CN1749743A - 多频电容测量装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种方法和系统，系统包括多频发生器，用于提供至少三个不同频率的信号给电极组件，对多个不同频率点测定其电容。如此，存在于电极组件附近的物质影响电极组件的电容。优选地，本发明适于可靠地监测路面状况。

Description

多频电容测量装置及其操作方法
技术领域
本发明涉及测定可以暴露于特定环境条件下的电极组件的电容变化的测量系统及方法，从而，例如，特定物质的存在由于介电常数变化而导致电容改变。
背景技术
在许多领域，需要特定环境条件的准确而迅捷的信息以启动对所检测到的环境条件的适当响应。例如，对路面环境条件充分地评估有助于极大地提高交通安全，因为可以基于该信息根据道路管理员和路面情况作出相应的决定。另外，有关路面状况的信息还可通过广播和电子信号方式传达到道路使用者，从而可使限速驾驶方式适应于当前的普遍路况。具体地说，关于路面结冰或潮湿的路段的任何信息有助于极大地提高交通安全。因而，现代道路信息系统(RIS)的主要内容之一是监视当前路面的状况，其中检测存在水、雪、冰以及趋于结冰是交通安全信息的最重要的部分之一。根据测量数据，可及时确定如路面的滑水或冰层的可能性的关键信息，从而采取预防措施。
特定区域内的环境条件在其他领域也是重要的，如飞机机翼结冰，采集可靠的气象数据包括在特定表面存在冰、湿气、水等，以及检测危险物质，如特定区域内的燃料或氨草胶(ammoniac)。但是，检测特定物质的存在或状态的任何系统的效率很大程度上依赖于测量数据的可靠性，例如，错误地将冰指示成水甚至可增加发生交通事故的可能性而不是促进交通安全。另外，道路信息系统需要提供大量的单独的表面探测器，从而相对于装置过早失灵而言的高度可靠性、维护所需的劳动和单个传感装置的成本效率是重要的标准。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种增强的传感器件和检测传感器件的电容变化的方法，例如，鉴于具有较高精确性和可靠性的表面监测尤其是暴露表面上水、雪、和冰的检测以及初期结冰的检测。
根据本发明的一个方案，通过多频电容测量装置来实现该目标，该装置包括电极组件，配置用以接收改变电极组件的电容的样本物质。该装置还包括与该电极组件结合在一起的多频发生器，用以按时间顺序的方式提供三个以上信号，各信号具有不同的频率。另外，该装置包括与该电极组件相连接的传感装置，用以测定表示三个以上频率中各个的电极组件的电容的值。
通常，电容器的电容，如电极组件的电容，依赖于几何结构如该电极组件的相应表面的距离，形状和尺寸，而且还依赖于设置在电极之间的材料的相对介电常数。而介电常数又依赖于该物质的温度和该电容器工作的测量频率。因此，利用电容的变化，物质或其特定状态的可靠检测根据一两个测量点不能可靠地进行。因而，为了精确地表现电极组件的电容特性，本发明提供一种测量装置，可检测三个以上不同频率的电极组件的电容的变化，从而在频域内提供多个测量点。因此，鉴于由库数据表示的特定参考状态，通过在频域内的至少三个测量点，与各个库数据相比该数据更可靠，从而可识别该电极组件的测量状态。例如，水在-1℃左右的介电常数基本上是从DC到1kHz范围内的常数并在约2kHz至几百kHz范围内减小。另一方面，水在1℃左右的介电常数基本上是高达约109Hz的频率的常数并在109Hz至1010Hz范围内减小。因而，通过所发明的多频电容测量装置，可在频域内取多个测量点，然后能可靠地识别特定的物质，如温度为+1℃的水，以及温度为-1℃的水。因而，特定物资可以理解为一种在特定环境条件下具有特定组成成分和特定状态的物质。例如，大气压下在1℃的水和大气压下-1℃的冰可以认为是两种不同的特定物质。因此，根据频域的若干测量点，可以极其可靠地检测例如水和冰的存在。另外，根据若干测量点，与基于一两个测量点的传统系统相比，即使在开始结冰时也可更可靠地检测到。
在另一实施例中，该传感装置包括电荷探测器，设置用以测定累积在至少三个不同频率的各个的电极组件上的电荷。因此，已核准的探测器装置，如积分器等可用于本发明，从而提高成本效率和可靠性。
在另一实施例中，该传感装置包括读出电容器(sense capacitor)和电压测量装置，其中该电压测量装置与该读出电容器相连接并被配置用以测定读出电容器的电压。
因而，该传感装置可具有少量的不昂贵且核准可用的器件，从而增强该装置的可靠性。
优选地，该电压测量装置包括模数转换器，从而提供表示该电容的测量值的数字值。相应的AD转换器在现有技术中已核准使用且价格较低。例如，相应的AD转换器可在微控制器中实现，其还可在测量装置中执行其他的功能，从而使该装置极其可靠并节省空间。
在另一优选实施例中，该频率发生器包括参考电压源和第一可控开关，该第一可控开关周期性地将参考电压源与电极组件连接以提供三个以上不同频率的信号。因此，该频率发生器可设置为简单且可靠的电子电路，其中该频率发生器也可方便地在微控制器中实施，该频率发生器通常配置为具有可工作在开关模式的数字输出。
在另一实施例中，该电压测量装置还包括第二可控开关，可控制地将该读出电容器与该电极组件连接。以这种方式，在应用三个以上不同信号之一时，在电极组件中存储的电荷可通过采用极其可靠且组件数量较少的电路结构转移到该读出电容器。从而还有助于装置可靠性和成本效率。另外，该读出电容器可选择以表明与电极组件的电容相比已知的且大容量值的电容，从而有利于估测所存储的电荷。
