CN112119590A - 活体检测方法和设备(触摸行为) - Google Patents
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Abstract
一种检测导电表面处的可能的活体接触的方法，其中，所述活体具有接触部分，所述接触部分具有类似于阻抗桥的电特性，所述阻抗桥包括串联连接和并联连接的多个电阻器和多个电容器，并且具有特征上升时间和特征下降时间，其中，所述阻抗桥包括具有总电阻值的电阻器串(R0+R1+R2)、和电阻器‑电容器第一RC桥，所述电阻器‑电容器第一RC桥包括具有第一电阻值的第一电阻器(R1)和具有第一电容值的第一电容器(C1)的并联连接，并且所述电阻器串(R0+R1+R2)包括与所述第一RC桥串联连接并具有内部电阻值的内部电阻器(R0)。
Description
技术领域
本公开涉及用于检测接触表面处的活体接触的方法和设备，并且涉及用于控制电源以减轻触电风险的方法和设备。
背景技术
电是一种存在于现代生活中几乎任何地方的能量形式。然而，人体和其它活体在某种程度上是导电的，并且通过人体的电流可能导致触电并且是致命的。
研究表明，人体的不同部分可以被认为形成包括分布式电阻(R)和电容(C)组件的电路，并且电阻(R)和电容(C)组件的阻抗值取决于许多因素，例如电流路径、触摸电压、电流持续时间、电流频率、皮肤的湿度、接触的表面积、施加的压力和温度。从臂到臂或从臂到腿，电阻通常在1kΩ到1MΩ之间，但是在皮肤被击穿的情况下，电阻可降到100Ω。
以下是当15Hz到100Hz的电流通过人体时的一些典型阈值：
| 1mA | 感知阈值 |
| 5mA | 明显触电，不自主运动 |
| 10mA | 摆脱电流阈值 |
| 30mA | 小概率心室纤维性颤动 |
| 50mA | 大概率心室纤维性颤动 |
| 100mA | 呼吸停止，纤维性颤动，死亡变得可能 |
| 1A | 神经损伤、烧伤、甚至死亡 |
已知心室纤维性颤动是15Hz到100Hz频率范围内致命触电事故的主要原因，并且50Hz和60Hz当然是标准市电电源频率。
希望提供减轻致命触电风险的手段或措施。
发明内容
电流对于诸如心脏和脑的重要人体器官的操作是必要的。然而，电流幅值和流动持续时间超过安全极限的电流可能是危险的，并且可能因触电而导致伤害或死亡。
如果流经人的电流达到被称为感知阈值的大小，则活的人可以感觉到电流。感知阈值取决于若干参数，诸如身体接触的面积(“接触面积”)、接触的条件(干、湿、压力、温度)，并且还取决于个体的生理特性。50/60Hz的AC(交流)电流的感知阈值典型地在0.25mA到1mA之间。DC(直流)感知阈值是AC感知阈值的大约四倍。
如果流过人的电流达到被称为“摆脱电流”阈值的大小，则电流可能使人失去肌肉控制。当这种情况发生时，人将不能控制其肌肉从带电接触表面移开，直到电流停止。摆脱电流阈值取决于若干参数，例如接触面积、电极的形状和尺寸，并且还取决于人的生理特性。50/60Hz的AC(交流)电流的摆脱电流阈值通常取为约10mA，并且对于DC没有可限定的摆脱电流阈值。
如果流过人的电流达到被称为心室纤维性颤动阈值的大小，则电流可以引起心室纤维性颤动。心室纤维性颤动被认为是触电死亡的主要原因，尽管也有一些由于窒息或心脏停搏导致的死亡证据。心室纤维性颤动阈值取决于生理参数，例如身体的解剖结构、心脏功能的状态等，并且取决于电参数，例如电流的持续时间和路径、电流参数等。对于AC电流的低于100毫秒(ms)的触电持续时间，心室纤维性颤动可以在高于500mA的电流大小下发生。对于比心动周期长的触电持续时间，DC的纤维性颤动阈值比AC的高数倍。对于短于200ms的触电持续时间，纤维性颤动阈值与以均方根(rms)值测量的AC的纤维性颤动阈值近似相同。
就触电的研究而言，人体允许电流流动，并且可以被认为是包括电阻和电容组件的无源网络。
针对电气安全性的研究，人体可以被看作是无源阻抗网络，其包括第一皮肤阻抗(Zp1)、第二皮肤阻抗(Zp2)以及内部阻抗(Zi)。第一皮肤阻抗(Zp1)、第二皮肤阻抗(Zp2)和内部阻抗(Zi)串联地电连接，其中内部阻抗(Zi)将第一皮肤阻抗和第二皮肤阻抗电互连并且介于第一皮肤阻抗和第二皮肤阻抗中间。人体的总阻抗(ZT)等于Zp1+Zi+Zp2，其中在图3B中，Zp1、Zi和Zp2分别与Z1、Z0和Z2相关。
人体的内部阻抗具有电阻组件和电容组件的并联连接的阻抗特性，并且可以用包括并联连接的内部电阻器Ri和RC(电阻器和电容器)支路的阻抗网络的等效电路来表示。RC支路由串联连接的第二内部电阻器和内部电容器Ci组成(来源：英国标准文献PD6519-1:1995，图1)。内部阻抗(Zi)的值主要取决于电流路径，并且在较小的程度上取决于接触的表面积。实验表明，内部电容Ci的值为几个皮法(pF)。
人体的皮肤阻抗具有电阻组件和电容组件的并联连接的阻抗特性，并且可以用阻抗网络的等效电路表示，该阻抗网络包括并联连接的具有皮肤电阻Rpi的电阻器和具有皮肤电容Cpi的电容器，其中i＝1或2。研究表明，皮肤电阻Rpi的值为几百千欧姆(kΩ)(来源：英国标准文献PD6519-1:1995)。
皮肤阻抗(Zp1、Zp2)的值取决于电压、频率、电流持续时间、接触表面积、接触压力、皮肤的湿度、温度和皮肤类型。对于高达约50V AC的触摸电压，人的皮肤的阻抗值随着接触的表面积、温度、出汗、快速呼吸和其它因素而广泛变化。对于超过约50V的较高触摸电压，皮肤阻抗显著降低，并且当皮肤击穿时变得可忽略。当电流增大时，皮肤阻抗下降(来源：英国标准文献PD6519-1:1995)
活的人体似乎具有电阻性和电容性的无源阻抗网络的电属性和电特性，并且就触电安全性研究和解决方案而言，活的人体可以表示为这样的网络。然而，形成网络的各种电阻和电容元件的值似乎是非恒定的和非线性的，并且根据许多因素和参数(如，接触面积、(一个或多个)电流路径、接触条件(干、湿、压力、温度)和活体的生理参数)而广泛地变化，并且在没有复杂的算法的情况下，人体表征(如果可能的话)是困难的。然而，发现人体的阻抗在可预测的范围内。
例如，对于10V的示例触摸电压和从25Hz到20kHz的示例频率，并且使用10个活的人体样本测量的手到手电流路径和大接触面积(5000平方mm(mm2)到10000平方mm)的总的身体阻抗的值ZT从低频端处的最大阻抗下降到高频端处的最小阻抗。在低频端(在该示例中为25Hz)处的最大阻抗具有大约5.3kΩ或5.4kΩ的平均值以及在平均值的两侧的大约3kΩ或大约1.5kΩ的变化。发现在高频端(在该示例中为20kHz)处的最小阻抗具有大约900Ω的平均值和在该平均值的两侧的大约80Ω-100Ω或40Ω-50Ω的变化。总的身体阻抗ZT从低频端的最大阻抗值迅速降低，并且渐近地稳定在约5kHz到10kHz。发现总的身体阻抗ZT在10kHz或以上的变化很小，并且在40Ω-50Ω范围内(来源：英国标准文献PD6519-1:1995，图6)。
