TW201636584A

TW201636584A - 偵測裝置

Info

Publication number: TW201636584A
Application number: TW104111878A
Authority: TW
Inventors: 胡師賢; 周研瀚
Original assignee: 新益先創科技股份有限公司
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-10-16
Also published as: CN105890709B; CN105890709A

Abstract

一種偵測裝置，應用於受測物外形變化的偵測上，其包含：電容式感測電極單元，設置於該受測物的一側，與該受測物間具有一距離，其係因應該受測物的外形變化而產生不同的感應電容特性；以及控制電路晶片，電性連接於該電容式感測電極單元，用以根據該電容式感測電極單元所產生不同的感應電容特性而產生代表該受測物外形變化的一數值。

Description

偵測裝置

本案係為一種偵測裝置，尤指可應用於受測物外形變化偵測上的偵測裝置。

傳統容器內部液體量的偵測，通常需要使用浮筒等侵入式的方式來完成，例如馬桶水箱或是汽車的油箱。但是使用浮筒等方式需要複雜且亦耗損的機械構造，而且對於容器的密封有其不良影響，而為能改善此等缺失，係為發展本案的相關技術手段的主要目的。

本案主要是一種偵測裝置，應用於受測物外形變化的偵測上，其包含：電容式感測電極單元，設置於該受測物的一側，與該受測物間具有一距離，其係因應該受測物的外形變化而產生不同的感應電容特性；以及控制電路晶片，電性連接於該電容式感測電極單元，用以根據該電容式感測電極單元所產生不同的感應電容特性而產生代表該受測物外形變化的一數值。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的樣態上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參見圖1a，其係本案所發展出來的水量與水質偵測裝置的構造示意圖，而水量與水質偵測裝置1中主包含有一電容式感測電極單元11以及控制電路晶片12，主要可以用來偵測容器10中的液面高度來推估其液體量。其中容器10最好利用不具遮蔽能力且具高介電係數的材料來完成，例如以非導體材料來完成，而可以如圖所示，將長條狀的電容式感測電極單元11朝垂直方向延伸而貼附在容器10外部表面。如此一來，電容式感測電極單元11將可感測到液面水平線101的兩側所呈現截然不同的電容特性，使得控制電路晶片12可以根據電容式感測電極單元11的感測結果來判斷出液面水平線101的位置，進而在未接觸到受測物且未侵入該容器10中的狀態下，輕易推算出容器10中的液體量。

更甚者，由於不同液體或是相同溶劑但不同溶質，甚或是相同溶劑、溶質但不同溶質量的液體，其間的介電係數都可能會有不同，因此，透過電容式感測電極單元11與控制電路晶片12的感測與計算，將有相當大的機會可以判斷出液體的種類或是液體的某些特性的改變。舉例來說，當牛奶或豆漿因為過期而變質後所產生的電容特性將有所不同，因此本案裝置將可有效感應到此類的差異而偵測到牛奶或豆漿的變化。另外，本案概念也可運用到釀造酒類、醋等類似的產業中，進而達到自動化的控制。

再者，容器10並不需要是全部材料都要以不具遮蔽能力且具高介電係數的材料，而是可以在電容式感測電極單元11貼附的容器側壁處來以不具遮蔽能力且具高介電係數的材料來完成即可，舉例來說，容器主體可以是強度較高的金屬，而另外從底部連通一個以塑料完成的細長管線，該細長管線向上延伸，其液面高度將與容器主體中液面的高度相同，而本案的電容式感測電極單元11便可貼附其上。另外，除了水之外，本案技術也可以用來感測其它液體的液面變化，例如水銀的液面變化，如此便可以用來達到溫度計的功能。

請參見圖1b，其係本案所發展出來的另一實施例構造示意圖，其主要是針對儲存高溫液體所發展出來的液體量偵測裝置，由於本實施例容器109是用來儲存高溫液體，所以電容式感測電極單元119無法直接貼附在容器109的側壁上來進行量測，而是隔一段距離(例如圖中的1mm)地設置在外殼體199的內側壁上，由於本案電容式感測電極單元119可以隔空感測，所以利用電性連接於電容式感測電極單元119之控制電路晶片129仍可完成容器109中高溫液體液面高度的量測。而控制電路晶片129還可以另外電性連接一個電容式觸控開關感應電極所完成的觸控輸入介面139，其中觸控輸入介面139係提供給使用者來進行觸控手勢的操控，用以對此一高溫液體儲存裝置進行操控，此處之控制電路晶片129可以同時扮演電容式感測電極單元119的驅動與觸控輸入介面139的控制，相關技術也可參考申請人於先前所申請的案件，例如申請日為104年2月13日之台灣案號:104105100的「電容影像感測系統」。而此高溫液體儲存裝置可以是熱水瓶或是其它可能會產生高熱液體或氣體的類似裝置。

至於上述電容式感測電極單元(11、119)與控制電路晶片(12、129)之細節可以參考申請人於先前所申請的案件，例如申請日為2014年10月09日之中國案號：201410526889.7之申請案，以及申請日為2014年11月4日之中國案號:201410611424.1的「控制信号产生方法、控制方法、控制接口装置及控制系统」，其中有詳細的說明。而為了能優化液面高度判斷的解析度，本案裝置還可以採用下列方法來進行測量：首先，利用沿一維方向排列多個分離電極來分別進行感測，然後再根據每個電極所獲取的感應電容量的變化來估計出液面的大約位置，然後再利用電極分組的技術來更精確地計算出液面的位置。

例如圖1c中之所示，本案可以利用沿一軸向排列的十五個分離電極1400~1414中相鄰的兩個分離電極間的感應電容量差值來推估出液面的大約位置。詳言之，比較相鄰的兩個分離電極（例如分離電極1400與1401、分離電極1401與1402等等）間感應電容量的差異所得到的多個差值，其中若是相鄰的兩個分離電極皆是位於液體的涵蓋範圍或是相鄰的兩個分離電極皆不是位於液體的涵蓋範圍，那麼比較所得差值將是接近於零，而若是相鄰的兩個分離電極位於液面交界處的兩端，那麼比較所得差值將是極大值（正值）或是極小值（負值）。換句話說，從所有差值中選出極值或最接近極值所對應的一相鄰分離電極組，便可以初步估計出液面大約是位於該相鄰分離電極組之間，例如圖1c中分離電極1408~1409的附近。而為能更準確地估計出該液面的位置，本案接著便可以再利用分離電極分組的方法來進一步進行測量與估算，首先，控制電路晶片(本圖未示出)改將三個分離電極並聯成一個等效面積更大的電極，如此一來，將可以讓感應電容的強度提昇，藉此增加液面位置估計的精確度。而以上例繼續說明，由於已判斷出液面大約位於圖1c中分離電極1408~1409，因此本例再分別利用連續三個分離電極1405~1407所並聯成的等效電極所感應到的電容值與連續三個分離電極1408~1410所並聯成的等效電極所感應到的電容值間比較所得到的第一差值的絕對值，連續三個分離電極1406~1408所並聯成的等效電極所感應到的電容值與連續三個分離電極1409~1411所並聯成的等效電極所感應到的電容值間比較所得的第二差值，以及連續三個分離電極1407~1409所並聯成的等效電極所感應到的電容值與連續三個分離電極1410~1412所並聯成的等效電極所感應到的電容值間比較所得的第三差值，再根據第一差值的絕對值a1、第二差值的絕對值a2以及第三差值的絕對值a3以及一個預設的二次曲線方程式(例如拋物線方程式)C來推估出差值中的極值(例如極大值)m，而該極值所對應出來的位置就是代表更準確的液面位置，其示意圖可參見圖1d之所示。

當然，除了上述可以用來偵測液體的實施例外，本案還可以用來偵測固體因形變所造成的體積、面積、長度或形狀的變化，進而轉換成對於其它物理量的測量。舉例來說，在濕度測量的機構中，核心元件可以是由兩種不同材料組合而成的螺旋彈簧，因爲雙層複合片螺旋彈簧中一面是彈性合金，它基本上不隨濕度變化而變形，另一面則可以是一種對濕度敏感高分子材料，會隨濕度變化而膨脹或收縮，使得兩者組合後的螺旋彈簧將隨濕度變化而産生機械變形，使得螺旋彈簧所形成的圓面積變大或變小。而本案的電容式感測電極單元便可用以感測到其面積的變化，最後便可以將其轉換成代表濕度的變化的數位資料。

類似的機構也可以應用到溫度測量的機構中，核心元件可以是由對溫度敏感度高的熱敏元件來完成，隨溫度變化而産生機械變形的基本原理是因爲由兩片不同金屬所組合成之熱敏元件，其中兩種金屬各有其不同的熱膨脹係數，當溫度升高或降低時，一個伸長(或縮短)多一些，一個則少一些，因而産生彎曲變形。而本案的電容式感測電極單元便可用以感測到其形狀的變化，最後便可以將其轉換成代表溫度的變化的數位資料。

另外，再請參見圖1e，其係本案技術中用偵測真圓或是平面是否有高低落差的另一實施例。其中當被測量物是高介電係數的物件，例如鋁圈或金屬平板等，便可以直接測量，但若被測量物的介電係數不夠高，則可於被測量物的表面上貼附高介電係數材料的標記來輔助測量，利用位於被測量物180一側的電容式感測電極單元181與控制電路晶片182，便可用來隔空測量鋁圈或輪胎是否真圓或是平面。

再者，也可如圖1f之所示，將兩個一組或是多組的感應電極171、172分設於一基板170的兩個相對應表面上，藉由測量感應電極171、172間的耦合電容的變化，便可推估該基板170的厚度變化，又若是基板170是屬於熱脹冷縮的材料，則感應電極171、172間的耦合電容的變化便可代表基板170表面溫度的分佈狀態。

再請參見圖2a，其係本案運用電容式感測電極單元所完成之另一實施例，其主要為一電源插座20，該電源插座20可以設置在牆上或是延長線上，其主要包含有一個具有隔空感測能力的電容式感測電極單元21與其控制電路晶片22以及一受控開關23的設置，其中插座20與電源2之間係透過該受控開關23來進行電性連接。而具有隔空感測能力的電容式感測電極單元21可以用來感應到使用者的手是否接近插座20的週邊，而當使用者的手足夠接近插座20的週邊時，控制電路晶片22便可因應電容式感測電極單元21的感應結果而控制受控開關23處於關閉的狀態，如此一來，當使用者手持電器的插頭(圖未示出)接近插座20時，電源的電力將不會傳輸到插座20上，如此一來，可以確保使用者再進行電器插頭的插拔時，不會有觸電的疑慮。直到使用者的手離開電器插頭並遠離插座20後，控制電路晶片22便可因應電容式感測電極單元21的另一感應結果而控制受控開關23處於導通的狀態。當然，電容式感測電極單元21也可改用其它近接開關或近接感測裝置來完成。

另外，為能避免電器於正常操作時因為手接近而產生停止供電的誤動作，也可改用如圖2b所示的實施例示意圖，其中插座29的內部設置感應電極291、292，而使用者手持電器的插頭28上則設有可與使用者手指完成電性接觸的感應輔助導體構造281、282，感應輔助導體構造281、282之一端外露於插頭28的表面，用以當使用者手持插頭28時便可以與其達到電性接觸，此時，當使用者手持插頭28將其置入插座29時，插座29內部的感應電極291、292將可隔空感測到可視為手指延伸的感應輔助導體構造281、282，因此圖2a中的控制電路晶片22(本圖未示出)便可根據感應電極291、292的感應結果而控制受控開關27處於關閉的狀態。反之，當使用者的手離開插頭28時，插座29內部的感應電極291、292將無法感測到手指，因此控制電路晶片22(本圖未示出)便可根據感應電極291、292的感應結果而控制受控開關27處於導通的狀態。

請參見圖3a，其係利用本案電容式感測技術所完成的模組化智慧顯示器的結構配置示意圖，其主要的概念可參考申請人於先前所申請的案件，例如申請日為2014年10月17日之中國案號201410551027.X之申請案「控制模組及其所適用的觸控顯示器」，主要是以該案中的觸控顯示器40為核心，於具有觸控顯示器40的背面或側面上提供多種外接裝置41可插置的容置空間401與信號接頭402，搭配模組化設計的外接裝置41，皆可以插置入該容置空間401中而透過信號接頭402或是無線信號傳輸的方式與觸控顯示器完成信號連接，而模組化設計的外接裝置41的面積可以規劃成幾種尺寸，用以方便使用者插置到相對應尺寸的容置空間。而外接裝置41可以是電視調頻器模組、無線網路模組、揚聲器、硬碟或是使用者隨身攜帶的智慧手機、平板電腦或是筆記型電腦等等。

再請參見圖3b，其係利用本案電容式感測技術所完成的模組化科技屏風的結構配置示意圖，其主要是可以應用在一個辦公室環境中，其中上述具隔空感測能力的電源插座20便可整合在隔間屏風30上，用以發揮其防觸電的功能。另外，為能達到照明且節能的目的，本案特將照明光源固定設置在隔間屏風30的上緣301或是側壁300中，當然也是可以使用活動的方式收納在隔間屏風30的上緣301或是側壁300中。如圖所示，固定設置在隔間屏風30的上緣301的照明光源31就可以當作辦公室環境中的輔助照明光源，而使用活動的方式收納在隔間屏風30的上緣301中，並於使用時可以拉出的照明光源32就可以當作辦公室環境中的主要照明光源。更甚者，該照明光源31與照明光源32中皆可整合有與圖2中類似的具有隔空感測能力的電容式感測電極單元21、控制電路晶片22以及受控開關23，如此一來，當使用者的手接近照明光源31或照明光源32週邊，此時控制電路晶片22便可因應電容式感測電極單元21的感應結果，進而控制受控開關23處於導通或斷路的狀態中切換，而使得照明光源31或照明光源32發光或熄滅，甚或是可以利用隔空感測能力的電容式感測電極單元21與控制電路晶片22來感測使用者的觸控次數或滑動手勢，用以進行照明光源31或照明光源32的亮度控制。當然，電容式感測電極單元21也可改用其它近接開關或近接感測裝置來完成。

另外，在圖中的桌面與牆面上可以分別整合有以電容式感應技術所完成的觸控鍵盤33以及具有觸控功能的平面顯示器34，其中觸控鍵盤33的實施例可參考申請人於先前所申請的的案件，例如申請日為2012年10月5日之案號101136948之台灣申請案「電容性觸控鍵盤」，而具有觸控功能的平面顯示器34則可參考申請人於先前所申請的的案件，例如申請日為2014年10月17日之中國案號201410551027.X之申請案「控制模組及其所適用的觸控顯示器」。再者，隔間屏風30上還可整合有電源開關35、無線充電座36、揚聲器37、具有觸控功能的擴充功能塢（Docking station）38以及室內電話39，其中電源開關35與具有觸控功能的擴充功能塢（Docking station）38的實施例可以參考申請人於先前所申請的案件，例如申請日為2014年8月15日之中國案號201410401129.3之申請案「觸控裝置」以及申請日為2014年11月21日之中國案號201410670593.2之申請案「觸控感測裝置及觸控系統」，而無線充電座36與揚聲器37則可延用現有產品，故不再贅述。如此一來，在此辦公環境中可以不需固定設置電腦主機來提供運算能力，僅需要使用者隨身攜帶的智慧手機、平板電腦或是筆記型電腦等可隨身攜帶且具有運算能力的資訊裝置(圖中未示出)，透過與擴充功能塢（Docking station）38的有線連接(例如USB插槽)或無線連接(例如無線藍芽)，並可利用電源插座20或是無線充電座36來對資訊裝置進行充電。

另外，為能方便於使用者因應需求來任意組裝，本案上述隔間屏風30上之照明光源31、照明光源32、觸控鍵盤33、具有觸控功能的平面顯示器34、電源開關35、無線充電座36、揚聲器37、具有觸控功能的擴充功能塢（Docking station）38以及室內電話39等裝置，皆可以設計成分離但可互相拼接的模組，而模組的面積可以規劃成幾種尺寸，用以方便使用者拼接成屏風。舉例來說，於傳統辦公室的隔間屏風支架中，可於不同位置處增設有多個配線盤裝置，每一個配線盤皆具有多種類的信號接頭，例如，電源插座、電話信號線插座、網路信號線插座、通用匯流排插座、HDMI插座，而且每個種類信號接頭的位置皆為固定的預設位置，相同位置的信號接頭則串接在一起，因此上述各式模組僅需要在特定位置完成需要的接頭便可進行機構的組裝與信號的連接。

再請參見圖3c，其係圖3b所述之模組化科技屏風的電路功能方塊示意圖，其中假設以具有觸控功能的平面顯示器34為核心，觸控鍵盤33、揚聲器37、具有觸控功能的擴充功能塢（Docking station）38都可透過信號線或是無線連接的方式來與具有觸控功能的平面顯示器34完成信號連結。舉例來說，當使用者將其行動運算裝置(例如智慧型手機、平板電腦或是筆記型電腦)50與具有觸控功能的擴充功能塢（Docking station）38完成連接後，便可直接利用觸控鍵盤33來對該行動運算裝置50進行指令輸入，並可透過觸控功能的平面顯示器34來進行顯示，利用揚聲器37來進行聲音的播放。

另外，本實施例還可整合有具有隔空觸控的地磚51到本案的辦公空間或是營業場所，透過對經過地磚上方人員的感測，將可以有許多的應用，例如統計賣場中攤位的人潮分布，或是辦公室的自動化控制等等。而地磚51的細節可參考申請日為104年2月13日之台灣案號:104105100的「電容影像感測系統」以及申請日為104年2月17日之台灣案號: 104105476的「無線控制系統、觸控感應電極整合模組、觸控模組及其製造方法」相關的描述。其中描述了如何製造地磚51以及如何將其串接、供電以及信號傳遞的功能。

綜上所述，本發明實施例提出多種可利用電容式感測電極單元以及控制電路晶片來進行感測的裝置與方法，皆可以用來改善習知手段的缺失。雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧水量與水質偵測裝置
11‧‧‧電容式感測電極單元
12‧‧‧控制電路晶片
10‧‧‧容器
101‧‧‧液面水平線
109‧‧‧容器
119‧‧‧電容式感測電極單元
199‧‧‧外殼體
129‧‧‧控制電路晶片
139‧‧‧觸控輸入介面
1400~1414‧‧‧分離電極
a1‧‧‧第一差值的絕對值
a2‧‧‧第二差值的絕對值
a3‧‧‧第三差值的絕對值
C‧‧‧二次曲線方程式
m‧‧‧極值
180‧‧‧被測量物
181‧‧‧電容式感測電極單元
182‧‧‧控制電路晶片
171、172‧‧‧感應電極
170‧‧‧基板
2‧‧‧電源
20‧‧‧插座
21‧‧‧電容式感測電極單元
22‧‧‧控制電路晶片
23‧‧‧受控開關
29‧‧‧插座
291、292‧‧‧感應電極
28‧‧‧插頭
281、282‧‧‧感應輔助導體構造
40‧‧‧觸控顯示器
41‧‧‧外接裝置
401‧‧‧容置空間
402‧‧‧信號接頭
30‧‧‧隔間屏風
301‧‧‧上緣
300‧‧‧側壁
31‧‧‧照明光源
32‧‧‧照明光源
33‧‧‧觸控鍵盤
34‧‧‧平面顯示器
35‧‧‧電源開關
36‧‧‧無線充電座
37‧‧‧揚聲器
38‧‧‧觸控功能的擴充功能塢
39‧‧‧室內電話
50‧‧‧行動運算裝置
51‧‧‧地磚

圖1a，其係本案所發展出來的水量與水質偵測裝置的構造示意圖。圖1b，其係本案所發展出來的另一實施例構造示意圖。圖1c，其係本案利用沿一軸向排列的十五個分離電極完成的電容式感測電極單元示意圖。圖1d，其係本案推估液面位置的示意圖。圖1e，其係本案技術中用偵測真圓或是平面是否有高低落差的另一實施例示意圖。圖1f，其係本案之再一實施例示意圖。圖2a，其係本案運用電容式感測電極單元所完成之另一實施例示意圖。圖2b，其係本案運用電容式感測電極單元所完成之又一實施例示意圖。圖3a，其係利用本案電容式感測技術所完成的模組化智慧顯示器的結構配置示意圖。圖3b，其係利用本案電容式感測技術所完成的模組化科技屏風的結構配置示意圖。圖3c，其係圖3b所述之模組化科技屏風的電路功能方塊示意圖。

1‧‧‧水量與水質偵測裝置

11‧‧‧電容式感測電極單元

12‧‧‧控制電路晶片

10‧‧‧容器

101‧‧‧液面水平線

Claims

一種偵測裝置，應用於一受測物外形變化的偵測上，其包含：一電容式感測電極單元，設置於該受測物的一側，與該受測物間具有一距離，其係因應該受測物的外形變化而產生不同的感應電容特性；以及一控制電路晶片，電性連接於該電容式感測電極單元，用以根據該電容式感測電極單元所產生不同的感應電容特性而產生代表該受測物外形變化的一數值。