在优选实施例中，三个以上频率在大约50Hz到至少几MHz范围内变化。如前所述，由有关的特定物质的存在而引起的电极组件的电容的变化可以可靠地检测且可与相应的库数据比较，以可靠地识别有关的物质。具体地说，为跨越上述频率范围而选择的频率可以极其可靠的方式检测电极组件上水或冰的存在。根据本发明可以理解，根据它的相对于测量频率的相对介电常数的级数识别的物质，可在从几Hz至几MHz范围的频域内取若干测量点。例如，若干各自参考数据设置可存储为关于若干有关物质的库。例如，若本发明的测量装置用于路面监测系统中，若干有关的物质可代表水、雪、冰或包含有不同数量防冻物质如盐的水。由于采用多个测量点，根据本发明而提供的识别给定物质的精确度，在测量数据表明开始结冰时，有可能指示是否有足够量的防冻物质。类似地，在频域中测量点的数目及使用的测量频率范围适合于其他有关的物质，如任何有关区域内的燃料或其他危险液体的检测。
在优选实施例中，多频电容测量装置还包括比较器装置，配置用于将三个以上不同频率的各个值与各自的目标值进行比较，并在各值与其各自的目标值在预定的公差范围内相匹配时输出指示。
如前所述，表示在给定频率点的电极组件的电容的值可与各自目标值或库数据进行比较以识别有关的物质或其特定状态。因而，该测量值可以要求的方式被操作，从而以适于与目标值比较的形式来提供它们。例如，当目标值被提供为表示关于在特定环境条件下频率的有关物质的介电常数的数值时，该测量值可转换成表示电极组件周围的物质的介电常数相应的值。在其他情况，该目标值可以任何适当的形式提供以使其可与测量值直接比较，从而极大地简化比较器装置的结构。优选地，比较器装置在微控制器中实现，该比较器装置可具有存储在其内的目标值或可访问提供各自目标值的独立单元。例如，在多频电容测量装置中，目标值通过相应的网络由外部源提供以更新或完善微控制器中或其他存储装置中相应的库数据。更为有利地，该装置可包括配备相应的通信单元，允许通过有线或无线网络接收相应的目标值。在其他的实施例中，该通信单元可被构造用以通过网络从该装置向外部源传送数据，从而可在外部源对测量数据进行估测，因而提供采用包含大量不同状态的不同物质的大数据库的可能。具体地说，如前所述，目标值可表示在三个以上频率的各个的至少两个不同温度的材料的相对介电常数。以这种方式，可以可靠地检测并指示从水到冰的转换，反之亦然。
在另一实施例中，该装置还包括参考信号源，用于提供参考信号给传感装置，其中该参考信号表示三个以上不同频率的各个的各自参考值。该参考信号表示特定参考状态的三个以上不同频率的各个的电极组件的各自的电容。
通过参考信号源，信号可用于表示电极组件的特定参考状态，可用以提高所获得的测量值的精确度，由于伪信号和其他影响电极电容的功效没产生，样本物质可减小或去除。例如，参考信号可用于产生传感装置的差分输出信号，从而增强该测量数据的可靠性。
在另一实施例中，参考信号源与该传感装置结合在一起并用于接收表示电极组件的电容的测量值，且当由控制信号将该电极组件的状态设定为参考状态时，使用该测量值作为参考值。
如此，电极组件本身可用作在收到控制信号时产生参考信号的源，从而减小或消除任何有害效应。例如，当该电极组件的环境条件被评估适合产生参考信号，例如，当假定电极组件没有在其上形成特定物质，或在已知的条件下在电极组件上形成特定物质时，外部源或内部控制单元可提供相应的控制信号以启动测量周期，之后该测量数据用作该装置的一个以上后续的测量周期的参考值。由于电极组件的状况在参考状态时被认为是已知的，任何影响该装置测量过程的其他效应被减小或消除，如温度漂移，电极组件的永久污染等等，因为这些效应也至少部分地由参考值表示。
有利地，该参考信号源包括存储器，配置用以存储参考值，该参考值优选作为数字值获得。通过存储该参考值，可根据确定的参考值完成所需的实际测量周期数。另外，该存储器可被设置存储若干参考测量周期的参考值，以建立参考状态的“历史记录”。以这种方式，可以估计该测量装置的“演变”而且可用于评测如该装置的状态和该装置或其特定组件的可靠性。例如，在特定参考状态时，一个或多个组件电极正在进行的腐蚀可导致电容平稳减少或增加，从而根据该参考信号变化的评估可对特定的组件进行维护或替换。在要求高可靠性的系统中对测量装置的状态的评估是特别有利的，如在检测机翼结冰的系统中，在包括很多单个多频电容测量装置的系统中也是特别有利的，其配备了各自的通信单元以发送数据到中心控制站，由于这里整个系统的可靠性很大程度上取决于各装置的可靠性。因而，对各装置的维护或所预期的剩余使用寿命的预测有助于整体的可靠性。根据从许多装置中采集的数据和/或通过相应的运行测试容易建立评估该装置的状态的相应的“状态”数据。
在又一实施例中，传感装置还包括相连接的运算放大器，接收参考信号并输出差分信号，以得到三个以上不同频率的各个的测量值。在一个优选实施例中，连接该运算放大器以接收读出电容器上的电压和参考信号，并输出其差值到模数转换器。
通过以上述指定的方式设置运算放大器，从电极组件向AD转换器传送信号的信号通道不致于受干扰而且信号电平可通过AD转换器进行调整以适于信号的进一步处理。
在另一优选实施例中，参考信号源还包括相连接的数模转换器，以接收存储的数字参考值并输出表示该存储数字值的模拟信号到运算放大器。因而，通过运算放大器提供的电路的模拟侧得到的优势可有效地与数字信号处理相结合，如存储产生参考信号的参考数据，然后其可方便地转换为模拟信号以产生所需的模拟差分信号。另外，DA转换器可在微控制器中方便地实施，例如以适当地将数字输出程式化作为脉冲宽度调制输出的形式，或若干适当加权的数字输出等等。
