CN1326544A

CN1326544A - 使用介电常数间接测量的测量设备

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Publication number: CN1326544A
Application number: CN99813524A
Authority: CN
Inventors: 克洛德·洛奈; 达尼埃尔·勒雷斯塔; 帕斯卡尔·霍尔达纳; 威廉·庞奇罗里
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-23
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-12-12
Anticipated expiration: 2019-10-21
Also published as: RU2220404C2; KR20010099739A; FR2785046A1; US6545603B1; CN1210546C; DE69918850D1; AU755548B2; CA2347988A1; FR2785046B1; EP1123489A2; BR9914759A; AU6209399A; WO2000025098A3; DE69918850T2; EP1123489B1; JP2002528711A; WO2000025098A2; ATE271688T1; KR100605285B1

Abstract

本发明涉及使用间接介电常数测量的一个测量设备,其特征在于它包括分别构成测量探测器(100)和参考探测器(200)的二个导电体、用于提供控制幅值直流电压的电源装置(300)、包含电容切换系统(530)的积分器级(500)和用于以控制的频率循环限定一系列二顺序的控制装置(400),二个顺序:一个第一顺序,在此期间电源装置(300)被连接至测量探测器(100)以在测量探测器(100)和参考探测器(200)之间施加一个电场并在测量探测器(100)上累积电荷,然后是第二顺序,在此期间,电源装置(300)与测量探测器(100)分断而且后者连接于积分级(500)的求和点以在积分器级(500)中传递电荷并由此在输出端获得表示测量探测器(100)和参考探测器(200)之间存在的介电常数的信号。

Description

使用介电常数间接测量的测量设备

本发明涉及传感器。

更确切地说，本发明涉及在分别构成测量探测器和参考探测器的两个导电体之间利用介电常数间接测量的测量设备。

有很多基于测量介电常数的传感器或电容类型的传感器。

尤其，其中测量电容器被连接到振荡电路使得电路的输出频率取决于测量电容器电容的很多设备，能确定影响电容器介电常数的参数，例如在其中放置有测量电容器的箱中容纳的液体液面(参见文件WO-A-98/02718，DE-A-4312432和DE-A-4434338)。

已提供的各种设备了包括连接到积分器级输入端的一个测量电容器(参见DE-A-3413849和物理科研仪器杂志1989年第二期22卷)。然而这些设备直到现在还不令人满意并因此还未在工业上应用。

文件FR-A-2205669、FR-A-2605731、FA-A-2447555、FR-A-2737297、EP-A-0378304和EP-A-0644432描述了测量使受要检测参数影响的测量电容器充电或放电的时间的各种设备。

在文件FR-A-2763124、FR-A-1152556和US-A-3706980中描述了其它的电容测量设备。

本发明的目的是要提供新的高灵敏度的检测装置。

本发有的另一个目的是要提供适于多种用途的检测装置。

在本发明上下文中，通过利用间接测量介电常数的测量设备而实现上述目标，该测量设备特征在于它包括分别构成测量探测器和参考探测器的两个导电体，适于提供已控制的幅值的直流电压的电源装置，包括电容器交换系统和适于以控制频率限定一个循环系列的二个顺序的控制装置的一个积分器级，即在此期间电源装置被连接到测量探测器以在测量探测器和参考探测器之间施加一个电场并在测量探测器上累积电荷的第一顺序，和在此期间电源装置与被连接到积分器级求和点的测量探测器断分以将其电荷输入积分器级并由此在输出端上获得在测量探测器和参考探测器之间代表介电常数信号的第二顺序。

根据本发明另一个有益的特点，控制装置适于将步进电压施加到测量探测器。

根据本发明另一个有益的特点，积分器级包括一个运算放大器，一个构成所述放大器反馈电容的高电容值的第一积分电容器，和以由控制装置所控制的序列的计时速率在运算放大器的输出端和输入端之间切换的第二电容器。

根据本发明另一个有益的特点，该设备包括将零平均电压施加到测量探测器的装置。

根据本发明另一个有益的特点，运算放大器在适于顺序地被连接到测量探测器的第二反相输入端上接收一个对于由电源装置施加到测量探测器电压相反符号的电压。

根据本发明的另一个有益的特点，作用于运算放大器第二输入端的电压幅值等于p·E，其中E是在时间T1中作用于测量探测器的电压值而p是二个顺序T1和T2之间的占空因数，即，T1＝p·T2。

