KR20100054130A - 대상물의 용량성 탐지용 방법 및 장치 - Google Patents

대상물의 용량성 탐지용 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20100054130A
KR20100054130A KR1020107003158A KR20107003158A KR20100054130A KR 20100054130 A KR20100054130 A KR 20100054130A KR 1020107003158 A KR1020107003158 A KR 1020107003158A KR 20107003158 A KR20107003158 A KR 20107003158A KR 20100054130 A KR20100054130 A KR 20100054130A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
capacitor
sensor
voltage
tank
switch
Prior art date
Application number
KR1020107003158A
Other languages
English (en)
Inventor
페트리 벨리수오
유하니 비르타넨
카리 키메레이넨
라우렌티유 바르나
야르코 메키란타
Original Assignee
마리밀스 오이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 마리밀스 오이 filed Critical 마리밀스 오이
Publication of KR20100054130A publication Critical patent/KR20100054130A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B13/00—Burglar, theft or intruder alarms
    • G08B13/22—Electrical actuation
    • G08B13/26—Electrical actuation by proximity of an intruder causing variation in capacitance or inductance of a circuit
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/2405—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by varying dielectric
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/955—Proximity switches using a capacitive detector
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/960725—Charge-transfer

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

사람(BOD1)의 접근은 한쌍의 용량판(10a, 10b)을 가지는 센서 캐패시터(CX)의 용량치에 변화를 일으킨다. 이러한 변화는, 상기 센서 캐패시터(CX)를 전압원 (40)에 연결시킴으로써 충전하고, 상기 전압원(40)은 상기 충전시에 탱크 캐패시터 (C2)로부터 접속이 끊어지도록 하는 단계와, - 상기 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터(C2)로 전하를 반송하고, 상기 전압원(40)은 상기 전하반송시에 상기 탱크 캐패시터(C2)로부터 접속이 끊어지도록 하는 단계와, - 상기 충전 및 전하반송을 수회 반복하는 단계와, - 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)을 감시하는 단계, 및 - 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)의 변화율에 따른 적어도 한개의 측정치를 결정하는 단계에 의하여 탐지된다. 용량성 센서의 용량은 전형적으로는 낮아서, 100pF 내지 1nF 급내에 있다. 탱크 캐패시터(C2)의 용량은 센서캐패시터(CX)의 용량의 수배 크기에 달할 수 있다. 대형의 탱크 캐패시터(C2)는 신호잡음을 효과적으로 제거하는 로우패스 필터의 일부로서 작용한다.

