CN102959390A - 介电物体的检测 - Google Patents

Abstract

一种用于检测介电物体（120）的设备（300），包括：第一电极（E1）和第二电极（E2）；第一装置（FF1），用于确定能够通过物体（120）影响的、在第一电极（E1）和共同的参考点（E0）之间的第一电容（C1）；第二装置（FF2），用于确定能够通过物体（120）影响的、在第二电极（E2）和接地点之间的第二电容（C2）。此外，设置有控制装置（PWM），用于操控所述装置；以及分析装置（FF3），用于当确定的电容相差超过预先确定的程度时，检测到物体（120）。在此，控制装置设计用于操控所述装置，使得相继地进行确定，并且设置有开关装置（S1，S2，FF2，FF1），以便将各未***控的装置的电极与共同的参考点电连接。

Description

介电物体的检测

背景技术

为了以电容方式定位介电物体，可以产生电场并且随后确定是否电场通过物体而受到影响。在一个变形方案中，借助两个并排的电极来产生两个电场，并且在两个电极上进行电容的比较。如果电容相差超过预先确定的程度，则可以得出在电场的范围中存在物体。该方式可以针对任何类型的具有介电特性的物体使用，例如在轻质建筑墙中的木梁。

由并排的电极构成的布置相对于在其环境中的任何类型的电导体敏感。因此，电极布置相距于电路以一定的空间距离来构建，该电路进行电容确定。电极布置例如可以布置在与所述电路相同的电路板上，其中在电极和电路之间存在几厘米的水平距离。对此可替选地，可以将电极装置安装在分离的印刷电路板上，使得在垂直方向上在电路和电极之间存在一定距离。

本发明的任务是，提出一种用于检测介电物体的设备和方法，其能够实现改进的空间利用。

发明内容

本发明借助具有权利要求1所述特征的设备以及通过具有权利要求7所述特征的方法来解决该任务。从属权利要求给出了优选的实施形式。

根据本发明的用于检测介电物体的设备包括：第一电极和第二电极；第一装置，用于确定能够通过物体影响的、在第一电极和共同的参考点之间的第一电容；以及第二装置，用于确定能够通过物体影响的、在第二电极和接地点之间的第二电容。此外，设置有控制装置，用于操控（Ansteuerung）所述装置，以及设置有分析装置，用于当确定的电容相差超过预先确定的程度时，检测到物体。在此，控制装置设计用于操控所述装置，使得相继地进行确定，并且设置有开关装置，以便将各未***控的装置的电极与共同的参考点电连接。有利的是，由此可以连接在第一电极和第二电极之间的寄生电容，使得其不影响这些确定的差。

通过本发明，可以将在差分电容确定情况下的寄生电容的影响最小化。根据本发明的、在同时短路的寄生电容情况下顺序测量的方式可以扩展到任意多个电极或者电极对。

优选的是，在第一电极和第二电极的区域中设置有第三电极。第三电极可以用于在两个第一电极的区域中实现关于印制导线或者电子器件的屏蔽。在此在第三电极和第一电极这两个电极之间形成的耦合电容如上面描述的那样被连接寄生电容，使得其并不影响电容确定。由此，可以将测量电路紧凑地构建；尤其是可以将分析电路和电极之间的距离在精度方面无损地降低到小于10毫米，优选大约1.6毫米，这对应于通常的电路板的厚度。

第三电极可以布置在第一电极和第二电极的背离介电物体的侧上。由此，可以实现电极的节省空间的构造以及与电极连接的用于分析电极信号的组件。并不需要组件和电极在多个电路板上的分布或者保持在电极和组件之间的大的距离。

用于确定电容的装置可以设计用于发出如下时间信号：所述时间信号的长度分别与确定的电容相关，并且分析装置可以设计用于提供如下时间信号：所述时间信号的长度与电容的差相关。时间信号可以基于电容的充电过程或者放电过程来确定。于是，可以借助比较低的频率来确定电容，这可以提高确定的精度。由分析装置提供的时间信号可以被积分并且与阈值比较。这种分析可以用已知的方式来简单并可靠地构建。