本发明其它特点、目标和优点根据阅读下列详细的说明参照由非限制性例子的方式所给出的附图将变得清楚，其中：

图1是构成本发明第一实施例测量设备的结构图示，

图2表示包括一个辅助测量探测器的这个设备的变型，该辅助测量探测器提供一个介电常数校正值，

图3表示本发明的一个最佳实施例，它包括向测量探测器施加一个零平均电压的装置，

图4是根据本发明适于确定所分析产品频谱的设备实施例的简要表示。

图5至13表示根据本发明设计的检测在一个箱中液位面的设备的各种实施例，

图14表示对一个管中产品检测的应用，

图15表示对入侵者检测的应用，

图16表示在一个座位上检测使用者存在和/或位置的应用，

图17表示检测通过一个入口的应用，

图18表示要检测由输送带输送的物体的应用，

图19表示对键盘的应用，

图20表示对压力传感器的应用，及

图21表示对气压检测器的应用。

如前面所示，图1所示的设备基本包括：

——一个测量探测器100，

——一个参考探测器200，

——电源装置300，

——控制装置400和

——一个积分器级500。

测量探测器100和参考探测器200各由—个导电体构成。后者被隔开以在它们之间限定至少一个绝缘介质。这个探测器100和200的各种例子稍后被进一步详细描述。

电源装置300适于提供已控制幅值E的直流电压。

控制装置400适于以控制频率f定义一个循环系列的二个顺序。在第一持续时间T1的顺序中，电源装置300被连接到测量探测器100以在测量探测器100和参考探测器200之间施加一个电场并在测量探测器100上累积电荷。测量探测器100和参考探测器200之间的电容在由τ＝ε/γ所规定的很短的时间周期内被充电，其中ε是介电常数而γ是在二个探测器100和200之间介质的传导率。然后，在第二持续时间T2的顺序内，电源装置300与被连接到积分器级500输入端的测量探测器100分断。因此，控制装置400在测量探测器100和参考探测器200之间施加一个已控制的幅值和持续时间的低强度脉动电场。(与逐步减小电压不同，通过突然中断)撤销作用于测量探测器100的电场的这个方法使以前在测量探测器100上累积的电荷固定。在第一顺序T1结束时测量探测器100上的电荷与探测器100和200之间的介电常数值成正比。这些电荷以稍后更详细描述的方式被输入积分器级500(更确切地说，输入电容切换系统)。因此在单元500的输出端获得一个信号，它表示测量探测器100和参考探测器200之间的介电常数。

在图1所示的实施例中，控制装置400包括比如由一个振荡器和二个二路开关420、430构成的时基410。

由时基410所控制的开关420适于将测量探测器在顺序T1期间交替地连接到电源装置300并随后在顺序T2期间连接到积分器级500的输入端。

如果必要，电容注入器110可以被插在测量探测器100和开关420之间。

同样，如果必要，电阻注入器120被可以被插在测量探测器100和参考探测器200之间。注入器120的电阻必须很高以便不会产生能干扰测量的漏电流。

图1所示的积分器级500包括一个运算放大器510和二个其值是已知的电容器：一个电容520被连接在放大器510的反相输入端和输出端之间并构成一个反馈电容，而另一个电容530具有连接到与参考探测器200和放大器510非反相输入端同样电位的第一端，即电路的地，和由控制装置400所控制的第二端，使得它在时间T2中被交替地连接到放大器510的反相输入端以将在测量探测器100上累积的电荷输入电容530并且随后在时间T1中被连接到放大器510的输出端以提供一个与在测量探测器的上累积的电荷成正比的电信号。

连接到运算放大器510的反馈电容520将它转换到一个积分器。它得到与在测量探测器100上产生的电荷成正比的直流电压并由此防止不希望有的干扰电压。

在需要高精度模拟测量，如液位面测量的情况下，积分电容520通常具有至少是切换电容530电容值1000倍的电容值。

然而，作为快速测量的一种替换，C520可能与C530具有同样的数量级，例如C520可能是C530的二至三倍。在这种情况下，测量不是很准确但能追踪快速的变化。

将测量探测器100切换到运算放大器510的求和点S具有二个优点。因为放大器510求和点(S)具有一个零有效阻抗，探测器100在时间T2期间完全释放累积的电荷，使它在时间T1内返回到零电位用于新的测量。并且，所有的电荷被输入到电容切换系统520、530而没有损失，使测量完全是线性的。

更详细地，积分器级500以下列方式运行。

假设最初在测量探测器100和参考探测器200之间形成的电容Cs和积分电容C520、切换电容C530都被完全释放，使得：

QC520＝0

QC530＝0

QCs＝0

在第一顺序T1期间，电容Cs被充电到由模块300提供的电源电压，在这里假设等于-E。

在此在顺序T1结束时：

QCs＝-E·Cs

QC520＝0

Q530＝0

在下一个顺序T2期间，电荷从Cs被传送到C520；因为电荷被储备而且Cs和C530被连接到带有零有效阻抗的运算放大器510的反相输入端：

-E·Cs＝V_s2·C520

其中V_s2是在顺序T2期间运算放大器510的输出电压。

在下一个顺序T1期间，二个电容C520和C530被并联连接。因此：

V_s＝V_s2·C520/(C520＋C530)＝QC530/C530＝QC520/C520所以：

QC530＝[V_s2·C520/(C520＋C530)]·C530即

QC530＝[V_s2/(1＋C530/C520)]·C530因此如果：

C520＝nC530＞＞C530则：

QC530≈V_s2·C530

在下一个顺序T2中，在C530上的电荷与在Cs上的电荷相反。Cs电荷的剩余部分被输入到C520，等等。

运算放大器510的输出电压V_s逐步增加平衡电压

V_s平衡＝QC530/C530这样使得：

QC530＝V_s平衡·C530＝-E·Cs

因此在循环X次后，该设备在求和点达到均衡。C530的电荷QC530与探测器Cs的电荷达到平衡。

随即电容Cs的任何变化被检测，在Cs上增加(或损失)的电荷对电容C520充(放)电。

因此在稳定状态条件下，切换电容C530平衡在探测器Cs上的电荷变化。

上述操作预先假设开关420、430完全同步，即尤其在顺序T2开始时，假设切换电容C530和测量探测器Cs被同时地连接到运算放大器510的求和点。

在本发明的上下文中，切换电容C530总是具有与在测量探测器100和参考探测器200之间规定的电容Cs相同数量级的电容值，就是说，最好：

0.1Cs＜C530＜10Cs有益地：

0.5Cs＜C530＜5Cs而且非常有益地：

Cs≈C530

在本发明的一个有益的实施例中，时基410以50％的占空因数产生一个固定频率(f)，提供与f＝1/(T1＋T2)绝对相同的二个周期(T1)和(T2)(T1＝T2)。