例如，对于25V的示例触摸电压和从25Hz到2kHz的示例频率，并且使用10个活的人体样本测量的手到手电流路径和大接触面积(5000平方mm(mm2)到10000平方mm)的总的身体阻抗的值ZT从低频端处的最大阻抗下降到高频端处的最小阻抗。在低频端(在该示例中为25Hz)处的最大阻抗具有大约3.23kΩ或3.3kΩ的平均值。发现高频端(在该示例中为2kHz)的最小阻抗具有大约700Ω的平均值。总的身体阻抗ZT从低频端的最大阻抗值迅速降低，并且渐近地稳定在大约2kHz(来源：英国标准文献PD6519-1:1995，图7)。
例如，对于从10V到1000V AC的触摸电压和从50Hz到2kHz的频率范围，对于从手到手或从手到脚的电流路径，50％的百分位数的群体的总的身体阻抗在10V AC 50Hz处的大约5.5kΩ和在1kV AC50Hz处的大约1.1kΩ之间变化。在50V AC或以上的触摸电压下的总的身体阻抗都收敛到接近在大约2kHz处的大约650Ω的渐近值(来源：英国标准文献PD6519-1:1995，图8)。
例如，在25V下，对于大接触面积，在AC 50/60Hz的手到手的电流路径的总的身体阻抗的值ZT在1750Ω(群体的5％)和6100Ω(群体的95％)之间，其中50％的群体在3250Ω；在50V下，总的身体阻抗的值ZT在1450Ω(群体的5％)和4375Ω(群体的95％)之间，其中50％的群体在2625Ω；在75V下，总的身体阻抗的值ZT在1250Ω(群体的5％)和2200Ω(群体的95％)之间，其中50％的群体在2200Ω；并且在100V下，总的身体阻抗的值ZT在1200Ω(5％的群体)和3500Ω(95％的群体)之间，其中50％的群体在1875Ω(来源：英国标准文献PD6519-1:1995，表1)。
当活的人触摸具有表面电压的接触表面，使得在活的人和接触表面之间存在电压差或电势差时，电流将流过活的人的身体(简称“活体”)。例如，当活的人触摸处于升高的电压或高于活体的电压的正电压的接触表面时，由于活体和导电的表面之间的电压差或电势差，电流将从接触表面进入活体。相反，当活的人触摸处于降低的电压或低于活体的电压的负电压的接触表面时，电流将从活体流入接触表面。虽然本文的描述是参考相对于活体具有高压的接触表面，但是应当理解，在不丧失一般性的情况下，加以必要的变更，描述、术语和特征应当应用于接触表面相对于活体的电压处于降低的电压的情况。在此，接触表面是指允许电流流动的导电接触表面，并且在此，电流指常规电流。
实验和测量表明，当活体触摸处于恒定电压或高于活体电压的DC电压的接触表面时，在活体与接触表面直接电接触的瞬间或时间存在流入活体的电流的涌入(或简称为“电流涌入”)。电流涌入响应于接触表面触摸而几乎立即或瞬间发生，并且流入活体的电流在非常短的上升时间内遵循上升到电流峰值的基本规则的图案，然后在基本上比上升时间长的下降时间之后从电流峰值下降到稳态电流水平。前述基本规则的图案是可重复的，并且被认为表示当触摸处于高的恒定电压或DC电压的接触表面时活体的特征电响应曲线，在该基本规则的图案中，响应电流在非常短的上升时间内上升到电流峰值，然后在基本上比上升时间长的下降时间之后从电流峰值下降到稳态电流水平。涌入电流是具有电流大小分布的非对称电流脉冲的形式，该电流大小分布关于时域中的电流峰值是非对称的，其中电流峰值位于或非常接近于时域原点，即时域零点。
实验和测量表明，通过向接触表面发送无害的探测信号并评估来自接触表面的响应于探测信号的响应信号，可以确定在接触表面处是否存在活体接触。在设计合适的探测信号时，应注意，活的人对处于升高的电压电平的接触表面的触摸有效地等效于将具有等于升高的电压电平的电压幅值的阶跃电压脉冲作为触摸电压施加到人体。
公开了一种检测电接触表面处可能的活体接触的方法。活体具有可检测的特征初始阻抗，和当电接触表面处于触摸电压时在触摸电接触表面时由初始阻抗定义的对应的特征时间常数。
公开了一种检测在作为导电表面的接触表面处的可能的活体接触的方法。该方法可以包括：控制器：操作探测电路，以生成至接触表面的探测信号序列，该探测信号序列可包括多个探测脉冲，并且每一个探测脉冲具有探测电压及探测脉冲持续时间；操作检测电路，以检测来自接触表面的电流响应并收集电流响应参数，电流响应参数是响应于多个探测脉冲的电流参数；以及参考响应于多个探测脉冲而收集的电流响应参数的一个或多个变化来确定在接触表面处是否存在活体接触。
探测脉冲可以是电压脉冲，并且控制器用于配置探测脉冲，使得响应于探测脉冲的来自与接触表面处于裸露皮肤接触的活体的电流响应是具有活体的响应电流脉冲特性的电流脉冲。响应电流脉冲特性可以包括尖峰和紧随尖峰之后的缓慢下降曲线。下降曲线可以从初始值逐渐下降到渐近值或状态值。该方法可以包括控制器确定响应于单个探测脉冲的检测到的电流响应是否具有活体的响应电流脉冲特性，并且如果检测到的电流响应具有响应电流脉冲特性，则生成警报信号。
电流脉冲可以是具有尖峰(spike)、尖峰顶点(spike peak)和尖峰峰值(spike-peak value)的响应电流脉冲，并且尖峰峰值可以取决于在从接触表面收集电流响应参数的时间，活体与接触表面的物理触摸条件；并且该方法可以包括控制器操作以收集对应于多个不同物理触摸条件的多个响应电流脉冲。
该方法可以包括控制器操作以确定所收集的响应电流脉冲是否包括响应电流脉冲特性，并且如果响应电流脉冲包括响应电流脉冲特性，则控制器继续操作以确定在接触表面处是否存在活体接触。
该方法可以包括控制器操作以确定响应电流脉冲特性的改变是否与物理触摸条件的改变一致，并且如果响应电流脉冲特性的改变与活体的物理触摸条件的改变一致，则控制器操作以生成警报信号。
该方法可以包括控制器操作以在检测窗口内生成多个探测脉冲并且收集响应于多个探测脉冲的电流响应参数，并且检测窗口可以包括持续时间，在该持续时间期间，接触表面上的活体的物理触摸条件正在改变。
该方法可以包括控制器操作探测电路以生成探测脉冲，使得探测脉冲具有探测脉冲持续时间、探测脉冲重复频率和探测电压幅值，使得探测信号序列对活体无害。
探测脉冲可以具有定义探测脉冲的开始的上升沿和定义探测脉冲的结束的下降沿，并且该方法可以包括控制器操作探测电路以生成探测脉冲，使得探测脉冲具有尖锐的上升沿，并且探测脉冲可以在作为探测脉冲持续时间的非常小的一部分的上升时间内从基础电压或断开电压上升到探测电压；并且该方法可以包括控制器在等于、长于或远长于探测脉冲的探测脉冲持续时间的持续时间内和在探测脉冲结束之后收集电流响应参数。
该探测信号序列可以包括作为电压脉冲的交替的接通脉冲和断开脉冲，接通脉冲可以是具有基础电压电平、定义平坦探测电压的稳态电压电平、将基础电压电平和稳态电压电平互连的过渡沿、以及定义探测脉冲持续时间的接通脉冲持续时间的探测脉冲。断开脉冲可以处于基础电压电平并且具有断开脉冲持续时间。该方法可以包括控制器在过渡沿之后立即并且在断开脉冲持续时间期间收集电流响应参数。
断开脉冲持续时间可以比接通脉冲持续时间更长或长得多。
控制器可以在多个数据收集时间收集对探测脉冲的电流响应脉冲的电流响应参数，并且数据收集时间可以相对于参考时间被设置在不同的时间，并且参考时间可以与探测脉冲同步。
控制器可以用于比较从对应的多个电流响应脉冲收集的多个对应的电流响应参数的数据幅值；并且控制器可以确定数据幅值是否示出与和活体对接触表面的瞬时触摸相对应的触摸条件一致的变化趋势。
所述方法可以包括检测多个连续电流响应脉冲的电流响应的峰值电流幅值是否随时间增加，并且，所述方法可以包括使用所述峰值电流幅值随时间的增加作为可能的人接触的指示。