控制装置可以设计用于以相同频率周期性地操控第一装置和第二装置来确定电容，其中在周期性的操控之间的相位关系是可变的，以便在不存在物体时补偿不同大小的电容。于是，可以将用于确定电容的过程的简单并且有效的同步与所述设备的简单的可校准性结合。

可以在电极和共同的参考点之间设置多个用于确定电容的装置，其中控制装置设计用于在每个时刻仅仅操控一个装置，并且开关装置设计用于将所有未***控的装置的电极与共同的参考点电连接。

于是，可以借助空间上分布的电极来进行一系列的多次电容确定。

根据本发明的用于检测介电物体的方法包括：确定能够通过物体影响的、在第一电极和接地点之间的第一电容的步骤，确定能够通过物体影响的、在第二电极和共同的参考点之间的第二电容的步骤，以及当确定的电容相差超过预先确定的程度时，检测到物体的步骤。在此，相继地确定电容，并且在借助电极的确定期间将各另外的电极与共同的参考点电连接。

最后，计算机程序产品包括计算机代码装置，用于执行所述方法，并且可以在处理装置上运行，或者存储在计算机可读的数据载体上。

附图说明

现在参照附图进一步描述本发明。其中：

图1示出了电极布置；

图2示出了基于图1中的电极布置的测量电路；

图3示出了用于操控图2中的电极布置的梁探测器；

图4示出了图3中的梁探测器上的变化过程的时间图；以及

图5示出了用于探测梁的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了电极布置100。借助在图1中示出的电极布置100，差分电容测量是可能的，使得可以发现或者确定物体120。例如，电极布置100可以用作梁探测器，用于检测埋藏在轻质建筑墙中的木梁。可替选地，电极布置100也可以用于介电液体的料位确定，其中可以使用所示的或者匹配的电极布置。基于差分电容确定的其他应用同样是可能的。

在透明地示出的电路板（印刷电路板）110的两侧施加有电极E0－E3。在电路板110的上侧上有电极E2，其被电极E1 U形环绕。电极E1又被电极E0 U形环绕。在电路板110的下侧上，平面的电极E3与电极E0至E2对置。电极E0至E3以球面的形状构建，其与电路板110粘合。电极E0至E3例如可以通过刻蚀工艺在电路板110上构建，借助该刻蚀工艺也将另外的连接元件构建在电路板110上用于连接电器件。在电路板110以及电极E0上有介电物体120。

电极E0至E2与电器件连接，而电极E3未被继续连接或者能够高欧姆值地与电路连接，譬如通过受控的开关如晶体管连接。电极E3用于将电极E0至E2向下屏蔽。在那里安装的测量电路或者测量人员对于电极E0至E2的影响通过电极E3最小化。在一些实施形式中，也可以省去电极E3。

分别在电极E0至E3之间出现的电容C1、C2、C12和C3以等效电路图的形式绘出。电容C1在电极E0和E1之间形成，其中电极E0接地；相应地，在电极E0和E2之间形成电容。在其他实施形式中，电极E0与任意的其他作为地的电势连接，只要该电势可以用作不变的参考点用于确定电容C1或者D2。在电极E1和E2之间存在寄生电容C12。另一寄生电容C3在电极E1和E3之间或者E3和E2之间的部分电容的串联电路中。

为了差分地检测介电物体120，通常将电容C1和C2同时充电或者放电，并且检测充电过程或者放电过程结束的时间差。如果该时间差超过预先确定的时间阈值，则推断出介电物体120。

寄生电容C12和C3引起电容C1和C2相互的耦合，使得出现串扰，并且降低了测量的精度，尤其是在电容C1和C2之间仅仅有小的差别时。当替代电极E3在电极E1和E2的区域中布置有另一导电结构、例如电器件或者操作元件时，寄生电容C3也会出现。

