CN107582081B - 一种检测装置及一种疲劳检测*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测装置，包括：固定部件，其固定安装于目标位置；至少一个第一电极，第一电极的一端固定于固定部件，另一端沿第一方向朝第一活动部件延伸；第一活动部件，其与固定部件相对并平行设置，并通过第一弹性部件可动地连接到固定部件；至少一个第二电极，第二电极的一端固定于第一活动部件，另一端沿第二方向朝固定部件延伸，第二方向平行于第一方向。本发明同时公开了一种疲劳检测***。通过本发明的检测方案，能够准确地检测施加于目标位置处的作用力，有助于检测操作人员的疲劳状态。

Description

一种检测装置及一种疲劳检测***
技术领域
本发明涉及一种检测装置及一种疲劳检测***。
背景技术
车辆辅助驾驶***通常包括路况检测装置、车况检测装置和驾驶员状态检测装置，其中，驾驶员状态检测装置用于检测驾驶员的各项生理参数，例如视线方向检测、睡意检测、疲劳检测等。
疲劳检测包括检测方向盘握力和温度等的检测装置，握力传感器通过检测到的电容变化来确定弹性体的变形来检测作用于弹性体上的握力，对弹性体的选材存在要求，并且存在检测精度较低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出了一种提高检测精度的检测装置及疲劳检测***。
本发明实施例提出的检测装置包括：固定部件，其固定安装于目标位置；至少一个第一电极，所述第一电极的一端固定于所述固定部件，另一端沿第一方向朝第一活动部件延伸；所述第一活动部件，其与所述固定部件相对并平行设置，并通过第一弹性部件可动地连接到所述固定部件；至少一个第二电极，所述第二电极的一端固定于所述第一活动部件，另一端沿第二方向朝所述固定部件延伸，第二方向平行于第一方向。
作为优选，所述检测装置还包括：第二活动部件，其至少一端固定；至少一个第三电极，所述第三电极固定于所述第二活动部件。
作为优选，所述第三电极与所述第一电极或第二电极构成变面积型电容器。
作为优选，所述第三电极与所述第一电极或第二电极之间设置有绝缘层。
作为优选，所述第三电极与所述第一电极构成变距离型电容器。
作为优选，第二活动部件沿垂直于所述第一方向的第三方向延伸。
作为优选，第二活动部件两端各连接有第二弹性部件。
作为优选，所述第二活动部件沿平行于所述第一方向的第四方向延伸。
本发明实施例提出的一种疲劳检测***包括：上述任一检测装置，其安装于车辆方向盘；驱动装置，其基于预定的驱动指令，向检测装置提供电极驱动信号；处理装置，其根据从检测装置接收的检测信号，计算作用于所述检测装置的力。
作为优选，处理装置还配置为将计算的力与预定阈值范围进行比较，并且该***还包括：提醒装置，其在处理装置确定计算的力超出预定阈值范围时发出提醒信号。
作为优选，所述检测装置还包括：温度传感器，其安装在所述检测装置的离开所述方向盘的一侧或方向盘上邻近检测装置的位置；和/或心率传感器，其安装在所述检测装置的离开所述方向盘的一侧或方向盘上邻近检测装置的位置。
通过本发明实施例的检测方案，能够准确地检测作用于检测装置上的作用力，进而准确地判定操作人员当前的疲劳状态，在疲劳检测方面能够起到较好的效果。
附图说明
图1为本发明一个实施例的检测装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例中用于检测装置的检测参数计算电路的示意图；
图3为本发明另一实施例的检测装置的结构示意图；
图4为本发明再一实施例的检测装置的结构示意图；
图5为本发明一个实施例的检测装置的一种状态下的结构示意图；
图6为图5所示检测装置的另一种状态下的结构示意图；
图7为本发明一个实施例的检测装置的截面结构示意图；
图8为本发明实施例的检测装置应用于方向盘的布置示意图；
图9为本发明一个实施例的疲劳检测***的示意性框图；
