通常情况下，稍大的距离差4可以保证足够的测量分辨率。

所述电容检测电路12通常采用CDC电容数字转换电路，它可以用分立元件搭成，也可以采用AD7745或者AD7150等芯片，还可以与计算处理装置13更进一步集成在一起。

二个电极构成的二个电容传感器单元的必须的，构成了本方法的基础，为了区别起见，本发明的独立权利要求中限定其为基础距离15，为了进一步消除诸如电容一致性等方面可能存在的误差，本方法还包括第三电极9构成第三电容传感器单元，此时第三电极9或者第三电容传感器单元可以是一个，也可以是依据使用的场合及要求设置N个；所述的第三电极9与所述的第一、第二电极在物体接近方向上有距离差11、17，其中距离差11可以为0，距离差17也可以为0(如图3)，此时依据第三电极与第一、第二电极的电容值的比值，计算出物体接近的距离，再与上述基础距离进行算术平均，可以有效消除误差，测量计算所得的物体距离d就更加精准。

第三电极与第一电极构成的相应电容进行测量计算时，基础距离d1(标号15)，公式中的k是一个值，与二个相应电极的形状和结构设置有关；当第三电极与第二电极构成的相应电容进行测量计算时，此时基础距离为d2(标号14)，但d2＝d1+△d1，是可以算出的，此时k是另外一个值，同样与第三电极与第二电极的形状和结构设置有关；一般多个电极构成的整体电容传感器制作完成后，这些结构形状设置都确定下来，公式中的k值均是确定的常数，只不过对应测试的电极不同，其常数k值与之对应。这样设置的进一步优点是分辨率可以不同，测量范围更大，算术平均后，精度会提高。

在电极的布置上，可以第一电极1与第二电极2相邻设置，如图4所示；也可以如图5所示，第一电极1与第二电极2在投影上，一个包容另外一个的方式设置。

所述的电极，理论上还可以是曲面极板，它与平面极板相比有等效的计算办法，同样，各种极板可以设置在基本垂直与物体接近的方向，也可以倾斜设置(见图2)，此时体现的是极板的投影面积会影响公式中的k值问题及距离差4；即上述任一电极可以是平面电极，也可以是曲面电极；在平面电极情况下，电极可以相对于物体接近方向倾斜设置。

电容数字转换模块CDC可以单独存在，也可以与计算处理装置合并在一个芯片中。

上述实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对发明的保护范围进行限制。本领域的技术人员可以根据其自身的需求，选择适当的实施例，特别是所述的电容可以是各种等效电容，均在本发明专利的保护范围内。

Claims

1.一种检测物体接近距离的方法，至少具有第一电极和第二电极，第一电极构成第一电容传感器单元，第二电极构成第二电容传感器单元；第一电极和第二电极布置成朝向待检测物体接近的方向，其特征在于，所述第一电极与第二电极在物体接近方向上成相互有距离差的布置，并且该距离差大于1mm；还包括电容检测电路和计算处理装置，检测电路分别连接至第一、第二电容传感器单元，分别检测第一、第二电容传感器单元的电容值；计算处理装置采用除法运算获得二个电容传感器单元电容值的比值，该比值与物体接近电容传感器的距离成反比关系的单调函数关系，通过该比值依据下列公式即可计算出物体接近电容传感器的基础距离，其公式为：

其中d1为物体离第一电容传感器的电极的距离；△d为第一电极与第二电极的距离差，k为二个电极结构设置确定后的一个常数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电容检测电路为电容数字转换电路。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括第三电极构成第三电容传感器单元，第三电极与所述的第一、第二电极在物体接近方向上有距离差，依据第三电极与第一、第二电极的电容值的比值，计算出物体接近的距离，再与上述基础距离进行算术平均，以消除误差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一电极与第二电极相邻设置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一电极与第二电极在投影上，一个包容另外一个的方式设置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，电极为曲面电极。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，上述电极为平面电极，电极相对于物体接近方向倾斜设置。