Description

대상물의 용량성 탐지용 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CAPACITIVE DETECTION OF OBJECTS}
본 발명은 예를 들면 인체와 같은 대상물의 용량성(容量性) 탐지에 관한 것이다.
물체 또는 대상물의 존재는 2개의 판사이의 용량변화를 고려함으로써 검출될 수 있다. 대상물의 존재는 판들 사이의 유전율의 변화를 야기하며, 이는, 그 대상물이 상기 판들로부터 멀리 떨어져 있던 상황과 비교하여, 상기 2개의 판에 의하여 형성된 정전용량(이하 "용량"이라 함)에 있어서의 변화를 야기한다.
용량성 센서(capacitive sensor)는, 예를 들면 방범경보 시스템내에서 사람의 움직임을 포착하는 등의 용도로 사용된다.
용량성 센서의 용량의 절대치는 전형적으로는 매우 작다. 센서 및 감시회내에 결합된 전자 잡음은 상기 용량에서의 작은 변화를 탐지하기가 어렵게 한다.
캐패시터의 용량치는 RC-회로의 일부로서 상기 캐패시터를 결합함으로써, 또한 상기 RC-회로의 시간상수를 결정함으로써 측정될 수 있는 것이 알려져 있다. 저항 및 캐패시터는 직렬로 연결되며, 캐패시터는 규정된 전압으로부터 시작하여 저항을 통하여 충전된다. 충전시간은 시정수에 의하여 결정된다. 캐패시터 및 저항에 의하여 만들어진 회로의 시정수는 소정의 전압레벨에 이르기까지의 시간을 측정하거나 또는 소정의 로딩시간후의 전압을 측정함으로써 결정된다. 시정수 및 저항이 알려져 있으면, 용량이 계산될 수 있다.
이 방법은 용량성 센서의 용량을 측정하는데 사용될 수 있다. 이 방법의 문제점은, 측정된 용량이 낮으면 측정된 신호의 에너지가 매우 낮다는 것이다. 따라서 소정의 로딩시간후에 얻은 전압이나 충전시간을 측정함으로써 충분한 정밀도를 얻기가 어렵다. 또한, 전자기 방사가 그 측정을 용이하게 방해할 수도 있다. 실제로, 센서의 용량은 매우 낮아서 충전시간도 매우 짧고 저비용의 마이크로 콘트롤러를 사용함으로써 충분히 정확하게 측정이 불가능하다. 더우기, 이 원리에 근거한 측정은 어떠한 종류의 로우패스 필터도 포함하지 않아서, 측정될 신호의 상부에 위조된 고주파 잡음이 나타나도록 한다.
캐패시터의 용량치는 상기 캐패시터에 교류전압을 가함으로써, 또한 상기 캐패서터의 임피던스를 결정함으로써 측정될 수 있는 것이 알려져 있다.
캐패시터는 그의 임피던스때문에 교류에 저항한다. 임피던스는 주파수영역에서 용량에 반비례한다. 미지의 캐패시터의 임피던스는, 예를 들면 휘스톤 브리지와 같은 브리지 비교회로를 사용하여 주지의 캐패시터의 임피던스와 비교될 수 있다. 이러한 방법은 복잡한 회로를 필요로 하며, 따라서 고가이다.
캐패시터의 용량치의 변화는 동조된 발진회로의 일부로서 상기 캐패시터를 연결함으로써 탐지될 수 있음이 알려져 있다.
용량성 센서의 구성은, 미지의 센서 캐패시터와 주지의 코일(인덕턴스)로 구성된 공진회로를 포함하여 구성될 수 있다. 센서 캐패시터의 용량이 규정된 값에 이르면, 이 회로는 공진을 시작하고 발진의 진폭이 갑자기 증가한다. 회로가 공진하고 있는지의 여부는 용이하게 측정될 수 있다. 이 방법은 매우 예민하지만, 특정한 좁은 용량범위에서만 그렇다. 더 넓은 범위가 필요할 때에는, 이 방법은 실용적이지 않다.
본 발명의 목적은 대상물의 용량성 탐지에 적절한 장치 및 방법을 제공함에 있다. 대상물의 존재는, 그 대상물이 멀리 있는 경우와 비교할 때, 용량성 센서, 즉 센서 캐패시터의 용량을 변화시킨다. 용량성 센서의 근방에서의 대상물의 움직임은 센서 캐패시터의 용량을 변화시킨다.
본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 대상물을 용량적으로 탐지하는 장치가 제공되며, 이 장치는:
- 적어도 한개의 제 1 용량성 소자 및 적어도 한개의 제 2 용량성 소자의 사이에 형성된 한개의 센서 캐패시터를 가져서, 대상물의 존재가 상기 센서 캐패시터의 용량을 변화시킬 수 있도록 하는 용량성 센서와,
- 전압원과,
- 상기 센서 캐패시터를 충전하기 위하여 상기 전압원에 상기 센서 캐패시터를 연결하기 위한 제 1 스위치와,
- 탱크 캐패시터와,
- 상기 센서 캐패시터로부터 상기 탱크 캐패시터로 전하를 반송하고, 상기 탱크 캐패시터의 전압을 변화하기 위하여 상기 탱크 캐패시터에 상기 센서 캐패시터를 연결하기 위한 제 2 스위치와,
- 상기 스위치들이 동시에 폐쇄된 상태에 있지 않도록 상기 스위치들을 다수회 개폐함으로써 상기 충전 및 전하 반송을 제어하기 위한 적어도 한개의 스위치 구동유니트와,
- 상기 탱크 캐패시터의 전압을 감시하기 위한 전압 감시유니트 및,
- 상기 탱크 캐패시터의 전압의 변화율에 따른 적어도 한개의 측정치를 결정하기 위한 제어기를 포함하여 구성된다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 적어도 한개의 제 1 용량성 소자 및 적어도 한개의 제 2 용량성 소자의 사이에 형성된 한개의 센서 캐패시터를 가져서, 대상물의 존재가 상기 센서 캐패시터의 용량을 변화시킬 수 있도록 하는 용량성 센서를 사용함으로써 대상물을 용량적으로 탐지하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은:
- 상기 센서 캐패시터를 전압원에 연결시킴으로써 충전하고, 상기 전압원은 상기 충전시에 탱크 캐패시터로부터 접속이 끊어지도록 하는 단계와,
- 상기 센서 캐패시터로부터 탱크 캐패시터로 전하를 반송하고, 상기 전압원은 상기 전하반송시에 상기 탱크 캐패시터로부터 접속이 끊어지도록 하는 단계와,
- 상기 충전 및 전하반송을 수회 반복하는 단계와,
- 상기 탱크 캐패시터의 전압을 감시하는 단계 및,
- 상기 탱크 캐패시터의 전압의 변화율에 따른 적어도 한개의 측정치를 결정하는 단계를 포함하여 구성된다.
센서 캐패시터의 미지의 용량은 본 발명에 따른 측정회로에 의하여 결정된다. 본 발명에 따르면, 센서 캐패시터를 사용함으로써 전압원으로부터 상기 탱크 캐패시터로 전하를 수차례 반송함으로써 주지의 탱크 캐패시터가 충전된다. 이 충전은 센서 캐패시터의 용량에 비례하는 비율로 상기 탱크 캐패시터의 전압을 증가시킨다. 대상물의 이동은 제 1 변화율을 사전에 측정된 제 2 변화율과 비교함으로써 탐지될 수 있다. 만약 탱크 캐패시터의 전압의 변화율이 증가되면, 대상물이 용량성 센서에 가깝게 이동한 것으로 판단될 수 있다. 상기 전압의 변화율(2차 도함수)내의 변화는 대상물이 용량성 센서의 근방으로 이동한 것을 나타낸다.
센서 캐패시터의 전압은 저에너지 신호를 나타내며, 탱크 캐패시터의 전압은 고에너지 신호를 나타낸다. 소형의 센서 캐패시터로부터 대형의 주지된 캐패시터로의 전하 반송은, 예를 들면 아날로그-디지털 변환전에 저에너지 신호를 고에너지 신호로 적분할 수 있도록 한다. 따라서 전자간섭에 대한 측정장치의 감도가 상당히 감소된다.
측정장치의 작동 파라미터들도 분해능, 측정범위 및/또는 데이터 수득율을 최적화하도록 최적화될 수 있다. 상기 작동 파라미터들은 소프트웨어에 의하여 조정될 수 있다.
측정장치는, 소형의 센서 캐패시터와, 전하반송 스위치 및 대형의 탱크 캐패시터로 구성되는 저주파 필터를 포함하여 구성된다. 상기 저주파 필터는 고주파 간섭에 의한 잡음의 원인을 효과적으로 감소시킨다.
소용량은 예를 들면 100V 이상급의 고전압을 사용함으로써 정확하게 측정될 수 있음이 알려져 있다. 본 발명에 따르면, 용량의 변화가 예를 들면 24V 이하의 저전압을 사용함으로써 정확하게 감시될 수 있다.
본 발명의 실시예 및 이들의 장점은 이하에 주어진 기술 내용 및 실시예, 또한 첨부된 청구항등에 근거하여 당업자에게 보다 명백해질 것이다.
이하에서, 본 발명의 실시예들이, 첨부된 도면을 참조로 보다 상세하게 기술된다.
도 1 은 용량성 접근센서의 3차원 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 스위치 캐패시터 측정회로의 모식적 다이어 그램을 나타낸다.
도 3은 전압비교기를 포함하여 구성되는 용량성 측정장치의 회로도를 나타낸다.
도 4는 도 3의 장치용 타임챠트를 나타낸다.
도 5는 아날로그 스위칭 유니트 DG403DJ를 포함하여 구성되는 용량 측정장치의 회로도를 나타낸다.
도 6은 예시를 목적으로 한 측정출력을 나타낸다.
도 7은 용량 스위칭을 위한 컷오프 주파수를 나타낸다.
도 8은 아날로그-디지털 컨버터를 포함하여 구성되는 용량 측정장치의 회로도이다.
도 9는 도 8의 장치에 대한 예시적 목적의 타이밍챠트를 나타낸다.
도 10a는 예시를 목적으로, 도 3의 장치에 대한 캐패시터 전압의 순시적인 상태를 나타낸다.
도 10b 는 예시를 목적으로, 도 8의 장치에 대한 캐패시터 전압의 순시적인 상태를 나타낸다.
도 11은 용량성 센서 어레이(array)의 3차원 도면이다.
도 12a는 센서 웹(sensor web)의 평면도이다.
도 12b는 도 12a의 웹의 단면도를 나타낸다.
도 13은 미분 용량측정장치의 회로도를 나타낸다.
도 14a는 3개의 판을 포함하여 구성되는 용량성 접근센서의 3차원 도면이다.
도 14b는 2개의 판을 포함하여 구성되고 전기적 접지상에 배치되는 용량성 접근센서의 3차원 도면이다.
도 1에 있어서, 용량성 센서(20)는 제 1 도전성 소자(10a) 및 제 2 도전성 소자(10a)를 포함하여 구성될 수 있다. 소자(10a),(10b)들은 상호간에 전기적으로 절연된다. 소자(10a),(10b)들은 어떠한 형태도 가질 수 있다. 하나 또는 양 소자 (10a),(10b)들은 다수개의 부분으로 구성되는 도전성 구조를 가질 수 있다. 전기적 그라운드 또는 접지가 도전성 소자(10a),(10b)로서 사용될 수도 있다. 제 1 소자(10a)는 접속단자(T0)를 가지며, 제 2 소자(10b)는 접속단자(T1)를 가진다.
바람직하게는, 소자(10a),(10b)들은 판이다. 이들 판(10a),(10b)은 전기적으로 절연된 기판(5)상에 배치될 수 있다.
판(10a),(10b)들은 이들 판(10a),(10b)의 사이에 위치되는 매체와 함께 용량성 시스템을 형성한다. 상기 용량성 시스템(CX) 은 용량치 CX 를 가진다. 간단하게, 본 명세서에서는 부호 CX 는 물리적인 실체(캐패시터) 및 측정가능한 수치(용량)의 양자를 나타내는데 사용한다.
센서(20)의 근방에서의 대상물(BOD1)의 존재는 판(10a),(10b)들 사이의 매체의 유전율을 변화시킨다. 따라서 대상물(BOD1)의 존재는, 그 대상물(BOD1)이 센서 (20)로부터 멀리 떨어져 있던 상황과 비교할 때, 용량 CX 을 변화시키는 것이다.
용량 CX 은 대상물(BOD1)과 센서(20) 사이의 간격과, 대상물(BOD1)의 물질, 크기 및 형태 등에 따라 다르다. 따라서, 상기 용량성 시스템 CX 은 미지의 캐패시터를 나타낸다.
용량 CX 은, 대상물(BOD1)이 센서(20)로부터 멀리 떨어져 있을 때에는 예를 들면 5nF 이하일 수 있으며, 공간 분해등을 제고하기 위하여 1nF 이하도 될 수 있다. 판(10a),(10b)들이 충분한 공간 분해능을 보증하도록 작은 면적이 될 필요가 있을 수 있다.
대상물의 유전율은, 전형적으로는 공기의 유전율과 다르다. 전형적으로는, 대상물(BOD1)의 존재는 용량 CX 을 증가시킨다. 또한 도전성 대상물(BOD1)의 존재도 용량 CX을 증가시킨다. 이는, 도전성의 물체가 실질적으로 무한대의 유전율을 가지는 것으로 이해될 수 있기 때문이다.
센서(20)는 판(10a),(10b)들과 대상물(BOD1)사이의 전기적인 접촉을 방지하기 위하여 전기적인 유전층(예를 들면, 도 12b 참조)을 포함하여 구성될 수 있다.
최적의 공간 분해능 및 신호 대 잡음비를 위하여, 판(10a),(10b)들은 탐지될 대상물(BOD1)의 크기와 같은 같은 급이 될 수 있다. 만약 대상물(BOD1)이 인간의 발이라면, 판(10a)의 규격은, 예를 들면 DX 및 DY 의 방향으로 3 내지 30cm 의 범위에 있을 수 있다.
DX, DY 및 DZ 들은 직교좌표축들이다. 기판(5)은 DX 및 DY 방향으로 규정되는 평면상에 있을 수 있다.
도 2를 참조하면, 스위치 캐패시터 회로는, 2개의 스위치의 사이에 접속된 한개의 캐패시터를 포함함으로써 그 캐패시터가 교호로 충전 및 방전될 수 있는 회로이다. 이러한 종류의 회로는 저항처럼 기능한다.
도 2는, 미지의 센서 용량 CX, 제 1 스위치(S1), 제 2 스위치(S2) 및 전압원 (40)을 포함하여 구성되는 스위치 캐패시터 회로를 나타낸다. 전압원은 전압 V1을 공급한다. 스위치(S1),(S2)들은 이들 스위치(S1),(S2)들이 동시에 폐쇄된 상태에 있지 않도록 스위칭 주파수 fSW 로 개방 및 폐쇄된다. 예를 들어, 제 1 스위치는, 제 2 스위치(S2)가 개방(비도전)상태에 있을 때에, 폐쇄(도전)상태에 있거나, 혹은 그 반대에 있을 수 있다.
전압원(40)은 전압 V1을 공급한다. 스위치(S1)의 폐쇄는 센서 캐패시터(CX)로 전하를 운반한다. 스위치(S1)의 개방 및 스위치(S2)의 폐쇄는 전하를 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터(C2)로 운반한다. 스위치(S1),(S2)의 수차례의 교호적인 개방 및 폐쇄는 단계적으로 탱크 캐패시터(C2)의 전압을 증가한다. 스위칭은, 예를 들어 탱크 캐패시터(C2)가 소정의 전압을 얻을때까지 계속될 수 있다.
도 3은, 용량성 접근센서(20), 스위치(S1),(S2),(S3), 탱크 캐패시터(C2), 전압원(40), 기준 전압원(58), 비교기(50) 및 제어기(60)를 포함하여 구성될 수 있는 접근탐지장치(100)를 나타낸다. 전압원(40)은 전압 V1을 공급한다. 용량성 센서(20)는 센서용량 CX으로 나타낸다.
전압원(40)의 제 1 노드는 센서 캐패시터(CX)의 제 1 단자(T0)에 결합된다. 전압원(40)의 제 2 노드는 스위치(S1)에 의하여 센서 캐패시터(CX)의 제 2 단자 (T1)에 결합된다. 따라서 센서 캐패시터(CX)는 전압원(40)의 전압 V1 까지 충전된다.
단자(T0)는, 예를 들면 접지인 그라운드 GND로 접속될 수도 있다. 그러나 이것은 반드시 필요한 것은 아니다.
먼저, 탱크 캐패시터(C2)는 스위치(S3)를 폐쇄함으로써 방전될 수 있다. 스위치(S3)는 그 뒤에 개방되고 그 개방된 상태로 유지된다.
센서 캐패시터(CX)는 이제 스위치(S2)가 개방된 상태에서 스위치(S1)를 폐쇄함으로써 충전된다. 그리고 스위치(S1)가 개방되고, 스위치(S2)를 폐쇄함으로써 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터(C2)로 전하가 반송된다. 반송된 전하는 탱크 캐패시터상의 전압 VX을 약간 증가시킨다.
탱크 캐패시터(C2)의 용량은 센서 캐패시터(CX)의 최소용량의 10배 이상, 바람직하기로는 상기 센서 캐패시터(CX)의 용량치의 100배 이상이다.
탱크 캐패시터의 전압 VX 은 그 전압 VX가 기준전압원(58)에 의하여 제공되는 기준전압 Vref에 도달하거나 그를 초과할 때까지 스위치(S1)(S2)를 연속적으로 수차례 개폐함으로써 증가된다.
전압 VX 및 Vref 은 비교기(50)의 입력(51),(52)에 인가될 수 있다. 비교기 (50)의 출력(53)은 제어기(60)의 입력(61)에 인가될 수 있다.
제어기(60)는, 비교기 출력(53)이 변화할 때 스위치(S3)를 폐쇄함으로써 탱크 캐패시터(C2)를 방출하도록 배치된다.
제어기(60)는 비교기출력(53)이 바뀐 상태로부터 소정의 시간이 지난 후에 스위치(S3)에 의하여 탱크 캐패시터(C2)를 방전하도록 배치될 수 있다.
스위치(S1),(S2),(S3)들은 적어도 한개의 스위치 구동유니트(90)에 의하여 제어될수 있으며, 이는 별도의 구성품 또는 제어기(60)에 결합될 수 있다.
제어기(60)는 전하반송 주기의 수, 즉 비교기 출력상태를 변화하는데 필요한 스위치(S2)의 폐쇄횟수 NK 를 계수하도록 구성될 수 있다. 제어기(60)는 단자(62), (201)를 경유하여 외부의 데이터 처리장치(200)로 그 숫자 NK 를 보내도록 구성될 수도 있다.
숫자 NK, 또는 상기 계수 NK 에 종속되는 기타 정보는 측정결과를 나타낸다.
상기 기타 정보는 예를 들면, 탱크 캐패시터(CX)가 소정의 전압에 도달하는데 요하는 시간 TK 와 같은 시정수나, 소정 시간주기 TFIX 후에 얻어지는 탱크 캐패시터(C2)의 전압 VX이나, 센서 캐패시터(CX)의 절대치나, 그의 앞의 값과 비교했을때의 센서 캐패시터(CX)의 용량의 변화, 또는 앞에 측정된 값과 비교했을 때의 센서 캐패시터(CX)의 용량의 비교 변화율(예를 들면 +1%)등이 될 수 있다.
근접 탐지장치(100)의 데이터 수득율은 단위 시간당 측정된 독립적인 용량치 (CX)의 수를 의미한다. 스위칭 주파수라 함은 단위 시간당의 제 2 스위치(S2)의 폐쇄 주기수를 의미한다. 스위칭 주파수는 데이터 수득율보다 크기가 여러 차수배일 수 있다.
기준전압 Vref은 전압원(40)의 전압 V1의 30% 이하일 수 있으며 따라서 계수 NK와 용량치 CX 사이에서 선형적인 관계를 제공한다.
기준 전압원(58)은, 예를 들면 저항(R1),(R2)에 의하여 형성되는 분압기를 포함하여 구성될 수 있다. 분압기의 장점은 측정결과가 절대치 V1에 대하여 독립적이라는 점이다. 또한 예를 들면 제너다이오드에 근거한 기준전압원이 사용될 수 있다.
데이터 처리장치(200)는 예를 들면 경비시스템의 컴퓨터일 수 있다.