图2示出了基于图1的电极布置100的测量电路200。所示的测量电路200是用于说明目的的等效电路图，在实际的测量电路中，譬如将寄生电容C12和C3最小化。电极E0与地电连接，使得电容C1和C2的各下部端子接地。电容C1和C2的上部端子借助寄生电容C12和C3相互连接。电容C1的上部端子在下文中称为测试点A。测试点A借助电阻R1与恒定的工作电压连接，如通过在电阻R1的上部端子上的箭头表示的那样。相应地，电容C2的上部端子在下文中称为测试点B。测试点B借助电阻R2与工作电压连接。开关S1与电容C2并联布置，开关S2与电容C2并联布置。

电容C1的确定通过如下方式进行：电容C1通过电阻R1充电并且确定直到测试点A上的电压超过预先确定的阈值的时间。该阈值通常在充电情况下在工作电压的2/3处，并且在放电情况下在工作电压的1/3处。确定的时间与电容C1成比例。如果介电物体120在电极E1和E0的区域中（这些电极形成电容C1），则电容C1的值改变，这可以借助直到在测试点A上的电压超过阈值的改变的时间来检测。电容C2的确定相应地进行，其方式是，电容C2借助电阻R2来充电，并且在测试点B上的电压与阈值比较。

寄生电容C3和C12将电容C1和C2电耦合，使得借助所描述的方式，在电容C1和C2之间的实际的差大于可证实的差。

如果电容C1和C2并不同时被确定，而是相继地被确定，则可以在确定电容C1期间将开关S2闭合，而在确定电容C2期间将开关S2闭合。如果开关S2闭合，则电容C2被短路，并且寄生电容C12和C3与电容C1并联。电容值相加，使得确定电容C1＋C12＋C3。接着，断开开关S2并且闭合开关S1，使得可以确定电容C2＋C12＋C3。在C12和C3与介电物体120的影响无关之后，其同样程度地涉及两次电容确定。将电容C1＋C12＋C3充电到预先确定的电压所需的时间与用于将电容C2＋C12＋C3相应充电所需的时间进行的比较可以通过寄生电容C12、C3引起的恒定的部分而省去。由此，得到的时间差与电容C1或者C2相关，并且寄生电容C12和C3并不影响测量。

图3示出了用于操控图2中的电极布置200的梁探测器300。时间环节F1与测试点A连接，而时间环节F2与测试点B连接。如果进行测量，则时间环节的与测试点A或者B连接的相应端子是高欧姆的。否则，端子接地，使得实现开关S1或者S2的功能。

时钟发生器PWM提供矩形信号，其中可以在每个时钟周期期间影响高输出信号（High）和较低输出信号（Low）之间的关系。由时钟发生器PWM提供的矩形信号的上升沿触发时间环节FF1，并且下降沿触发时间环节FF2。时间环节FF1和FF2的未被使用的端子与地或者供电电压连接。

时间环节FF2的非反相的输出端Q与RS触发器FF3的R输入端连接。在其他实施形式中，也可以使用任意的其他状态存储器，譬如相应地连接的T触发器。时间环节FF1的反相的输出端                                                

与FF3的S输入端连接。FF3的非反相的输出端Q与积分器连接，该积分器由晶体管T1、电阻R3和电容器C4构建。积分器的输出端与低通滤波器连接，该低通滤波器通过电阻R5和电容器C5形成。

低通滤波器的输出端与运算放大器OV1的非反相输入端连接，其反相输入端被施加以恒定的电压，该电压通过电阻R6和齐纳二极管ZD1提供。运算放大器OV作为比较器工作。如果在非反相输入端上的电压超过在反相输入端上的电压，则运算放大器OV1的输出端被置于正值（High）。对于所示的简单的比较器可替选的是，也可以使用窗口比较器，其输出端输出信号，该信号表明是否由低通滤波器提供的电压在两个预先确定的阈值之间。运算放大器OV1的输出端与端子K连接。