图10为本发明另一个实施例的疲劳检测***的示意性框图；
图11为本发明再一个实施例的疲劳检测***的示意性框图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明各实施例进行详细说明。
图1为本发明一个实施例的检测装置的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例的检测装置包括相对并平行设置的固定部件10和第一活动部件20，以及连接在固定部件10和第一活动部件之间的第一弹性部件31。第一弹性部件31可以是连接在固定部件10和第一活动部件之间的连接部件的一部分或整体。
固定部件10的一侧固定安装于目标位置，目标位置为需要检测物体或操作者施加的例如压力等作用力的位置，例如，待测物体压力处，例如测量物体重量，或者待测操作力度处，如车辆方向盘。
固定部件10的与安装侧相对的一侧上设置有一个或多个第一电极11，第一电极11可以是带状电极或柱状电极，其一端固定于固定部件10，另一端朝向远离固定部件10的方向延伸，例如可沿垂直于固定部件10表面的第一方向朝与固定部件10相对的第一活动部件20延伸。
第一活动部件20的两端可以分别通过第一弹性部件31连接到固定部件10的两端，由于固定部件10固定在目标位置处，当对第一活动部件20施加朝向固定部件10的压力时，第一活动部件20在压力的作用下朝向固定部件10移位，同时两端的第一弹性部件31被压缩，并且当压力解除时，第一弹性部件31由于自身的恢复力而恢复到原来的未压缩状态，从而将第一活动部件20复位。
第一活动部件20的朝向固定部件10的一侧设置有一个或多个第二电极21，第二电极21可以是带状电极或柱状电极，其一端固定于第一活动部件20，另一端朝向靠近固定部件10的方向延伸，例如可沿垂直于第一活动部件20表面的第二方向朝靠近固定部件10的一侧延伸。
在本发明实施例的检测装置中，固定部件10与第一活动部件20可相对并平行设置，则第二方向可以平行于第一方向，也就是第一电极11与第二电极21相互平行。在本发明实施例中，第一电极11与第二电极21的自由端面所在平面可以相互重合，也就是第一电极与第二电极21在第一活动部件20上未施加压力的情况下端部不相互面对；或者第一电极11与第二电极21在第一活动部件20上未施加压力的情况下端部可以相互面对，形成一对或多对叉指电极。
当第一活动部件20上未施加压力时，第一电极11与第二电极21之间插指部分的长度可以为零或为预定长度。随着作用在第一活动部件20上的朝向固定部件10的压力增大，第一活动部件20逐渐向靠近固定部件10的一侧移位，第一活动部件20与固定部件10之间的间距逐渐变小，第一电极11与第二电极21之间叉指部分的长度由零或预定长度逐渐增大，使得插指部分电极产生的电容根据第一活动部件20与固定部件10之间的间距的变化而变化，通过监测插指部分电极的电容变化量，可以检测第一活动部件20与固定部件10之间的间距变化量。
其中，插指部分电极产生的电容Cx的计算式为：
Cx＝εS/4πkd 式1
其中ε为电极之间填充物质的导电率，S为插指部分电极的面积，k为静电力常量，d为插指部分电极之间的间距。
检测电容变化量的电路可以例如实现为图2所示的运放电路。如图2所示，Cx为插指部分电极构成的电容，运放输入端通过电容C输入电压U，运放输出端输出电压U0，则可根据下式计算Cx的变化量：
Cx＝-C×U/U0 式2
设插指部分电极的宽度为L0，则当第一活动部件20与固定部件10之间的间距变化量为ΔL时，插指部分电极的面积增加量为：
ΔS＝ΔL×L0 式3
由于上述电容计算式1中除面积S外其他参数均为常量，因此电容Cx的变化量ΔCx与面积S的变化量ΔS成正比，根据测得的电容变化量确定面积变化量，即可计算间距变化量ΔL。该间距变化量ΔL进而对应于第一弹性部件31的弹性形变量，结合第一弹性部件31的弹性系数，可以获知作用于第一活动部件20上的压力的大小。