所述方法可以包括根据多个连续电流响应脉冲的电流响应的峰值电流幅值来确定所述第一电阻器的电阻值是否随时间减小，并且，所述方法可以包括使用所述第一电阻器的电阻值随时间的减小作为可能的人接触的指示。
所述方法可以包括根据多个连续电流响应脉冲的电流响应的峰值电流幅值来确定所述内部电阻器的电阻值是否随时间减小，并且，所述方法可以包括使用所述内部电阻器的电阻值随时间的减小作为可能的人接触的指示。
待检测的电流响应可以包括响应于所述脉冲序列而按顺序检测或接收的多个电流脉冲的电流脉冲形状。
所述方法可以包括根据所述多个电流脉冲的所述电流脉冲形状来确定所述第一电容器的电容值，以及确定所述第一电容器的电容值是否随时间增加，并且，所述方法可以包括使用所述第一电容的电容值随时间的增加作为在所述检测表面处的可能的人接触的指示。
所述方法可以包括参考峰值电流和/或稳态电流和/或脉冲形状随时间或随所述多个电压脉冲的变化来确定在所述导电表面处是否存在可能的活体接触。
所述探测电压脉冲可以在过渡时间内从所述第一电压电平过渡到所述第二电压电平，所述过渡时间为2μs或更小，包括1.5μs或更小、1.0μs或更小、0.9μs或更小、0.8μs或更小、0.7μs或更小、0.6μs或更小、0.5μs或更小、0.4μs或更小、0.3μs或更小、0.2μs或更小、或由前述值的组合形成的任何范围。
该方法可以包括检测在n秒的时间窗口内的峰值电流、稳态电流或其它响应电流参数的变化，n可以小于5，包括4或更小、3或更小、2或更小、1或更小、或由上述值的组合形成的任何范围。
探测脉冲可以具有10ms或更小的脉冲持续时间，包括8ms或更小、6ms或更小、5ms或更小、4ms或更小、3ms或更小、或者由上述值的组合形成的任何范围。
探测脉冲可以是具有稳态电压的矩形电压脉冲，稳态电压为48V或更小，包括42V或更小、36V或更小、30V或更小、24V或更小、18V或更小、或由上述值的组合形成的任何范围。
公开了一种用于检测在作为导电表面的接触表面处的可能的活体接触的设备。所述设备包括控制器、包括探测信号发生器的探测电路、检测电路和数据存储装置。所述控制器被配置为执行存储的指令以实现本文公开的方法。
所述检测电路可以包括多个数据获取电路，所述数据获取电路在多个数据收集时间收集电流响应参数。所述数据收集时间分布在响应于探测脉冲的电流响应的不同时间。
附图说明
通过示例并参考附图来描述本公开，在附图中：
图1是用于检测在导电接触表面处的可能的人接触的示例设备的示例电路图，
图2A是图1的示例设备的信号放大器的示例电路图，
图2B示出了包括多个探测信号脉冲的探测信号序列的一部分，
图2C示出了图2B的探测信号脉冲的上升部分的放大部分，
图3A是与图1的设备的检测表面物理接触和电接触的活的人体的示例电流响应脉冲的捕获图像，
图3B是活的人体的示例阻抗模型，
图4示出了当检测表面经受探测脉冲序列时以及当活的人体触摸检测表面时从检测表面获得的多个电流脉冲的峰值电流随时间变化的结果。
图4A是示出从图4的时间响应提取的Ro的值的变化的图，
图4A1是示出Ipeak与从图4的时间响应提取的Ro的值的变化的图，
图4B是示出从图4的时间响应提取的
或R2的值的变化的图，
图4B1是示出Ipeak与从图4的时间响应提取的
或R2的值的变化的图，
图4C是示出从图4的时间响应提取的
或C2的值的变化的图，
图4C1是示出Ipeak与从图4的时间响应提取的
或C2的值的变化的图，
图5是描绘用于检测和确定活体在接触表面上的接触的设备的示意性框图。
图6A示出了当示例活体开始触摸施加了探测脉冲序列的接触表面时的示例电流响应脉冲的电流响应参数，
图6B示出了响应于在图6A的探测脉冲之后的几个探测探针处的探测脉冲的示例电流响应脉冲的电流响应参数，
图6C示出了相应的多个示例电流响应脉冲(包括图6A和6B的电流响应脉冲)的多个电流响应参数，
图7A示出了当另一示例活体开始触摸施加了探测脉冲序列的接触表面时的示例电流响应脉冲的电流响应参数，
图7B示出了响应于在图7A的探测脉冲之后的几个探测探针处的探测脉冲的示例电流响应脉冲的电流响应参数，
图7C示出了对应的多个示例电流响应脉冲(包括图7A和7B的电流响应脉冲)的多个电流响应参数，以及
图8示出了在与接触表面的动态接触的不同阶段期间电流响应参数的示例变化趋势。
具体实施方式
图1中描述了用于检测在检测表面处可能存在的活体的示例设备。该示例设备包括电路布置，该电路布置包括作为探测信号源的示例的探测电路、包括响应信号收集器的检测电路、确定电路和控制器。在一些实施例中，控制器还可以用作确定电路。
探测信号源包括用于生成探测信号以发送到检测电路的探测信号发生器。示例性探测信号发生器(或简称信号发生器)是微处理器STM32F103C8T6，其工作在示例时钟频率8MHz处。
检测电路包括检测表面和用于放大将出现在检测表面处的探测信号的信号放大器。示例信号放大器是围绕示例MOSFET BSH203构建的单级公共漏极电压放大器。
负载在MOSFET的源极端子和电路的电压参考接地之间连接到信号放大器。负载包括串联连接的检测表面和电流感测电阻器RI_sense。
检测表面包括第一检测表面部分和第二检测表面部分。每个检测表面部分是导电表面，例如金属表面或碳化表面。第一检测表面部分电连接到MOSFET的源极端子，第二检测表面部分电连接到电流感测电阻器RI_sense。第一检测表面部分和第二表面部分相邻设置，并且它们相互靠近的邻近表面部分具有齐平的表面，以形成平滑的接触表面。第一检测表面部分和第二检测表面部分是电绝缘的，并且由第一检测表面部分和第二表面部分协作和组合形成的检测表面是当没有人接触时具有极高阻抗的部件，以提供身体阻抗来互连第一检测表面部分和第二检测表面部分。示例第一检测表面部分和第二检测表面部分由第一检测表面部分和第二检测表面部分的相互靠近的邻近表面部分之间的中间气隙电隔离。示例检测表面具有足以接收普通人的拇指的指纹部分的接触区域。
电流感测电阻器RI_sense包括第一端子和第二端子，第一端子是物理和电连接到第二检测表面部分的输出端子，第二端子物理和电连接到电压参考地线。
MOSFET的漏极端子连接到处于DC(直流)电源电压的电源轨。电源电压轨处于24VDC的示例轨电压。电源轨电压确定示例信号放大器的最大输出电压和检测电路的最大幅值，并且因此确定当活体物理地触摸并且电互连第一检测表面部分和第二检测表面部分时活体将经受的触摸电压。检测电路的最大输出电压可以被设置得更高或更低。例如，检测电路的最大输出电压可以是在12V和48V之间选择的电压。这里，根据发现皮肤更脆弱的活的人在探测电压为28V或更高时开始感觉到探测信号的实验观察，已经凭经验选择了24V的幅值最大值。
MOSFET的栅极端子是信号放大器的信号输入端子。信号放大器的输入端通过示例缓冲器电路和示例电阻器桥连接到探测信号源。示例电阻器桥包括串联连接的具有330Ω示例电阻值的上拉电阻器和具有1kΩ示例电阻值的下拉电阻器。示例缓冲器电路是74HC06IC的缓冲反相器。缓冲反相器的输入端连接到探测信号发生器输出端，其是微处理器的输出端口PB12。缓冲反相器的输出端连接到下拉电阻器的输入端子，并且下拉电阻器的输出端子连接到MOSFET的栅极端子和上拉电阻器两者。上拉电阻器的未连接到MOSFET的栅极端子的端子连接到24V电源轨。利用连接在探测信号源和检测表面之间的信号放大器级，探测信号的最大幅值从探测信号发生器输出端PB12处的示例电压幅值5V放大到检测表面处的示例电源轨电压的最大幅值24V。