因为时间T1和T2是绝对相同的，在由振荡器410所产生的频率f中，中期漂移不影响测量的精度。

测量的循环频率f通常是5到50kHZ数量级。

在积分器级500的输出端上可利用的信号可以以各种方式被使用。

图1所示的输出单元600的结构现在将被描述。

在图1所示的具体的实施例中，运算放大器510输出端经由电阻602被连接到运算放大器604的非反相输入端。这被认为是输出器级。为此，运算放大器604的反相输入端经由可变电阻606被连接到它的输出。运算放大器604的反相输入端也经由电阻608被连接至地。

运算放大器604的增益通过可变电阻606可以被调整，例如将电路的输出电压调节到所需要的满量程范围。

运算放大器604的非反相输入端也接收零调节的可变电压。

由最好与在电源装置300的输出端上提供的电压相同的一个电压VREF形成该电压。电压VREF作用于其可变的输出驱动运算放大器612的非反相输入端的电位计610的终端上。后者具有连接到其输出端的反相输入端，该输出端经由与前面提到的电阻602相同阻值的电阻614被连接到运算放大器604的非反相输入端。因此运算放大器604的高阻抗非反相输入端借助于电位计610接收关于测量梯度的相反符号的电压，使之能进行零调节。

注意从作用于测量探测器100的参考电压VREF产生的这个电压消除了在参考电压中任何漂移的影响。这是因为，如果参考电压VREF漂移，作用于运算放大器604非反相输入端的电压在相同的方向上漂移，所以清除零点漂移的任何危害。

运算放大器604的输出端可以被连接到处理级620，例如一个4-20mA电流回路或者产生表示信号特征频谱的一个信号处理级，例如它能进行已分析产品的识别。

根据图4，用于产生这种类型频谱的一个处理装置的例子在下文被描述。

图2所示的实施例现在将被描述。

图2所示的设备如前面根据图1所描述的，包括一个测量探测器100、一个参考探测器200、电源装置30、控制装置400和一个积分器级500。

然而，它适于考虑在测量探测器100和参考探测器200之间介质的介电常数上的任何变化，例如对于在一个箱中的测量，它能连续地容纳不同产品。为此，图2所示的设备包括一个辅助测量检测器150，一个辅助参考探测器250、辅助控制装置450和一个辅助积分器级550。

辅助测量探测器150和辅助参考探测器250被设计放置在与测量探测器100和参考探测器200相同的介质中。辅助测量探测器150和辅助参考探测器250构成补偿探测器。通过非限制性举例的方式并如图8所示，辅助测量探测器150和辅助参考探测器250可以被在放置容纳要测量其液位的产品的一个箱的较低部分。

辅助参考探测器250与参考探测器200同样接地。

辅助控制装置450包括由时基410分别以与开关420、430同样的计时速率所控制的二个二路开关452、453。

因此，如果有必要，在顺序T1期间，开关452经由电容注入器160将电源装置300的输出端连接到辅助测量探测器150并且在时间T2期间将辅助测量探测器150连接到构成积分器级550一部分的运算放大器560的反相输入端。

如果必要，图2表示电阻注入器162可以用与电阻注入器120同样的方式，被插在辅助测量探测器150和辅助参考探测器250之间。

积分器级550包括两个电容：连接在运算放大器560的反相输入端和输出端之间，类似于电容520的一个参考电容562，和电容564，它具有连接到地的一个终端和经由开关453在时间T1期间连接至运算放大器560的输出端并在时间T2期间连接至运算放大器560反相输入端的另一个终端。

放大器560的非反相输入端被连接至电路接地端。

与已分析介质介电常数成正比的校准电压VS2在积分器级550输出端上之运算放大器560的输出端所获得。

这个信号可以在输出级650中接收来自级652的零调节电压而成形，它们相当于前面根据图1实际描述的级600的装置604、610。

这里级650的输出端被用于监视控制级660的增益，也接收与主探测器100和200相关的成形级600的输出。这使得测量对在已分析介质介电常数上的变化不敏感。

级660的输出端可以被连接至任何处理电路620，例如如根据图1所述的一个4-20mA电流回路或例如适于产生表示所分析产品特性的频谱的一个处理级。

在图3中表示的本发明最佳实施例现在将被描述。

如前面根据图1所述的，图3表示一个测量探测器100、一个参考探测器200、电源装置300、控制装置400和一个积分器级500。

然而，图3所示的电路抵消了在测量探测器100上累积电荷的滞后现象并在由控制装置400所控制的每个循环中完全放电。

为此，如图3所示，运算放大器510的非反相输入端不是被连接至参考探测器200的电位(即对地电位)，而是被连接至相对于参考探测器200的电位、相对于由装置300作用于测量探测器100的电位相反符号的电位。

例如，占空因数为1，即T1＝T2时，电源装置300可以将幅值-E的脉动电压作用于测量探测器100而且运算放大器510的非反相输入端可以被连接到与前面提到的电压-E同样幅值但符号相反的电压+E上。

为抵消滞后，在时间T2期间测量探测器因此接收与在时间T1期间经由开关420和运算放在器510施加的电压符号相反的电压。

通常，对于由时基410所规定的占空因数p即T1＝p·T2，电位+E2最好施加于运算放大器510的非反相输入端并且它的绝对幅值等于由电路300提供到测量探测器100的电源电压-E1的p倍。施加于测量探测器100的平均电压值因此为零电压。