미지의 센서용량 CX의 절대치는 장치(100)에 의하여 결정된다. 센서용량의 절대치 CX는 탱크용량(C2)의 주지의 스위칭 주파수상의 용량값 및 전압원(40)의 전압 V1과 탱크 캐패시턴스(C2)의 전압 VX 사이의 주지의 비율에 근거하여 계산될 수 있다.
스위치(S1),(S2)의 임피던스(저항치 및 용량)를 고려하면 보다 정확한 계산이 가능하다.
계산에 의하여 결정된 용량치 CX 는, 예를 들면 단자(T0),(51)에 주지의 캐패시터를 결합함으로써 교정계수를 결정함으로써, 교정에 의하여 보다 정확하게 만들어질 수 있다.
그러나, 많은 경우에 센서용량 CX의 절대치를 결정할 필요는 없다. 장치 (100)는 센서 용량 CX 내의 변화를 탐지하도록 구성될 수도 있다. 이 변화는 예를 들면 전에 측정된 값과 비교할 때 1% 증가와 같은 상대적인 변화로서 결정될 수도 있다.
스위칭 주파수 및/또는 용량 C2 은 데이터 수득율, 정밀도 및/또는 분해능을 최적화하도록 조정이 가능하다. 예를 들어, 앞서 측정된 값에 근거하여 상기의 조정이 가능하도록 제어기(60)가 구성될 수 있다. 데이터 수득율, 정밀도 및/또는 분해능은 소프트웨어에 의하여 조정될 수도 있다.
용량 C2은, 예를 들면 또 다른 스위치에 의하여 또 다른 캐패시터를 병렬로 연결함으로써 조정될 수도 있다.
도 4는 도 3의 장치에 대한 타이밍 챠트이다. 위쪽으로부터 첫번째, 두번째, 세번째 및 다섯번째의 곡선들은 스위치(S1),(S2),(S3) 및 비교기출력의 논리상태를 각각 나타낸다. 위로부터 네번째 곡선은 탱크 캐패시터의 전압 VX 의 순시적 경과를 나타낸다.
스위치(S3)는 탱크 캐패시터(C2)를 방전하기 위하여 시간 t4,k-1 에서 폐쇄된다. 스위치(S3)는 탱크 캐패시터(C2)가 충분한 정도로 방전될 수 있도록 소정의 시간동안 폐쇄된 채로 유지될 수 있다.
t는 시간을 나타낸다. k는 현재 측정되는 결과의 인덱스를 나타내는 정수이다. 논리상태 O는 개방스위치를, 논리상태 1은 폐쇄된 스위치를 나타낸다. 적어도 스위치(S1),(S2)중의 어느 하나는 탱크 캐패시터(C2)의 방전시에 개방되어야 한다.
시간 t1,k 에서 스위치(S3)는 개방되고, 개방상태에서 스위치(S1),(S2)를 폐쇄함으로써 센서 캐패시터(CX)는 충전된다. 스위치(S1)는 시간 t2,k 에서 개방되고, 스위치(S2)는 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터(C2)로 전하를 반송하기 위하여 폐쇄된다. 탱크 캐패시터의 전압 VX 이 기준전압 Vref에 도달하거나 또는 초과할 때까지 스위치(S1),(S2)는 개방되고 폐쇄되기를 수차례 교대로 반복한다.
탱크 캐패시터의 전압 VX 은 시간 t3 , k 에서 기준전압 Vref 에 같아진다.
스위치(S3)는, 시간t4,k 에서 탱크 캐패시터(C2)를 다시 방전하도록 폐쇄된다.
시간 t2,k 및 t3,k 사이의 시간 Tk 은 계수 Nk 즉, 기준전압레벨 Vref 을 얻는데 필요한 스위치(S1),(S2)의 연속적인 개폐횟수에 비례한다. 시간주기 Tk 의 길이, 또는 대응하는 계수 Nk 는 측정결과를 나타낸다.
스위치(S1),(S2)를 사용함에 의한 새로운 충전 및 전하반송 시퀀스는, 다음의 계수 Nk+1 및/또는 다음의 시간주기 Tk+1 를 결정하기 위하여 시간 t1,k+1 에 다시 시작된다.
도 5는 마이크로 콘트롤러(IC1) 및 아날로그 반도체 스위칭 유니트 IC2A (DG403DJ)를 사용한 장치를 나타낸다. 이 스위칭 유니트는 스위칭 유니트의 입력 (15)측에 가해지는 구형파 신호에 의하여 구동된다. 구동신호의 주파수는, 예를 들면 500 kHz 이다. 스위칭 유니트는 제 1 스위치를 제 2 스위치와 다른 상태로 설정하기 위하여 구성되는 내부 인버터를 포함하여 구성된다. 제 1 스위치는 스위칭 유니트의 단자(3)(D2)와 (4)(S3)의 사이에 있다. 제 2 스위치는 스위칭 유니트의 단자(1)(D1)와 (16)(S1)의 사이에 있다.
센서 캐패시터(CX1)는 제 1 스위치에 의하여 전압 VCC로 충전된다. 다음에 그 전하는 탱크 캐패시터(C1)로 반송된다.
센서 캐패시터(CX1)의 용량은, 예를 들면 200pF 급이다. 탱크 캐패시터(C1)의 용량은 예를 들면 470 nF 일 수 있다.
12(VL)는 전압원의 단자를 나타낸다. GND 는 접지이다. "MEGA8-MI"는 마이크로 콘트롤러의 상표명이다. 마이크로콘트롤러는 부호 1-32 로 표시된 단자들을 가진다. PC6(RESET), AGND, AREF, AVCC, PB6(STAL1/TOSC1), PB7(LTAL2/TOSC2), GND, GND, VCC, VCC, PC0(ADC0), PC1(ADC1), PC3(ADC3), PC4(ADC4/SDA), PC5 (ADC5/SCL), ADC6, ADC7, PD0(RXD), PD1(TXD), PD2(INTP), PC3(INT1),PD4(XCK/T0), PDT(T1), PD6(AIN0), PD7(AIN1), PBP(ICP), PB1(OC1A), PB2(SS/OC1B), PB3 (MOSI/OC2), PB4(MISO) 및 PB5(SCK)등은 단자 1-32의 기능을 나타내는 기호들이다. 구동전압은 마이크로 콘트롤러의 단자(14)로 공급되며, 탱크 캐패시터의 전압은 마이크로 콘트롤러의 단자(24)에 의하여 감시된다.
도 6은, 예시를 목적으로, 대상물(BOD1)이 용량성 센서(20)로부터 상이한 거리에 위치하였을 때의 소정의 계수치 Nk의 순시 경과를 나타낸다. 최하치는 대상물이 센서로부터 멀리 떨어져 있을때 탐지된다.
이 값들은 19.52Hz 의 샘플링 주파수로 측정되었다. 결정된 값들의 최소 인덱스값 k 는 9670 이었으며 최대는 33991 이었다.
도 7a를 참조하면, 선 A, B, C, D 및 E 들은 12비트 분해능이 측정에 바람직했을 때, 주어진 스위칭 주파수 fsw 에서의 탱크 캐패시터(C2)의 적절한 용량치와 샘플링 주파수 f 와의 가능한 관계를 나타낸다.
예를 들어, 스위칭 주파수가 500kHz 이고 마이크로 콘트롤러(60)의 클록율이 8MHz일 때, 탱크 캐패시터(C2)에 대한 적절한 값은, 예를 들면 470nF 가 될 수 있다. 비교기 출력의 상태 또는 A/D 컨버터출력의 상태는 마이크로 콘트롤러(60)의 클록 주파수에서 시험(샘플링)될 수 있다.
더 큰 탱크 캐패시터(C2)가 보다 높은 스위칭 주파수 fsw 용으로 선택될 수 있는데, 왜냐하면 단위시간당 반송되는 전하는 더 높은 스위칭 주파수에서 더 크기 때문이다.
샘플링주파수는 스위칭 주파수와 같을 수 있다. 그 경우에 정밀도는 스위칭 주파수에 의하여 제한된다. 스위칭 주파수가 예를 들어 500kHz 이고, 분해능이 12비트일 때에는, 대략 120Hz(=500kHz/212)에 동등한 샘플링 주파수(데이터 수득율)에 달하는 것이 가능하다.
비교기의 출력이 시험되는 비율(샘플링 주파수)도 스위칭 주파수보다 높을 수 있다. 전하는 무한대로 빠르게 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터(C2)로 반송되지는 않는다. 스위칭 주파수보다 더 높은 샘플링 주파수를 사용함으로써, 전하가 센서 캐패시터로(CX)부터 탱크 캐패시터로 완전히 반송될 때에 보다 상세한 정보를 얻을 수 있다. 샘플링 주파수는 예를 들면 스위칭 주파수의 정수배일 수 있다.
스위칭된 캐패시터(CX) 및 탱크 캐패시터(C2)는 양자가 함께 잡음을 억제할 수 있는 로우패스 필터를 구성한다. 도 7b를 참고하면, 선 A,B,C,D 및 E 들은 상기 로우패스 필터의 컷오프 주파수 fc 및 탱크 캐패시터(C2)의 용량 사이의 관계를 나타낸다.
효과적인 잡음제거를 위하여, 낮은 컷오프 주파수fc 를 선택하는 것이 유리하다. 그러나 컷오프 주파수 fc 는 데이터 수득율(단위시간당 측정될 수 있는 독립 용량치 CX 의 수)에 대한 상한을 설정할 수 있다. 따라서 컷오프 주파수 fc 는 선택될 수 없다.
예를 들어, 스위칭 주파수가 500MHz 이고, C2=470nF 일때, 컷오프 주파수 fc 는 대략 100Hz 이다.
도 8은 접근 탐지장치(100)를 나타내며, 이는 용량성 센서(20), 스위치(S1), (S2),(S3), 탱크 캐패시터(C2), 전압원(40), 기준 전압원(58), 아날로그-디지털 (A/D) 컨버터(70) 및 제어기(60)를 포함하여 구성된다.
전압원(40)은 전압 V1 을 제공한다. 용량성 근접 센서(20)는 미지의 센서 용량 CX 에 의하여 표시된다.
전압원(40)의 제 1 노드는 센서 캐패시터(CX)의 제 1 단자(T0)에 접속된다. 전압원(40)의 제 2 노드는 스위치(S1)에 의하여 센서 캐패시터(CX)의 제 2 단자 (T1)에 접속된다. 따라서 제 2 캐패시터(CX)는 전압원(40)의 전압 V1으로 충전될 수 있다.
단자(T0)는 그라운드 GND 에도 또한 접속될 수 있다. 그러나, 반드시 그런 것은 아니다.
먼저, 탱크 캐패시터(C2)는 스위치(S3)를 폐쇄함으로써 방전될 수 있다. 그리고, 스위치(S3)가 개방되고, 그 개방된 상태로 유지된다. 센서 캐패시터(CX)는 스위치(S1)를 폐쇄함으로써 충전되고, 스위치(S2)는 개방된 상태로 있다. 그리고, 스위치(S1)가 개방되고 스위치(S2)를 폐쇄함으로써 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터(C2)로 전하가 반송된다. 반송된 전하는 탱크 캐패시터상의 전압 VX을 약간 증가시킨다.
탱크 캐패시터의 전압 VX은 스위치(S1) 및 (S2)를 연속적으로 다수회, 예를 들면 소정의 시간 TFIX 동안 개방 및 폐쇄함으로써 증가된다.
선택적으로, 탱크 캐패시터의 전압 VX 은, 전압 VX 가 소정의 전압레벨 Vref 에 달하거나 이를 초과할 때까지 스위치(S1) 및 (S2)를 연속적으로 다수회 개방 및 폐쇄함으로써 증가된다.
전압 VX 은 A/D 컨버터(70)의 입력(71)에 결합될 수 있다. A/D 컨버터(70)의 출력은 제어기(60)의 입력(61)에 결합될 수 있다.
스위치(S1),(S2),(S3)들은 적어도 한개의 스위치 구동유니트(90)에 의하여 제어될 수 있으며, 이는 제어기(60)내에 통합되거나 별개의 부품으로 될 수 있다.
구동유니트(90)는 소정의 시간 TFIX 후에 스위치(S3)를 폐쇄함으로써 탱크 캐패시터(C2)를 방전하도록 구성된다. 선택적으로, 구동유니트(90)는 전압 VX 가 소정의 전압레벨 Vref 에 달하거나 이를 초과할 때까지 스위치(S3)를 폐쇄함으로써 탱크 캐패시터(C2)를 방전하도록 구성될 수도 있다.
제어기(60)는 전하반송 주기의 수, 즉 비교기 출력상태를 변화하는데 필요한 스위치(S2)의 폐쇄횟수 NK 를 계수하도록 구성될 수 있다. 제어기(60)는 단자(62), (201)를 경유하여 외부의 데이터 처리장치(200)로 그 숫자 NK 를 보내도록 구성될 수도 있다.
숫자 NK, 또는 상기 계수 NK 에 종속되는 기타 정보는 측정결과를 나타낸다.
선택적으로, 또는 부가적으로, 제어기(60)는 탱크 캐패시터(C2)의 충전동안에 전압 VX 의 변화율을 결정하도록 구성될 수도 있다. 제어기(60)는 전압 VX 의 변화율로부터 그 이상의 정보를 결정하도록 구성될 수도 있다.
시간 TFIX 는 계수 NK 와 용량치 CX 사이에 실질적으로 선형 관계를 제공하도록 충분히 짧게 구성될 수 있다.
기준전압 Vref 은 계수와 용량치 CX 사이의 실질적인 선형관계를 제공하도록 충분히 낮게 구성될 수 있다. Vref는 예를 들면 전압원(40)의 전압 V1 의 30% 이하일 수 있다.
A/D 컨버터(70)의 데이터 수득율은 각 전하반송 단계에 대하여 전압치 VX 를 기록하고 수치신호 처리에 대한 데이터 포인트의 최대숫자를 캡처하기 위하여 제 2 스위치(S2)의 스위칭 주파수 이상으로 높이 될 수 있다. 그러나, A/D 컨버터(70)의 데이터 수득율은 수치신호 처리를 단순화하고 가속화하도록 낮을 수도 있다.
아날로그 로우패스 필터가 잡음을 더 감소할 수 있도록 A/D 컨퍼버(70)의 입력(71)의 앞쪽에 접속될 수 있다.
도 9는 도 8의 장치에 대한 타이밍 챠트이다. 위쪽으로부터 첫번째, 두번째, 세번째 곡선들은 스위치(S1),(S2),(S3)의 상태를 각각 나타낸다. 네번째 곡선은 탱크 캐패시터(C2)의 전압 VX 의 순시적 경과를 나타낸다.
스위치(S3)는 탱크 캐패시터(C2)를 방전하기 위하여 시간 t4,k-1 에서 폐쇄된다. 스위치(S3)는 탱크 캐패시터(C2)가 충분한 정도로 방전될 수 있도록 소정의 시간동안 폐쇄된 채로 유지될 수 있다.
논리상태 O는 개방스위치를, 논리상태 1은 폐쇄된 스위치를 나타낸다. 적어도 스위치(S1),(S2)중의 어느 하나는 탱크 캐패시터(C2)의 방전시에 개방되어야 한다.
시간 t1,k 에서 스위치(S3)는 개방되고, 개방상태에서 스위치(S1),(S2)를 폐쇄함으로써 센서 캐패시터(CX)는 충전된다. 스위치(S1)는 시간 t2,k 에서 개방되고, 스위치(S2)는 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터(C2)로 전하를 반송하기 위하여 폐쇄된다. 시간 t2,k 로부터 시작하여 고정된 시간 TFIX 가 경과할 때까지 스위치(S1),(S2)는 개방되고 폐쇄되기를 수차례 교대로 반복한다.
시간 TFIX 의 끝에서, 즉 시간 t3,k 에서, 탱크 캐패시터의 전압 VX 의 최종치 Vk는 기록될 수 있다. 최종치 Vk는 인덱스 k 를 가지는 측정치을 나타낸다. 센서 캐패시터(CX)는 이제 최종치 Vk에 거의 반비례한다.
스위치(S3)는, 시간t4,k 에서 탱크 캐패시터(C2)를 다시 방전하도록 폐쇄된다.
스위치(S1),(S2)를 사용함에 의한 새로운 충전 및 전하반송 시퀀스는, 다음의 최종 전압치 Vk+1 을 결정하기 위하여, 즉 새로운 측정치를 결정하기 위하여 시간 t1,k+1 에 다시 시작된다.
최종 전압치 Vk를 결정하는 대신, 제어기(60)는 탱크 캐패시터(C2)의 충전시에 전압 VX의 변화를 결정하도록 구성될 수도 있다. 제어기(60)는 전압 VX 의 변화율, 또는 탱크 캐패시터(C2)를 충전하는 동안 상기 변화율에 종속하는 다른 파라미터를 결정하도록 구성될 수도 있다.
도 10a 을 참조하면, 탱크 캐패시터의 전압 VX 은 잡음 δV을 가지도록 구성될 수 있다. 전자잡음이 예를 들면 센서(20)의 판(10a),(10b)이나 센서(20)의 전선에 인가될 수 있다. 전형적으로 가장 심한 잡음성분은 50Hz (유럽의 경우), 또한 전력 네트워크의 교류 주 전압에 기인하여 그의 고조파(미국의 경우)에 있게 된다. 센서(20)의 잡음, 즉 센서 캐패시터(CX)의 전압의 잡음은, 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터로 전하가 반송될 때 상당히 감소되는데, 이는 스위치(S2) 및 탱크 캐패시터(C2)의 조합이 마치 로우패스 필터처럼 작용하기 때문이다. 그러나, 센서 캐패시터(CX)의 잡음의 일부는 아직도 탱크 캐패시터(C2)의 전압 VX 상에서 반송된다. 또한 잡음은 장치(100)의 측정회로에 직접 가해지기도 한다. 또한 비교기의 입력에서의 기준전압레벨 Vref 또한 상당한 잡음을 가질 수 있다.
시간 Tk 및/또는 계수 Nk 는, 전압 VX 이 기준 전압레벨 Vref 에 도달하거나 초과할 때의 시간을 측정함으로써 결정된다. 다시 말해서, 시간 Tk 및/또는 계수 Nk 는 VX 의 전압곡선이 기준 전압레벨 Vref 와 접하거나 또는 교차하는 점 CP1 을 결정함으로써 측정될 수 있다.
잡음은 탱크 캐패시터(C2)의 전압 VX 의 결정에 있어서 부정확성을 야기하고, 결정된 시간 Tk 의 길이내의 변화 ΔT 및/또는 계수 Nk 의 값에 있어서의 변화가 있게 된다.
이러한 잡음의 효과는, 만약 A/D 컨버터(70)에 의하여 제공된 단일 전압치 대신에 다수개의 전압치들이 고려되면 감소될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 시간 T2,k 에서 0 볼트를 통과하는 선 LIN1 은, 하나 이상의 전압치 MP에 맞출수 있다. 따라서, 교차점 CP1 이 보간(補間:interpolate) 또는 보외(補外:extrapolate)된다. CP1 은 선 LIN1 과 기준전압 레벨 Vref 의 교차점이다. 선 LIN1 은 측정 정밀도를 제고하기 위하여 시간 TFIX 동안 측정된 모든 전압치 MP 에 적합될 수 있다. 예를 들어, 최소자승법이 선 LIN1 의 기울기를 결정하는데 사용될 수 있다. 선 LIN1 의 기울기는 탱크 캐패시터(C2)의 전압 VX 의 시간 도함수, 즉 변화율에 근접한다.
시간주기 TFIX 의 길이는 고정될 수 있으며 기준 전압레벨 Vref 에 실제적으로 도달하는데 필요한 시간 Tk 보다 실질적으로 짧을 수 있다. 따라서, 보외법에 의하여 교차점 CP1, 시간 Tk 및 계수 Nk 를 결정할 수 있다. 따라서, 센서(20)의 용량 CX 은 보외없이 더 높은 비율로 결정될 수 있다.
제어기(60)는 피팅 및 보외에 필요한 신호처리 작업을 수행하도록 구성될 수 있다.
전압 VX 과 시간사이의 관계는 정확하게 선형적인 것은 아니다. 또한 선 LIN1 의 대신에 지수함수 곡선이 측정점 MP 에 피팅될 수도 있다.
피팅 및 보외의 대신에, 제어기(60)는 탱크 캐패시터 전압 VX 의 적어도 2개의 전압치 MP 의 평균 VAVE 이 소정의 기준전압 Vref 을 초과할 때를 결정하도록 구성될 때도 있다. 기준전압 Vref 은 충분한 분해능 및/또는 충분한 샘플링율을 보장하도록 조정될 수 있다. 이러한 조정은 앞선 측정주기에 의하여 마련된 측정치에 근거하여 제어기(60) 또는 컴퓨터(200)에 의하여 행해질 수도 있다.