检测电路电耦接到信号收集电路，使得由活体触摸在检测表面处产生的响应信号将被电耦接到信号收集电路以用于收集和记录。所收集的响应信号数据将由确定电路分析，以确定在检测表面处是否存在人接触。信号收集电路包括用于获得响应信号的样本的采样电路。
示例信号收集电路包括采样保持装置(sample-and-hole devices)的组装件，其包括示例多个的十个采样保持装置，用于在十个不同时间收集样本数据。所使用的示例采样保持装置是具有大约250ns的获取时间的单片采样保持放大器AD783。每个采样保持电路被配置为在特定时间获取输出数据，并且采样保持装置的组装件被配置为在对应的多个数据收集时间收集检测电路的多个输出数据。示例信号收集电路包括示例多个的十个采样保持装置，并且十个采样保持装置被配置为在十个不同时间获取数据。数据收集时间分布在不同的时间，以便响应于检测表面处的探测信号而捕获检测表面处的时域信号响应。数据收集时间可以相对于探测信号脉冲的定时分布，以便检测时域响应。在诸如本发明之类的一些实施例中，数据收集时间相对于探测信号脉冲的上升沿(rising edge)(如，在上升沿的开始或结束处)而设置。
示例信号收集电路的每个采样保持装置的数据收集时间(也称为数据捕获或获取时间)由微处理器控制。
每个采样保持电路用于在数据获取信号出现在采样保持电路的触发端子引脚7处时捕获并保持数据。触发端子连接到微处理器的输出端口。在图1的示例电路布置中，输出端口PB12、PB13、PB15、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9、PB10和PB11经由至少缓冲器电路74HC06分别连接到编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9和10的采样保持电路。当在引脚7处出现数据获取信号S时，采样保持电路将被触发以操作来捕获数据，该数据是在采样保持电路的数据输入端子(引脚2)处出现的电压幅值。采样保持电路的组装件的数据输入端子(引脚2)全部连接到用作公共信号输入节点的信号输入节点，但是被布置为在响应脉冲的不同时间捕获数据以用于脉冲表征(characterization)。
在获取数据后，数据将由采样保持电路保持并出现在数据输出端子8处。为了便于将捕获的数据传送到微处理器，采样保持电路的输出端子引脚8连接到微处理器的数据输入端口(ADC端口0-9)。在已经捕获到数据之后，只要采样保持电路的端子7维持在保持状态，采样保持电路就将保持采样保持电路所捕获的数据。在微处理器已经收集了所保持的数据之后，采样保持电路将准备下一个数据捕获。
第一采样保持电路连接到端口PB12，其也是探测信号输出端口。在缓冲器电路和端口PB12之间引入一对反相器作为延迟电路，以补偿由信号放大器及其前端电路引入的信号路径延迟，使得数据捕获时间与探测信号脉冲的上升沿的峰值以及与响应电流脉冲的脉冲峰值同步或基本同步，该响应电流脉冲的脉冲峰值是当受到探测信号脉冲时在检测表面处的活体接触的特征。10pF电容器被添加到直接连接到第一采样保持电路的缓冲器电路74HC06的输入端子，以提供足够的延迟补偿。在该示例中，相对于第一采样保持电路的捕获时间顺序地设置第2采样保持电路至第10采样保持电路的捕获时间。在一些实施例中，相对于探测信号脉冲的定时，例如相对于从基准电平的变化(如，上升)的开始或从变化(如，上升)沿到稳定(settling)电平的变化的开始，设置其它采样保持电路的捕获时间。
信号收集电路将收集在检测表面处存在导电接触时在检测表面处将出现的响应信号，以用于数据获取和由确定电路进行的后续处理。为了便于数据获取，检测电路的输出端电耦接到信号收集电路的输入端。为此目的，示例信号收集电路包括信号输入节点，该信号输入节点连接到检测电路的输出节点，使得源自检测表面的响应信号可以被信号收集电路捕获，以存储在由控制器控制的存储器装置中。
如图1所示，电流感测电阻器RI_sense的输出端子经由中间电路电连接到信号收集电路的信号输入节点。中间电路包括放大和缓冲级(an amplification and bufferedstage)，该放大和缓冲级包括示例运算放大器THS3091，该运算放大器将检测电路的输出节点和信号收集电路的输入节点互连。
将被发送到检测表面的探测信号被布置为探测信号序列(a train of probingsignals)。参考图2A、图2B和图2C，微处理器产生探测信号序列，并且探测信号的信号幅值由信号放大器放大，以在第一检测表面部分处输出。示例探测信号脉冲序列包括交替的接通脉冲(on-pulses)和断开脉冲(off-pulses)。每个接通脉冲具有上升沿、下降沿、接通脉冲持续时间，并且在上升沿与下降沿之间处于探测电压电平。每个断开脉冲具有下降沿、上升沿、断开脉冲持续时间，并且在下降沿和上升沿之间处于基础电压电平。接通脉冲持续时间由上升沿和下降沿定界，并且通常是一毫秒或若干毫秒，但通常不超过2-3毫秒。断开脉冲持续时间被界定在下降沿和上升沿之间，并且通常为5-20毫秒，但通常不超过20毫秒，以允许皮肤恢复，同时允许在短的探测时间内获得多个脉冲响应读数，以减轻用户感知或不适。示例接通脉冲是相同的矩形脉冲，并且相邻的探测信号脉冲具有均匀的时间分隔或均匀的时间间隔。
每个探测信号是具有作为基础电压电平的电压幅值的基础幅值、作为探测电压电平的电压幅值的峰值幅值或稳态幅值、以及与接通脉冲持续时间相对应的脉冲宽度或脉冲周期的信号脉冲。示例信号脉冲是具有5ms的示例信号持续时间或脉冲宽度、15ms的示例空间宽度以及1:3的示例传号和空号比的矩形脉冲。在其它实施例中，传号和空号比(markand space ratio)可以是1:5或更小、1:4或更小、1:3或更小、1:2或更小，或由上述值的组合形成的任何范围。
示例探测信号脉冲在非常短的时间(大约100ns-200ns)内从基础幅值上升到峰值幅值，并且在基本上长于或显著长于上升时间的持续时间(在该示例中是5ms)内保持在峰值电压。探测信号脉冲在脉冲宽度持续时间结束时从峰值幅值返回到基础幅值。
当活体与检测表面接触时，例如，在同时使活体拇指触摸第一检测表面部分和第二检测表面部分以闭合第一检测表面部分和第二检测表面部分之间的气隙，从而改变或减小检测表面处的阻抗时，将检测到响应信号脉冲。示例响应信号脉冲是电流脉冲，因为正被监测的参数是流过电流感测电阻器RI_sense的电流。
当存在活体触摸时，根据本公开的响应于探测脉冲而在检测表面处出现的典型的响应信号具有如图3A中所描绘的典型的脉冲形状。信号响应是人体接触的特征，并且该响应与图3B中所描绘的人体阻抗模型一致。
示例人体阻抗模型包括第一电阻器R1、第二电阻器R2、第一电容器C1、第二电容器C2和内部电阻器R0。阻抗模型包括：第一RC桥R1C1，其包括并联连接的第一电阻器R1和第一电容器C1；第二RC桥R2C2，其包括并联连接的第二电阻器R2和第二电容器C2；以及内部电阻器R0，其互连第一RC桥和第二RC桥。