也注意到所产生的电路必然借助相对于有效接地电位+E滑动的连续电流向输入运算放大器510加偏压，并使由切换电容530所采样的电荷要从连续电流被减去，这使它能测量非常小的电荷并获得对应于源自不需要任何输出端采样和保存的信号积分的电量的模拟信号。

在本发明的另一个实施例中，运算放大器510的非反相输入端在时间T1期间可以被连接至地(即，参考探测器200的电位)并仅在时间T2期间且通过由时基410所控制的开关被连接至电位+E。

现在将根据图4描述频谱识别模块的结构，该模块处理来自积分器级500的信号以识别在测量探测器100和参考探测器200之间已分析的介质。

除了测量探测器100和参考探测器200以外，图4表示如前面根据图1或图3所描述的电源装置300、控制装置400和积分器级500。

在积分器级500的输出端上可利用的信号可以在输出级600中成形，接收参考电压或从级610接收零调节电压。

图4所示附加处理装置700的基本功能是要强烈放大来自上游级600的信号以便检测该信号的波动并随后使之数字化且最终计算其频谱。它们包括其中的第一级710，其功能是将来自装置600的采样信号转变成为其幅值与所分析产品的介电常数成正比的方波信号。级710的输出驱动高增益高通放大器712的输出端。放大的信号作用于适于重新相对于模块的参考电位(电接地)恢复信息的同步检测器714。该信号随后经过其时间常数与采样周期相比很大的一个积分器716。一个反馈支路718连接积分器716的输出端和成形级710的一个输入端。

一个强烈放大和波动的信号因此在积分器716的输出端获得。

积分器级716的输出端被连接到信号处理级720。

处理级包括：

——从来自积分器级716的模拟信号提供数字值的一个模拟/数字转换器，

——控制存储信号数字值的存储装置的一个控制单元，以及

——计算装置，例如一个DSP、微控制器或一个微处理器。

前面提到的计算装置：

——执行循环的数字滤波，

——使用传统的开窗口技术(矩形、汉明等窗口)或重叠技术，用数个点和足够精密的分辨率实时或离线地计算傅立叶转换和频谱强度，

——跨跃滑动时间间隔实时或离线计算横向频谱，

——在时域和频域内计算滑动平均值，及

——在时域和频域内计算相关函数和互相关函数并且如果有必要搜索存储特征符号的数字数据库。

根据在按照选择的频率分辨率和响应时间(点数、采样频率)所选择的时间间隔上实时计算的傅立叶转换，模块720搜索带有最高能谱强度(ESD)的频带。经过特定数目No的连续点，模块720计算能谱强度的滑动平均值。在给定的频带内实时地与另一ESD相比较。随即达到比率K，模糊点被解决。数值No、比率K和选择的频带取决于所分析的物质。

如果有必要，要改进精确度，上述计算可以被执行，而且为二个连续的傅里叶转换[Sc＝(Sn-1)^*(Sn^*)]计算的横向频谱被处理而不直接处理傅里叶转换。

当已获得频谱时，模块720用在数据库中存储的数字频谱计算和寻找相关值。模块720可以根据规定可接受的置信度的相关值分解模糊点。

测量探测器100和参考探测器200可以通过二芯电缆，最好是一个屏蔽电缆，或通过其芯被连接到测量探测器100而其外套被连接至参考探测器200的一根同轴电缆，被连接到处理装置500。

本发明在很多领域得到应用。

通过非限制性举例的方式可以列举下列方式：

——测量液位，例如测量的液位有：

·导电或绝缘的液体或粉末材料，或

·石油产品如液化石油气(LPG)，

通过不断的液位测量或通过感应在特殊标记处的液位，用作比如高液位和低液位检测器，而不管涉及的箱子的性质，如它们是由金属制成还是塑料材料制成，

——产品鉴别，比如：

·在机动车领域，确定油质，

·在石油产品领域，

·在食品领域，计量和监视产品质量，及

·既使在其它任何领域，例如检测在管中的产品类型，比如在塑料材料管中尤其是聚氯乙烯(PVC)管中，水与气之间的鉴别，

——个人和闯入者检测，尤其是：

·应用于所有种类物体防护的闯入者检测，

·尤其应用于保护艺术作品的闯入者检测，

·保护商场展示品的闯入者检测，

·感应自动座位上的一个人以识别他们的位置，用于机动车各种装置的智能控制，如气囊、变速杆的位置、方向盘的高度或后视镜的方向，

·感应人群或检测闯入者，用于报警或计数的用途，

·用于计数用途检测物品，及

·感应作用于触摸键盘的人。

现在将根据图5至13描述本发明对液位检测的一系列应用。

图5是一个实施例的图形表示，其中参考探测器200是导电的比如是金属，箱10容纳其液位要被测量的导电或绝缘液体或粉末。在这种情况下，测量探测器100是在箱200内部的一个导体如一个园棒，并且最好被垂直放置以便它浸入要被分析的介质中。测量探测器100最好具有贯穿其长度的恒定的横截面。测量探测器100当然必须与由箱所构成的参考探测器200隔离和分开。如果容纳在箱200中要被分析的产品是导电的，则测量探测器100和/或参考探测器200必须用电绝缘涂料被涂覆。

测量探测器100和参考探测器200通过连接装置20、22被连接至前面所述的处理和分析装置500。

通过非限制性举例的方式，对于圆柱形测量探测器100，在积分器级500的输出端所获得的电压其形式为：

VS = (E \cdot η \cdot 2 \cdot π \cdot ϵc \cdot G \cdot H) / {LOG \frac{(R + e)}{R} + \frac{ϵm \cdot e}{ϵc \cdot R}}