在其他优选实施例中，电极组件的至少一个电极用绝缘材料涂覆。优选地，组件中的各电极涂覆绝缘材料层。在至少一个电极上设置绝缘材料层，通过有关的物质和其他材料基本防止在电容耦合的电极之间形成导电通路。因此，电极组件的电容的估算可以更可靠的方式进行。
在又一优选实施例中，该装置还包括配置的温度传感器，以检测电极组件或电极组件附近的温度。通过设置温度传感器，还可采集其他的环境信息并用于鉴定和评测表示电极组件的电容的测量值。例如，有关的物质的温度知识极大地改善根据相关频率的电容值来识别该物质的过程。因而，可以更可靠的方式识别物质和甚至其数量，从而，提供识别多种不同材料之间的区别的可能，如具有不同量的防冻物质的水等等。另外，特别是在包括多个独立装置的系统中，如道路信息系统，在电极组件及其周围的温度的其他信息可提供给中心站以完善从天气预报得到的另外的气象数据，从而能提供比外部源的气象数据具有更高的“空间分辨率”的相关交通信息。
在优选实施例中，该装置可以包括与频率发生器可操作地连接的控制单元和控制其操作的传感装置。有利地，控制单元、频率发生器，以及传感装置在适当的程式化微控制器中实施，从而极大地简化该装置的结构。
根据本发明的另一方案，用于检测环境条件的传感器系统包括若干根据前述的任一实施例的多频电容测量装置并将进一步详细描述，其中各测量装置包括通信单元，用于通过网络发送数据。另外，该传感器系统包括具有控制单元和用于通过网络接收数据的通信装置的中心站，其中配置的控制单元用以根据从那里所接收的数据评测多个多频电容测量装置的状态。
如前所述，在许多应用中，环境条件须跨越分布区域进行检测，如路面检测系统的情况，或在不同位置检查和监测机翼表面情况的系统等等。在这些情况中，所发明的系统可以可靠的方式监测扩大范围的区域，其中单个测量装置的测量数据和/或工作情况可由中心站控制和/或监测。在一些实施例中，配备了中心站的通信装置和各测量装置的通信单元，以将测量结果发送到中心站。以这种方式，在中心站可利用外部硬件和软件资源更加有效地对若干测量数据进行估算，由于单个装置的测量结果还可相对于其他装置如位于特定装置附近的装置的测量结果进行分析，从而测量结果的一致性可以被监测。另外，配置通信装置和通信单元以允许将数据从中心站传送到这些单个装置的一个或多个之中。例如，目标值，即，在这些单个装置中的库数据可根据中心站的决定进行更新并且合适的目标值可被传送给单个的设备。当装置中的目标值的存储容量有限并且全局的或本地的情况可改变而需要不同组的目标值时这样是有利的。例如，在夏季道路信息系统中不需要在温度低于0℃包含若干防冻物质的水的目标值，而需要更精确的更高温度的水的目标值，而且沉积在电极组件上的变化量可发送给单个测量装置以使得在雾天或雨天能更加精确的检测表面情况。
根据本发明的又一方案，气象测量系统包括根据前述的任意实施例的多频电容测量装置。另外，气象测量系统还包括与该多频电容测量装置可操作连接的控制单元，并被配置用以估算该装置提供的数据。另外，还设置用于显示气象数据的显示装置。
根据本发明，传统的气象测量系统和站(station)可方便地配备本发明的测量装置，以使其该气象测量系统的功能极大地增强。具体地说，该测量装置，即，至少它的电极组件，可以配备以检测在特定的测量表面上的水、冰、雪以及其可能的各种的量而得到其他信息。因而，与其他指示参数如温度、湿度、风、气压、日照时间等等的传感元件结合，可得到更加精确的天气情况预报和估测。
根据本发明的另一方案，还提供测定电极组件的状态的方法。该方法包括提供至少三个不同频率的信号给处于有关状态的电极组件。测定表示至少三个不同频率的各个的电极组件的电容的测量值，并将各测量值与至少三个不同频率的各个的各自的库值进行比较，其中库值表示至少三个不同频率的各个的电极组件的特定状态。最后，当各测量值与各库值在预定的公差范围内匹配时，将该有关状态确定为特定状态。
因此，根据本发明，可以得到表示三个以上不同频率的电极组件电容的测量值，然后与库值进行比较以识别电极组件的特定状态，如存在特定的物质，正如参照本发明的测量装置进一步说明的。
另外，如前所述，库值可表示一个或多个特定条件下的特定物质，如大气压下不同温度的水，其中在有的实施例中，库值可表示有关的物质的相对介电常数。测量值和库值的比较可包括任何适当的数据处理，如模数变换，数模变换，算术运算，中间数据存储等等。具体地说，测量值和库值的比较以及有关状态的识别可现场进行，也就是说，通过包括所需的独立配置的组件的测量装置，或可远程地进行，例如通过相应的网络，有线或无线，传送测量值到适当配置的分析站。例如测量站点的组件可包括与频率发生器、传感装置以及通信装置结合的电极组件，以将测量结果传送给远程站，可利用强大的硬件和软件资源从而与库值进行比较并估算该测量值。
在另一实施例中，该方法包括将该电极组件暴露在环境条件下以接收至少一种相关物质，其中库值表示在其上以预定的状态施加有一种物质的电极组件的状态。
因而，本发明的方法在测定特定环境条件下可沉积在电极组件上的有关的物质的存在和/或状态时有明显优势。因此，库值表示已知的预定状态的有关的物质，从而该状态将测量值与库值进行比较后易于识别。如前所述，根据本发明这种比较在至少三个不同频率的基础上进行以使得可以可靠地识别特定物质。有利地，库值表示特定条件下至少三个不同频率的有关的物质的相对介电常数。
在优选实施例中，该方法还包括为该物质的多个不同状态的至少有关的物质建立表示至少三个不同频率的各个的相对介电常数的数据库。例如，在与水接触时可采集表示大气压下不同温度的水的介电常数的数据并备用为可后续用以比较测量数据并识别相应的电极组件的状态的库数据。类似地，可为若干不同的物质建立库数据，如具有不同量的配料如盐等的水，或可以得到燃料、氨草胶等等的库值，从而可识别沉积在电极组件上的这些物质。