具有非常尖锐的上升沿的探测信号是指探测信号的过渡部分具有非常高频率的信号分量，其足以绕过如图3B所示的人体阻抗模型的旁路电容器C1&C2，其中，该上升沿是过渡沿，使得信号脉冲在非常短的时间内从基础幅值改变到峰值幅值。响应电流的峰值电流幅值Ipeak将等于Vtouch/R0，其中Vtouch是在检测表面处出现的探测电压的有效幅值，并且近似等于电源轨电压，在该示例中，电源轨电压为24V。对于普通的活的人体，发现约100ns、150ns或200ns或更少的上升时间产生一致且可靠的峰值电流值。通常，发现5μs或更少(例如，4μs或更少、3μs或更少、2μs或更少、1μs或更少、800ns或更少、500ns或更少、400ns或更少、300ns或更少、200ns或更少、100ns或更少、或由上述值的组合构成的任何范围)的上升时间对于表征活的人体是有用的。可以相信，在不失一般性的情况下，足够短(因此上升沿足够尖锐)以产生有效峰值电流幅值Ipeak的上升时间将短于人体阻抗模型的特性上升时间、第一RC桥的特性上升时间、第二RC桥的特性上升时间、或者前述上升时间中最短的一个。
有效探测电压或Vtouch的值的选择是对活体的最小危害和有意义的响应信号幅值之间的平衡或折衷。通常，在10V和28V之间的触摸电压是可接受的。在一些实施例中，触摸电压Vtouch可以被设置为高达48V至50V，但是持续时间应当足够短，例如，小于1秒。为了减轻对活的人体的潜在危险，探测电压和探测电流将被限制在非危险范围内。选择探测电压、探测电压持续时间和探测脉冲重复频率以最小化或减轻活体感知或可能的伤害。为了能够迅速地确定在被施加了探测信号序列的导电接触表面处的活体的存在，使得电器等的操作不会被过度地延迟，期望在短的持续时间内，例如在一秒或几秒内，发射、接收和分析多个探测脉冲。另一方面，活体需要从上一次施加的探测信号恢复或放松以产生准确或可靠的数据收集，相邻的探测脉冲应当分开等于或大于活体(的皮肤)的特性放松时间的时间。已经发现，相邻接通脉冲之间的大约5-10毫秒的断开持续时间对于实现探测可靠性是相当令人满意的，并且已经发现，在每秒10至50个探测脉冲的范围内的探测脉冲重复频率是有用的。通常，探测脉冲重复频率可以选择为每秒10个、15个、20个、25个、30个、35个、40个、45个、50个探测脉冲，或者从作为边界的上述值的任何组合中选择的任何范围的探测脉冲。
停留在峰值或稳态电压电平足够长的持续时间的探测电压脉冲将导致稳态电流Isteady_state，其具有等于Vtouch/RT的电流幅值，其中，RT＝R0+R1+R2。稳态电流Isteady_state在图3A中被标记为Isettle。在不丧失一般性的情况下，认为足够长以产生有效稳态电流Isteady_state的稳态电压电平的持续时间将比人体阻抗模型的特性下降时间、第一RC桥的特性下降时间、第二RC桥的特性下降时间或者前述下降时间中最长的一个更长。通常，触摸电压的峰值或稳态电压电平的持续时间将是上述下降时间中最长的一个的至少十倍、数百倍或甚至数千倍。对于普通活的人体，约50μs或更长的稳态电压电平持续时间将是足够的。
在示例实施例中，多个采样保持电路的数据收集时间被顺序地设置为：电流峰值(由电路RC延迟的延迟)作为时间0或参考时间，相对于参考时间或从参考时间开始的0.7us、1.4us、2.1us、3us、5us、8us、15us、30us、50us。
应当理解，数据收集时间更拥挤地置于电流峰值所处的参考时间或时间零点附近，并且几乎不分布在远离参考零点的位置，因为信号变化由于响应电流脉冲的电流尖峰或尖峰形状而在时间零点附近更快地发生，该响应电流脉冲是活的人体的特征。
在示例实施例中，发生响应信号的尖峰的时间附近的采样时间间隔将优选地在大约几百纳秒处，例如200ns至500ns，因为这是电流响应中更快变化的区域。
实际上，约50μs或更多、100μs或更多、150μs或更多、200μs或更多、250μs或更多、300μs或更多的稳态电压电平持续时间(或接通脉冲持续时间)将是足够的。为了在小的探测时间窗口内获得足够数量的响应样本，探测电压脉冲的稳态电压电平持续时间将短于10ms、5ms或1ms。因此，在不丧失一般性的情况下，探测电压的脉冲宽度可能是从值50μs或更大、100μs或更大、150μs或更大、200μs或更大、250μs或更大、300μs或更大以及10ms或更小、5ms或更小、或1ms或更小的组合中选择的范围。
选择相邻探测脉冲之间的时间间隔以向活体提供足够的恢复时间，使得其身体阻抗特性在下一个探测脉冲到达之前恢复到其正常响应状态。对于本文的无害探测电压，恢复时间被认为是一毫秒(1ms)或更少。实际上，设置至少几个毫秒的时间间隔，以确保在无害探测电压和探测电流条件下充分恢复身体阻抗状态。
一般来说，对于活的人体检测，将期望包括多个矩形边缘探测脉冲的探测脉冲序列，该矩形边缘探测脉冲具有有效但无危险值的探测电压幅值、足够快的上升时间、足够长的稳态和足够长的脉冲间间隔。
在示例实施例中，将期望矩形脉冲序列在探测窗口中包括5到40个脉冲，探测窗口具有1-2秒的持续时间，其中每个脉冲具有10V到30V之间的稳态探测电压、比上述上升时间短的上升时间、在上述范围内的稳态电压电平持续时间和在上述范围内的相邻探测脉冲之间的时间间隔。
对于图3B的人体阻抗模型，阻抗桥的各个部件的阻抗可以表示如下：
Z0＝R0
V＝IZ，Z＝Z1+Z2+Z0
阻抗桥的传递函数(transfer function)可以表示为：
a2＝C1C2R1R2，a1＝C1R1+C2R2，a0＝1
b2＝C1C2R1R2R0，b1＝C2R1R2+C1R1R2+C2R2R0+C1R1R0，b0＝R1+R2+R0阶跃响应可以表示为：
其中，
上述的拉普拉斯逆变换(inverse Laplace transform)将给出二阶网络的时域解(1)。
二阶ODE解
一阶ODE解
假设R1＝R2＝R并且C1＝C2＝C，则二阶网络可以由一阶微分方程表示，并且阻抗网络的阶跃响应将变为：
上述方程的解为：
时间常数
R和C的值可以通过近似和曲线匹配从图3A的测量的脉冲响应获得。
在示例操作中，获得并分析响应于探测信号序列的在短的探测窗口持续时间内的多个探测响应信号，以确定可能的人接触。
在示例实施例中，收集探测窗口中的多个响应电流脉冲，用于分析和确定。
从示例活的人体对探测信号序列的响应获得的并由信号收集电路捕获的一组示例结果以及从其提取的相同示例参数在下表1中列出。
表1
图4的电流响应是当活的人体开始触摸检测表面时，响应于施加到检测表面的探测脉冲序列而在一段时间内测量的多个响应信号脉冲的峰值电流幅值。从电流响应中观察到峰值电流幅值随时间变化。
还观察到，峰值电流幅值(如由电流感测电阻器的输出端子处的峰值电压表示)随着接触时间增加而增加。
图4A示出了在相同时间窗口内R0的变化。使用关系式Ipeak＝Vtouch/R0从峰值电流幅值估计R0的值。观察到R0的值随着接触时间增加而下降。
图4B示出了在相同时间窗口内R＝R1的变化。使用关系式Isettle＝Vtouch/RT和RT＝R0+R1+R2＝R0+2R从峰值电流幅值估计R的值，其中R≈R1≈R2。观察到R1的值随着接触时间增加而下降。
图4C示出了在相同时间窗口内C＝C1的变化。使用关系式