제어기(60)는 점 MP 의 제 1 군의 평균치와 점 MP의 제 2 군의 평균치의 사이의 차이에 근거하여 탱크 전압 VX 의 변화율을 결정하도록 구성될 수도 있다.
도 11을 참조하면, 센서(20)는 대상물(BOD1)의 위치를 탐지하기 위하여 판의 열(10a),(10b),(10c) 및 (10d)를 포함하여 구성될 수 있다. 각 판(10a),(10b), (10c) 및 (10d)은 콘덕터(11a),(11b),(11c) 및 (11d)에 의하여 멀티플렉서(30)에 접속될 수도 있다. 멀티플렉서(30)는 단자(T1)에 차례로 판(10a),(10b),(10c) 및 (10d)에 접속될 수 있다. 인접한 판의 하나 이상이 다른 단자(T0)에 각각 접속될 수 있다. 예를 들면, 판(10c)이 단자(T1)에 접속될 때, 인접한 판(10b)는 판(10b) 및 (10c)에 의하여 형성되는 용량성 센서(CX)를 형성하도록 단자(T1)에 결합될 수 있다.
멀티플렉서(30)의 단자(T0),(T1)는 도 3 및 8에 나타낸 바와 같이 측정회로에 결합될 수 있다.
멀티플렉서(30)는 또한 현재 활성화된 센서판의 위치와 측정될 신호를 연결시키기 위하여, 즉 대상물(BOD1)의 위치를 표시하기 위하여 제어기(60) 및/또는 데이터 프로세서(200)와 통신하도록 구성될 수 있다.
도 12a는 예를 들면 인체의 이동 및 위치와 같은 전기적 도전체를 감시하기 위한 센서 웹(W)을 도시한다. 예를 들어, 이 웹(W)은 노인 및 장애인을 감시하는데 사용하는 것도 가능하다. 또한 구치소 및 형무소의 감시뿐 아니라 가옥의 감시, 기타 차량의 에어백 시스템 및 기타 감지분야에도 적용가능하다. 센서웹(W)은 전기적으로 도전성의 영역(1)을 포함하여 구성된다. 콘덕터(2)는 전기적 도전성 영역(1)을 출력(3)에 접속한다. 출력(3)에는 코넥터가 마련되어 있다. 병렬 콘덕터(2)가 직선적으로 연장되고 웹(W)의 길이방향 LD 에서 각도 α 를 형성한다.
상기 웹(W)의 일부는 마루의 센서로서도 사용될 수 있다.
센서어레이(20)는 길이방향 웹(W)으로부터 절단된 일부일 수 있다. 웹(W)은 각각 콘덕터(2)를 가지는 다수개의 판(1)을 포함하여 구성될 수 있다. 다수개의 판(1)의 콘덕터는 웹(W)의 절단된 끝단에서 접속영역(3)에 접속되도록 구성될 수도 있다. 따라서, 예를 들면 크림프(crimp) 코넥터를 사용함으로써 센서(20)에 측정회로 또는 연장케이블을 부착하는 것도 용이하다.
절단되지 않은 웹(W)의 판 및 콘덕터는 기판(5)상에 주기적으로 배열될 수도 있어서 센서 어레이(20)는 웹(W)으로부터 절단함으로써 구성될 수 있다. 도 12a의 경우, 센서 어레이(20)는 5개 이하의 판(1)을 포함하여 구성될 수 있으며, 여기에서 상기 판의 콘덕터(2)는 센서(20)의 끝단에서 접속영역(3)으로 연장된다.
도 12b는 센서웹(W)의 단면도(도 12a에서의 A-A 구역)를 나타낸다. 센서제품은 기판(5)을 포함하여 구성될 수 있는데, 이는 기판(5)의 표면상에 형성된 센서요소와 그 센서요소들을 출력(3)에 접속하는 콘덕터(2)를 형성하는 전기적 도전성 영역(1)이다. 전기적 도전성 영역(1)은, 예를 들면 에칭된 동판으로 구성된다.
판(1) 및 콘덕터(2)들은 전기적 절연기판(5)상에 배열된다. 판(1) 및 콘덕터(2)들은 대상물(BOD1)와의 전기적 접촉이나 마모를 방지하기 위하여 보호층(4)으로 덮힐수 있다.
센서(20)는 보호층(4)이 필요없을 수도 있다. 센서(20)는 위아래가 뒤집혀 구성될 수도 있다. 콘덕터(2) 및 판(1)들은 기판(5)의 상이한 측에 있을 수 있다. 센서(20)는 더 이상의 보호 및/또는 전기적으로 절연된 층들을 포함하여 구성될 수도 있다.
전기적으로 도전성 영역 및 콘덕터들은 금속박으로부터 다이컷팅될 수 있으며, 2개의 기판의 사이, 즉 2개의 중첩된 웹으로 적층될 수 있다.
전기적으로 도전성인 영역 및 이들의 콘덕터들은 한개의 층내에 위치할 수도 있고, 선택적인 RF 루프 및 이들의 콘덕터들이 다른 층에 위치될 수도 있다. 원칙적으로, 동일한 제품에 있어서 예를 들면 에칭, 프린팅 또는 다이컷팅과 같은 상이한 기술들이 사용되는 것도 가능하다. 예를 들여, 전기적으로 도전성인 영역은 금속박으로부터 다이컷팅될 수도 있지만, 이들의 콘덕터들은 에칭될 수 있다. 전기적으로 도전성인 영역 및 콘덕터들은 다른 관통 비어(via)에 접속될 수도 있다.
본 발명에 따른 장치(100)는 예를 들면 방범경보 시스템을 구성하도록 개인가옥, 은행 또는 공장내의 사람들의 존재 및/또는 움직임을 감시하는데 사용될 수 있다. 센서(20)의 네트워크는, 예를 들면 매장의 배치를 최적화하기 위하여 백화점내의 사람들의 존재 및/또는 이동을 감시하는데 사용될 수 있다. 또한 센서는 예를 들면 환자의 활동과 이들의 생명유지장치의 기능을 탐지하기 위하여 병원이나 노인의 집에서 사용될 수 있다. 센서는 교정시설에서 금지구역을 감시하는데 사용될 수 있다. 센서는 휠체어나 알루미늄 사다리와 같은 대형의 도전체의 이동을 감시하는데 사용될 수 있다. 센서는 동물의 움직임을 탐지하는데 사용될 수 있다.
센서(20)는 예를 들면 바닥구조의 내에 또는 위에 설치될 수 있다. 측정회로는 센서(20)에 근접하여 설치되어 잡음을 감소시킨다. 센서(20)의 제 1 판(10a)과 탱크 캐패시터(C2)사이의 간격은 0.5m 이하일 수 있다. 제 1 판(10a)의 폭은 그 제 1 판(10a)을 측정회로에 접속하는 콘덕터(2)의 폭의 10배 이상이다. 전체 근접 탐지장치(100)는 예를 들면 바닥구조내 또는 그 위에 설치될 수 있어서, 센서 (20)와 탱크 캐패시터(2C) 사이의 간격을 최소화하도록 한다. 예를 들면 탱크 캐패시터(C2)와 바닥의 상부면 사이의 간격은 50mm 이하이다.
캐패시터 센서(C2)의 양쪽 판(10a)(10b)으로부터 탱크 캐패시터(C2) 사이의 거리는 잡음을 감소하기 위하여 0.5m 이하로 될 수 있다.
도 13을 참조하면, 2개의 용량성 센서들은 잡음의 효과를 감소하기 위하여 차이 측정회로에 결합될 수 있다. 어떤 경우에는 유사한 방식으로 전자기 잡음이 인접한 용량성 센서들에 인가될 수도 있다. 따라서 유도된 공통모드 잡음은 차이 측정에 의하여 효과적으로 제거될 수 있는데, 센서의 근방에서의 대상물(BOD1)은 2개의 센서의 용량에 있어서의 차이를 야기할 수 있기 때문이다.
근접 탐지장치(100)는 제 1 센서 용량 CXa 에 의하여 표시된 제 1 용량성 센서와, 제 2 센서 용량 CXb 에 의하여 표시된 제 2 용량성 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 장치(100)는 제 1 센서 용량 CXa 를 결정하기 위한 제 1 서브-유니트를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 제 1 서브-유니트는 스위치(S1a),(S2a),(S3a) 및제 1 탱크캐패시터(C2a)를 포함하여 구성될 수 있다. 장치(100)는 제 2 센서 용량 CXb 를 결정하기 위한 제 2 서브-유니트를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 제 2 서브-유니트는 스위치(S1b),(S2b),(S3b) 및 제 1 탱크캐패시터(C2b)를 포함하여 구성될 수 있다. 부가적으로, 장치(100)는 전압원(40), 미분 증폭기(30), A/D 콘버터(70) 및 제어기(60)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 스위치(S3a),(S3b)는 탱크 캐패시터(C2a),(C2b)를 방전하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제 1 탱크 캐패시터(C2a)는 도 8과 관련하여 기술된 바와 같이 스위치(S1a),(S2a) 및, 제 1 센서 캐패시터(CXa)를 경유하여 충전될 수 있다. 제 2 탱크 캐패시터(C2b)는 도 8과 관련하여 기술된 바와 같이 스위치(S1a),(S2a) 및, 제 2 센서 캐패시터(CX2)를 경유하여 실질적으로 동시에 충전될 수 있다. 따라서, 제 1 탱크 캐패시터(C2a)의 전압 VXa 이 증가하고, 또한 제 2 탱크 캐패시터(C2b)의 전압도 증가하게 된다. 대상물(BOD1)이 센서 용량 CXb 로 표시된 제 2 센서보다 센서용량 CXa 로 표시된 제 1 센서에 더 가깝다고 가정하면, 제 1 센서는 제 2 센서에 대한 경우보다 효과적으로 제 1 탱크 캐패시터(C2a)로 전하를 반송한다. 따라서, 제 1 탱크 캐패시터(C2a)의 전압 VXa 은 제 2 탱크 캐패시터(C2b)의 전압 VXb 보다 높은 비율로 증가한다. 제 1 탱크 캐패시터(C2a)는 미분 증폭기의 비반전 입력(81)에 접속될 수 있다. 제 2 탱크 캐패시터(C2b)는 미분 증폭기의 비반전 입력(82)에 접속될 수 있다. 따라서, 미분 증폭기(80)는 전압 VXa,VXb 사이의 차 VXa-VXb 를 증폭하도록 구성된다. 증폭기(80)의 출력(83)은 A/D 콘버터(70)의 입력(71)에 접속될 수 있다. A/D 콘버터의 출력(73)은 제어기(60)의 입력(61)에 결합될 수 있다.
전압원(40)의 제 1 노드는 센서 캐패시터(CXa)의 제 1 단자(T0)에 접속될 수 있다. 전압원(40)의 제 2 노드는 제 1 센서 캐패시터(CXa)의 단자(T1a)에 스위치 (S1a)에 의하여 접속된다. 따라서, 센서 캐패시터(CXa)는 전압원(40)의 전압 V1으로 충전될 수 있다.
전압원(40)의 제 1 노드는 센서 캐패시터(CXb)의 제 1 단자(T0)에 접속될 수 있다. 전압원(40)의 제 2 노드는 제 2 센서 캐패시터(CXb)의 단자(T1b)에 스위치(S1b)에 의하여 접속된다. 따라서, 센서 캐패시터(CXb)는 전압원(40)의 전압 V1으로 충전될 수 있다.
단자(T0)는 접지 GND 에도 접속될 수 있다. 그러나, 반드시 그런 것은 아니다.
스위치 구동유니트(90)는 도 8에서의 경우와 같이 스위치를 제어하도록 구성될 수 있다. 제어기(60)는 단자(62),(201)를 경유하여 데이터 프로세서(200)와 통신이 가능하다. 전압원(40)은 전압 V1 을 공급한다.
탱크 캐패시터(C2a),(C2b)는 스위치(S3a),(S3b)를 폐쇄함으로써 방전될 수 있다. 그리고, 스위치(S3a),(S3b)들이 개방되고 그 개방된 상태로 유지된다. 센서 캐패시터(CXa)는, 스위치(S2a)가 개방상태에 있을 때 스위치(S1a)를 폐쇄함으로써 충전된다. 센서 캐패시터(CXb)는 스위치(S2b)가 개방상태에 있을 때 스위치 (S1b)를 폐쇄함으로써 충전된다. 그리고 스위치(S1a),(S1b)가 개방되고 센서 캐패시터(CXa)(CXb)로부터의 전하가 스위치(S2a),(S2b)를 폐쇄함으로써 탱크 캐패시터 (C2a),(C2b)로 반송된다. 반송된 전하는 탱크 캐패시터들 상의 전압 VXa, VXb 를 증가시킨다.
탱크 캐패시터들의 전압 VXa, VXb 은 스위치(S1a),(S1b),(S2a),(S2b)을 연속적으로 수회 개폐함으로써 증가된다.
전압 VXa 는 ΔVa/dt 의 비율로 증가될 수 있다. 전압 VXb 은 ΔVb/dt 의 비율로 증가될 수 있다. 전압 VXa, VXb 은 상이한 비율로 증가되는데, 대상물(BOD1)이 예를 들면 제 2 센서보다 제 1 센서에 보다 가까울 수 있기 때문이다. 증가율 ΔVa/dt-ΔVb/dt 의 차이는 측정치를 나타내며, 이는 A/D 컨버터(70)의 출력으로부터 결정 및/또는 계산될 수 있다.
차이가 양의 수치인 경우는 대상물(BOD1)이 제 1 센서(CXa)에 보다 가까운 것을, 또한 차이가 음의 수치인 경우는 대상물이 제 2 센서(CXb)에 보다 가까운 것을 나타낼 수 있다.
미분 증폭기(80)는 만약 2개의 A/D 컨버터들이 동시에 사용된다면(도 13에는 도시않됨) 생략될 수도 있다.
도 14a 및 14b 는 도 13의 장치에서 사용하기에 적절한 센서 어레이(20)를 나타낸다. 도 14a 를 참조하면, 센서 어레이(20)는 기판(5)상에 배열된 제 1 판 (10a), 제 2 판(10b), 제 3 판(10c)을 포함하여 구성될 수 있다. 제 1 판(10a)은 단자(T1a)에, 제 2 판은 단자(T0), 그리고 제 3 판은 단자(T1b)에 접속될 수 있다.
제 1 판(10a) 및 제 2 판(10b)의 양자는 센서 용량 CXa 에 의하여 표시되는 제 1 용량성 근접센서를 형성할 수 있다. 제 2 판(10b) 및 제 3 판(10c)의 양자는 센서용량 CXb 에 의하여 표시되는 제 2 용량성 근접센서를 형성할 수 있다.
단자(T1a),(T1b) 및 (T0)들은 도 13에 나타낸 바와 같이 장치(100)에 결합될 수 있다. 대상물(BOD1)이 판(10c)보다 판(10a)에 더 가까운 때에는(대상물의 유전율은 1보다 크다고 가정한다), 용량 CXa 이 용량 CXb보다 클 수 있다.
도 14b 를 참조하면, 센서 어레이(20)는 기판(5)상에 배치된 제 1 판(10a) 및 제 2 판(10b)을 포함하여 구성될 수 있다. 제 1 판(10a)은 단자(T1a)에, 제 2 판(10b)은 단자(T1b)에 접속될 수 있다. 센서어레이(20)는 도전성 구조(22)와 조합하여 기능할 수도 있다. 도전성 구조(22)는, 예를 들면 토양, 대형 금속판 또는 빌딩의 수도 파이프라인 시스템이 될 수 있다. 단자(T0)는 도전성 구조(22)에 결합될 수 있어서, 이 경우에는 용량성 센서의 용량소자로서 기능한다.
이제, 제 1 용량성 구조는 제 1 판(10a)과 도전성 구조(22)의 사이에 형성된다. 제 2 용량성 구조는 제 2 판(10b)과 도전성 구조(22)의 사이에 형성된다.
단자(T1a),(T1b) 및 (T0)는 도 13에 나타낸 바와 같이 장치(100)에 결합될 수 있다. 용량 CXa 은, 대상물(BOD1)이 판(10b)보다 판(10a)에 가까울 때 용량 CXb 보다 높다 (대상물의 유전율이 1 보다 크다고 가정함).
얻을 수 있는 분해능은 리세팅(즉, 방전)전에 탱크 캐패시터(C2)를 충전하는데 필요한 연속적인 전하방전 주기의 수에 따른다. 예를 들어, 1024 전하반송 주기에 근거하여 결정된 계수 Nk 또는 시간 Tk 은 10비트의 분해능에 상당한다. 예를 들어, 256 전하반송 주기에 근거하여 결정된 계수 Nk 또는 시간 Tk 은 8비트의 분해능에 상당한다.
도 3 및 8로 돌아가면, 스위치(S1) 및 (S2)는 양방향성일 수 있으며, 전압원 (40)의 전압도 바뀔수 있다. 전압원의 전압 V1은 0으로 바꿀수 있거나 또는 그의 극성이 반전될 수도 있다. 계속적으로, 탱크 캐패시터도 스위치(S1) 및 (S2)를 통하여 방전될 수 있다. 이 경우에는 방전스위치(S3)를 작동할 필요는 없으며, 아예 시스템에서 뺄 수도 있다. 계수 Nk 는 탱크 캐패시터(C2)의 충방전시에 기록될 수 있다. 따라서 샘플링 비가 더욱 증가될 수 있다.
장치(100)는 잡음을 감소하도록 하나 이상의 로우패스 필터를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 아날로그 로우패스 필터가 도 13의 증폭기(80)와 A/D 컨버터(70)의 사이에 마련될 수 있다.
많은 경우에, 용량 CX 의 절대값을 결정할 필요는 없다. 그 용량 CX 의 값에 있어서의 변화를 탐지하는 것으로 충분할 수 있다.
호흡기 및 심장의 기능은 사람 및 동물, 즉 대상물(BOD1)내의 혈액의 분포에 있어서 주기적인 변화를 일으킬 수 있다. 이는 센서(20)의 용량에 있어서 주기적인 변화를 일으킬 수 있다. 따라서, 장치(100)는 인간 또는 동물의 심장 및/또는 호흡기 기능을 감시하는데 사용될 수 있다. 사람은 센서위에 누울 수도 있으며 센서가 바닥 또는 침대에 배치될 수도 있다. 부가적인 카페트 또는 매트리스가 센서 (20)위에, 즉 센서와 사람의 사이에 위치될 수도 있다.
용량의 측정은 용량성 센서에 중요하다. 용량의 값은 측정된 신호값에 비례하고, 시간의 함수로서 가변적일 수 있다. 용량측정의 정밀도 및 속도는 용량성 센서나, 용량의 측정이 중요한 기타 적용분야에 있어서의 특성을 바로 규정하게 된다. 어떤 경우에, 측정되는 용량이 매우 작고, 측정은 매누 낮은 에너지 신호를 적분함으로써 행해질 수도 있다. 따라서 측정은 전자파의 간섭에 매우 민감하다. 낮은 에너지라 함은 적분주기 또는 신호치가 매우 작은 것을 의미하며, 이는 용량치를 충분히 높은 분해능에서 디지털 신호로 샘플링하고 양자화(quantization)하기 어렵게 한다. 샘플링 및 양자화는 예를 들어 컴퓨터 또는 마이크로 콘트롤러에 의한 신호처리를 필요로 할 수도 있다.
스위치 캐패시터 방법을 사용함으로써 용량을 측정하는 것은 샘플링 및 양자화의 전에 낮은 에너지 신호를 더 큰 에너지 신호를 적분할 수 있도록 한다. 따라서 측정이 간섭에 그다지 민감하지 않게 된다. 또한 분해능을 최적화되도록 측정을 제어하는 것도 가능하다. 본 발명에 따른 측정방법은 또한 측정 회로내에 아날로그 로우패스 필터를 도입하여 고주파의 간섭 신호를 감소한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 측정회로에 주지의 캐패시터 및 프로세서로 제어되는 스위치를 추가함으로써 만들어질 수 있다.
스위치 캐패시터 회로의 개념에 있어서, 캐패시터는 2개의 스위치(S1),(S2)의 사이에 접속된다. 스위치(S1),(S2)는 교대로 개방 및 폐쇄된다. 스위치들은 바람직하게는 동시에 폐쇄되지는 않는다. 이러한 종류의 회로에서, 캐패시터는 저항처럼 기능하며, 그의 값은
Figure pct00001