其中：

η＝0.5＝T2/(T1＋T2)是抵消剩余电荷滞后现象的占空因数，

εm是所分析液体的介电常数，

εc是探测器涂层的介电常数，

G是系统增益，

R是测量探测器100的半径，

e是在测量探测器100上绝缘涂层的厚度，

H是传导液体或粉末的深度，及

E是应用范围值。

图6表示一个实施例，其中参考探测器200不是容纳要被分析液体的箱10而是围绕测量探测器100的导电材料筒，并且带有小孔使得在箱10的内部容积和容纳测量探测器100的参考探测器200的内部容积之间的液体直接连通。

当然，如果液体是导电的，则测量探测器100和/或参考探测器200必须用对于要被分析的液体不是有孔的电绝缘材料来涂覆。

图7表示一个实施例，其中参考探测器200是配置在箱10中并且实际上至少平行于测量探测器100的导电体。

图8表示可补偿图2所示处理电路的一个实施例。

图8表示与二个电极150、250相关的一个测量探测器100和一个参考探测器200(这一点如同图7中的实施例，尽管它可能符合本发明其它任何的实施例)，电极150、250被放在容纳在分析液体的箱底附近以便它们总是浸在液体中。它们通过电绝缘连接被连接到积分器级550。

图9表示设计成提供高和低液位双检测的一个实施例。

图9表示连接于导电材料箱10的一个参考探测器200(但它可以当作是与箱隔离并放在其中的一个物体)，和在要分别检测的高和低液位上的二个测量探测器100、100′。二个测量探测器100、100′通过图1预先描述的各二路开关420，被依次连接到电源装置和各自的积分器级500。

如果分析的液体在所涉及的测量探测器100或100′的液位之上或之下，则相关的积分器级500的输出电压发生变化。接着，能够比较积分器级500的输出信号和参考信号，以确定在箱中已达到高液位还是低液位。

当然，可能有只检测高液位和只检测低液位的信号测量探测器，或者有例如沿箱的高度交错排列的多于二个的测量探测器以检测各个液位。

图10表示包括在箱10中及分别在要检测的高液位和低液位上的二个测量探测器100，和在箱中及它的底部附近的一个参考探测器200的实施例。

图11表示最好被用于识别分析的产品，如测量在机动车中油的持量或鉴别食物产品或石油产品的质量的一个实施例。图11表示一个测量探测器100，它包括端接在底部圆环103中的一个垂直导电材料棒102。测量探测器100的垂直棒102用电绝缘材料104所覆盖，绝缘材料104依次由参考探测器200所覆盖。环103也同样。然而，在底环103的液位上，参考探测器200与绝缘体104隔开距离d(或者测量探测器100与绝缘体104隔开)以允许要分析的液体以这种方式进入在绝缘体104和参考探测器200或测量探测器100之间所规定的空间。

因此只有测量探测器103和参考探测器200的较低部分与鉴别要分析的产品有关。

当然，类似图5所示的简单检测器设备可以通过直接处理代表二个探测器100和200之间介质介电电常数所获得的信号，被用于鉴别或识别分析的产品，而不是使用它去检测一个液位。

图12表示类似于图9和图10所示用于检测液位的一个实施例，其中测量探测器100在箱10的外侧。这个实施例通常应用于电绝缘材料所构成的箱。

图13表示包括用于对测量提供补偿的一个温度传感器的另一个

实施例。

图13表示图6所示类型的测量探测器100和参考探测器200。然而，本发明不限于这个实施例。根据本发明可以应用探测器100的其它任何几何形状和布置。

此外，图13所示的温度探测器被放在测量探测器100上。然而，温度探测器480也可以被放在别的任何地方。

图13所示的温度探测器480的输出信号在时间T1期间被用于校正作用于测量探测器100的电压值-E，并在上述时间T2期间规定作用于积分器级500输入端的校正电压。

在这种情况下，在其非反相输入端通过电阻482被连接到温度探测器480的输出端并经由电阻483被连接到一个固定参考电压的运算放大器481的输出端上，获得电压-E。

运算放大器481的反相输入端通过电阻484被连接至地并通过电阻485连接至它的输出端。

在此在放大器481的输出端获得电压-E，它在与温度相反的方向上变化，由此补偿一些液体的介电常数随温度的变化。

运算放大器481的输出端经由前面提到的二路开关420被连接至测量探测器100。

校正电压在放大器481的输出端和地之间电位计487的滑臂上，由反相放大器486来采样。

在时间T2期间，反相放大器486的输出端经过由时基410所控制的开关488被连接至积分器级500的输入端。

借助于如图13所示的元件480至488，应用温度校正的电路可以被用于对产品鉴别的简单应用上，而不用测量液位。

在本发明又一个实施例中，要根据测量介质的介电常数进行一个校正，经由电阻482作用于运算放大器481的反馈，可能来自从类似于图8所示的探测器150的一个测量探测器而不是从温度传感器，接收信号的一个处理级。

通常，在本发明的上下文中，初始偏移电压可以用二种方式补偿：a)通过借助于电容切换系统600后的一个放大器抵消初始偏移并通过将相反符号的电压施加到应用运算放大器510求和点的场上，或b)在充电计数期间，对电容切换放大器600的求和点，将相反符号的电压同步地加到外加电场。

图14表示在非传导管道30中，用于检测或鉴别产品，例如用于固体、液体或气体产品之间的鉴别，像水或气的鉴别的一个实施例。为此，图14表示比如以简单的相对布置的方式放在管道30管壁上的一个测量探测器100和一个参考探测器200，尽管这不限于本发明。测量探测器100和参考探测器200可以轴向地或以非简单相对的直角位置被移动。如果有必要，探测器100和200由与那些介质之间有密封涂层保护以防止在管道中流动的介质。这种设备尤其能检测出气体中水的存在。