从脉冲响应形状估计C的值。观察到C的值随着接触时间的增加而增加。
上述观察可以用于帮助确定检测表面处可能的人接触。
在一些实施例中，探测信号序列可以在载波信号上被调制。探测信号序列可以包括多个矩形探测电压脉冲，并且载波信号可以是正弦电压波序列。例如，探测信号序列可以是本文所述的探测信号脉冲序列，并且载波信号可以是具有50Hz或60Hz频率的正弦波序列。在不失一般性的情况下，载波信号可与例如110V或220V RMS的电力网供电兼容，或者处于较低电压幅值，例如，12V rms、24V rms、36V rms等。
在不失一般性的情况下，在对正弦分量进行滤波之后，可以从电流响应中恢复对在检测表面处测量的调制的探测信号脉冲的电流响应，以用于分析和确定。
虽然已经利用本文的示例描述了各种观察和现象的示例应用和利用，但是应当理解，在不失一般性的情况下，其他应用和利用是可能的，并且示例应用和利用旨在提供非限制性示例。
本公开公开了用于检测导电表面上是否存在活体接触的方法和设备。可以使用由控制器控制的电子电路来实现该方法。控制器可以是基于微处理器的控制器或逻辑阵列，其将执行对应于本文公开的方法的存储的指令。
通过选择适当的探测脉冲使得在活体上施加探测脉冲将返回承载活体的特征电特性的响应电流脉冲，在接触表面上施加探测信号，利用信号检测电路监视接触表面，以及确定是否从接触表面接收到表示承载活体的特征电特性的响应电流脉冲的电参数。如果从接触表面接收到表示承载活体的特征电特性的响应电流脉冲的电参数，则可以正面地确定活体与接触表面的物理裸露皮肤接触，并且可以实施立即的补救措施，例如，触发警报信号、警告信号、断电或断电信号和/或救援信号，以减轻伤害性损伤和损害。
除了确定是否已经接收到承载活体的特征电特性的响应电流脉冲之外，还收集和检查由于该探测信号序列中的多个探测脉冲而引起的多个响应电流脉冲的电参数，以确定在接触表面上是否存在暗示活体触摸的动态行为(或者更准确地说是动态或瞬时的活体触摸)。如果另外检测到与动态触摸行为相对应的现象，则存在在接触表面上存在活体接触(裸露皮肤接触)的附加确定性。
图5中描述了用于确定在导电表面处是否存在活体接触的示例设备。设备包括探测信号源、响应信号收集器、控制器和数据存储装置。探测信号源用于生成探测信号，并且探测信号被设计成吸引体现活体的特征电特性的响应电信号。
在不失一般性的情况下，图1的示例性探测信号源、响应信号收集器和检测电路可以用于形成图5的示例设备的电路系统部分。虽然响应信号收集器可以是控制器的一部分，但是由于高速电子电路系统的速度优势，形成响应信号收集器的一部分的基于硬件的数据收集电路可能是期望的，因为初始数据可能需要在100ns-200ns的范围中收集。
为了从接触表面收集电参数以确定电参数是否对应于接触表面处的活体的电参数，需要收集足够数量的响应电数据。在本示例中，期待具有活体的特征电流脉冲形状的响应电流脉冲。活体的特征电流脉冲形状包括尖峰和从尖峰的峰值下降到稳态的缓慢下降曲线。尖峰几乎是瞬间的，并且当探测脉冲上升到探测电压电平时，尖峰几乎瞬间地或同时地从尖峰底部上升到尖峰峰值。通常，在尖峰峰值和探测脉冲的上升沿之间通常存在50ns至150ns之间的滞后。尖峰峰值的值基本上高于渐近稳态值(asymptotic steady statevalue)。下降包括急剧或快速下降，然后是缓慢下降。急剧下降在尖峰峰值短持续时间之后立即开始，而缓慢下降延续长得多的持续时间，例如，通常需要一个或多于一个的接通脉冲持续时间，并且有时需要多于2个或3个或4个接通脉冲持续时间才能达到渐近的稳态。由于这个原因，可以将探测信号序列的断开脉冲持续时间选择为至少几个接通脉冲持续时间。
为了收集足够的数据来构建响应信号，并且便于确定响应信号是否具有活体的特征电流脉冲形状的电特性，需要用于每个探测脉冲的多个响应信号数据。响应信号数据当然越多越好，但是时间和处理开销可能无法证明收集大量响应信号数据是正确的。通常，示例多个(例如，10个至20个)数据收集点将是有用的，所述数据收集点至少包括尖峰峰值处或附近的数据收集点、稳态水平处或附近的数据收集点、下降从快速下降变为缓慢下降处或附近的数据收集点、以及前述显著数据收集点之间的数据收集点。例如，数据收集点还可以包括在急剧下降部分上的多个数据收集点以及在缓慢下降部分上的多个数据收集点中的一个数据收集点。
数据收集点可以设置在相对于或关于作为参考时间的探测脉冲的时间处。例如，数据收集点可以设置在相对于上升沿的相对时间延迟处，例如上升沿的开始、中间或结束处。第一数据收集点可以设置在探测脉冲的上升沿处，这将便于捕获尖峰峰值。初始数据收集点分布得更密集，以利于在快速下降阶段期间进行数据收集。初始微秒或几微秒之后的数据收集点可以更稀疏地分布。在不失一般性的情况下，数据收集电路可以被设置为与探测信号的上升沿同步，并且开始与探测信号的上升沿同步地收集响应信号数据。
在接通脉冲持续时间期间和紧接在最后结束的接通脉冲之后的断开脉冲持续时间期间收集数据的情况下，控制器将具有足够的数据来参考所接收的响应电流信号以确定在接触表面处是否存在活体接触。
除了通过将检测到的电流形状与响应于探测脉冲的预期电流脉冲形状进行比较来确定在接触表面处是否存在活体接触之外，控制器还可以或可选地确定在接触表面处是否存在指示人触摸的动态现象。
从图6A、图6B和图6C中所示的示例响应电流脉冲观察到，在活体开始与接触表面接触时，在触摸的初始时段的响应电流脉冲在不同时间稍微不同。例如，注意到，在触摸刚开始时，电流脉冲具有较小的大小和较低的尖峰，而在触摸开始一段短时间之后，例如100ms之后，电流脉冲具有较大的大小和较高的尖峰。图6A的示例响应图是在第一触摸时间t1获得的，该第一触摸时间接近初始触摸的时间t0，使得t1>t0。初始触摸是指活体不与接触表面进行裸露皮肤接触，而是在初始触摸时接触，该初始触摸被给予初始时间基准t0。图6B的示例响应图是在第一触摸时间之后的第二触摸时间t2时获得的，即t2＞t1。初始触摸是指活体不与接触表面进行裸露皮肤接触，而是在初始触摸时接触，该初始触摸被给予初始时间基准t0。相对于探测脉冲时间，数据收集时间例如是t2、t1等。
变化趋势如图6C所示，其中N4是较早的脉冲之一，N1是100-200ms之后的稳态尖峰。
如图7A、图7B和图7C所示，在另一个活体中也观察到相同的响应趋势。图7A的示例响应图是在第一触摸时间t1获得的，该第一触摸时间接近初始触摸的时间t0，使得t1>t0。图7B的响应图是在第一触摸时间之后的第二触摸时间t2时取得的，即t2＞t1。初始触摸是指活体不与接触表面进行裸露皮肤接触，而是在初始触摸时接触，该初始触摸被给予初始时间基准t0。
在多个数据收集时间和多个触摸时间t3、t2、t1取得的示例活体的响应电流数据的示例值在图8中示出。最低或最内侧曲线在接近初始触摸的时间t0的时间t1取得。最高或最外面的曲线在触摸开始后很久的时间t3取得。中等或中间曲线在时间t2处取得，时间t2在t3和t1之间。
使用在响应电流脉冲的不同时间在不同数据收集时间收集的数据来构建每个曲线。在该示例中，使用从示例多个的34个数据收集时间收集的34个数据来构建每条曲线，所述数据收集时间沿着响应电流脉冲的持续时间分布。
从图8中注意到，在大多数数据收集时间的幅值最初随着触摸时间的增加而增加，然后随着触摸时间的进一步增加而减小，这表明在特定触摸时间之后数据值达到稳态值。