在优选实施例中，该方法还包括将具有特定状态的物质施加到电极组件上，测定表示至少三个不同频率的各个的电极组件的电容的参考测量值，并存储该参考测量值或表示与特定状态的库数据相同的值。
以这种方式，测量装置本身利用也可在实际测量中使用的相同的硬件组件产生库数据，从而提供减少在数据捕获和评测时所需的信号处理的工作强度的可能，由于在信号处理过程中库数据可以适当的形式和状态以及可与实际测量数据相同的形式和状态存储。例如，表示电极组件电容的测量读数可直接用作库数据并可被存储以使得在其他的实际测量周期中这些库值可直接与测量值比较。因此，测量值和库值都不必转换成特定的数据形式，如直接表示相对介电常数的数，因此，信号处理和比较可基于便于信号处理的信号格式进行。另外，由于库值也受相同效果影响，测量装置对测量数据的固有的效果可不需考虑。
在优选实施例中，测定表示至少三个不同频率的各个的电极组件的电容的测量值包括：a)用具有至少三个不同频率之一的信号给电极组件充电预定的时间周期，b)测定电极组件上存储的电荷，以及c)对至少三个不同频率的各个重复步骤a)和b)。
因此，在应用预定的脉冲序列期间通过测定存储在其上的总电荷数可得到电极组件的电容的精确表示。优选地，通过提供包括预定数量的脉冲的信号调整至少三个不同频率的各个的预定时间周期。依靠矩形波发生器或通过微控制器的适当的程序化的数字输出，通过提供具有特定数量的脉冲的信号，易于控制信号的频率和对电极组件充电的预定时间周期。
在优选实施例中，在预定的时间周期后通过将读出电容器与电极组件连接并测定读出电容器两端的电压来测定存储在电极组件上的电荷。以这种方式，可利用较少数量的电子元件测定存储在电极组件上的电荷，其中有利地该读出电容器可选用远大于电极组件的预定电容值的电容，从而使得该读出电容器在测量读数中的影响最小化。读出电容器与电极组件的连接可通过快速半导体开关来实现，如场效应晶体管等，其可通过微控制器的数字输出来控制而不需其他元件，从而使得电压测量的控制效率更高。
在另一实施例中，测定表示至少三个不同频率的各个的电极组件的电容的测量值包括：a)通过特定电阻器提供具有至少三个不同频率之一和特定幅度的信号给电极组件，b)测定电极组件上的电压，以及c)对至少三个不同频率的各个重复步骤a)和b)。因此，电极组件的电容可形成具有特定电阻的频率相关分压器，从而该组件的电容可根据至少三个不同频率的各个的压降和特定幅度来测定。例如，工作在稳定电压的微控制器可通过适当的程序化数字输出提供特定频率的信号和占空因数(duty cycle)，从而根据这些参数和电极组件上实际测量的压降可测定该电容。优选地，通过包括以低通滤波器形式连接的电阻和电容的积分滤波器可测量该压降，其中滤波电容器两端的电压被测量作为所需压降。
根据本发明的又一方案，方法包括设置若干电极组件并根据上述方法中的任何一种或所附的权利要求所限定的以及下面详细描述的方法测定各电极组件的状态。因而根据该方法可采集若干测量数据，从而用所需的空间分辨率“覆盖”特定区域。例如，该方法可方便地用以与道路信息系统、环境状况监测系统、机翼、船体以及火箭的表面监测等等相结合。在优选实施例中，该方法还包括将测量值传送给中心站，其中比较和确定的步骤在中心站进行。由于通常在中心站具有强大的硬件和软件资源，因此可以高效地处理和估测测量数据。例如，在中心站库数据的容量是可用的，其中即使有大量的单个电极组件，处理器强大的处理能力使其可将测量结果与库数据进行比较，以精确地测定一个或多个电极组件上的物质及其状态。另外，在一些实施例中，可在电极组件与中心站之间进行双向数据传送，从而中心站可监测和/或控制读出电极组件状态所需的任何硬件组件的工作情况和/或状态。在其他实施例中，可配备电极组件和相关的硬件组件以临时地存储测量结果，中心站可根据需要重新得到该测量结果。具体地说，可由中心站启动参考测量以估计电极组件当前的状态，其中参考测量的启动可基于其他信息如气象信息、温度信号等等。如此，可采集到相对可靠的参考数据，例如对于道路信息系统，随着时间的过去为得到电极组件性能的指示可存储这些相对可靠的参考数据。
附图说明
本发明的其他优选实施例在所附的权利要求中描述并参照附图予以描述，其中：
图1a所示为根据本发明的示范实施例电容测量装置的基本实施例的电路示意框图；
图1b和1c所示分别为温度高于结冰点和低于结冰点时水作为工作在各个频率的电容的电介质的相对介电常数的特性图；
图1d-1f示出了具有微控制器的测量装置的各种实施例的电路示意框图；以及
图2示意地表示了包括与中心站连接的多个电容测量装置的系统；
具体实施方式
图1a所示的电容测量装置100包括频率发生器110，传感装置120，和电极组件130。该电极组件130可包括配置并定位的两个以上单个电极以确定电极组件130的预定条件下至少两个单个电极之间的具体电容。也就是，该组件130的单个电极包括确定定位的特定电容表面的导电部分，从而设定其间的预定距离。众所周知，两个位置相互靠近的导电表面的有效电容由其几何结构、有效表面积的大小、表面区域之间的距离以及封入表面区域的空间的介电常数确定。例如，电极组件130可包括至少一对具有确定几何结构并由相应的外壳或支架支撑的板状电极，从而电极组件130可被定位以在至少一个暴露的表面部分接收有关的物质。有利地，该组件130的单个电极的至少一个暴露的表面部分用绝缘材料层涂覆以消除或至少减小单个电极之间建立导电通路的可能性。