여기에서 fSW 는 스위치들의 스위칭 주파수이며, C 는 용량이다. RC 는 캐패시터(C)와 그 캐패시터(C)에 의하여 반송된 전류와의 관계를 규정한다.
스위치 캐패시터들은, 예를 들면 아날로그 신호처리에 사용될 수도 있는데, 저항 RC 이 스위칭 주파수 fSW 를 바꿈으로써 조정될 수 있기 때문이다.
도 2로 돌아가면, 스위치 캐패시터회로는 센서 용량 CX 및 2개의 스위치(S1) 및 (S2)를 포함하여 구성될 수 있다. 스위치 캐패시터 회로가 작동하면, 제 1 스위치(S1)가 폐쇄되고 제 2 스위치(S2)가 폐쇄된 경우 또는 그 반대의 경우에 주지의 스위칭 주파수 fSW 가 그 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)를 개방 및 폐쇄하는데 사용될 수 있다. 주지의 캐패시터(C2)는 센서 용량 CX 을 충전하기 위하여 제 1 스위치(S1)를 폐쇄함으로써 스위치 캐패시터 회로를 통하여 충전된다. 스위칭 주파수 fSW 에 의하여 규정된 특정 시간의 경과후에, 센서 캐패시터(CX)으로부터 주지의 캐패시터(C2)로 전하를 반송함으로써 제 1 스위치(S1)는 개방되고 제 2 스위치(S2)는 폐쇄되어 주지의 캐패시터(C2)를 충전하게 된다. 형성된 RC회로의 시정수가 그 후에 측정될 수 있고, 이것은 CX 의 용량치에 비례한다.
측정된 시정수는 3개의 인자에 종속될 수 있다: 스위칭 주파수 fSW, C2의 용량, 및 로딩 전압[즉, 전하반송후에 얻어진 캐패시터(C2)의 전압레벨]이다. 따라서 측정시간 및 정밀도는 분해능을 최대화하고 측정시간을 최소화하도록 조정될 수 있다. 이 조정은 소프트웨어에 의해 달성될 수 있는데, 측정범위, 측정시간이나 정밀도에 까지 확장시키는 것이 가능하다. 또한, RC회로에 의해 구성된 1급 로우패스 필터는 고주파 전자방해를 상당히 감소한다.
제안된 방법은, 2개의 스위치 및, CX 의 직접 시정수 측정용으로 사용되는 구성품에 부가된 주지의 용량을 이용할 수 있다. 따라서, 많은 경우에, 회로는 지나치게 복잡하지도 않고, 비싸지도 않게 된다.
이러한 목적은, 최소비용으로 용량 센서의 용량을 가능한한 정확하게(8비트 이상의 정밀도로) 측정할 수 있게 한다. 그러한 시스템은 0 내지 40Hz 의 주파수의 용량변화를 측정할 수 있다.
시스템에 유도된 잡음신호(50Hz 및 배수 주파수 및 샘플링 지터)의 크기는 측정된 신호와 비교할 때 수배에 이르게 된다.
특성이 안정된 마이크로 콘트롤러가 표 1에 개시되어 있으며, 이들이 시험에 사용될 수 있다. 가능한 측정파라미터들은 표 2에 개시하였다.
AtMega8L(상표명) 마이크로 콘트롤러의 특성
클록 주파수 8MHz
프로그램 메모리 8kB 플래쉬
데이터 메모리 1kB SRAM
불휘발성 데이터 메모리 512B EEPROM
타이머 2×8b, 1×16b
ADC 1×10b
아날로그 비교기 1
디지털 I/O 23
작동전압 2.7V-5.5V
여기에서, 플래쉬라 함은 플래쉬 메모리이며, SRAM은 정적 랜덤 액세스 메모리(static random access memory)이며, EEPROM 은 전기적으로 삭제가능한 프로그램가능한 독취가능 메모리(eletrically erasable programmable read-only memory)이며, ADC 는 A/D 컨버터이며, I/O 는 입력/출력을 의미하며, b 는 비트수를 의미한다.
측정 파라미터
작동전압 Vcc = 5V
목표전압 Vt ~ Vcc /3= 1.7V
센서 캐패시터 200 - 400pF
저항 0.1mΩ
스위치 캐패시터 측정회로는 도 2에 나타내었다. 스위칭시에, 스위치(S1) 및 (S2) 들은 교대로 개방 및 폐쇄되며, 주파수 fSW 및 캐패시터(C1)는 스위칭에 있어서 저항처럼 작용한다. 따라서, 캐패시터(C2)는 조금씩 충전된다. CX 에 의하여 야기된 저항 RC 은, 이하의 식에 따른 용량 CX 및 스위칭 주파수 fSW 의 양자에 의존한다.
Figure pct00002