与RS触发器FF3的输出端Q连接的器件用于当周期性地在FF3的输出端Q上出现的脉冲超过预先确定的长度时，在端子K上提供正信号。这对应于在电容C1和C2之间的预先确定的差，该差通过在电极E0、E1和E2的区域中的介电物体120引起。在端子K上的信号对应用于确定介电物体120。

触发器FF1至FF3用于交替地确定电容C1和C2并且相互比较。通过所选择的电路布置可以避免的是，将指明电容C1、C2之一的电容的值缓存，而确定另一电容C2、C1。

不同于图3的示图，电容C1和C2也可以用多种其他方式来确定，或者分析上面示出的脉冲。例如，通过时间环节FF1和FF2提供的脉冲可以首先积分，并且随后才相互比较。可替选地，可以将脉冲之一反相，并且向下推移电压差（High - Low），以便随后输送给积分器。比较以及分析可以借助数字微型计算机来进行，其中可以进行模数转换和/或数模转换。电容C1和C2也可以借助不同于通过时间环节FF1和FF2的另一确定方法来转换为数字值。在另一实施形式中，电容C1和C2的每个可以借助振荡器来确定，并且将振荡器的频率相减。

图3的相互连接的触发器FF1至FF3的工作方式现在参照图4进一步阐述。

图4示出了带有在图3中的梁探测器300上的变化过程的时间图400。在水平方向上绘出了时间。从上至下提供了四个变化过程。最上部的变化过程410对应于时钟发生器PWM的输出Q。随后的变化过程420和430对应于时间环节FF1或者FF2的输出Q。要注意的是，虽然在图3中时间环节FF1的输出Q并未被布线，然而变化过程420涉及该输出并且并不涉及已布线的输出

。第四变化过程440对应于RS触发器FF3的输出Q。

在周期T内，时钟发生器PWM产生在变化过程410中示出的对称矩形信号。正的部分Tp和负的部分Tn长度相同。在另一实施形式中，可以通过变化过程410也产生非对称信号，其中Tp和Tn长度不同。在时刻t0，借助第一变化过程410的上升沿触发第一时间环节FF1，以便开始确定C1的电容。第一时间环节FF1的输出Q被置于“High”，并且电容C1通过电阻R1充电。在该时刻，第二时间环节FF2的输出Q为“Low”，这对应于图2中的闭合的开关S2。

在时刻t1，测试点A上的电压超过预先确定的阈值，并且测量结束。变化过程420切换回“Low”。变化过程420中的在t0和t1之间的脉冲持续时间Pw1与C1的确定的电容相关。

电容C2的相应确定在时刻C2以变化过程410的下降沿开始。在时刻t3，所述确定结束，并且变化过程430的脉冲持续时间Pw2与C2的确定的电容相关。

为了将脉冲持续时间Pw1和Pw2相互比较，RS触发器FF3分别被变化过程430的下降沿置位，并且被变化过程420的下降沿复位。所述置位在时刻t0或者t3进行，复位在时刻t1或者t4进行。如果C1和C2的电容相同，则脉冲长度Pw1和Pw2长度相同，并且变化过程440是对称的矩形信号。换而言之，在该情况中在变化过程440中的Pw3与变化过程410中的Tp或者Tn长度正好相同。

通过变化过程440的积分，可以提供电压，该电压对应于在变化过程440的High时间和Low时间之间的比例，并且该电压可以在经过低通滤波器之后与恒定的电压比较。如果由低通滤波器提供的电压距离恒定的电压超过预先确定的程度，则该变化过程440的信号具有脉冲－暂停关系，该关系可以得出在图1中的电极E0至E2的区域中存在介电物体120。

可通过部件偏差或者通过在部件之间的寄生效应而引起的非对称性由此可以被补偿，使得第四变化过程440的矩形信号可以以合适的程度变为非对称。梁探测器100可以通过这种方式可调整地设计。