除了实时计算压力大小，还可以预先测定电容变化量与压力大小之间的映射关系并保存为映射图，便于直接通过测得的电容变化量确定压力大小。
通过本发明实施例的检测装置，能够准确地检测作用于检测装置上的作用力大小，进而准确地判定物体的施力状态或操作人员的施力状态，在提高压力检测精度方面能够起到较好的效果。
参见图2、3和5，在本发明一些实施例中，检测装置除了包括图1所示的固定部件10和第一活动部件20外，还可以包括第二活动部件40。第二活动部件40可以一端固定或者可以两端均固定。第二活动部件40上朝向第一电极11、111或第二电极21、121的一侧上可以设置一个或多个第三电极41，第三电极41可以是带状电极或面状电极，其一端固定于第二活动部件40，另一端朝向靠近第一电极11、111或第二电极21、121的方向延伸。
在本发明一些实施例中第三电极41可以与第一电极11、111或第二电极121构成变面积型电容器，或者与第一电极11构成变距离型电容器，用于检测与作用在第一活动部件20、121上的作用力不同的另一作用力。
下面对具有第二活动部件40的检测装置的各实施例进行说明。
图3为本发明另一实施例的检测装置的结构示意图。
如图3所示，检测装置除了包括图1所示的固定部件10和第一活动部件20外，还包括第二活动部件40。第二活动部件40沿与第一方向或第二方向(即第一电极11或第二电极21的延伸方向)垂直的第三方向伸展，并且第二活动部件40的两端均固定连接。连接方式可以为，当第一弹性部件31是连接在固定部件10和第一活动部件20之间的连接部件的一部分时，第二活动部件40的两端可以连接到该连接部件的其他部分上。或者不论第一弹性部件31是连接在固定部件10和第一活动部件之间的连接部件的一部分还是整体，都将第二活动部件40的两端连接到固定部件10上设置的另外的连接部件上。
另外，除了图3中示出的第二活动部件40的两端连接到第一弹性部件31两端的连接部件中靠近固定部件10的连接部件上的实施例之外，本发明还可以包括第二活动部件40的两端连接到第一弹性部件31两端的连接部件中靠近活动部件20的连接部件上的实施例。
第二活动部件40上朝向第一电极11或第二电极21的一侧设置有一个或多个第三电极41，第三电极41可以是带状电极或面状电极，其一端固定于第二活动部件40，另一端朝向靠近第一电极11或第二电极21的方向延伸。
第二活动部件40的两端各连接有第二弹性部件32，当第二活动部件40受到沿其长度方向的作用力时，第二活动部件40向其一端移位，从而压缩连接在该端的第二弹性部件32或者拉伸连接在另一端的第二弹性部件32。
如图3所示，第三电极41的自由端朝向靠近第一电极11的方向延伸，第三电极41的自由端可以延伸至与第一电极11的侧表面相对。
当第二活动部件40向其一端移位从而压缩连接在该端的第二弹性部件32时，带动设置在第二活动部件40上的第三电极41朝向靠近第一电极11或离开第一电极11的方向移位，因此，如上所构造的第二活动部件40上的第三电极41与第一电极11构成变距离型电容器。
在图3所示实施例中，第三电极41与第一电极11构成的电容的电极间面对面积S不变，根据式1，电容的变化与电极间距的变化成反比。设第三电极41与第一电极11之间的距离变化量为Δd，则根据图2所示运放电路及式2测得电容变化量ΔCx以后，可根据式1计算出距离变化量Δd。该距离变化量Δd进而对应于第二弹性部件32的弹性形变量，结合第二弹性部件32的弹性系数，可以获知作用于第二活动部件40纵向上的作用力的大小。
本发明实施例通过同一检测装置充分利用了各电极之间的相互作用，能够以较少的零部件实现检测作用于检测装置上的不同作用力的大小，具有很好的测力效果。
图4为本发明再一实施例的检测装置的结构示意图。