CX 및 fSW 가 알려졌을 때에는 용량 CX 을 결정할 수 있다. 주지의 캐패시터(C2) 및 스위칭 주파수 fSW 는 비교적 자유롭게 선택될 수 있기 때문에, 주지의 캐패시터(C2)의 충전시간도 적절하게 선택될 수 있다.
충전시간 tCHARGE 는 이하의 방정식으로부터 계산될 수 있다.
Figure pct00003

충전시간을 알면, 측정장치로부터 받아들인 계수기의 값 x 은 충전시간 tCHARGE 과 프로세서의 클록 주파수 Fclk 의 곱으로 표시된다.
Figure pct00004

센서의 용량 CX 은 계수기의 값 x 으로부터 계산될 수 있다.
Figure pct00005
스위치 캐패시터의 스위칭으로 얻을 수 있는 분해능 rt 는 이하의 식으로부터 계산될 수 있다.
Figure pct00006

여기에서 Fclk 는 프로세서의 클록 주파수(계수기의 값 x 의 값이 증가되는 주파수)이다. 스위칭 주파수 fSW 는, 예를 들면 프로세서의 PWM(펄스폭 변조: pulse width modulation)에 의하여 생성될수 있으며 이 경우에는 프로세서의 CPU (중앙처리장치: central processing unit)를 사용하지 않는다. 측정을 행하는(즉, I/O 포트의 상태를 점검하는) 주파수는 신호처리 작용을 위하여 얼마나 많은 처리자원을 프로세서가 필요로 하는가에 달려있다.
도 7a는 샘플링 주파수의 함수로서의 용량 C2을 나타낸다. 샘플링 주파수는 수평축상에 표시되어 있다. 도 7a는 측정의 정밀도를 위하여 12비트 분해능이 필요한 경우에 자유롭게 선택가능한 파라미터들의 비율이 얼마인지 보여준다.
하나의 가능한 구성은, 스위칭 주파수 FSW = 500kHz, 클록 주파수 Fclk = 8MHz 및, C2=470nF 이다. 이들 파라미터와 함께, 100Hz 보다 약간 더 높은 샘플링 주파수에 도달하는 것이 가능하다.
측정 정밀도의 분석에 있어서, 주된 논의의 촛점은 사용되는 마이크로 프로세서에 의하여 어느 정도 정밀도에 도달할 수 있는가에 관한 것이다. 아날로그 구성품 및 스위치들은 측정정밀도에 영향을 줄 수 있다.
스위치 캐패시터 스위칭에 있어서는, 스위치 캐패시터(CX)와 주지의 캐패시터(C2)에 의하여 형성된 로우패스 필터가 고주파를 필터링한다. 필터의 컷오프 주파수는 이하의 식으로부터 유도될 수 있다.
Figure pct00007