例如，若电极组件130设置成具有各自的引线的板状电极对形式，则一个或两个电极都完全绝缘，从而即使电极板之间的整个空间充满导电介质，如水、冰、雪等，也可避免电极之间短路。在电路图中，电极组件130由电容器131和与电容器131并联连接的高阻值电阻器132来表示。具体地说，当电极组件130在各电极上已形成相应的绝缘层时，即使有各种物质沉积在电极组件130上，电阻器132完全可以被看作为常量。但是，可以理解，电极组件130在特定的状态，任何其他影响因素如温度、材料磨损等可影响电阻器132的阻值和电容器131的电容值。但是电阻器132和电容器131相应的较小起伏易于补偿，这将在后面予以描述。频率发生器110被设置以提供至少三个不同频率的信号，其中，在优选实施例中，设置的频率发生器110可提供频率在从50Hz至几百kHz甚至高达几MHz范围内的信号。例如，频率发生器110可被构造成提供频率为50Hz，100Hz，1kHz，20kHz，100kHz和500kHz等等的信号。在如图1a中所示的实施例中，频率发生器110包括与可控开关113相连接的参考电压源111，该可控开关113与控制单元112相连接。可控开关113可包括场效应晶体管，其控制极(gate)连接到控制单元112，其可依次发送特定频率和占空因数的选通信号，从而可根据频率发生器110产生的若干频率之一相应地将参考电压源111连接到电极组件130。可以理解，如图1a中所示的频率发生器110可产生不同频率的矩形波型信号，由于所需的硬件配置可由少量组件获得。但是还可以理解，只要可提供三个以上频率给电极组件130，用产生其他类型信号的其他电路也是合适的。在具体实施例中，正如将参照图1d-1f进行描述的，频率发生器110可在微控制器中实施，而可控开关113可以微控制器的数字输出的形式提供。
在如图1a中所示的实施例中，可配置传感装置120以在预定频率的信号施加预定的时间周期之后测定电容器131中存储的电荷。因此，传感装置120可包括任何电荷感应测量装置(charge sensitivemeasurement device)121，如积分器等，这在现有技术中已熟知。在一个具体实施例中，传感装置120可包括与控制单元122相连接的可控开关123，控制单元122触发该开关123从而将电荷检测器121与电极组件130相连接。例如，开关123可设置成由单元122控制的场效应晶体管的形式，其中该单元122可表示微控制器的一部分，如由微控制器中运行的相应软件程序驱动的数字输出。
该装置100工作期间，在电极组件130上或其至少一部分上也许已经沉积特定物质，从而影响电容器131的电容。下面，用水作为有关的物质，其中可以理解在沉积在电极组件130上之后本发明可容易地应用于任何导致电容变化测量的物质。
图1b和1c示出水对若干不同温度的测量频率的相对介电常数的数量级。图1b示出水的液相特性，而图1c示出冰和雪的形成并表示水的固态。从图1b中可看到，液态水具有相对较高的介电常数，温度为1℃时介电常数约为90而在80℃的温度时介电常数约为70。由于电容与介电常数成正比，因此，在充分靠近电极组件130之处加水可明显地影响电容器131的电容。
图1c示出的是低于结冰点的水的类似曲线，其中很明显地温度为-1℃至-40℃的冰或雪与80℃及更低温度的水具有差不多相同的介电常数，因此，在恒定电流或较低频率时测量电容器131的电容不需区分热水及冰和雪。因此，根据本发明具有不同频率的若干信号加到电容器131上可得到至少三个不同频率甚至更多的若干测量数据，可允许不同物质之间或相同物质的不同状况之间的区别。图1c示出了可选择的频域内的若干测量点F1...F5以得到表示电容的若干测量数据，并因而得到沉积在电极组件130上的物质的介电常数。可以理解频率值F1...F5是示范性的，根据本发明可选用其他值，尤其不止所示出的值。
频率发生器110工作以提供多个对应于不同频率如频率F1...F5的不同信号，其中各个不同的信号加到电极组件130上预定的时间周期。例如，在所示的实施例中，控制单元112可周期性地激活开关113以产生预定数量的具有特定占空因数的输出脉冲，例如，占空因数为50％。矩形波信号被施加到电极组件130上并当电极组件130由开关113断开之后在电容器131上存储特定量的电荷。此时，控制单元122可启动开关123以读出存储在电容器131上的电荷，该电荷表示该电容器131的电容。典型地，电荷检测器121包括读出电容器，其中在优选实施例中该电荷检测器121对其上沉积的任何期望的物质可包括具有确定的基本上大于电容器131的电容的电容器。
因此，在这种情况下，电容器131的电容可通过测定电荷检测器121的电压和参考电压源111提供的电压进行估算。上述步骤可对任何所需频率如频率F1...F5进行重复，并相应地得到的表示电容器131的电容的测量值可用于将这些值与相应的库数据进行比较，库数据可从信息如图1b和1c的图表中得到。可以理解相应的库数据很容易从可公开访问的资源如数据库等处得到。
在其他实施例中，相应的库数据可在由装置100本身或相应的装置所获得的测量结果的基础上建立，如上所述，在该装置内确定条件下的公知物质应用到电极组件130上并执行测量程序。相应的测量值可用作特定条件下特定物质的库数据。因此，可测量若干不同状况和/或不同物质以建立多个库数据，该库数据可用于与实际测量数据比较以识别特定的物质和/或其状态。如此，由于测量值作为库数据可直接与其他测量值进行比较，所以不需要对测量值作进一步信号处理，因此可显著地简化信号处理和数据操作。但是，可以理解，即使进行测量时实际使用的库数据是由装置100作为测量结果而得到的，也可将相关测量结果的进一步数据处理成校准的库数据。当根据“已校准的”数据如图1b和1c的曲线中的数据对库数据经常进行相应的重新校准时，以后装置100的性能可被监测。