构成电荷计数系统的积分器级500在它的输出端提供与电极100和200之间产品的介电常数成正比的电压。水的介电常数和多数气体介电常数的比值大于15，这个装置能轻易地鉴别在管中存在的水或气体。

图15表示应用于闯入者检测的一个实施例。在这种情况，测量探测器和参考探测器是导体例如是电线，它们沿监视下的一个区域迂回。通过非限制性举例的方式，二个探测器100和200之间的距离可能大约为5cm。

更一般地说，在本发明的上下文中，二个探测器100和200之间的距离通常是从1到10cm并且最好约为5cm。

构成探测器100、200本体的非特征区域，可能是部分绝缘或在它们整个长度上被屏蔽。这个局部绝缘或屏蔽可以通过用相对于参考探测器200的电位传导套40局部地环绕测量探测器100来实现。在探测器100、200的探测范围内，人或物体的任何移动都改变介质的介电常数并由此改变积分器级500的输出电压而且因此检测出闯入。例如根据本发明的电路可以在测量探测器100和参考探测器200之间用约为4V的电压检测距探测器达40cm处的移动。

根据周围的温度和相对温度已经得出，环境可能最终产生漂移或偏移电压。如图15所示，这可以借助计算漂移平均值并由此校正信号的模块730被校正。在这篇文章中，根据正负传感可以描绘在一个物体闯入，加入探测器100和200的环境中和一个物体从上述环境移出之间的区别，其中在积分器级500的输出端上检测的电压改变。

基于因相对温度尤其是温度所导致周围介电常数的变化的校正，也可以借助由附加的积分器级所产生的参考信号来获得，该积分器级由放置在与检测器测量和参考探测器相同环境的附加测量和参考探测器所控制，但位于闯入者不可接近并因此不响应这个干扰的一个位置。

图15所示的设备变型可以被用于保护绘画或艺术品作或者类似的事物。

为此，放置二个探测器100和200在要保护的作品附近，以便作品的任何移动或者进入探测器的周围都产生相关积分器级500输出信号的变化。

当然，可以提供指示在监视下每个物体的一对探测器100、200，或者一对探测器100、200可以与在监视下的一组物体有关，如在陈列柜中或在公开表演或展览时。在后者的情况下，二个探测器100、200要足够长以围绕在上述所有物体的周围。在监视下探测器100、200可以在物品支撑的下面或后面。再一次，关于本发明的其它实施例，没有检测功能的探测器连线必须被中和以防止假报警。此外，物品的放置，比如一张桌，显示器或陈列柜，必须不是金属的或具有接地导电结构。

图16是简要表示用于检测在座位50上，例如车辆或飞行器座位，使用者存在和/或位置系统的实施例。这种系统比如可以被用于检测使用者的位置、方向或存在，以便一旦在碰撞时提供气囊的智能化控制。

在这种情况下，座位最好装备几对配置在座位装饰品下的测量探测器100和参考探测器200，例如面对特征区域，如腿、背、肩和头。来自探测器的输出可以被引到各个处理级或经由一个多路转换器被引到一个公共处理级。

由探测器提供的信号可以用很多不同的方式被处理。通过非限制性举例的方式，一个计算机可以对来自每个探测器的信号施加特定权值加起来。

这种设备比如能区分小孩与成年人，并因此控制气囊，以避免伤害使用者。

图17表示用于检测人或物品穿过通道60，例如用于计数或报警功能的一个实施例。

在这种情况下，测量探测器100和参考探测器200平行通道60的墙壁，如一个垂直的侧面墙壁。通过非限制性举例的方式，该二个探测器100、200可以采取在通道60整个高度上延伸电线的形式并且彼此隔开的距离约为5cm。通道最好不包括其它的导电接地，尤其金属、构架。

同样类型的设备可以被用于检测物品的通行或移动或者计量它们。通过非限制性举例的方式，一个测量探测器100和一个参考探测器200可以被用在这方面，如图18所示，沿物品移动的方向分别放置在输送带70相对的二侧，或沿着输送带70并列放置。

图19是图形表示采用键板形式的本发明的一个实施例。每个键80由一个导电材料的二个区构成，该二个区分别构成配置在支撑82上的一个测量探测器100和一个参考探测器200，该支撑82最好在网板印刷的电绝缘屏下，由比如一张塑料材料所构成。二个探测器100和200可能分开比如几毫米。当用户的手指接近由探测器所实现的对应检测区域时，围绕在探测器100和200周围介质的介电常数改变，它改变了一个相关的电荷积分器级的输出电平。探测器100和200通过任意的连接装置20、22被连接至处理装置500。如果用户的手指接近这些连接区域时，用这种方式构成的连接装置在所要求的检测区域以外必须通过屏蔽它们被抵消，以防止虚假检测。参考探测器200最好都连在一起。由一对探测器100和200构成的每个键可以被连接至各个积分器级500。然而，各种键最好经由一个多路转换器被连接至一个公共积分器级。在这种情况下，每个键通过前面提到的顺序T1、T2被连续扫描并且在积分器级500的输出信号中的变化被认为是同步扫描键造成的。