图4所示实施例与图3所示实施例的不同之处在于第三电极41的设置方式。如图4所示，第三电极41设置为距离第一电极11保持一定距离，当第二活动部件40向其一端移位从而压缩连接在该端的第二弹性部件32时，带动设置在第二活动部件40上的第三电极41朝向与第一电极11之间面对面积变大或与第一电极11之间面对面积变小的方向移位，因此，如上所构造的第二活动部件40上的第三电极41与第一电极11构成变面积型电容器。
在图4所示实施例中，第三电极41与第一电极11构成的电容的间距d不变，根据式1，电容的变化与电极面对面积的变化成反比。设第三电极41与第一电极11之间的面对面积变化量为ΔS，则根据图2所示运放电路及式2测得电容变化量ΔCx以后，可根据式1计算出面对面积变化量ΔS，并根据第三电极41的长度计算出第二活动部件40的移位量。该移位量进而对应于第二弹性部件32的弹性形变量，结合第二弹性部件32的弹性系数，可以获知作用于第二活动部件40纵向上的作用力的大小。
图5为本发明一个实施例的检测装置的一种状态下的结构示意图；图6为图5所示检测装置的另一种状态下的结构示意图。
图5中的检测装置中，固定部件110、第一电极111、第一活动部件120和第二电极121与图1所示实施例中的固定部件10、第一电极11、第一活动部件20和第二电极21相同，在此需要说明的是，图5中为了图示简洁起见省略了连接在固定部件110和活动部件120之间的弹性部件(对应图1所示实施例中的第一弹性部件31)。
如图5所示，第二活动部件140设置在相互面对并平行设置的固定部件110和第一活动部件120的一端侧，并沿平行于第一方向或第二方向(即第一电极111或第二电极121的延伸方向)的第四方向延伸。第二活动部件140的一端通过例如弹性部件固定，该弹性部件能够在周向上弹性形变。当向第二活动部件140施加靠近第一电极111或第二电极121的力时，第二活动部件140绕其固定端转动一定角度θ，从而与第一电极111或第二电极121的面对面积发生变化，使得第三电极141与第一电极111或第二电极121构成变面积型电容器，如图7所示。需要说明的是，图7所示的电极之间面对位置仅为示例性的，实际应用中可根据需要确定面对位置。
可以提前通过计算获得电容变化与转角θ之间的关系，并根据转角θ与作用力之间的关系确定作用力的大小。如图7所示，设第二电极121的宽度为w，第二电极121之间的间距为w1，第三电极141的边长为a和b，则第三电极141与距第三电极141最近的一个第二电极121之间的面对面积为：
S＝a×b×sinθ 式4
同时根据式1可以确定电容变化量与面积变化量之间的关系，进而能够确定电容变化量与转角变化量之间的关系，然后根据第二活动部件固定端的弹性部件的弹性扭转系数，确定转角变化量与作用力之间的关系，最后得到作用力的大小。
在本发明实施例中，当第三电极与第一电极或第二电极之间构成变面积型电容器时，为了减少第三电极与第一电极或第二电极之间的距离误差，可以在第三电极41、141与第一电极11、111或第二电极21、121之间设置绝缘层150，如图7所示。
图8为本发明实施例的检测装置应用于方向盘的布置示意图。
如图8所示，本发明图1-7所示的检测装置可应用于车辆方向盘，例如安装在方向盘双手常握位置。安装方式如下：在方向盘的***安装检测装置，将检测装置的固定部件10、110的固定面固定在方向盘的目标位置处，这样在驾驶员手握住方向盘时正好能够与本发明实施例的检测装置接触，这样可以对手掌的握力和手掌的贴紧程度进行检测。
图9为本发明一个实施例的疲劳检测***的示意性框图。
如图9所示，本发明实施例的疲劳检测***包括检测装置1，驱动装置2和处理装置3。
检测装置1包括根据本发明实施例的前述任一检测装置，并如图8所示安装于车辆方向盘。检测装置1还可以包括如图2所示的电容检测电路。
驱动装置2配置为基于预定的驱动指令，向检测装置1提供电极驱动信号。其中，当检测装置1为本发明实施例的包括第二活动部件的检测装置时，由于第一电极和第二电极之间以及第三电极和第一电极或第二电极之间均形成电容器，在检测电容时，驱动装置2不能同时对所有电极供电，可以将一个检测周期T分配给两路驱动信号，利用时钟信号进行控制，在T×D期间将其中一路驱动信号施加给第一电极与第二电极构成的电容器，并在T×(1-D)期间将另一路驱动信号施加给第三电极与第一电极或第二电极构成的电容器。