还应注意，在曲线中间附近的数据点处或在曲线达到最大值之前，幅值增加更显著。
控制器可以利用上述趋势来确定是否存在活体的动态触摸行为。
应相信，动态触摸行为是由于触摸动态而发生的，因为当活体刚开始触摸接触表面时，压力低，并且这将转化为较高的体电阻和/或较低的电容，并且因此转化为具有较低尖峰峰值幅值的较小且较尖锐的脉冲。当触摸移动得更深一些时，例如在几毫秒内，压力增加。压力的增加也增加了触摸面积以及更好的接触，导致更大的电流脉冲和更高的尖峰峰值。当触摸进入稳态时，电流脉冲具有稍微稳定的状态，并且在此之后看不到显著的变化。
例如，控制器可以针对收集的数据检查在相应的数据收集时间收集的数据是否具有增加的趋势，并且当检测到增加的趋势时给出肯定的确定。
在本公开，活体具有接触部分，所述接触部分具有类似于阻抗桥的电特性，所述阻抗桥包括串联连接和并联连接的多个电阻器和多个电容器，并且具有特征上升时间和特征下降时间。所述阻抗桥包括具有总电阻值的电阻器串(R0+R1+R2)、和电阻器-电容器第一RC桥，所述电阻器-电容器第一RC桥包括具有第一电阻值的第一电阻器(R1)和具有第一电容值的第一电容器(C1)的并联连接。所述电阻器串(R0+R1+R2)包括与所述第一RC桥串联连接并具有内部电阻值的内部电阻器(R0)。
Claims (20)
1.一种检测导电表面处的可能的活体接触的方法，其中，所述活体具有接触部分，所述接触部分具有类似于阻抗桥的电特性，所述阻抗桥包括串联连接和并联连接的多个电阻器和多个电容器，并且具有特征上升时间和特征下降时间，其中，所述阻抗桥包括具有总电阻值的电阻器串(R0+R1+R2)、和电阻器-电容器第一RC桥，所述电阻器-电容器第一RC桥包括具有第一电阻值的第一电阻器(R1)和具有第一电容值的第一电容器(C1)的并联连接，并且所述电阻器串(R0+R1+R2)包括与所述第一RC桥串联连接并具有内部电阻值的内部电阻器(R0)；并且其中，所述方法包括：
向所述接触表面发送电压脉冲的脉冲序列，其中，所述脉冲序列包括作为探测脉冲的多个电压脉冲，并且每个电压脉冲具有从作为基础电压电平的第一电压电平变化到第二电压电平的尖锐边缘、和在所述第二电压电平下的平坦区域；
检测来自所述接触表面的对所述脉冲序列的电流响应；以及
参考所述电流响应，确定在所述导电表面处是否存在可能的活体接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，待检测的电流响应包括响应于所述脉冲序列而检测或接收的多个电流脉冲的峰值电流。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，待检测的电流响应包括响应于所述脉冲序列而检测或接收的多个电流脉冲的稳态电流。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括检测多个连续电流响应脉冲的电流响应的峰值电流幅值是否随时间增加，并且其中，所述方法包括使用所述峰值电流幅值随时间的增加作为可能的人接触的指示。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括根据多个连续电流响应脉冲的电流响应的峰值电流幅值来确定所述第一电阻器的电阻值是否随时间减小，并且其中，所述方法包括使用所述第一电阻器的电阻值随时间的减小作为可能的人接触的指示。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括根据多个连续电流响应脉冲的电流响应的峰值电流幅值来确定所述内部电阻器的电阻值是否随时间减小，并且其中，所述方法包括使用所述内部电阻器的电阻值随时间的减小作为可能的人接触的指示。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，待检测的电流响应包括响应于所述脉冲序列而按顺序检测或接收的多个电流脉冲的电流脉冲形状。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，方法包括根据所述多个电流脉冲的所述电流脉冲形状来确定所述第一电容器的电容值，以及确定所述第一电容器的电容值是否随时间增加，并且其中，所述方法包括使用所述第一电容的电容值随时间的增加作为在所述检测表面处的可能的人接触的指示。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述阻抗桥包括电阻器-电容器第二RC桥，所述电阻器-电容器第二RC桥包括具有第二电阻值的第二电阻器(R2)和具有第二电容值的第二电容器(C2)的并联连接，并且所述内部电阻器R0将所述第一RC桥和所述第二RC桥互连。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括参考峰值电流和/或稳态电流和/或脉冲形状随时间或随所述多个电压脉冲的变化来确定在所述导电表面处是否存在可能的活体接触。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电压脉冲在过渡时间内从所述第一电压电平过渡到所述第二电压电平，所述过渡时间比所述阻抗桥的所述特征上升时间和/或所述第一RC并联连接的所述电路上升时间短，使得所述电流响应包括作为所述内部电阻器(R0)的特性的峰值电流。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电压脉冲在过渡时间内从所述第一电压电平过渡到所述第二电压电平，所述过渡时间为2μs或更小，包括1.5μs或更小、1.0μs或更小、0.9μs或更小、0.8μs或更小、0.7μs或更小、0.6μs或更小、0.5μs或更小、0.4μs或更小、0.3μs或更小、0.2μs或更小、或由前述值的组合形成的任何范围。
13.一种用于检测在作为导电表面的接触表面处的可能的活体接触的设备，其中，所述设备包括控制器、包括探测信号发生器的探测电路、检测电路和数据存储装置，并且其中，所述控制器执行存储的指令以：
操作所述探测电路，以生成至所述接触表面的探测信号序列，其中，所述探测信号序列包括多个探测脉冲，并且每一个探测脉冲具有探测电压和探测脉冲持续时间；
操作所述检测电路，以检测来自所述接触表面的电流响应并收集电流响应参数，所述电流响应参数是响应于所述多个探测脉冲的电流参数；以及
参考响应于所述多个探测脉冲而收集的所述电流响应参数的一个或多个变化，确定在所述接触表面处是否存在活体接触。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述探测脉冲是电压脉冲，并且所述控制器操作所述探测信号发生器以生成探测脉冲，使得响应于所述探测脉冲的来自与所述接触表面处于裸露皮肤接触的活体的电流响应是具有活体的响应电流脉冲特性的电流脉冲；并且其中，所述响应电流脉冲特性包括尖峰和紧随所述尖峰的缓慢下降曲线，其中所述下降曲线从初始值逐渐下降到渐近或状态值；并且其中，所述控制器操作以确定响应于单个探测脉冲的检测到的电流响应是否具有活体的所述响应电流脉冲特性，并且如果检测到的电流响应具有所述响应电流脉冲特性，则生成警报信号。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述电流脉冲是具有尖峰、尖峰顶点和尖峰峰值的响应电流脉冲，并且其中，所述尖峰峰值取决于在从所述接触表面收集所述电流响应参数的时间所述活体与所述接触表面的物理触摸条件；并且其中，所述控制器操作以收集与多个不同物理触摸条件相对应的多个响应电流脉冲。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述方法包括所述控制器操作以确定所收集的响应电流脉冲是否包括所述响应电流脉冲特性，并且如果所述响应电流脉冲包括所述响应电流脉冲特性，则所述控制器继续操作以确定在所述接触表面处是否存在活体接触。