图20表示构成压力传感器的本发明另一个实施例。在这种情况下，二个探测器100和200被分别放在由于外加压力的作用能相对移动的传感器各部分。如图所示，传感器84具有由一个条性膜片88分成二个腔86、87的一个室85，膜片88由于经由一个入口89供入第一腔86的压力是可弯曲的。二个探测器中的一个，这里是测量探测器100，被放在可弯曲膜片88上而另一个，这里是参考探测器200，被放在传感器室的固定壁上，比如第二腔87的底壁，反之亦然。第二腔87可以被封闭或通向大气或与参考压力相连。可弯曲膜片88可能与校准的负载弹簧有或无关。探测器100和200通过连接装置，例如在探测器在可弯曲膜片上的情况下的一个柔性导体，被连接至积分器级500。与图中所示的传感器有关的积分器级500的输出电压，与反映压力变化的探测器100和200之间距离成反比例变化。

图21表示本发明另一个实施例，它构成响应轮胎90充气的传感器。在这种情况下，探测器100和参考探测器200被放在轮胎或相关结构的各个区域内，以便它们根据轮胎的充气彼此相对移动。通过非限制性举例的方式，测量探测器100是轮胎90的径向金属外胎而参考探测器200是轮缘或者外加到轮缘92且通过绝缘材料，如合成橡胶，与其绝缘的一个金属带，反之亦然。探测器100和200在轮缘上通过连接装置，如屏蔽连接器20/22被连接积分器级500。二个探测器100和200之间的距离根据轮胎的充气情况而变化。因此这个变化也作用于积分器级500的输出信号。相应的信息在车辆的轮缘和轮毂，或一般的说它的车身之间，通过连接装置如电磁应器或一个任意连接，被发送。

当然，本发明不限于前面描述的实施例，而是包括所有符合本发明精神的变型。

本发明具有很多超过测量设备的现有技术的优点。

尤其它提供了很灵敏的电路，能测量比如几百飞库仑那么低的电容值。

本发明也可以被用于实现带有完美电流绝缘的检测装置，因此对于用户是完全安全的。所需要的是用完全绝缘的屏幕，如一个触摸屏，保护探测器100和200。这种设备在敏感的环境内比如像浴室内，实现在应用管理方面的用途。在这种情况下，本发明采用由各个区域组成的踏板形式或其每个键与各自的测量探测器100相关的形式，控制一项具体的功能，比如阀的开/闭，流速的调节、热水、冷水、或者例如借助于机电设备的任何等效功能。

Claims

1.一种利用介电常数间接测量的测量设备，包括分别构成测量探测器(100)和参考探测器(200)的二个导电体、适于提供控制幅值的直流电压的电源装置(300)、包括电容切换系统(530)的一个积分器级(500)和适于以一个控制频率定义一个循环的二个顺序的控制装置(400)，即一个第一顺序(T1)，在此期间电源装置(300)被连接到测量探测器(100)以在测量探测器(100)和参考探测器(200)之间施加一个电场并在测量探测器上累积电荷，和一个第二顺序(T2)，在此期间电源装置(300)与被连接至积分器级(500)的求和点的测量探测器(100)分断以将电荷传送入积分器级(500)并由此在输出端获得代表测量探测器(100)和参考探测器(200)之间介电常数的一个信号，其特征在于：积分器级(500)包括一个运算放大器(510)、构成所述放大器(510)反馈电容的一个第一积分电容(520)和以由控制装置(400)所控制的顺序(T1、T2)计时速率在运算放大器(510)的输出端和输入端之间切换的一个第二电容(530)，以便均衡状态下，运算放大器(510)的输出是等于：-E·Cs/C530的“Vs平衡”电压电平，关系式中-E是跨接电源装置(300)的电压而Cs和C530分别是在测量探测器(100)和参考探测器之间限定的电容值和第二切换电容(530)的电容值。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于切换电容(530)具有与测量探测器(100)和参考探测器(200)之间的电容值同样数量级的电容值。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于该积分器电容(520)被连接在运算放大器(510)的反相输入端和输出端之间。

4.如权利要求1至3中任一要求所述的设备，其特征在于所述切换电容(530)在电源提供给测量探测器(100)的顺序(T1)期间被连接至运算放大器的输出端而且在测量探测器(100)连接到该放大器(510)输入端的顺序(T2)期间被连接至运算放大器(510)的输入端。

5.如权利要求1至4中任一要求所述的设备，其特征在于切换电容(530)与测量探测器(100)同时切换。

6.如权利要求1至5中任一要求所述的设备，其特征在于它包括用于向测量探测器(100)施加零平均电压的装置。

7.如权利要求1连同权利要求6所述的设备，其特征在于运算放大器(510)在与适于被顺序地连接至测量探测器(100)的输入端相对的第二输入端上，接收相对于由电源向测量探测器施加的电压(-E)是相反符号的一个电压(+E)。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于施加于运算放大器(510)第二输入端的电压(+E2)的绝对值等于由电源装置(300)向测量探测器(100)提供的电源电压(-E1)数值的p倍。

9.如权利要求1至8中任一要求所述的设备，其特征在于控制装置(400)适于规定50％的占空因数，即，二个相同持续时间的连续顺序(T1、T2)。

10.如权利要求1至9中任一要求所述的设备，其特征在于控制装置(400)适于向测量探测器(100)施加一个步进电压。

11.如权利要求1至10中任一要求所述的设备，其特征在于控制装置在5至50kHZ的一个频率上限定一个顺序循环(T1和T2)。

12.如权利要求1至5和7中任一要求所述的设备，其特征在于：构成运算放大器(510)反馈电容的电容器(520)具有至少1000倍于切换电容器(530)的电容。

13.如权利要求1至12中任一要求所述的设备，其特征在于积分器级被连接到包括零调节装置(610、612、614)处理级(600)的输入端。

14.如权利要求1至13中任一要求所述的设备，其特征在于积分器级(500)被连接至包括满量程范围调节装置(606)的处理级(600)。

15.如权利要求1至14中任一要求所述的设备，其特征在于它还包括用于确定测量探测器和参考探测器(100、200)周围的介电常数并向处理信号施加一个校正值的至少一个辅助测量检测器(150)。