선택된 용량으로부터의 컷오프 주파수의 의존성을 도 7b에 나타내었다. 수직축은 컷오프 주파수를 나타낸다. 상기에서 기술한 구성품의 수치(FSW = 500kHz, Fclk = 8MHz 및, C2=470nF)들을 대입하면, 컷오프 주파수는 대략 fc = 100Hz 이다. 컷오프 주파수는 자유롭게 선택이 불가능한데, 그 이유는 동일한 파라미터들 또한 원하는 측정 정밀도의 선택에 영향을 주기 때문이다. 부가적으로, 그와 같이 형성된 필터는 1급일 뿐이므로 그의 급준도가 대략 옥타브당 -6dB 정도밖에 되지 않는다.
또 다른 아날로그 로우패스 필터가 회로에 접속될 수 있어서, 신호의 해로운 폴딩(folding)이 회피될 수 있다.
아날로그 필터링때문에, 샘플링된 신호는 덜 관심이 가는 주파수대역에 있는 주파수를 포함한다. 따라서 임펄스와 같은 잡음은 샘플링전에 이미 비교적 잘 필터링이 되어 있을 수 있다. 샘플링시간의 변동에 근거한 샘플링 지터(jitter)의 문제도 충전시간의 직접 측정에서와 동일한 문제가 발생할 수도 있다.
스위치 캐패시터 스위칭에 있어서, 아날로그 스위칭 장치가 캐패시터의 양측에 필요하다. 이러한 목적으로, 예를 들면 아날로그 스위치 또는 FET 트랜지스터들이 사용될 수 있다. 스위칭 작용을 고려할 때, 스위치가 폐쇄될 때에는 이들의 저항과 용량이 가능한한 낮은 것이 좋다. 저항은 반도체 채널의 영역을 증가함으로써 감소할 수 있다. 그러나, 영역을 증가하면, 스위치의 용량도 증가하게 된다. 따라서, 작은 용량을 구할 때에는, 약간 더 높은 저항을 선택할 필요가 있다. 스위칭에 적합한 아날로그 스위칭 장치에 대하여, 이들의 주요 파라미터와 함께, 표 3에 도시하였다.
아날로그 스위칭 장치의 저항 및 용량
구성품 코드 Ron 용량
아날로그 스위치 MAX312CPE 6.5Ω 47pF
아날로그 스위치 CD4066BE 470Ω 8pF
아날로그 스위치 DG403DJ 50Ω 39pF
파워 MOSFET SFP9530 < 0.3Ω 160pF
N-채널 MOSFET 2N5457 > 1kΩ 3pF
표에 있어서, MAX312CPE, CD4066BE, DG403DJ, SFP9530 및 2N5457 들은 하나 이상의 부품제작업체에 의하여 사용된 식별번호이며, RON 은 도전상태에서의 저항을 의미한다.
스위칭 장치의 저항은 매우 큰 인자는 아닌데, 충전된 용량이 대략 200 내지 400pF 정도이다. 만약 스위치의 저항이 킬로Ω 이상까지 커지지 않으면, 스위치를 통한 충전시에 캐패시터의 충전시간이 매우 적게 되므로 1MHz 정도까지의 스위칭 주파수가 사용될 수 있다. 1MHz 이상의 주파수는 무선간섭을 야기할 수 있다.
한편, 스위칭 장치의 용량은 센서 캐패시터의 용량의 50%를 육박할 수 있다. 따라서, 스위칭 장치의 용량은 측정결과에 큰 영향을 미치게 된다. 이 때문에, 저항이 커지더라도 용량이 가능한한 작은 스위칭장치를 선택하는 것이 좋다.
아날로그 스위치 DG403DJ 를 사용한 스위칭 회로를 도 5에 나타내었다. DG403DJ는 내부 인버터를 포함하며, 이 경우에 한개의 스위치는 개방되고 다른 한개는 폐쇄된다. 다른 스위치들은 외부 인버터회로를 필요로 하며, 그에 의하여 반전된 제어가 스위치 중의 한개로 개별적으로 입력된다.
측정회로의 작용은, 예를 들면 컴퓨터 프로그램과 함께 컴퓨터를 사용함으로써 측정될 수 있다. 이 프로그램과 함께, 실시간으로 스크린상에 측정된 값들을 프린트할 수 있다. 이 값은 직렬라인을 통하여 마이크로 콘트롤러로부터 PC 와 같은 컴퓨터에 의하여 받을 수 있다. 측정례의 출력(계수치)을 도 6에 나타내었다. 샘플링 주파수는 19.52Hz 였다. 가장 작은 샘플번호는 9670 이며 가장 큰 번호는 33991 이었다.
스위치 측정방법에 있어서, 작은 센서 캐패시터의 전하는 그 전압은 논리적인 전압에 대응하는 레벨까지 오르기 전에 수천번 큰 캐패시터로 반송될 수 있다. 따라서, 충전시간이 낮은 클록 주파수에 의하여 높은 분해능으로 측정될 수 있다. 부가적으로, 측정회로는 로우패스 필터를 형성하며, 이는 주파수 간섭을 감소한다. 직접 측정방법에 있어서, 간섭은 샘플링된 신호내로 폴드된다. 충전된 캐패시터와 센서 캐패시터의 스위칭 주파수의 양자는 충전시간에 영향을 미친다. 스위칭 주파수, 따라서 충전시간은 컴퓨터 프로그램에 의하여 제어될 수 있다. 스위치 캐패시터 측정방법은 충전시간의 직접 측정과 비교할 때 측정신호의 레벨을 현저하게 개선할 수 있다. 신호의 잡음레벨은 현저하게 감소될 수 있고, 측정의 분해능은 대략 14 또는 15비트까지 증가될 수 있다.
그러나, 스위치 캐패시터 측정모드는 또한 약간의 결점도 가지고 있다. 탱크 캐패시터의 충전시간이 증가할 때에는, 가장 높게 얻을 수 있는 샘플링 주파수(데이터 수득율)가 감소하게 된다. 8MHz 프로세서 및 14 내지 15-비트 측정 정밀도를 사용할 때, 이론적인 최대 샘플링 주파수는 250 과 500Hz 사이이다. 실제적으로는 최대 샘플링 주파수는 예를 들면 160Hz 이다. 스위치 캐패시터 측정방법은, 직접 측정방법에서 보다는 좀더 복잡하고 비싸 회로를 필요로 한다.
탱크캐패시터의 용량과 스위칭 주파수를 조정함으로써, 회로의 로우패스 필터의 컷오프 주파수, 측정의 시간 및 측정 분해능등을 변경할 수 있다. 그러나, 분해능, 시간, 컷오프 주파수를 개별적으로 설정하는 것은 불가능하다. 실제적으로는 2개의 가장 중요한 요소를 설정하는 것은 가능한데, 분해능 및 시간이다. 컷오프 주파수는 실제적으로 높게 유지될 수 있으며, 이 경우에 잡음신호가 샘플링시에 유효신호에 폴드될 수 있다.
본 발명은 용량성 바닥 센서내에 이용될 수 있다. 바닥 센서의 용량은 낮기 때문에 바닥 센서소자에 매립되어 있는 마이크로 콘트롤러를 사용하여 용량을 정확하게 측정하는 것이 어렵다. 제안된 방법은, 직접 측정의 7-비트와 비교할 때 약 12-14 비트로 측정정밀도를 증가한다. 이러한 본 발명을 사용함으로써, 측정유니트에 저렴한 저전력의 마이크로콘트롤러를 사용할 수 있다.
마이크로콘트롤러의 비용 및 전력의 소비는 중요한데, 이는 바닥센서 소자에 매립된 배터리로부터 전력을 공급받기 때문이다.
스위치 캐패시터 회로는 큰 측정범위를 가진다. 바닥센서는 그 소자로 걸어들어오는 사람을 탐지하기 위한 적은 용량뿐 아니라 누군가가 센서상에 누워있을 때의 2배 또는 3배의 용량을 측정할 수 있어야 한다. 양쪽의 경우에, 센서는 최대치의 1:1000 밖에 되지 않는 측정 용량의 변화를 측정할 수 있어야 한다.
스위치 캐패시터 회로의 측정범위는 조정될 수 있다. 한 사람이 바닥 센서로 걸어들어 올때, 센서의 용량은 예를 들면 약 200pF 밖에 되지 않는다. 그러나, 누군가가 센서상에 누워있을 때에는 예를 들면 400-500pF 으로 증가될 수 있다. 이 경우에는, 측정의 정밀도를 증진시킬 수 있도록 측정범위를 신속하게 바꿀 필요가 있다.
예를 들면 스위칭 주파수를 바꾸거나 또는 소프트웨어에 의하여 로딩되는 용량을 바꾸는 것이 가능하다.
측정시간도 조정될 수 있다. 어떤 경우에는, 어떤 사람이 바닥으로 빠르게 걸어올 수 있다. 이 경우에 바닥의 소자들은 낮은 정밀도를 사용하여 신속하게 스캔될 수 있으며 그 신속한 이동을 감시하게 된다. 한 사람이 바닥에 누워있을 때에는, 그 사람의 호흡과 맥박을 감시하기 위하여 더 높은 정밀도가 요구된다. 측정시간은 따라서, 더 길게 연장될 수 있다. 본 시스템의 측정모드는, 더 높은 탱크 용량 및 스위칭 주파수를 낮게 함으로써 보다 정확한 상태에 있도록 느리게 조정될 수 있다.
스위치 캐패시터 회로는 자동적으로 눈금조정이 가능하다. 바닥의 센서가 다양한 환경에 설치될 때에는 이들의 용량이 장소에 따라서 상이하게 책정될 수 있다. 모든 종류의 환경에서 측정을 효과적으로 하기 위하여는, 센서는 적절한 측정범위로 조정하고, 용량에 대하여 측정치를 눈금조정할 필요가 있다. 눈금조정은 소프트웨어에 의하여 측정범위가 변경될 수 있을 때에 보다 효과적이다.
시정수는, 시스템의 스텝 응답이 그의 최종(점근적인)값의 63.2%에 도달할 때까지 걸리는 시간으로, 즉 그의 최종치의 36.8% 이하로 해석될 수 있다. 용량이 직렬저항을 통하여 전압원에 접속될 때, 시정수는 용량이 전압원의 전압의 63.2%에 저압이 도달할 때까지 걸리는 시간일 수 있다.
샘플링은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환함을 의미한다.
샘플링 방법은, 아날로그 변수, 예를 들면 캐패시터의 충전시간이 디지털 변수로 변환되는 방식을 의미한다.
측정 알고리즘은 신호를 잡음 및 기타 간섭으로부터 검색되는 분리하기 위하여 샘플링되는 신호상에 수행되는 신호처리 작용을 의미한다.
"포함하여 구성된다"는 용어는, 개방된 목적의 의미를 가진 것으로 해석되어야 하는데, 다시 말해서 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하여 구성된다는 것은 그 이상의 전극 및/또는 기타 다른 구성품들도 포함하여 구성될 수 있다는 것을 의미한다.
당업자에게 있어서, 본 발명의 장치 및 방법의 다양한 변경 및 변형이 가능함은 명백한 사실이다. 첨부된 도면과 관련하여 상술한 특정한 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 첨부된 청구항에 의하여 규정되는 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 적어도 한개의 제 1 용량성 소자(10a) 및 적어도 한개의 제 2 용량성 소자 (10b)의 사이에 형성된 한개의 센서 캐패시터(CX)를 가져서, 대상물(BOD1)의 존재가 상기 센서 캐패시터(CX)의 용량을 변화시킬 수 있도록 하는 용량성 센서(20)와,
    - 전압원(40)과,
    - 상기 센서 캐패시터(CX)를 충전하기 위하여 상기 전압원(40)에 상기 센서 캐패시터(CX)를 연결하기 위한 제 1 스위치(S1)와,
    - 탱크 캐패시터(C2)와,
    - 상기 센서 캐패시터(CX)로부터 상기 탱크 캐패시터(C2)로 전하를 반송하고, 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)을 변화하기 위하여 상기 탱크 캐패시터 (C2)에 상기 센서 캐패시터(CX)를 연결하기 위한 제 2 스위치(S2)와,
    - 상기 스위치(S1,S2)들이 동시에 폐쇄된 상태에 있지 않도록 상기 스위치 (S1,S2)들을 다수회 개폐함으로써 상기 충전 및 전하 반송을 제어하기 위한 적어도 한개의 스위치 구동유니트(90)와,
    - 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)을 감시하기 위한 전압 감시유니트 (50,70) 및,
    - 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압의 변화율에 따른 적어도 한개의 측정치를 결정하기 위한 제어기(60)를 포함하여 구성되는, 대상물(BOD1)을 용량적으로 탐지하기 위한 장치(100).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 대상물(BOD1)이 상기 센서(20)로부터 멀리 떨어져 있을때, 상기 센서 캐패시터(CX)의 용량이 1nF 이하인 장치(100).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 탱크 캐패시터(C2)의 용량은 상기 센서캐패시터(CX)의 용량의 10배 이상, 바람직하게는 상기 센서캐패시터(CX)의 용량의 100배 이상인 장치(100).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기(60)는 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)이 소정의 전압레벨(Vref)에 도달하거나 이를 초과하는데 필요한 상기 제 2 스위치(S2)의 연속적인 폐쇄 주기의 횟수(Nk)를 계수하도록 구성되는 장치(100).
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기(60)는 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)의 다수회 측정된 값(MP)의 평균(VAVD)이 소정의 전압레벨(Vref)에 도달하거나 이를 초과하는데 필요한 상기 제 2 스위치(S2)의 연속적인 폐쇄 주기의 횟수(Nk)를 계수하도록 구성되는 장치(100).
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 소정의 전압레벨(Vref)은 앞서의 측정치에 근거하여 조정되도록 구성되는 장치(100).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 측정치는 시정수 (tCHARGE) 인 장치(100).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 측정치는 소정의 충전시간(TFIX) 후에 얻어진 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)인 장치(100).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 소정의 충전시간(TFIX)는, 앞서의 측정치에 근거하여 조정되도록 구성되는 장치(100).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 캐패시터(CX)의 제 1 용량값에 상당하는 제 1 측정치과 상기 센서 캐패시터(CX)의 제 2 용량값에 상당하는 제 2 측정치 사이의 차이를 결정하기 위하여 상기 제어기(60) 또는 다른 하나의 컴퓨터(200)가 구성되는 장치(100).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중의 어느 한 항에 있어서, 부가적인 센서 캐패시터 (CXb)에 상당하는 제 2 용량성 센서를 더 포함하여, 상기 대상물(BOD1)의 존재가 상기 부가적인 센서 캐패시터의 용량을 변화할 수 있도록 하며, 이 장치(100)는,
    - 상기 부가적인 센서 캐패시터(CXb)를 충전하기 위하여 상기 부가적인 센서 캐패시터(CXb)를 전압원(40)에 접속하기 위한 제 1 부가 스위치(S1)와,
    - 부가적인 탱크 캐패시터(C2b)와,
    - 상기 부가적인 센서 캐패시터(CXb)로부터 상기 부가적인 탱크 캐패시터 (C2b)로 전하를 반송하고, 상기 부가적인 탱크 캐패시터(C2b)의 전압(VXb)을 변화하기 위하여 상기 부가적인 탱크 캐패시터(C2b)에 상기 부가적인 센서 캐패시터 (CX)를 연결하기 위한 제 2 스위치(S2)와,
    - 상기 부가적인 스위치(S1,S2)들이 동시에 폐쇄된 상태에 있지 않도록 상기 부가적인 스위치(S1,S2)들을 다수회 개폐함으로써 상기 충전 및 전하 반송을 제어하기 위한 적어도 한개의 스위치 구동유니트(90)와,
    - 상기 탱크 캐패시터(CX)의 전압(VX)과 상기 부가적인 탱크 캐패시터(C2b)의 전압(VXb)의 차이를 감시하기 위한 전압 감시유니트(70,80) 및,
    - 상기 탱크 캐패시터(CX)의 전압(VX)의 변화율과 상기 부가적인 탱크 캐패시터(C2b)의 전압(VXb)의 변화율 사이의 차이(ΔVa/dt - ΔVb/dt)에 따른 적어도 한개의 측정치를 결정하기 위한 제어기(60)를 더 포함하여 구성되는 장치(100).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 스위치(S2)의 스위칭 주파수(fSW)는 앞서 측정된 값에 근거하여 조정되도록 구성되는 장치(100).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 용량성 소자 (10a) 와 상기 탱크 캐패시터(C2) 사이의 거리는 0.5m 이하인 장치(100).
  14. 적어도 한개의 제 1 용량성 소자(10a) 및 적어도 한개의 제 2 용량성 소자 (10b)의 사이에 형성된 한개의 센서 캐패시터(CX)를 가져서, 대상물(BOD1)의 존재가 상기 센서 캐패시터(CX)의 용량값을 변화시킬 수 있도록 하는 용량성 센서(20)를 사용함으로써 대상물(BOD1)을 용량적으로 탐지하기 위한 방법으로서,
    - 상기 센서 캐패시터(CX)를 전압원(40)에 연결시킴으로써 충전하고, 상기 전압원(40)은 상기 충전시에 탱크 캐패시터(C2)로부터 접속이 끊어지도록 하는 단계와,
    - 상기 센서 캐패시터(CX)로부터 탱크 캐패시터(C2)로 전하를 반송하고, 상기 전압원(40)은 상기 전하반송시에 상기 탱크 캐패시터(C2)로부터 접속이 끊어지도록 하는 단계와,
    - 상기 충전 및 전하반송을 수회 반복하는 단계와,
    - 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)을 감시하는 단계, 및
    - 상기 탱크 캐패시터(C2)의 전압(VX)의 변화율에 따른 적어도 한개의 측정치를 결정하는 단계를 포함하여 구성되는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 센서 캐패시터(20)는 상기 탱크캐패시터와 바닥의 표면과의 사이의 간격이 50mm 이하가 되도록 설치되는 방법.
KR1020107003158A 2007-07-11 2008-06-19 대상물의 용량성 탐지용 방법 및 장치 KR20100054130A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US92974807P 2007-07-11 2007-07-11
US60/929,748 2007-07-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20100054130A true KR20100054130A (ko) 2010-05-24

Family

ID=40228215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020107003158A KR20100054130A (ko) 2007-07-11 2008-06-19 대상물의 용량성 탐지용 방법 및 장치

Country Status (10)

Country Link
US (1) US8531193B2 (ko)
EP (1) EP2167983A4 (ko)
JP (1) JP2010533288A (ko)
KR (1) KR20100054130A (ko)
CN (1) CN101796422A (ko)
AU (1) AU2008274151A1 (ko)
CA (1) CA2693626A1 (ko)
EG (1) EG26198A (ko)
RU (1) RU2486530C2 (ko)
WO (1) WO2009007500A1 (ko)