图1d示意性地示出根据另一个实施例的多频电容测量装置100。装置100还包括微控制器150，其具有在其内以硬件和/或软件构件的形式实现的各种功能，从而至少部分地提供频率发生器110和传感装置120的功能性。在所示的实施例中，传感装置120包括作为电荷检测器的读出电容器121，该读出电容器121与电压测量装置124相连接，电压测量装置124可以设置成具有合适分辨率的AD转换器的形式。例如，电压测量装置124可以在微控制器150中实施，现在，许多微控制器可将具有从8位到16位分辨率的AD转换器电路结合在其中。此外，传感装置120的可控开关123设置成场效应晶体管的形式，场效应晶体管的控制极连接到控制装置122，控制装置122以与微控制器150的特定数字输出结合的软件程序的形式设置。此外，参考电压源111可设置成微控制器150的稳压电源的形式。
如在图1d中所示的装置100的操作可以按照如在图1a-1c中说明的相似的方式执行，其中，由于对读出电容器121两端测量的电压的AD转换，测量数据和/或库数据的特定处理被简化。根据电压测量的读数，微控制器150可与相应的库数据进行比较，该电压测量读数可存储在微控制器150中或者可通过相应的接口140提供给微控制器150。接口140代表适合与外部源通信的任何通信装置，从而提供测量结果到外部源，或者接收库数据和/或用于控制装置100的测量操作的控制信号。例如，外部源可以代表包含库数据的存储装置。
在一些实施例中，与从传感装置120获得的测量值一起提供参考信号是有利地，从而补偿或减少任何内部的或外部的影响，内部的或外部的影响不是通过在电极组件130上的有关的物质产生的。因此，第二电极组件(未示出)配备成具有相应的硬件构件，从而提供指示第二电极组件的电容的相应测量值，其中第二电极组件被定位以保持在确定的状态，实质上不暴露于有关的物质中。按照这一方法，不是由有关的物质引起的任何影响可以相似方式影响电极组件130和第二电极组件，使得对测量结果的相应影响可消除或者至少明显地减少。
图1e示意性地表示装置100的另一个实施例，装置100包括不需要第二电极组件的参考信号源。装置100包括运算放大器126，运算放大器126以它的输入连接到在该实施例中由微控制器150的一部分表示的读出电容器121和参考信号源160。例如，参考信号源160可以包括DA转换器，从而在那里提供的数字值的基础上提供模拟信号。装置100还可以包括连接到参考信号源160的存储器装置170。
在运行期间，电极组件130可以是在特定(well-specified)的状态，例如，可以在上面提供特定物质，或者电极组件实际上可以完全没有任何物质，从而电极组件130可预期具有特定的电容，并且，测量顺序可以启动，其中参考信号源160可以提供中性的(neutral)或恒定的信号，以致于不影响获得的测量结果。然后，相应的测量结果可存储在存储器装置170中，作为可以在随后的实际测量周期中使用的参考值，以补偿设备波动和系统飘移。当期望电极组件130在预定的状态时，参考值可以经常建立，或者，可以按照需求建立，例如，当检测某一情况时，依据由外部源或微控制器150提供的控制信号的应用。可存储参考值，以便随着时间过去监视参考值进展，其中，在一些实施例中，可建立某一标准，以便评估与参考值的进展关联的装置100的状态。尤其是，当一个或多个参考测量与一个或多个“有效”标准不匹配时，微控制器150可以指示出无效状态，“有效”标准可以被定义为特定的阈值范围。例如，涂覆电极组件130的绝缘材料的退化随着时间的过去可以导致参考值的显著变化，因此，也使实际测量结果可靠性差，并且，装置100可能指示出无效的状态或者至少对认为需要注意的的测量结果给出指示。在高敏感应用和/或在需要大量的装置100的应用中对装置状态的相应监视是有利的，以便单个装置的装置状态可以有效地评估。
此外，装置100可以包括一个或多个另外的传感器元件，例如，连接到相应的控制装置的温度元件180，在本实施例中，该控制装置由微控制器150代表。由传感器180收集的另外的信息可以提高在检测特定物质时的准确性，以便获得比相应的库数据的测量结果更好的“分辨率”。
在其它实施例中，包括一个或多个另外的传感器元件180的装置100可以代表气象系统，其功能性通过与传感装置120和多频发生器110结合的电极组件130有效地扩展。在这种情况下，作为气象系统的装置100也可以包括与微控制器150连接的显示装置190，以根据从电极组件130和/或传感器元件180获得的测量结果显示任何信息。
图1f示意性地示出简化了传感装置120的装置100，其中，开关123可以省略并且可以用高阻的电阻器125替换，该电阻器125与读出电容器121结合构成低通滤波器。此外，电极组件130可以包括电阻器133，其与电容器131结合构成相关频率分压器(frequencydependent voltage divider)。在装置100运行期间，特定频率和幅度的信号，例如已知幅度和占空因数的矩形波信号，施加到电极组件130，其中，在电容器131上产生相应的电压，这取决于预定的频率、幅度和占空因数、以及电阻器133的值。因为具有确定阻抗的电阻器133可以容易地合并到电极组件130中或者在信号路径里的任何合适的位置，所以电容器131的电容可以通过检测在电容器131处的电压降来确定。所以，可以在读出电容器121处测量电压，其中，只要电阻器具有足够高的值并且电容器对提供到电容器131的信号进行适当地平滑，那么特定的值不是临界的。因此，当施加确定频率的信号时，可以确定电容器131的电容，不需要对多个脉冲和任何控制电压测量操作的开关进行特定的控制。为了测量较低频率的信号，AD转换器124的操作可以及时地与由频率发生器110提供的低频脉冲相关，并且，在各周期里，可以执行多次测量，从而获得适度精确的平均值。应该明白：在图1a中所示的实施例可以容易地与在图1e中所示的元件结合，例如，运算放大器126、参考信号源160和/或另外的传感器元件180。