17.根据权利要求15或16所述的设备，其中，所述控制器操作以确定所述响应电流脉冲特性的变化是否与活体触摸的所述物理触摸条件的变化一致，并且如果所述响应电流脉冲特性的变化与活体的所述物理触摸条件的变化一致，则所述控制器操作以生成警报信号。
18.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述控制器操作以在检测窗口内生成多个探测脉冲并且收集响应于所述多个探测脉冲的电流响应参数，并且其中，所述检测窗口包括持续时间，在所述持续时间期间，所述活体在所述接触表面上的物理触摸条件正在改变。
19.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述控制器操作所述探测电路以生成所述探测脉冲，使得所述探测脉冲具有探测脉冲持续时间、探测脉冲重复频率和探测电压幅值，使得所述探测信号序列对活体无害。
20.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述检测电路包括多个数据获取电路，其中，所述数据获取电路在多个数据收集时间收集电流响应参数，并且其中，所述数据收集时间分布在响应于探测脉冲的电流响应的不同时间。
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| CN113783650A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-12-10 | 浙江万胜智能科技股份有限公司 | 基于特征电流实现智能电表与智能终端精准对时的方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3546490A (en) * | 1966-10-25 | 1970-12-08 | Philips Corp | Multi-stage delay line using capacitor charge transfer |
| US4461966A (en) * | 1980-12-04 | 1984-07-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Circuit for controlling at least one power-FET |
| US20100073323A1 (en) * | 2008-09-24 | 2010-03-25 | Geaghan Bernard O | Mutual capacitance measuring circuits and methods |
| CN107615611A (zh) * | 2015-04-30 | 2018-01-19 | 依顿科技有限公司 | 供电控制 |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7069357B2 (en) * | 2003-01-29 | 2006-06-27 | Numark Industries, Llc | Touch sensor system |
| CN101489476B (zh) * | 2006-07-10 | 2011-05-18 | 松下电器产业株式会社 | 皮肤导电测量装置 |
| TWM363068U (en) * | 2008-10-23 | 2009-08-11 | Ya Horng Electronic Co Ltd | Sensing switch capable of sensing the contact of human body |
| JP5719016B2 (ja) * | 2010-04-22 | 2015-05-13 | コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ | 皮膚接触ディテクタ |
| DE102011089145A1 (de) * | 2011-12-20 | 2013-06-20 | Robert Bosch Gmbh | Schutzvorrichtung, Verfahren und Energieversorgungssystem |
| KR101537231B1 (ko) * | 2013-06-27 | 2015-07-16 | 크루셜텍 (주) | 터치 검출 장치 |
| CN204839509U (zh) * | 2015-06-19 | 2015-12-09 | 河南山之峰信息科技股份有限公司 | 一种脉冲式人体电阻检测装置 |
| CN109906558A (zh) * | 2016-11-03 | 2019-06-18 | 维德鸿兴科技发展有限公司 | 活体检测方法和设备 |
| CN107157481B (zh) * | 2017-05-10 | 2020-09-15 | 安克创新科技股份有限公司 | 测量人体电阻的电路、方法以及体脂测量装置 |
| CN111655144A (zh) * | 2017-11-03 | 2020-09-11 | 维德鸿兴科技发展有限公司 | 活体检测方法和设备 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3546490A (en) * | 1966-10-25 | 1970-12-08 | Philips Corp | Multi-stage delay line using capacitor charge transfer |
| US4461966A (en) * | 1980-12-04 | 1984-07-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Circuit for controlling at least one power-FET |
| US20100073323A1 (en) * | 2008-09-24 | 2010-03-25 | Geaghan Bernard O | Mutual capacitance measuring circuits and methods |
| CN107615611A (zh) * | 2015-04-30 | 2018-01-19 | 依顿科技有限公司 | 供电控制 |
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