16.如权利要求15所述的设备，其特征在于辅助测量探测器(150)在箱底附近。

17.如权利要求1至16中任一要求所述的设备，其特征在于它还包括适于测量测量探测器(100)和参考探测器(200)周围温度的温度探测器。

18.如权利要求15至17中任一要求所述的设备，其特征在于校正装置(150、480)适于修改控制级(660)的增益。

19.如权利要求1至17中任一要求所述的设备，其特征在于校正装置(150、480)适于向由电源装置(300)施加于测量探测器(100)的电压外加补偿。

20.如权利要求1至17和19中任一要求所述的设备，其特征在于校正装置(150、480)适于产生作用于积分器级(500)输入端的校正电压。

21.如权利要求1至20中任一要求所述的设备，其特征在于它包括用于补偿积分器级(500)初始偏移电压的装置。

22.如权利要求21所述的设备，其特征在于偏移电压补偿装置包括在电容切换系统(600)下游的放大器，该电容切换系统(600)适于向作用于积分器级(500)求和点的电场施加相反符号的电压。

23.如权利要求21所述的设备，其特征在于偏移补偿装置包括在电荷计量期间，适于施加相反符号的电压给使电场同步地作用于电容切换放大器(600)求和点的装置。

24.如权利要求1至23中任一要求所述的设备，其特征在于它还包括用于产生表示在测量探测器(100)周围介质的频谱的信号的装置。

25.如权利要求24所述的设备，其特征在于频谱分析装置包括傅立叶转换计算装置和用于比较所获得的频谱与在数据库中存储的数字频谱的装置。

26.如权利要求24或25所述的设备，其特征在于频谱分析装置包括一个成形级(710)、一个高增益高通级(712)，一个同步检测器(714)、一个积分器(716)和一个计算级(720)。

27.如权利要求1至26中任一要求所述的设备，其特征在于它包括二个导电体(100、200)，它们在1至10cm最好是5cm的距离上分别构成测量探测器和参考探测器。

28.如权利要求1至27中任一要求所述的设备，其特征在于测量探测器(100)和/或参考探测器(200)具有相对于探测器周围介质密封的绝缘涂层。

29.如权利要求1至28中任一要求所述的设备，其特征在于至少连接测量探测器(100)的连接装置(20、22)的一些部分在与参考探测器(200)相同的电位上由导电材料套所抵消。

30.如权利要求1至29中任一要求所述的设备，其特征在于它适于执行从包括测量电平、鉴别产品或检测存在或闯入的那组功能中选择的一项功能。

31.如权利要求1至30中任一要求所述的设备，其特征在于它包括一组连接于各个积分器级(500)的测量探测器(100)。

32.如权利要求1至30中任一要求所述的设备，其特征在于它包括一组经由一个多路转换器连接于公共积分器级(500)的测量探测器(100)。

33.如权利要求1至32中任一要求所述的设备，其特征在于它构成了一个液位测量设备。

34.如权利要求33所述的设备，其特征在于测量探测器(100)在箱(10)中通常是垂直的而积分器级(500)被连接至适于产生表示箱(10)中液体液位的一个信号的处理装置(600)。

35.如权利要求33所述的设备，其特征在于测量探测器(100)由在箱(10)中对应于扫描液位高度的一个导电区所构成。

36.如权利要求33或35所述的设备，其特征在于它包括一组在箱(10)中各自区别的液位的测量探测器(100)。

37.如权利要求33至36中任一要求所述的设备，其特征在于要检测的液体是导电的而且测量探测器(100)和/或参考参考探测器(200)具有一个电绝缘涂层。

38.如权利要求1至37中任一要求所述的设备，其特征在于参考探测器(200)由箱构成。

39.如权利要求1至37中任一要求所述的设备，其特征在于参考探测器(200)是围绕在测量探测器(100)周围的多孔部件。

40.如权利要求1至33中任一要求所述的设备，其特征在于它构成用于鉴别在管道(30)中流动的产品的设备，管道(30)装备有一个测量探测器(100)和一个参考探测器(200)。

41.如权利要求1至33中任一要求所述的设备，其特征在于它包括一个测量探测器(100)和一个参考探测器(200)，它们沿在监视下的一个区域延伸以构成闯入者检测设备。

42.如权利要求1至33中任一要求所述的设备，其特征在于它包括一组安装在座位上的成对的测量探测器(100)和参考探测器(200)以检测使用者的存在和/或位置。

43.如权利要求1至33中任一要求所述的设备，其特征在于它包括沿一个通道(60)的墙壁延伸的测量探测器(100)和参考探测器(200)以构成通过检测器。

44.如权利要求1至33中任一要求所述的设备，其特征在于它包括放在输送带侧面的一个测量探测器(100)和一个参考探测器(200)以检测物品的通过。

45.如权利要求1至33中任一要求所述的设备，其特征在于它包括一组构成触摸式键盘的成对的测量探测器(100)和参考探测器(200)。

46.如权利要求1至33中任一要求所述的设备，其特征在于测量探测器(100)或参考探测器(200)被放在一个可弯曲部件上，以构成压力传感器。

47.如权利要求1至33中任一要求所述的设备，其特征在于探测器(100)和参考探测器(200)被放在轮胎的二个区域，它们能根据轮胎的充气情况彼此相对移动以构成轮胎充气传感器。