图2示意性地示出系统200，系统200包括多个设置和形成接收有关的物质的电极组件230。尤其是，电极组件230可以包括至少一对具有绝缘表面部分235的电极，绝缘表面部分235限定电极组件230的特定的电容。电极组件230的各连接到各自的硬件和软件资源250，能够执行多频电容测量，如在图1a-1f所描述的。此外，硬件和软件资源250也包括通信装置，通信装置被配置用以通过网络240与中心站201通信。网络240可表示任何合适的有线或无线通信网络。配置中心站201以监视和/或控制单个的硬件和软件资源250的操作并且也可接收来自单个的资源250的测量结果，从而确定沉积在单个的电极组件230上的有关的物质的存在和/或状态。在一个具体实施例中，系统200可以代表用于收集有关路面情况信息的系统，其中，单个的电极组件230位于有关的道路的各个地点，以确定水、冰、雪的存在和这些物质的相应状态，例如，开始结冰等等。在其它实施例中，系统200可以代表用于检测在危险区域例如飞机机翼等等的特定物质的多传感器系统。在一个具体实施例中，硬件和软件资源250和/或中心站201被配置用以例如在参考测量数据的基础上评估单个的电极组件230的设备的状态和/或它们的硬件和软件资源250的状态，如在前面解释的。
在其它实施例中，中心站201可与外部源连接，以便从外面接收信息或提供信息到外面，例如，气象信息、技术信息等等。
结果，本发明提供一种新型的多频电容测量系统，允许以三个以上频率为基础确定电极组件的电容，因此，以可靠的方式提供用于确定有关的物质的存在和特征的能力。有利地，控制和管理道路和高速公路的公司可以应用该系统和方法，从而，提供监视道路表面情况的功能，提高安全性，并且，通过避免在道路上不必要地散布除冰物质而降低成本。此外，通过由本发明提供的功能，可以扩大气象站的功能，以允许可靠地检测暴露表面的表面情况。此外，在许多工业领域中，需要对极性液体例如水、燃料、或氨草胶进行检测，其中，高度的硬件可靠性和低成本使本发明成为非常吸引人的方法。此外，本发明的装置可以成成小体积的形式，从而容易安装在相应的测量场所例如道路表面上。整个配置不复杂，因此，确保可靠的系统长期运行，其中，可以保持低的功耗，以致于不用外部电源而连续地监视具体情况是切实可行的。此外，由于多频测量原理，可获得更高的灵敏度，这不仅可检测水或冰的存在，而且也能够检测冰层或水层的厚度并精确地监视冰的形成。

Claims (44)

1、多频电容测量装置，包括：
电极组件，配置用以接收改变所述电极组件的电容的测量物质，
多频发生器，与所述电极组件结合在一起，配置用以按时间顺序的方式提供三个以上各自具有不同频率的信号，及
传感装置，其与所述电极组件相连接，配置用以测定表示所述三个以上不同频率中的各个的所述电极组件的电容的值。
2、如权利要求1所述的多频电容测量装置，其中所述的传感装置包括读出电容器和电压测量装置，该电压测量装置与所述读出电容器相连接并用以测定读出电容器的电压。
3、如权利要求2所述的多频电容测量装置，其中所述的电压测量装置包括模数转换器，用以提供所述值的数字值。
4、如权利要求1至3中任一项所述的多频电容测量装置，其中所述频率发生器包括参考电压源和第一可控开关，该第一可控开关用于周期性地将参考电压源与所述电极组件连接以提供具有所述三个以上不同频率的所述信号。
5、如权利要求2、3或4所述的多频电容测量装置，其中所述电压测量装置还包括第二可控开关，用于可控制地将所述读出电容器与所述电极组件连接。
6、如权利要求1至5中任一项所述的多频电容测量装置，其中所述三个以上频率是从大约50Hz到至少几MHz中选择的。
7、如权利要求1至6中任一项所述的多频电容测量装置，还包括比较器装置，配置用于对三个以上不同频率中的各个值与各自的目标值相比较并当所述各值与其目标值在预定的公差范围内相匹配时输出指示。
8、如权利要求7所述的多频电容测量装置，其中所述各目标值表示所述三个以上频率的各个有关的物质的相对介电常数。
9、如权利要求8所述的多频电容测量装置，其中所述各目标值表示对于所述有关的物质的两个以上不同温度的所述三个以上频率有关的物质的相对介电常数。
10、如权利要求9所述的多频电容测量装置，其中所述各目标值表示对所述三个以上频率有关的至少两种物质的相对介电常数。
11、如权利要求1至10中任一项所述的多频电容测量装置，还包括参考信号源，用于提供参考信号给所述传感装置，所述参考信号表示所述三个以上不同频率的各个的各自参考值，并表示参考状态的三个以上不同频率的各个的所述电极组件的各自的电容。
12、如权利要求11所述的多频电容测量装置，其中所述参考信号源与所述传感装置相连接并用于接收所述表示电极组件电容的值，并且当由控制信号将该电极组件的状态设定为参考状态时，利用所述值作为参考值。
13、如权利要求3和12所述的多频电容测量装置，其中所述参考信号源包括存储器，配置用以将获得的所述参考值存储为数字值。
