CN109716915A - 电容传感器及割草机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容传感器及割草机，其中电容传感器包括传感器探头、连接线和信号处理电路；信号处理电路通过连接线与传感器探头连接；连接线包括位于传感器信号层、以及依次包覆于传感器信号层外表面的第一绝缘层、屏蔽信号层和第二绝缘层；信号处理电路设置有传感器信号口和屏蔽信号口；传感器信号口用于检测传感器信号层传输的传感器信号；屏蔽信号口与屏蔽信号层连接；信号处理电路用于控制所述传感器信号层和所述屏蔽信号层中的信号的电平一致。上述电容传感器能够提高检测准确度。

Description

电容传感器及割草机

技术领域

本发明涉及电工工具技术领域，特别是涉及一种电容传感器及割草机。

背景技术

为了减少割草机的空转，提高工作效率，智能割草机大多设置有电容传感器。电容传感器通过检测草坪高度，判断是否为待割草丛，进而控制割草马达的工作情况。但是，传统的电容传感器检测到的信号在传输至信号处理电路过程中，导线容易受到其他信号导线、导体的干扰，从而降低了电容传感器检测草地草高的准确度。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够提高检测准确度的电容传感器及割草机。

一种电容传感器，用于对待测物进行检测，包括传感器探头、连接线和信号处理电路；所述信号处理电路通过所述连接线与所述传感器探头连接；

所述连接线包括位于最内层的传感器信号层、以及依次包覆于所述传感器信号层外表面的第一绝缘层、屏蔽信号层和第二绝缘层；所述信号处理电路设置有传感器信号口和屏蔽信号口；所述传感器信号口与所述传感器信号层连接；所述屏蔽信号口与所述屏蔽信号层连接；所述信号处理电路用于控制所述传感器信号层和所述屏蔽信号层中的信号的电平一致。

上述电容传感器的连接线在最内层的传感器信号层和第二绝缘层之间还设置有屏蔽信号层。信号处理电路控制所述传感器信号层和所述屏蔽信号层中的信号的电平一致，因此，当连接线外部有干扰出现时，由于屏蔽信号层与传感器信号层中的信号的电平一致，传感器信号层不会向外部泄露电荷或者由外部输入电荷，从而最大限度降低了连接线上的干扰输入，提高了检测的准确度。

在其中一个实施例中，所述信号处理电路用于分别对所述传感器信号层和所述屏蔽信号层进行充放电控制以使得所述传感器信号层和所述屏蔽信号层中的信号的电平一致。

在其中一个实施例中，所述信号处理电路包括控制单元、第一充电单元、第二充电单元、第一放电单元和第二放电单元；所述第一充电单元和所述第一放电单元分别与所述传感器信号层连接；所述第二充电单元和所述第二放电单元分别与所述屏蔽信号层连接；所述控制单元通过所述传感器信号口与所述第一充电单元和所述第一放电单元连接；所述控制单元还通过所述屏蔽信号口与所述第二充电单元和所述第二放电单元连接。

在其中一个实施例中，所述控制单元用于控制所述第一充电单元和所述第二充电单元同时开启，或者控制所述第二充电单元在所述第一充电单元工作后的预设时间内开启工作。

在其中一个实施例中，所述第一充电单元包括第一电流源和第一充电开关；所述控制单元通过对所述第一充电开关进行控制来控制所述第一电流源的工作状态以实现对所述传感器信号层的充电控制；

所述第二充电单元包括第二电流源和第二充电开关；所述控制单元通过对所述第二充电开关进行控制来控制所述第二电流源的工作状态以实现对所述屏蔽信号层的充电控制；

其中，所述第一电流源和所述第二电流源为相互独立的电流源，或者所述第一电流源和所述第二电流源为同一电流源。

在其中一个实施例中，所述第一充电单元还包括第一稳压电路；所述第二充电单元还包括第二稳压电路；所述第一电流源通过所述第一稳压电路接地；所述第一稳压单元用于稳定所述第一电流源的输出电压；所述第二电流源通过所述第二稳压电路接地；所述第二稳压电流用于稳定所述第二电流源的输出电压。

在其中一个实施例中，所述连接线还包括依次包覆于所述第二绝缘层外表面的地信号层和第三绝缘层；所述第三绝缘层用于实现地信号层与外界的电性隔离，并作为所述连接线的保护层。

一种割草机，包括壳体、切割机构、行走机构和控制装置，所述控制装置用于控制所述切割机构和所述行走机构，还包括电容传感器；所述电容传感器为前述任一实施例所述的电容传感器；

所述控制装置用于根据所述电容传感器的电容值变化对所述切割机构进行控制。

在其中一个实施例中，还包括固定结构；所述固定结构的一端与所述传感器探头固定连接；所述固定结构的另一端固定在所述壳体上；所述固定结构还包覆于所述连接线的外部。

在其中一个实施例中，所述电容传感器的连接线与所述割草机上的其他走线布置在不同的布线层。

附图说明

图1为一实施例中的电容传感器的结构示意图；

图2和图3为一实施例中的电容传感器的连接线在不同剖面线下的剖视图；

图4为一实施例中的传感器信号层和屏蔽信号层传输的信号的示意图；

图5为一实施例中的信号处理电路的原理框图；

图6为一实施例中的电容传感器的电路原理图；

图7为另一实施例中的电容传感器的电路原理图；

图8为一实施例中的割草机的结构示意图；

图9为一实施例中的固定结构的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一实施例中的电容传感器，用于将被测物理量或者机械量转换为电容变化量，从而通过对电容变化量的检测实现对该被测物理量或者机械量的检测。例如，在一实施例中，电容传感器用于对待测物的高度进行检测。待测物可以为植被。在本实施例中，以待测物为草地为例进行说明。电容传感器用于检测草地草高。参见图1，一实施例中的电容传感器100包括传感器探头110、连接线120和信号处理电路130。信号处理电路130通过连接线120与传感器探头110连接。

传感器探头110为金属探头。传感器探头110作为电容传感器100的一个电极，用于检测草地，电路地或者大地则作为电容传感器100的另外一个电极。这样，传感器探头110和电路地或者大地便可以组成电容传感器100的电容结构，简单且节省成本。在本实施例中，以大地作为电容传感器100的另外一个电极，因此只要将传感器探头110接电，传感器探头110与大地便可以构成电容传感器100的电容结构。

连接线120包括位于最内层的传感器信号层210、第一绝缘层220、屏蔽信号层230、第二绝缘层240、地信号层250和第三绝缘层260，如图2和图3所示。其中，第一绝缘层220、屏蔽信号层230、第二绝缘层240、地信号层250和第三绝缘层260依次包覆于传感器信号层210的外表面，也即沿连接线120的径向由内到外依次为传感器信号层210、第一绝缘层220、屏蔽信号层230、第二绝缘层240、地信号层250和第三绝缘层260。传感器信号层210用于传输检测过程中所需要的信号，该信号可以为电流信号。屏蔽信号层220则用于传输屏蔽信号。第一绝缘层220用于实现传感器信号层210与屏蔽信号层230之间的电性隔离，第二绝缘层240则用于实现屏蔽信号层230与地信号层250之间的电性隔离。第三绝缘层260可以实现地信号层250与外界的电性隔离，同时作为连接线120的保护层，对整个连接线120起到保护作用。在其他的实施例中，连接线120也可以仅仅包括传感器信号层210、第一绝缘层220、屏蔽信号层230以及第二绝缘层240，而并不设置地信号层250和第三绝缘层260。

信号处理电路130设置有传感器信号口132和屏蔽信号口134。其中，传感器信号口132与连接线120的传感器信号层210连接，屏蔽信号口134则与连接线120的屏蔽信号层230连接。信号处理电路130用于控制传感器信号层210与屏蔽信号层230中的信号的电平一致，也即使得屏蔽信号层230和传感器信号层210中有相同电平的信号流经，如图4所示。在一实施例中，传感器信号层210与屏蔽信号层230中的信号的相位和电平均相同。在另一实施例中，传感器信号层210与屏蔽信号层230中的信号相位、幅值以及频率均相同。信号处理电路130由一芯片构成。

在一实施例中，信号处理电路130用于对传感器信号层210和屏蔽信号层230进行充放电控制以使得传感器信号层210和屏蔽信号层230中的信号的电平一致。下面结合电容传感器的工作原理对本实施例中的电容传感器做进一步说明。电容传感器中的信号处理电路130用于对传感器信号层210进行充放电，也即对探头110进行充放电，从而依据充放电电流大小判断电容大小。当信号处理电路130控制传感器信号层210中的电流对探头110充电时(也即传感器信号层210的电信号为充电信号)，生成与充电过程相同的电信号作为屏蔽信号对屏蔽信号层230进行充电；当信号处理电路130对探头110进行放电时，则生成与传感器信号层210相同的放电信号作为屏蔽信号对屏蔽信号层230进行放电。上述电容传感器100的连接线120在最内层的传感器信号层210和地信号层250之间还设置有屏蔽信号层230，用于输送屏蔽信号。信号处理电路130控制传感器信号层210和屏蔽信号层230中的信号的电平一致。因此，当连接线外部有干扰出现时，由于传感器信号层210和屏蔽信号层230中的信号的电平一致，传感器信号层210不会向外部泄露电荷或者由外部输入电荷，从而实现了传感器信号层与外接的寄生电容之间被屏蔽信号阻断，最大限度降低了连接线上的干扰输入，提高了检测的准确度。

在一实施例中，信号处理电路130包括缓冲器136，如图1所示。缓冲器136用于向屏蔽信号层230提供屏蔽信号所需的电流。

在一实施例中，传感器探头110可以采用金属板制备而成，从而使得传感器探头110的具有较大的检测范围。传感器信号层210、屏蔽信号层230和地信号层250均采用良性导体制备而成，如铜、铝等。在一实施例中，传感器信号层210为实心圆柱结构，其他层则均为空心圆柱结构。在其他的实施例中，传感器信号层210为实心圆柱结构，屏蔽信号层230和地信号层250则均为由良性导体材料制成的网状结构，从而可以节省成本并缩小连接线120的体积。第一绝缘层220、第二绝缘层240和第三绝缘层260可以采用相同或者不同的绝缘材料制备而成，如采用绝缘的橡胶或者塑胶等。

在一实施例中，信号处理电路130包括控制单元310、第一充电单元320、第二充电单元330、第一放电单元340和第二放电单元350，如图5所示。其中，第一充电单元320和第一放电单元340分别与传感器信号层210连接。第二充电单元330和第二放电单元350则分别与屏蔽信号层230连接。控制单元310通过传感器信号口J1和J2分别与第一充电单元320和第一放电单元340连接。控制单元310还通过屏蔽信号口J3和J4分别与第二充电单元330和第二放电单元350连接。控制单元310用于对第一充电单元320、第二充电单元330、第一放电单元340和第二放电单元350进行控制，以实现对传感器信号层210和屏蔽信号层230的充放电控制。

在一实施例中，控制单元310可以通过对第一充电单元320、第二充电单元330、第一放电单元340和第二放电单元350的控制，实现对传感器信号层210和屏蔽信号层230的同步充放电控制。例如，在电容传感器开启工作后，控制第一充电单元320和第二充电单元330同时开启并输出相同的电流，以同时向传感器信号层210和屏蔽信号层230充电进而使得传感器信号层210和屏蔽信号层230的电平一致。在其他的实施例中，第一充电单元320和第二充电单元330输出的电流可以不相同，只要提供足够强大的电流以便将寄生电容提升为与传感器信号相同的电平即可。此时，外界干扰能够被屏蔽信号层230所屏蔽，从而避免传感器信号层210与外界干扰产生寄生电容影响测量结果。在放电过程中，由控制单元310控制第一放电单元340和第二放电单元350分别对传感器信号层210以及屏蔽信号层230进行放电。在本实施例中，只要二者的开启时间的偏差在允许范围内，均可以认为是同时开启。通过同时对两个层进行充放电控制，可以确保电容传感器具有较好的抗干扰性能。控制单元310可以为MCU(微处理器)。

在另一实施例中，控制单元310控制第二充电单元330在第一充电单元320工作后的预设时间内开启工作，也即控制第二充电单元330滞后第一充电单元320预设时间。滞后的预设时间太长会使得电容传感器在刚开始检测的初期不具备抗干扰性，从而会降低电容传感器的抗干扰性能。在一实施例中，预设时间不能超过充放电周期的四分之一。

图6为一实施例中的电容传感器的电路原理图。该电容传感器中的第一充电单元320包括第一充电开关K1和第一电流源S1。第二充电电路330包括第二充电开关K3和第二电流源S2。控制单元310通过传感器信号口J1与第一充电开关K1连接。第一电流源S1的输出端通过第一充电开关K1与传感器信号层210连接。控制单元310还通过屏蔽信号口J3与第二充电开关K3连接。第二电流源S2通过第二充电开关K3与屏蔽信号层230连接。控制单元310通过对第一充电开关K1的开启和关闭控制来控制第一电流源S1是否向传感器信号层210充电。控制单元310通过对第二充电开关K3的开关和闭合控制来控制第二电流源S2是否向屏蔽信号层230充电。在本实施例中，第一电流源S1和第二电流源S2属于相互独立的两个电流源，其能够输出相同的或者不同的满足充电需求的电流。本实施例中所指的相同是指实质相同，也即只要二者的偏差在允许偏差范围内，均可以认为是相同的。

在另一实施例中，第一电流源S1和第二电流源S2可以为同一电流源，如图7所示。图7中的电流源可以相当于图1中的缓冲器136。通过将第一电流源S1和第二电流源S2共用一个电流源，可以降低整个电容传感器的重量，更有利于实现电容传感器的小型化。

在一实施例中，第一放电单元340和第二放电单元350具有相同的电路结构，从而使得传感器信号层210和信号屏蔽层230具有相同的放电速率，进而确保信号屏蔽层230上的电平与传感器信号层210上的电平尽可能保持一致，以提高电容传感器的抗干扰性。参见图6和图7，在一实施例中，第一放电单元340包括第一放电开关K2，第二放电单元350包括第二放电开关K4。传感器信号层210通过第一放电开关K2接地，屏蔽信号层230通过第二放电开关K4接地。控制单元310通过控制第一放电开关K2和第二放电开关K4的开启和关闭以实现对传感器信号层210和屏蔽信号层230的放电控制。

在一实施例中，第一充电单元320还包括第一稳压电路C1，第二充电单元330还包括第二稳压电路C2。第一稳压电路C1用于稳定第一电流源S1的输出电压，第二稳压电路C2则用于稳定第二电压源S2的输出电压。第一稳压电路C1和第二稳压电路C2均可以包括稳压电容。稳压电容的一端与电流源连接，另一端接地，如图6所示。当第一电流源S1和第二电流源S2为同一电流源时，第一稳压电路C1和第二稳压电路C2也为同一稳压电路，如图7所示。

下面以图6为例，对本实施例中的电容感应器的工作原理做进一步讲解：具体地，第一电流源S1通过第一充电开关K1，第一放电开关K2对电容传感器进行充放电。当第一充电开关K1断开，第一放电开关K2闭合时，探头上的电荷会泄向地，电平降为零；当第一充电开关K1闭合，第一放电开关K2断开时，第一电流源S1会向传感器探头110充电，当传感器探头110上的电容越大时，充电时间越长，控制单元310通过读取第一电流源S1的充电时间，来获知传感器探头110的电容大小。而第二电流源S2通过类似方式控制屏蔽信号层230上的电平，即当第一充电开关K1闭合，第一放电开关K2断开时，屏蔽信号中的第二充电开关K3闭合，第二放电开关K4断开，从而在屏蔽信号层230中形成一个与传感器信号层210相一致的信号。由于屏蔽信号与传感器信号一致，传感器信号与外接的寄生电容被屏蔽信号阻断，从而降低外部对传感器的干扰。

本申请还提供一种割草机。图8为一实施例中的割草机的结构示意图，该割草机包括壳体510、切割机构520、行走机构530和控制装置(图中未示)，还包括电容传感器100。控制装置分别与切割机构520以及行走机构530连接，用于对切割机构520以及行走机构530进行控制。本实施例的割草机为自动割草机，控制装置控制行走机构带动自动割草机行走，并控制切割机构执行割草任务。

电容传感器100采用前述任一实施例中的电容传感器。电容传感器100可以为多个，分别设置在割草机的前后端。多个电容传感器100的感应区域可衔接在一起，形成连续的感应区域，该连续感应区域的宽度大于或者等于切割机构520的切割直径。这样，可以保证切割范围内的草均能够被检测到，避免出现局部区域的草高度适当，但个别区域的草高度较高的情况。在本实施例中，在割草机的前端和后端均设置有三个电容传感器。传感器探头110可以设置在行走机构530中的前驱动轮的前部和后驱动轮的后部，以避免驱动轮驶入危险区域。在一实施例中，相邻两个传感器探头110之间的间隔应大于1毫米，以确保传感器探头110之间不会产生相互干扰。

电容传感器100在检测到草地时，其电容会随着草高的变化而发生变化。控制装置则用于对该电容传感器100的电容值进行检测。控制装置根据电容传感器100的电容值变化对切割机构520进行控制，以将草地上的草切割至目标高度。

在一实施例中，上述割草机还包括固定结构560。固定结构560用于将电容传感器100固定在壳体上。图9为一实施例中的固定结构560的结构示意图。固定结构560的一端与传感器探头110固定连接。固定结构560的另一端则通过固定件700固定在壳体510上。固定件700可以为螺钉或者螺栓等结构。固定结构560还包覆在连接线120的外部，从而在固定连接线120的同时，对连接线120做进一步的保护作用。在一实施例中，固定结构560可以采用弹性绝缘材料制备而成。弹性绝缘材料可以为弹性橡胶。在一实施例中，固定结构560可以采用中空柱状结构。

在一实施例中，电容传感器100的连接线120与割草机上的其他走线布置在不同的布线层之间。例如，连接线120与电机连线90设置在不同的布线层之间，以避免连接线120受到周边其他电子线路信号干扰。在一实施例中，可以将连接线120紧贴割草机的底壳内表面底层布线，并在其上附上一层具有一定厚度的塑料绝缘层，而其他如电机导线、其他传感器导线在割草机上层走线。连接线120所在的布线层与相邻布线层之间的间距应该大于1厘米，从而避免相邻布线层对连接线120产生干扰，进而提高测量准确度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电容传感器，其特征在于，包括传感器探头、连接线和信号处理电路；所述信号处理电路通过所述连接线与所述传感器探头连接；

所述连接线包括位于最内层的传感器信号层、以及依次包覆于所述传感器信号层外表面的第一绝缘层、屏蔽信号层和第二绝缘层；所述信号处理电路设置有传感器信号口和屏蔽信号口；所述传感器信号口与所述传感器信号层连接；所述屏蔽信号口与所述屏蔽信号层连接；所述信号处理电路用于控制所述传感器信号层和所述屏蔽信号层中的信号的电平一致。

2.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述信号处理电路用于分别对所述传感器信号层和所述屏蔽信号层进行充放电控制以使得所述传感器信号层和所述屏蔽信号层中的信号的电平一致。

3.根据权利要求2所述的电容传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括控制单元、第一充电单元、第二充电单元、第一放电单元和第二放电单元；所述第一充电单元和所述第一放电单元分别与所述传感器信号层连接；所述第二充电单元和所述第二放电单元分别与所述屏蔽信号层连接；所述控制单元通过所述传感器信号口与所述第一充电单元和所述第一放电单元连接；所述控制单元还通过所述屏蔽信号口与所述第二充电单元和所述第二放电单元连接。

4.根据权利要求3所述的电容传感器，其特征在于，所述控制单元用于控制所述第一充电单元和所述第二充电单元同时开启，或者控制所述第二充电单元在所述第一充电单元工作后的预设时间内开启工作。

5.根据权利要求3所述的电容传感器，其特征在于，所述第一充电单元包括第一电流源和第一充电开关；所述控制单元通过对所述第一充电开关进行控制来控制所述第一电流源的工作状态以实现对所述传感器信号层的充电控制；

所述第二充电单元包括第二电流源和第二充电开关；所述控制单元通过对所述第二充电开关进行控制来控制所述第二电流源的工作状态以实现对所述屏蔽信号层的充电控制；

其中，所述第一电流源和所述第二电流源为相互独立的电流源，或者所述第一电流源和所述第二电流源为同一电流源。

6.根据权利要求5所述的电容传感器，其特征在于，所述第一充电单元还包括第一稳压电路；所述第二充电单元还包括第二稳压电路；所述第一电流源通过所述第一稳压电路接地；所述第一稳压单元用于稳定所述第一电流源的输出电压；所述第二电流源通过所述第二稳压电路接地；所述第二稳压电流用于稳定所述第二电流源的输出电压。

7.根据权利要求1所述的电容传感器，其特征在于，所述连接线还包括依次包覆于所述第二绝缘层外表面的地信号层和第三绝缘层；所述第三绝缘层用于实现地信号层与外界的电性隔离，并作为所述连接线的保护层。

8.一种割草机，包括壳体、切割机构、行走机构和控制装置，所述控制装置用于控制所述切割机构和所述行走机构，其特征在于，还包括电容传感器；所述电容传感器为权利要求1～7任意一项所述的电容传感器；

所述控制装置用于根据所述电容传感器的电容值变化对所述切割机构进行控制。

9.根据权利要求8所述的割草机，其特征在于，还包括固定结构；所述固定结构的一端与所述传感器探头固定连接；所述固定结构的另一端固定在所述壳体上；所述固定结构还包覆于所述连接线的外部。

10.根据权利要求8所述的割草机，其特征在于，所述电容传感器的连接线与所述割草机上的其他走线布置在不同的布线层。