处理装置3根据从检测装置1接收的检测信号，计算作用于检测装置的力。
通过本发明的疲劳检测***，能够准确地检测驾驶员施加于方向盘处的作用力，有助于检测操作人员的疲劳状态。
图10为本发明另一个实施例的疲劳检测***的示意性框图。
如图10所示，本发明实施例的疲劳检测***还包括提醒装置4，并且处理装置3配置为将计算的力与预定阈值范围进行比较，当比较结果为计算的力超过阈值范围时，向提醒装置4发送指示信号，提醒装置4在接收到指示信号时发出声光提醒信号或者智能提醒语音。例如，当计算的力较小时，判断为驾驶员疲劳情况或者未握住方向盘，可进行相应的提醒；当计算的力较大时，判断为驾驶员紧张或者进入睡意状态，也进行相应的提醒。
图11为本发明再一个实施例的疲劳检测***的示意性框图。
如图11所示，本发明实施例的疲劳检测***还可以包括心率传感器5，其可以安装在检测装置的离开方向盘的一侧，或者也可以安装在方向盘上靠近检测装置的位置。除了心率传感器5之外，本发明实施例的疲劳检测***还可包括温度传感器(未图示)，其也可以安装在检测装置的离开方向盘的一侧或者方向盘上靠近检测装置的位置。通过本发明实施例的疲劳检测***，能够综合检测驾驶员的各项生理状态，有助于准确地判定驾驶员的当前状态，进行有效的疲劳检测。
以上对本发明的多个实施例进行了说明，但本发明不限于上述特定的实施例，本领域技术人员在不脱离本发明范围的情况下，能够对上述实施例进行多种变型或修改，这些变型和修改均落入本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种检测装置，包括：
固定部件，其固定安装于目标位置；至少一个第一电极，所述第一电极的一端固定于所述固定部件，另一端沿第一方向朝第一活动部件延伸；
所述第一活动部件，其与所述固定部件相对并平行设置，并通过第一弹性部件可动地连接到所述固定部件；
至少一个第二电极，所述第二电极的一端固定于所述第一活动部件，另一端沿第二方向朝所述固定部件延伸，第二方向平行于第一方向；
还包括：
第二活动部件，其至少一端固定；
至少一个第三电极，所述第三电极固定于所述第二活动部件。
2.如权利要求 1 所述的检测装置，其中，所述第三电极与所述第一电极或第二电极构成变面积型电容器。
3.如权利要求 1所述的检测装置，其中，所述第三电极与所述第一电极或第二电极之间设置有绝缘层。
4.如权利要求 3所述的检测装置，其中，所述第三电极与所述第一电极构成变距离型电容器。
5.如权利要求 2-4中任一项所述的检测装置，其中，第二活动部件沿垂直于所述第一方向的第三方向延伸。
6.如权利要求5所述的检测装置，其中，第二活动部件两端各连接有第二弹性部件。
7.如权利要求1或2 所述的检测装置，其中，所述第二活动部件沿平行于所述第一方向的第四方向延伸。
8.一种疲劳检测***，包括：如权利要求 1-4中任一项所述的检测装置；其安装于车辆方向盘；
驱动装置，其基于预定的驱动指令，向检测装置提供电极驱动信号；
处理装置，其根据从检测装置接收的检测信号，计算作用于所述检测装置的力，判定操作人员当前的疲劳状态。
9.如权利要求 8所述的疲劳检测***，其中，处理装置还配置为将计算的力与预定阈值范围进行比较，并且该***还包括：提醒装置，其在处理装置确定计算的力超出预定阈值范围时发出提醒信号。
10.如权利要求 8或9所述的疲劳检测***，还包括：
温度传感器，其安装在所述检测装置的离开所述方向盘的一侧或方向盘上邻近检测装置的位置；和/或
心率传感器，其安装在所述检测装置的离开所述方向盘的一侧或方向盘上邻近检测装置的位置。
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