图5示出了用于检测介电物体120的方法。该方法500包括步骤510至560。在第一步骤510中，产生用于控制C1和C2的电容测量的时钟。在步骤520中确定第一电容C1，而在步骤530中确定第二电容C2。在方法500回到开始并且重新进行期间，在步骤540中确定两个确定的电容的差。随后，在步骤550中将确定的差与阈值比较。如果确定的差与阈值偏差超过预先确定的程度，则推断出在电极E0至E2的区域中存在介电物体120。在步骤560中输出该结果。该输出例如可以通过光学方式和/或声学方式至梁探测器300的使用者地进行。

Claims (9)

1.一种用于检测介电物体（120）的设备（300），其中所述设备（300）包括以下元件：

－ 第一电极（E1）和第二电极（E2）；

－ 第一装置（FF1），用于确定能够通过物体（120）影响的、在第一电极（E1）和共同的参考点（E0）之间的第一电容（C1）；

－ 第二装置（FF2），用于确定能够通过物体（120）影响的、在第二电极（E2）和共同的参考点（E0）之间的第二电容（C2）；

－ 控制装置（PWM），用于操控所述装置；

－ 分析装置（FF3），用于当确定的电容（C1，C2）相差超过预先确定的程度时，检测到物体（120）；

其特征在于，

－ 控制装置（PWM）设计用于操控所述装置（FF1，FF2），使得相继地进行确定，并且

－ 设置有开关装置（S1，S2，FF2，FF1），以便将各未***控的装置（FF2，FF1）的电极（E2，E1）与共同的参考点（E0）电连接。

2.根据权利要求1所述的装置（300），其特征在于，在第一电极（E1）和第二电极（E2）的区域中设置有第三电极（E3）。

3.根据权利要求1或2所述的装置（300），其特征在于，第三电极（E3）布置在第一电极（E1）和第二电极（E2）的背离介电物体的侧上。

4.根据上述权利要求之一所述的装置（300），其特征在于，用于确定电容（C1，C2）的装置（FF1，FF2）设计用于发出如下时间信号（PW1，PW2）：所述时间信号的长度分别与确定的电容（C1，C2）相关，并且分析装置（FF3）设计用于提供如下时间信号（PW3）：所述时间信号的长度与电容（C1，C2）的差相关。

5.根据上述权利要求之一所述的装置（300），其特征在于，控制装置（PWM）设计用于以相同频率周期性地操控第一装置（FF1）和第二装置（FF2）来确定电容（C1，C2），其中在周期性的操控之间的相位关系是可变的，以便在不存在物体（120）时补偿不同大小的电容（C1，C2）。

6.根据上述权利要求之一所述的装置（300），其特征在于，在电极（E1，E2）和共同的参考点（E0）之间设置多个用于确定电容（C1，C2）的装置（FF1，FF2），其中控制装置（PWM）设计用于在每个时刻仅仅操控一个装置（FF1，FF2），并且开关装置（S1，S2）设计用于将所有未***控的装置（FF1，FF2）的电极（E1，E2）与共同的参考点（E0）电连接。

7.一种用于检测介电物体（120）的方法（500），包括以下步骤：

－ 确定（520）能够通过物体（120）影响的、在第一电极（E1）和共同的参考点（E0）之间的第一电容（C1）；

－ 确定（530）能够通过物体（120）影响的、在第二电极（E2）和共同的参考点（E0）之间的第二电容（C2），以及

－ 当确定的电容（C1，C2）相差超过预先确定的程度时，检测到（540，550）物体（120）；

其中

－ 相继地确定电容（C1，C2），并且在借助电极（E1，E2）之一的确定期间将相应另外的电极（E2，E1）与共同的参考点（E0）电连接。

8.一种计算机程序产品，带有当其在处理设备上运行时用于执行根据权利要求7所述的方法的程序代码装置。

9.一种计算机程序产品，带有当其存储在计算机可读的数据载体上时用于执行根据权利要求7所述的方法的程序代码装置。

Images