Families Citing this family (56)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7293467B2 (en) * 2001-07-09 2007-11-13 Nartron Corporation Anti-entrapment system
DE112008001433T5 (de) * 2007-05-28 2010-04-15 Advantest Corp. Halbleiter-Testgerät und Testverfahren
IL186768A0 (en) * 2007-10-18 2008-02-09 Shaked Rahamim Infant apnea detector and system
FI121979B (fi) 2008-03-26 2011-06-30 Elsi Technologies Oy Sovitinkomponentti mittausjärjestelmään
US8836350B2 (en) * 2009-01-16 2014-09-16 Microchip Technology Incorporated Capacitive touch sensing using an internal capacitor of an analog-to-digital converter (ADC) and a voltage reference
US8237456B2 (en) * 2009-03-02 2012-08-07 Atmel Corporation Capacitive sensing
TWI386656B (zh) 2009-07-02 2013-02-21 Novatek Microelectronics Corp 電容值測量電路與方法
JP2011022744A (ja) 2009-07-15 2011-02-03 Sanyo Electric Co Ltd 静電容量型タッチセンサ用の信号処理回路
CN102193032A (zh) * 2010-03-08 2011-09-21 上海海栎创微电子有限公司 一种具有高精度高稳定性的自电容变化测量电路
DE102010031146A1 (de) 2010-07-09 2012-01-12 Robert Bosch Gmbh Sensierendes Flächenelement
CN101975891B (zh) * 2010-08-18 2012-09-26 上海艾为电子技术有限公司 检测装置
DE102010042477B4 (de) * 2010-10-14 2012-11-22 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung eines kapazitiven Sensorelements
DE102011012163A1 (de) * 2011-02-23 2012-08-23 Rainer Brenner Schutzvorrichtung
DE102011013559B8 (de) * 2011-03-10 2013-01-10 iSEMcon GmbH Schaltungs- oder Messanordnung zur kapazitiven, berührenden und/oder berührungslosen Überwachung eines Füllstandes und/oder einer Leckage leitfähiger Medien und Verfahren hierzu
FI20115869A0 (fi) * 2011-09-05 2011-09-05 Marimils Oy Taso-anturi ja sen valmistusmenetelmä
US9071264B2 (en) * 2011-10-06 2015-06-30 Microchip Technology Incorporated Microcontroller with sequencer driven analog-to-digital converter
FR2985017B1 (fr) * 2011-12-23 2015-01-02 Continental Automotive France Dispositif de mesure d'une variation d'une capacite a faible consommation et procede associe
WO2014003792A1 (en) * 2012-06-29 2014-01-03 Intel Corporation Pulsed testing of through-body-vias
DE102012021701A1 (de) * 2012-10-30 2014-04-30 Digades Gmbh Digitales Und Analoges Schaltungsdesign Sensorsystem zur Detektion der Annäherung von Personen oder Gegenständen, Verfahren zum Betreiben des Sensorsystems sowie dessen Verwendung
RU2515309C1 (ru) * 2012-11-14 2014-05-10 Александр Витальевич Вострухин Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста уитстона методом широтно-импульсной модуляции
KR101472001B1 (ko) 2012-12-06 2014-12-15 이성호 Ac 전원에 연동한 커패시턴스 검출 수단 및 방법
DE102012224032A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Ifm Electronic Gmbh Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung und hochempfindlicher kapazitiver Näherungssensor, insbesondere zur Messung kleiner Kapazitäten/Ladungen und/oder Kapazitäts-/Ladungs-Änderungen
DE102012224037A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Ifm Electronic Gmbh Impulsladungsübertragungs-Vorrichtung und hochempfindlicher kapazitiver Näherungssensor, insbesondere zur Messung kleiner Kapazitäten/Ladungen und/oder Kapazitäts-/Ladungs-Änderungen
CN103902114B (zh) * 2012-12-30 2017-03-15 比亚迪股份有限公司 电容检测电路
US9587964B2 (en) * 2013-06-12 2017-03-07 Microchip Technology Incorporated Capacitive proximity detection using delta-sigma conversion
US9462979B2 (en) 2013-12-06 2016-10-11 Covidien Lp Capacitance enhanced physiological measurements
EP2894785A1 (en) * 2014-01-09 2015-07-15 Open APP Contactless switch
WO2015131209A2 (en) * 2014-02-28 2015-09-03 Azoteq (Pty) Ltd Charge transfer measurement techniques
WO2015139113A1 (en) * 2014-03-17 2015-09-24 Magna Closures Inc. Method and system for driving a capacitive sensor
DE102014007236A1 (de) * 2014-05-16 2015-11-19 Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes
US9778798B2 (en) * 2014-06-30 2017-10-03 Synaptics Incorporated Techniques to determine X-position in gradient sensors
US10076277B2 (en) 2015-01-22 2018-09-18 Covidien Lp Pain level detection and characterization using capacitive sensors
TWI550562B (zh) * 2015-03-26 2016-09-21 華夏學校財團法人華夏科技大學 電容感測防盜裝置
CN106297174A (zh) * 2015-05-20 2017-01-04 无锡卓信信息科技有限公司 一种基于电容值变化实现设备防拆的系统及方法
CH711157A2 (de) * 2015-06-02 2016-12-15 Tecan Trading Ag Verfahren zur Detektion einer Schaumgrenze und entsprechend ausgestattete Vorrichtung.
DE102015008485A1 (de) * 2015-07-01 2017-01-05 Leopold Kostal Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Messen eines Kapazitätswertes
JP6558216B2 (ja) * 2015-10-30 2019-08-14 アイシン精機株式会社 静電容量検出装置
US10365749B2 (en) 2016-03-30 2019-07-30 Synaptics Incorporated Capacitive sensing device with single reference channel
WO2017175603A1 (ja) * 2016-04-06 2017-10-12 Ntn株式会社 静電容量変化検出回路および監視装置
ITUA20163099A1 (it) * 2016-05-03 2017-11-03 Torino Politecnico Sensore capacitivo e metodo per rilevare cambiamenti in uno spazio
AT518539B1 (de) * 2016-07-05 2017-11-15 Eologix Sensor Tech Gmbh Sicherungselement für eine Objektoberfläche
EP3287585A1 (en) 2016-08-22 2018-02-28 Captron Electronic GmbH Capacitive jam protection
FR3059455B1 (fr) * 2016-11-29 2020-09-25 Continental Automotive France Procede et dispositif de detection de presence pour vehicule automobile
US10386206B2 (en) * 2017-02-02 2019-08-20 L&P Property Management Company Active mirroring capacitance monitoring system for furniture
EP3403725A1 (de) * 2017-05-15 2018-11-21 Eppendorf AG Pipettierhilfssystem
US11054982B2 (en) * 2017-07-30 2021-07-06 Htc Corporation Electronic device, method and system for detecting fingers and non-transitory computer-readable medium
JP6960831B2 (ja) * 2017-11-17 2021-11-05 エイブリック株式会社 センサ装置
CN110389258B (zh) * 2018-04-16 2021-10-26 新疆金风科技股份有限公司 超级电容容值检测方法和装置、风力发电机组
IL260949B (en) * 2018-08-01 2021-10-31 Freetail Tech Ltd Perpetual inventory management system
DE102018126645A1 (de) * 2018-10-25 2020-04-30 Pepperl + Fuchs Gmbh Schwingungssensor mit Kalibriereinheit und Messgerät
EP3667918A1 (de) * 2018-12-12 2020-06-17 Huf Hülsbeck & Fürst GmbH & Co. KG Anordnung für ein fahrzeug
CN111854264A (zh) * 2019-04-28 2020-10-30 青岛海尔智能技术研发有限公司 一种制冷设备以及制冷设备的控制方法
CN110780125B (zh) * 2019-12-05 2021-08-24 上海芯凌微电子有限公司 电容式传感器电容变化检测方法及电路
DE102021101132A1 (de) * 2021-01-20 2022-07-21 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Störungsunempfindliche Bestimmung einer Kapazität
CN115691015A (zh) * 2022-10-24 2023-02-03 佛山市新东方电子技术工程有限公司 电容式防盗检测电路及防盗抢装置
CN115940570A (zh) * 2023-02-13 2023-04-07 基合半导体（宁波）有限公司 对焦马达、对焦马达的闭环控制方法及摄像设备

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3400331A (en) * 1965-01-18 1968-09-03 Pratt & Whitney Inc Gaging device including a probe having a plurality of concentric and coextensive electrodes
US4345167A (en) * 1978-07-14 1982-08-17 Calvin Noel M Capacitance proximity sensor
SU932217A1 (ru) * 1980-07-21 1982-05-30 Усть-Каменогорский Строительно-Дорожный Институт Емкостный датчик положени объекта
JPH0755501A (ja) * 1993-08-13 1995-03-03 Fuji Electric Co Ltd 静電容量式センサ
RU2126173C1 (ru) * 1994-08-09 1999-02-10 Научное производственно-коммерческое товарищество "Фортуната" Устройство с емкостным датчиком
US5730165A (en) * 1995-12-26 1998-03-24 Philipp; Harald Time domain capacitive field detector
SE511349C2 (sv) 1997-03-06 1999-09-13 Jan Rudeke Kapacitiv sensor för närvaroindikering
US6466036B1 (en) * 1998-11-25 2002-10-15 Harald Philipp Charge transfer capacitance measurement circuit
JP3396641B2 (ja) * 1999-03-04 2003-04-14 株式会社三社電機製作所 電源装置
US6362632B1 (en) 2000-05-24 2002-03-26 Becs Technology, Inc. Balanced charge pump capacitive material sensor
US6661239B1 (en) * 2001-01-02 2003-12-09 Irobot Corporation Capacitive sensor systems and methods with increased resolution and automatic calibration
JP2003078365A (ja) * 2001-09-05 2003-03-14 Sony Corp オペアンプ回路、静電容量検出装置および指紋照合装置
US6661410B2 (en) * 2001-09-07 2003-12-09 Microsoft Corporation Capacitive sensing and data input device power management
US20030132763A1 (en) * 2002-01-11 2003-07-17 Ellenz John David Capacitance-based sensing device for detecting presence of body part
US6720777B2 (en) * 2002-02-15 2004-04-13 Rosemount Inc. Bridged capacitor sensor measurement circuit
US7024936B2 (en) * 2002-06-18 2006-04-11 Corporation For National Research Initiatives Micro-mechanical capacitive inductive sensor for wireless detection of relative or absolute pressure
WO2004059343A1 (ja) * 2002-12-25 2004-07-15 Act Elsi Inc. 静電容量検出型近接センサ
JP2004219311A (ja) * 2003-01-16 2004-08-05 Omron Corp 静電容量センサ及び開閉体挟み込み検知装置
US20060071774A1 (en) * 2004-02-26 2006-04-06 Brown Katherine A Item monitoring system and methods using an item monitoring system
JP4363281B2 (ja) * 2004-09-08 2009-11-11 オムロン株式会社 容量計測装置および方法、並びにプログラム
JP2006133670A (ja) * 2004-11-09 2006-05-25 Shimadzu Corp パネル検査装置
US7301350B2 (en) * 2005-06-03 2007-11-27 Synaptics Incorporated Methods and systems for detecting a capacitance using sigma-delta measurement techniques
US7449895B2 (en) * 2005-06-03 2008-11-11 Synaptics Incorporated Methods and systems for detecting a capacitance using switched charge transfer techniques
JP4932207B2 (ja) * 2005-09-29 2012-05-16 東京瓦斯株式会社 ガス器具判定装置
US7330079B2 (en) * 2005-10-31 2008-02-12 Texas Instruments Incorporated Method and apparatus for rapid local oscillator frequency calibration
CN1832349A (zh) * 2006-04-19 2006-09-13 北京希格玛晶华微电子有限公司 一种电容测量触摸感应、辨认方法及实现装置
US8547114B2 (en) * 2006-11-14 2013-10-01 Cypress Semiconductor Corporation Capacitance to code converter with sigma-delta modulator
US8089288B1 (en) * 2006-11-16 2012-01-03 Cypress Semiconductor Corporation Charge accumulation capacitance sensor with linear transfer characteristic
US8207944B2 (en) * 2006-12-19 2012-06-26 3M Innovative Properties Company Capacitance measuring circuit and method
US7804307B1 (en) * 2007-06-29 2010-09-28 Cypress Semiconductor Corporation Capacitance measurement systems and methods

Also Published As

Publication number Publication date
US20100283485A1 (en) 2010-11-11
US8531193B2 (en) 2013-09-10
WO2009007500A1 (en) 2009-01-15
JP2010533288A (ja) 2010-10-21
EP2167983A1 (en) 2010-03-31
RU2486530C2 (ru) 2013-06-27
EP2167983A4 (en) 2013-05-29
RU2010104679A (ru) 2011-08-20
EG26198A (en) 2013-04-15
CN101796422A (zh) 2010-08-04
AU2008274151A1 (en) 2009-01-15
CA2693626A1 (en) 2009-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20100054130A (ko) 대상물의 용량성 탐지용 방법 및 장치
EP1583236B1 (en) Capacitance change detection device
US10003334B2 (en) Capacitative sensor system
US6466036B1 (en) Charge transfer capacitance measurement circuit
JP4356003B2 (ja) 静電容量検出装置
US9244104B2 (en) Detecting a dielectric article
EP1131641B2 (en) Charge transfer capacitance measurement method
RU2565595C2 (ru) Детектор контакта с кожей
CN112955102B (zh) 一种传感电路
EP2187241A1 (en) Capacitive proximity sensor and proximity detection method
US20110254571A1 (en) Position detector
US20140009171A1 (en) Proximity Detection
CA2897948A1 (en) Urine monitoring systems and methods
JP2003526831A (ja) 容量性センサ及びアレイ
WO2016107910A1 (en) Capacitive sensor
EP1776167A1 (en) A toy sensitive to human touch
JP4209324B2 (ja) 存否センサ
US6880397B2 (en) Fluid level sensor
CN111902588B (zh) 包括传感器电路的卫生器具以及传感器电路的用途
RU2540803C2 (ru) Блок питания и способ питания приводимого в действие электричеством устройства
JP7460622B2 (ja) 物品の水分または湿潤度を検出または感知するためのセンサ、システム、および方法
JP5721745B2 (ja) 多数の容量性センサ素子の静電容量を決定するための回路装置
CA2314700C (en) A capacitive measuring instrument for water level measurement in an oil tank
JP6618037B2 (ja) 静電容量型水位センサ
JP2015032270A (ja) タッチセンサ

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid