Способ и устройство для емкостного обнаружения объектов

Способ и устройство для емкостного обнаружения объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к емкостному обнаружению объектов, например людей.

Известный уровень

Присутствие тел или объектов можно обнаружить путем определения изменения емкости между двумя пластинами. Присутствие объекта вызывает изменение диэлектрической постоянной между пластинами, а это, в свою очередь, вызывает изменение емкости, создаваемой упомянутыми двумя пластинами, по сравнению с ситуацией, когда объект находится вдали от пластин.

Емкостной датчик можно использовать, например, для обнаружения движения людей, например, в системе антикражевой сигнализации.

Емкость емкостного датчика обычно имеет очень малую абсолютную величину. Электромагнитный шум, связанный с датчиком и контрольной схемой, затрудняет обнаружение небольших изменений емкости.

Известно, что величину емкости конденсатора можно измерить путем подключения конденсатора как части RC-цепи и определения постоянной времени этой RC-цепи. Резистор и конденсатор соединяются последовательно, и конденсатор заряжается через резистор, начиная с определенного напряжения. Время зарядки можно охарактеризовать постоянной времени. Постоянную времени цепи, образованной конденсатором и резистором, определяют либо посредством измерения времени до достижения предварительно определенного уровня напряжения, либо посредством измерения напряжения по истечении предварительно определенного времени загрузки. Когда постоянная времени и сопротивление известны, можно вычислить емкость.

Этот способ можно использовать для измерения емкости емкостного датчика. Однако проблема данного способа состоит в том, что, если измеряемая емкость маленькая, энергия измеряемого сигнала очень мала. Поэтому сложно достичь достаточной точности путем измерения времени зарядки или напряжения, достигнутого после предварительно определенного времени загрузки. Кроме того, на измерение может влиять электромагнитное излучение. На практике датчик имеет настолько малую емкость, что время зарядки тоже короткое и его невозможно измерить достаточно точно, например, с помощью недорогого микроконтроллера. Кроме того, измерение на основании этого принципа не предусматривает какого-либо фильтра нижних частот, что позволяет высокочастотному шуму от наложения спектров накладываться на измеряемый сигнал.

Известно, что величину емкости конденсатора можно измерить путем подключения переменного напряжения к конденсатору и определения импеданса этого конденсатора.

Конденсатор оказывает сопротивление потоку переменного тока за счет своего импеданса. Этот импеданс обратно пропорционален емкости в частотной области. Импеданс неизвестного конденсатора можно сравнить с импедансом известного конденсатора, например, с помощью мостовой схемы сравнения, такой как мост Уитстона. Этот способ требует использования сложных схем и поэтому неэкономичен.

Известно, что изменения величины емкости конденсатора можно обнаружить путем подключения конденсатора как части настроенного колебательного контура.

Устройство емкостного датчика может содержать резонансный контур, состоящий из неизвестного воспринимающего конденсатора и известной катушки (индуктивности). Когда емкость воспринимающего конденсатора достигает определенной величины, контур начинает резонировать и амплитуда колебаний внезапно увеличивается. Можно легко измерить, резонирует контур или нет. Этот способ очень чувствительный, но только в определенном узком диапазоне емкости. Данный способ не годится для применений, требующих более широкого диапазона.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения - создание устройства и способа, пригодных для емкостного обнаружения объектов.

Присутствие объекта изменяет емкость емкостного датчика, т.е. воспринимающего конденсатора, по сравнению с ситуацией, когда объект находится далеко. Движение объекта вблизи емкостного датчика изменяет емкость воспринимающего конденсатора.

Согласно первому аспекту изобретения предложено устройство для емкостного обнаружения объекта, содержащее:

емкостной датчик, имеющий воспринимающий конденсатор, образованный между по меньшей мере одним первым емкостным элементом и по меньшей мере одним вторым емкостным элементом, так что присутствие объекта может изменять емкость воспринимающего конденсатора,

источник напряжения,

первый переключатель для соединения воспринимающего конденсатора с источником напряжения для зарядки воспринимающего конденсатора,

накопительный конденсатор,

второй переключатель для соединения воспринимающего конденсатора с накопительным конденсатором для передачи заряда от воспринимающего конденсатора накопительному конденсатору и для изменения напряжения накопительного конденсатора,

по меньшей мере один блок управления переключателями для управления зарядкой и передачей заряда путем размыкания и замыкания переключателей несколько раз, чтобы переключатели не находились в замкнутом состоянии одновременно,

блок контроля напряжения для контролирования напряжения накопительного конденсатора, и

контроллер для определения по меньшей мере одного значения измерения, которое зависит от скорости изменения напряжения накопительного конденсатора.

Согласно второму аспекту изобретения предложен способ для емкостного обнаружения объекта с использованием емкостного датчика, имеющего воспринимающий конденсатор, образованный между по меньшей мере одним первым емкостным элементом и по меньшей мере одним вторым емкостным элементом, так что присутствие объекта может изменять величину емкости воспринимающего конденсатора, способ содержит:

зарядку воспринимающего конденсатора путем подключения его к источнику напряжения, причем во время зарядки источник напряжения отсоединяется от накопительного конденсатора,

передачу заряда от воспринимающего конденсатора накопительному конденсатору, причем во время передачи заряда источник напряжения отсоединяется от накопительного конденсатора,

повторение зарядки и передачи заряда несколько раз,

контролирование напряжения накопительного конденсатора, и

определение по меньшей мере одного значения измерения, которое зависит от скорости изменения напряжения накопительного конденсатора.

Согласно изобретению с помощью измерительной схемы определяется неизвестная емкость воспринимающего конденсатора. Согласно изобретению известный накопительный конденсатор заряжается посредством передачи заряда несколько раз от источника напряжения к накопительному конденсатору с использованием воспринимающего конденсатора. Зарядка повышает напряжение накопительного конденсатора со скоростью, пропорциональной емкости воспринимающего конденсатора. Движение объекта можно обнаружить путем сравнения первой скорости изменения со второй скоростью изменения, измеренной ранее. Если скорость изменения напряжения накопительного конденсатора увеличилась, можно сделать вывод, что объект переместился ближе к емкостному датчику. Изменение скорости изменения напряжения (вторая производная) показывает, что объект приблизился к емкостному датчику.

Напряжение воспринимающего конденсатора является низкоэнергетическим сигналом, а напряжение накопительного конденсатора является высокоэнергетическим сигналом. Передача заряда большему известному конденсатору меньшим воспринимающим конденсатором позволяет интегрировать низкоэнергетический сигнал в высокоэнергетический сигнал, например, перед аналого-цифровым преобразованием. Следовательно, существенно снижается чувствительность измерительного устройства к электромагнитным помехам.

Можно также оптимизировать рабочие параметры измерительного устройства, чтобы оптимизировать разрешение, диапазон измерений и/или скорость получения данных. Можно также регулировать рабочие параметры с помощью программного обеспечения.

Измерительное устройство также по своей сути содержит фильтр нижних частот, образованный меньшим воспринимающим конденсатором, переключателем передачи заряда и большим накопительным конденсатором. Фильтр нижних частот эффективно ослабляет шум, вызванный высокочастотными помехами.

Известно, что точное измерение малых емкостей можно осуществлять при использовании опасно высоких напряжений, например порядка 100 В или выше. Настоящее изобретение позволяет точно контролировать изменения в емкости с помощью более низких напряжений, например 24 В или ниже.

Варианты осуществления изобретения и его преимущества станут более очевидными для специалистов из описания и приведенных ниже примеров, а также из прилагаемой формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее будут подробно описаны примерные варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 - трехмерный вид емкостного датчика приближения,

фиг.2 - схематический вид измерительной схемы переключаемого конденсатора согласно изобретению,

фиг.3 - принципиальная схема устройства измерения емкости, содержащего компаратор напряжения,

фиг.4 - временная диаграмма для устройства, показанного на фиг.3,

фиг.5 - принципиальная схема устройства измерения емкости, содержащего аналоговое переключающее устройство DG403DJ,

фиг.6 - примерный вывод измерения,

фиг.7a - примеры возможного выбора параметров измерения,

фиг.7b - частота отсечки для переключения емкости,

фиг.8 - принципиальная схема устройства измерения емкости, содержащего аналого-цифровой преобразователь,

фиг.9 - пример временной диаграммы для устройства, показанного на фиг.8,

фиг.10a - пример временной эволюции напряжения конденсатора для устройства, показанного на фиг.3,

фиг.10b - пример временной эволюции напряжения конденсатора для устройства, показанного на фиг.8,

фиг.11 - трехмерный вид матрицы емкостных датчиков,

фиг.12a - вид сверху воспринимающего полотна,

фиг.12b - поперечное сечение полотна, показанного на фиг.12a,

фиг.13 - принципиальная схема устройства измерения дифференциальной емкости,

фиг.14a - трехмерный вид емкостного датчика приближения, содержащего три пластины, и

фиг.14b - трехмерный вид емкостного датчика приближения, содержащего две пластины, причем датчик расположен над электрическим заземлением.

Все чертежи имеют схематический характер.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Изображенный на фиг.1 емкостной датчик 20 может содержать первый проводящий элемент 10a и второй проводящий элемент 10b. Элементы 10a, 10b электрически изолированы друг от друга. Элементы 10a, 10b могут иметь любую форму. Один или оба элемента 10a, 10b могут быть проводящими структурами, состоящими из нескольких частей. Можно также использовать электрическое заземление или землю в качестве проводящего элемента 10a или 10b (см. фиг.14b). Первый элемент 10a имеет вывод T0, и второй элемент имеет вывод T1.

Предпочтительно элементы 10a, 10b являются пластинами. Пластины 10a, 10b могут быть расположены внутри или сверху на электроизолирующем основании 5.

Пластины 10a, 10b вместе со средой, расположенной между ними, образуют емкостную систему. Емкостная система CX имеет величину емкости CX. Для простоты символ CX используется в данном описании для обозначения как физического элемента (конденсатора), так и измеряемой величины (емкости).

Присутствие объекта BOD1 вблизи датчика 20 изменяет диэлектрическую проницаемость среды между пластинами 10a, 10b. Следовательно, присутствие объекта BOD1 изменяет емкость CX по сравнению с ситуацией, когда объект BOD1 находится далеко от датчика 20.

Емкость CX зависит от расстояния между объектом BOD1 и датчиком 20, а также от материала, размера и формы объекта BOD1. Таким образом, емкостная система CX представляет неизвестный конденсатор.

Емкость CX может быть, например, меньше или равна 5 нФ, когда объект BOD1 находится далеко от датчика 20, или даже меньше или равна 1 нФ, чтобы повысить пространственное разрешение. Для обеспечения достаточного пространственного разрешения могут потребоваться пластины 10a, 10b с маленькой площадью.

Диэлектрическая проницаемость объекта обычно отличается от диэлектрической проницаемости воздуха. Присутствие объекта BOD1, как правило, увеличивает емкость CX. Присутствие проводящего объекта BOD1 также увеличивает емкость CX. Это обусловлено тем, что электропроводящий объект можно понимать как объект, имеющий по существу бесконечную диэлектрическую проницаемость.

Датчик 20 может содержать электроизолирующий слой (см., например, фиг.12b) для предотвращения электрического контакта между пластинами 10a, 10b и объектом BOD1.

Чтобы обеспечить оптимальное пространственное разрешение и соотношение сигнал-шум, размер пластин 10a, 10b может иметь такой же порядок величины, как размер объекта BOD1, подлежащего обнаружению. Если объект BOD1 является, например, стопой человека, то размеры пластин 10a могут быть, например, в интервале 3-30 см в направлениях DX и DY.

DX, DY и DZ являются ортогональными направлениями. Основание 5 может быть расположено в плоскости, образованной направлениями DX и DY.

На фиг.2 представлена схема переключаемого конденсатора, которая содержит конденсатор, включенный между двумя переключателями, так что конденсатор может попеременно заряжаться и разряжаться. Схема такого типа работает как резистор.

Фиг.2 изображает схему переключаемого конденсатора, которая содержит неизвестную воспринимающую емкость CX, первый переключатель S1, второй переключатель S2 и источник напряжения 40. Источник напряжения обеспечивает напряжение V1. Переключатели S1 и S2 размыкаются и замыкаются с частотой переключений f_SW, так что переключатели S1, S2 не бывают в замкнутом состоянии одновременно. Например, первый переключатель может находиться в замкнутом (проводящем) состоянии, когда второй переключатель S2 находится в разомкнутом (непроводящем) состоянии, и наоборот.

Источник напряжения 40 обеспечивает напряжение V1. Замыкание переключателя S1 передает заряд воспринимающему конденсатору CX. Размыкание переключателя S1 и замыкание переключателя S2 передает заряд от воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору C2. попеременное размыкание и замыкание переключателей S1, S2 несколько раз повышает напряжение накопительного конденсатора C2 ступенчатым образом. Это переключение может продолжаться, например, до тех пор, пока не будет достигнуто предварительно определенное напряжение на накопительном конденсаторе C2.

На фиг.3 изображено устройство 100 обнаружения приближения, которое может содержать емкостной датчик 20 приближения, переключатели S1, S2, S3, накопительный конденсатор C2, источник 40 напряжения, источник 58 опорного напряжения, компаратор 50 и контроллер 60. Источник 40 напряжения обеспечивает напряжение V1. Емкостной датчик 20 представлен воспринимающим конденсатором CX.

Первая точка соединения источника 40 напряжения подключена к первому выводу T0 воспринимающего конденсатора CX. Вторая точка соединения источника 40 напряжения подключена ко второму выводу T1 воспринимающего конденсатора CX через переключатель S1. Следовательно, воспринимающий конденсатор CX может заряжаться до напряжения V1 источника 40.

Вывод T0 можно также соединить с заземлением GND, например с землей. Однако это не всегда необходимо.

Сначала можно разрядить накопительный конденсатор C2 путем замыкания переключателя S3. После этого переключатель S3 размыкается и удерживается в разомкнутом состоянии.

Теперь заряжается воспринимающий конденсатор CX путем замыкания переключателя S1, а переключатель S2 находится в разомкнутом состоянии. Затем размыкается переключатель S1 и заряд передается от воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору C2 при замыкании переключателя S2. Переданный заряд повышает напряжение VX на накопительном конденсаторе на небольшую величину.

Емкость накопительного конденсатора C2 может быть, например, больше чем или равна десятикратному минимальному значению емкости воспринимающего конденсатора CX, предпочтительно выше или равна стократному значению емкости воспринимающего конденсатора CX.

Напряжение VX накопительного конденсатора увеличивается при последовательном замыкании и размыкании переключателей S1 и S2 несколько раз до тех пор, пока напряжение VX не достигнет или не превысит опорное напряжение Vref, обеспечиваемое источником 58 опорного напряжения.

Напряжения VX и Vref можно подавать на входы 51, 52 компаратора 50. Выход 53 компаратора 50 можно подсоединить ко входу 61 контроллера 60.

Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью разрядки накопительного конденсатора C2 путем замыкания переключателя S3, когда изменяется состояние выхода 53 компаратора.

Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью разрядки накопительного конденсатора C2 путем замыкания переключателя S3 по истечении предварительно определенного времени после изменения состояния выхода 53 компаратора.

Переключатели S1, S2, S3 можно регулировать по меньшей мере одним блоком 90 управления переключателями, который может быть отдельным элементом или частью контроллера 60.

Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью подсчета числа N_k циклов передачи заряда, т.е. количества замыканий переключателя S2, необходимых для изменения состояния выхода компаратора. Контроллер 60 можно выполнить с возможностью отправки числа N_k внешнему устройству 200 обработки данных через выводы 62, 201.

Число N_k или дополнительная информация, зависящая от подсчитанного числа N_k, представляет результат измерения.

Этой дополнительной информацией может быть, например, постоянная времени, период времени T_k, необходимый для того, чтобы напряжение CX накопительного конденсатора достигло предварительно определенного напряжения, напряжение VX накопительного конденсатора C2, достигнутое после предварительно определенного периода времени T_FIX, абсолютное значение воспринимающего конденсатора CX, изменение емкости воспринимающего конденсатора CX по сравнению с ее предыдущим значением или относительное изменение (например, +1%) емкости воспринимающего конденсатор CX по сравнению с ее предыдущим измеренным значением.

Под скоростью получения данных устройства 100 обнаружения приближения подразумевается количество независимых значений емкости CX, измеренных за единицу времени. Частота переключения означает количество циклов замыкания второго переключателя S2 за единицу времени. Частота переключения может превосходить скорость получения данных на несколько порядков величины.

Опорное напряжение Vref может быть ниже чем или равно 30% напряжения V1 источника 40 напряжения, чтобы обеспечить по существу линейную зависимость между подсчитанным числом N_k и значением емкости CX.

Источник 58 опорного напряжения может содержать, например, делитель напряжения, образованный резисторами R1 и R2. Преимущество делителя напряжения состоит в том, что результат измерения по существу не зависит от абсолютного напряжения V1. Можно также использовать источник опорного напряжения, построенный, например, на основе стабилитрона.

Устройство 200 обработки данных может быть, например, компьютером системы наблюдения.

Абсолютное значение неизвестной воспринимающей емкости CX может определяться устройством 100. Абсолютное значение CX воспринимающей емкости можно вычислить из известных значений емкости накопительного конденсатора C2, известной частоты переключений и известного соотношения между напряжением VX накопительного конденсатора C2 и напряжением V1 источника 40 напряжения.

Еще более точное вычисление можно произвести, если учитывать импедансы (сопротивление и емкость) переключателей S1 и S2.

Определенные вычислением значения емкости CX можно дополнительно уточнить с помощью калибровки, например, путем определения калибровочного коэффициента посредством подключения известного конденсатора к выводу T0 и T1.

Однако во многих случаях нет необходимости определять абсолютное значение воспринимающей емкости CX. Устройство 100 можно выполнить с возможностью обнаружения изменения в воспринимающей емкости CX. Это изменение можно определять как относительное изменение, например 1% увеличения по сравнению с предыдущим измеренным значением.

Частоту переключения и/или емкость C2 можно сделать регулируемой, чтобы оптимизировать скорость получения данных, точность и/или разрешение. Например, контроллер 60 можно выполнить с возможностью осуществления такой регулировки на основании предыдущего измеренного значения. Скорость получения данных, точность и/или разрешение могут регулироваться с помощью программного обеспечения.

Емкость C2 можно регулировать, например, путем параллельного подключения дополнительного конденсатора с помощью дополнительного переключателя.

На фиг.4 изображена временная диаграмма для устройства на фиг.3. Первая, вторая, третья и пятая кривые, если считать сверху, показывают логические состояния переключателей S1, S2, S3 и выхода компаратора соответственно. Четвертая кривая сверху изображает временную эволюцию напряжения VX накопительного конденсатора.

Переключатель S3 замыкается в момент времени t_4,k-1 для разрядки накопительного конденсатора C2. Переключатель S3 можно удерживать замкнутым в течение предварительно определенного времени, чтобы гарантировать, что накопительный конденсатор C2 разрядится в достаточной степени. t означает время, k - целое число, являющееся индексом текущего измеренного результата. Логическое состояние 0 означает разомкнутый переключатель, а логическое состояние 1 означает замкнутый переключатель. По меньшей мере один из переключателей S1, S2 должен быть разомкнут во время разрядки накопительного конденсатора C2.

Переключатель S3 размыкается в момент t_1,k, и воспринимающий конденсатор CX заряжается посредством замыкания переключателя S1. S2 удерживается в разомкнутом состоянии. Переключатель S1 размыкается в момент t_2,k, а переключатель S2 замыкается для передачи заряда от воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору C2. Переключатели S1 и S2 попеременно размыкаются и замыкаются несколько раз до тех пор, пока напряжение VX накопительного конденсатора не достигнет или не превысит опорное напряжение Vref.

Напряжение VX накопительного конденсатора становится равным опорному напряжению Vref в момент t_3,k.

Переключатель S3 замыкается в момент t_4,k, чтобы снова разрядить накопительный конденсатор C2.

Период времени T_k между моментами t_2,k и t_3,k пропорционален подсчитанному числу N_k, т.е. числу последовательных циклов размыкания и замыкания переключателей S1, S2, необходимых для достижения уровня опорного напряжения V_ref. Длительность периода времени T_k или соответствующее подсчитанное число N_k представляет результат измерения.

Новая последовательность зарядки и передачи заряда с использованием переключателей S1 и S2 начинается снова в момент t_1,k+1, чтобы определить следующее подсчитанное число N_k+1 и/или следующий период времени T_k+1.

На фиг.5 изображен вариант реализации устройства с использованием микроконтроллера IC1 и аналогового полупроводникового переключающего устройства IC2(DG403DJ). Переключающее устройство запускается прямоугольным сигналом, который поступает на вход 15 переключающего устройства. Частота управляющего сигнала может составлять, например, 500 кГц. Переключающее устройство содержит внутренний инвертор для установки первого переключателя в состояние, отличное от состояния второго переключателя. Первый переключатель включен между выводами 3 (D2) и 4 (S2) переключающего устройства. Второй переключатель включен между выводами 1 (D1) и 16 (S1) переключающего устройства.

Воспринимающий конденсатор CX1 заряжается до напряжения VCC первым переключателем. Затем заряд передается накопительному конденсатору C1.

Емкость воспринимающего конденсатор CX1 может составлять, например, около 200 пФ. Емкость накопительного конденсатора C1 может составлять, например, 470 нФ.

Обозначения выводов микроконтроллера не следует путать с обозначениями других частей устройства, показанных на фиг. 1, 11, 12a, 12b, 14a и 14b.

Фиг.6 изображает пример временной эволюции определенного значения числа N_k, когда объект BOD1 находится на различных расстояниях от емкостного датчика 20. Самые низкие значения были обнаружены, когда объект находился далеко от датчика.

Эти значения измерялись при частоте дискретизации 19.52 Гц. Наименьшее значение индекса k определенных значений было 9670, наибольшее - 33991.

На фиг.7a линии A, B, C, D и E показывают возможные отношения между частотой дискретизации f и подходящими значениями емкости накопительного конденсатора C2 при данной частоте переключения f_SW, когда требуется разрешение 12 бит для измерений.

Например, при частоте переключения 500 кГц и тактовой частоте микроконтроллера 60 8 МГц подходящим значением для накопительного конденсатора C2 может быть, например, 470 нФ. Состояние выхода компаратора или выхода АЦП можно проверять (отсчитывать) с тактовой частотой микроконтроллера 60.

Больший накопительный конденсатор C2 можно выбрать для более высокой частоты переключения f_SW, потому что заряд, передаваемый за единицу времени, также больше при более высокой частоте переключения.

Частота дискретизации может быть также равна частоте переключения. В этом случае точность будет ограничена частотой переключения. Когда частота переключения равна, например, 500 кГц, а разрешение равно 12 бит, можно достичь частоты дискретизации (скорости получения данных), приблизительно равной 120 Гц (=500 кГц/2¹²).

Скорость, с которой проверяется выход компаратора (частота дискретизации), может также быть выше частоты переключения. Заряд не передается из воспринимающего конденсатора CX в накопительный конденсатор C2 бесконечно быстро. При использовании частоты дискретизации, которая выше частоты переключения, можно получить более детальную информацию, когда заряд полностью передается из воспринимающего конденсатора CX в накопительный конденсатор. Следовательно, можно дополнительно повысить точность. Частота дискретизации может быть, например, выше или равна двукратной частоте переключения. Частота дискретизации может быть, например, целым кратным частоте переключения.

Переключаемый конденсатор CX и накопительный конденсатор C2 образуют вместе фильтр нижних частот, способный подавлять шум. На фиг.7b линии A, B, C, D, и E показывают отношение между емкостью накопительного конденсатора C2 и частотой отсечки f_c фильтра нижних частот.

Для эффективного подавления шума было бы целесообразно выбрать низкую частоту отсечки f_c. Однако частота отсечки f_c также устанавливает верхний предел для скорости получения данных (количества независимых значений емкости CX, которые можно измерить за единицу времени). Поэтому частоту отсечки f_c невозможно выбирать.

Например, когда частота переключения составляет 500 МГц и C2 = 470 нФ, частота отсечки f_c приблизительно равна 100 Гц.

Фиг.8 изображает устройство 100 обнаружения приближения, которое может содержать емкостной датчик 20, переключатели S1, S2, S3, накопительный конденсатор C2, источник 40 напряжения, источник 58 опорного напряжение, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 70 и контроллер 60.

Источник 40 напряжения обеспечивает напряжение V1. Емкостной датчик 20 приближения представлен неизвестной воспринимающей емкостью CX.

Первая точка соединения источника 40 напряжения подключена к первому выводу T0 воспринимающего конденсатора CX. Вторая точка соединения источника 40 напряжения подключена ко второму выводу T1 воспринимающего конденсатора CX через переключатель S1. Таким образом, воспринимающий конденсатор CX может заряжаться по существу до напряжения V1 источника 40.

Вывод T0 можно также подсоединить к земле GND. Однако это не всегда является необходимым.

Сначала можно разрядить накопительный конденсатор C2 путем замыкания переключателя S3. Затем переключатель S3 размыкается и удерживается в разомкнутом состоянии. Воспринимающий конденсатор CX заряжается при замыкании переключателя S1, в то время как переключатель S2 находится в разомкнутом состоянии. Затем переключатель S1 размыкается и заряд передается из воспринимающего конденсатора CX в накопительный конденсатор C2 при замыкании переключателя S2. Переданный заряд увеличивает напряжение VX на накопительном конденсаторе на небольшую величину.

Напряжение VX накопительного конденсатора повышается путем последовательного замыкания и размыкания переключателей S1 и S2 несколько раз, например, в течение предварительно определенного периода времени T_FIX (фиг.9).

Альтернативно, напряжение VX накопительного конденсатора можно увеличить путем последовательного замыкания и размыкания переключателей S1 и S2 несколько раз до тех пор, пока напряжение VX не достигнет или не превысит предварительно определенный уровень напряжения Vref.

Напряжение VX можно подавать на вход 71 АЦП 70. Вывод АЦП 70 можно подсоединить ко входу 61 контроллера 60.

Переключатели S1, S2, S3 могут управляться по меньшей мере одним блоком 90 управления переключателями, который может быть самостоятельным элементом или частью контроллера 60.

Управляющий блок 90 может быть выполнен с возможностью разрядки накопительного конденсатора C2 путем замыкания переключателя S3 после предварительно определенного периода времени T_FIX. Альтернативно, управляющий блок 90 может быть выполнен с возможностью разрядки накопительного конденсатора C2 путем замыкания переключателя S3, когда напряжение VX достигает или превосходит предварительно определенный уровень напряжения Vref.

Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью подсчета числа N_k циклов передачи заряда, т.е. количества замыканий переключателя S2, необходимого для изменения состояния выхода компаратора. Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью отправки подсчитанного числа N_k внешнему устройству 200 обработки данных через выводы 62, 201.

Подсчитанное число N_k или дополнительная информация, зависящая от подсчитанного числа, представляет результат измерения.

Альтернативно или дополнительно контроллер 60 может быть выполнен с возможностью определения скорости изменения напряжения VX во время зарядки накопительного конденсатора C2. Контроллер 60 может быть выполнен с возможностью определения дополнительной информации из скорости изменения напряжения VX.

Период времени T_FIX может быть достаточно малым, чтобы обеспечить по существу линейную зависимость между числом N_k и значением емкости CX.

Опорное напряжение Vref может быть достаточно низким, чтобы обеспечить по существу линейную зависимость между подсчитанным числом и значением емкости CX. Vref может быть, например, ниже или равно 30% напряжения V1 источника 40 напряжения.

Скорость получения данных АЦП 70 может быть выше или равна частоте переключения второго переключателя S2, чтобы регистрировать значение напряжения VX для каждого этапа передачи заряда и чтобы захватить максимальное количество точек данных для цифровой обработки сигнала. Однако скорость получения АЦП 70 может также быть ниже, чтобы упростить и ускорить цифровую обработку сигнала.

Для дополнительного уменьшения шума перед входом 71 АЦП 70 может быть включен аналоговый фильтр нижних частот.

Фиг.9 изображает временную диаграмму для устройства на фиг.8. Первая, вторая и третья кривые сверху показывают состояния переключателей S1, S2 и S3 соответственно. Четвертая кривая отображает временную эволюцию напряжения VX накопительного конденсатора C2.

Переключатель S3 замыкается в момент U_4,k-I, чтобы разрядить накопительный конденсатор C2. Переключатель S3 можно удерживать замкнутым в течение предварительно определенного времени, чтобы гарантировать, что накопительный конденсатор C2 разрядится в достаточной степени.

Логическое состояние 0 означает разомкнутый переключатель, а логическое состояние 1 - замкнутый переключатель. По меньшей мере один из переключателей S1, S2 должен быть разомкнут во время разрядки накопительного конденсатора C2.

Переключатель S3 размыкается в момент времени t_1,k, и воспринимающий конденсатор CX заряжается при замыкании переключателя S1. S2 находится в разомкнутом состоянии. Переключатель S1 размыкается в момент времени t_2,k, и переключатель S2 замыкается для передачи заряда от воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору C2. Переключатели S1 и S2 размыкаются и замыкаются попеременно несколько раз, пока не истечет фиксированный период времени T_FIX от момента времени t_2,k.

В конце периода времени T_FIX, т.е. в момент t_3,k, можно зарегистрировать конечное значение V_k напряжения VX накопительного конденсатора C2. Конечное значение V_k представляет измеренное значение, имеющее индекс k. Теперь датчик емкости CX приблизительно обратно пропорционален конечному значению V_k.

Переключатель S3 замыкается в момент t_4,k, чтобы снова разрядить накопительный конденсатор C2.

Новая последовательность зарядки и передачи заряда с помощью переключателей S1 и S2 начинается снова в момент t_1,k+1, чтобы определить следующее конечное значение напряжения V_k+1, т.е. чтобы определить новое значение измерения.

Вместо определения конечного напряжения V_k контроллер 60 может также быть выполнен с возможностью определения изменения напряжения VX во время зарядки накопительного конденсатора C2. Контроллер 60 может быть также выполнен с возможностью определения скорости изменения напряжения VX или какого-то другого параметра, зависящего от скорости изменения во время зарядки накопительного конденсатора C2.

Как видно на фиг.10a, напряжение VX накопительного конденсатора может содержать шум δ_v. Электромагнитный шум может, например, изначально поступать на пластины 10a, 10b датчика 20 и в провода датчика 20. Обычно наиболее вредные шумовые компоненты имеют место на частоте 50 Гц (в Европе) и ее гармониках из-за переменного сетевого напряжения сети электроснабжения (на частоте 60 Гц в США). Шум датчика 20, т.е. шум напряжения воспринимающего конденсатора CX, значительно уменьшается, когда заряд передается из воспринимающего конденсатора CX накопительному конденсатору, потому что комбинация переключателя S2 и накопительного конденсатора C2 действует как фильтр нижних частот. Однако часть шума воспринимающего конденсатора CX все же переносится на напряжение VX накопительного конденсатора C2. Шум может также передаваться непосредственно в измерительную схему устройства 100. Уровень опорного напряжения Vref на входе компаратора также может содержать значительный шум.

Продолжительность периода времени T_k и/или подсчитанное число N_k определяются путем определения времени, когда напряжение VX достигает или превосходит уровень опорного напряжения Vref. Иными словами, продолжительность периода времени T_k и/или подсчитанное число N_k можно измерить путем определения точки CP1, в которой кривая напряжения VX касается или пересекает уровень опорного напряжения Vref.

Шум обуславливает неопределенность при определении напряжения VX накопительного конденсатора C2 и, следовательно, отклонение Δ_Т продолжительности определенного периода времени T_k и/или отклонение значения подсчитанного числа N_k.

Эффект шума можно снизить, если учитывать несколько значений напряжения вместо единственного значения напряжения, предоставленного АЦП 70.

На фиг.10b линию LIN1, которая проходит через нулевое напряжение в t_2,k, можно подогнать к двум или более дополнительным значениям напряжения MP. Следовательно, положение точки пересечения CP1 можно интерполировать или экстраполировать. CP1 - это точка пересечения линии LIN1 с уровнем опорного напряжения Vref. Линию LIN1 можно подогнать по существу ко всем значениям MP напряжения, измеренным в течение периода T_FIX, чтобы повысить точность измерения. Например, можно использовать выравнивание методом наименьших ква