14、如权利要求11至13中任一项所述的多频电容测量装置，其中所述传感装置还包括相连接的运算放大器，用以接收所述参考信号并输出差分信号以得到三个以上不同频率的各个的所述值。
15、如权利要求3和14所述的多频电容测量装置，其中所述运算放大器被连接以接收所述读出电容器上的电压和所述参考信号，并将所述差分信号输出到所述模数转换器。
16、如权利要求13和15所述的多频电容测量装置，其中所述参考信号源还包括连接的数模转换器，用以接收所述存储的数字值并将表示该存储的数字值的模拟信号输出到所述运算放大器。
17、如权利要求1至16中任一项所述的多频电容测量装置，其中所述频率发生器和传感装置在微控制器中实现。
18、如权利要求1至17中任一项所述的多频电容测量装置，还包括温度传感器。
19、如权利要求1至18中任一项所述的多频电容测量装置，其中所述电极组件中的各电极用绝缘材料层涂覆。
20、如权利要求1至19中任一项所述的多频电容测量装置，还包括通信装置，配置用以将数据传送到外部源。
21、一种测定环境状况的传感系统，包括：
多个根据权利要求1至20的任一项的多频电容测量装置，各测量装置包括配置用于通过网络发送数据的通信单元，和
中心站，具有控制单元和用于通过所述网络接收数据的通信装置，所述配置的控制单元用以根据所接收的数据评测多个多频电容测量装置的状态。
22、如权利要求21所述的系统，其中所述多个多频电容测量装置被定位以暴露在路面状况之中。
23、如权利要求21或22所述的系统，其中所述通信装置还被配置用以接收外部源的气象数据。
24、如权利要求21至23所述的系统，还包括至少一个另外的获取环境信息的传感器件。
25、一种气象测量系统，包括：
根据权利要求1至20中任一项的多频电容测量装置，和
控制单元，可操作地与所述多频电容测量装置相连接，并用以估测由所述多频电容测量装置提供的数据，以及
显示装置，用于显示气象数据。
26、一种测定电极组件的状态的方法，该方法包括：
将至少三个不同频率的信号提供给处于有关状态的电极组件，
测定表示至少三个不同频率的各个的电极组件的电容的测量值，
将各个测量值与至少三个不同频率的各个的各自的库值进行比较，所述库值表示至少三个不同频率的各个的所述电极组件的特定状态，以及
当各测量值与各库值在预定的公差范围内匹配时，将该所述有关状态确定为所述特定状态。
27、如权利要求26所述的方法，其中所述至少三个不同频率在几Hz到几MHz范围内变化。
28、如权利要求26或27所述的方法，还包括将所述电极组件暴露在环境条件下以接收至少一种有关的物质，其中所述库值表示在其上以预定的状态施加所述至少一种物质的所述电极组件的状态。
29、如权利要求28所述的方法，其中所述库值表示至少三个不同频率中的各个在特定条件下所述至少一种物质的相对介电常数。
30、如权利要求26或27所述的方法，还包括建立数据库，该数据库表示多个不同状态所述物质的至少所述物质的所述至少三个不同频率中的各个的相对介电常数。
31、如权利要求30所述的方法，其中所述不同状态包括所述物质的多个不同温度。
32、如权利要求30所述的方法，其中所述库包括表示多个不同物质的至少三个不同频率的各个的相对介电常数。
33、如权利要求30至32中的任一项所述的方法，还包括将具有特定状态的所述物质施加到所述电极组件上，测定表示至少三个不同频率的各个的所述电极组件的电容的参考测量值，以及存储所述参考测量值或表示与特定状态的库数据相同的值。
34、如权利要求30至33中的任一项所述的方法，其中测定表示至少三个不同频率的各个的电极组件的电容的测量值，包括：
a)用具有至少三个不同频率之一的信号给电极组件充电预定的时间周期，
b)测定电极组件上存储的电荷，以及
c)对所述至少三个不同频率的各个重复步骤a)和b)。
35、如权利要求34所述的方法，其中所述至少三个不同频率的各个的预定时间周期可通过提供包括预定数量的脉冲的信号进行调整。
36、如权利要求34所述的方法，其中在所述电极组件上存储的电荷在所述预定时间周期后通过将读出电容器与所述电极组件连接并测定读出电容器的电压来测定。
37、如权利要求30至33中的任一项所述的方法，其中测定表示至少三个不同频率的各个的电极组件的电容的测量值，包括：
a)通过特定电阻将具有所述至少三个不同频率之一和特定幅度的信号提供给所述电极组件，
b)测定所述电极组件上的电压，以及
c)对所述至少三个不同频率的各个重复步骤a)和b)。
38、如权利要求30至37中的任一项所述的方法，其中测定表示至少三个不同频率的各个的电极组件的电容的测量值还包括：产生表示所述电极组件的参考状态的参考信号并从所述电极组件的输出信号中减去所述参考信号以提供所述至少三个不同频率的各个的差分信号。
39、如权利要求38所述的方法，其中当所述电极组件处于所述参考状态时，所述参考信号先于所述输出信号产生且所述参考信号或其代表被存储。
40、如权利要求39所述的方法，其中所述参考信号或其代表以数字形式存储并在从输出信号中减去之前变换成模拟信号。
41、如权利要求30至40中的任一项所述的方法，还包括获得环境信息并根据该环境信息确定电极组件的状态。
42、如权利要求41所述的方法，其中所述环境信息包括所述电极组件的当前环境的温度。
43、一种方法，包括：
提供多个电极组件，和
根据权利要求30至42中的任一项所述的方法测定各个所述电极组件的状态。
44、如权利要求43所述的方法，还包括将所述测量值传送到中心站，其中比较和确定的步骤在所述中心站进行。
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