CN1539123A - 具有电容检测器的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种电容传感器系统，用于响应因迫近物体的运动而产生的电容变化率来控制装置的操作，包括：至少两个传感电极，设置在一个表面上；以及一个锁相环，包括电压控制振荡器和相位/频率比较器，连接在传感电极和RC网络之间，用于向传感电极提供工作频率。一个电路环路，包括：参考振荡器，提供锁相环路所依照的固定频率参考；以及相位延时电路，连接在所述相位/频率比较器和所述电压控制振荡器之间，使电压控制振荡超前参考振荡器。触发电路，响应所述固定频率和所述工作频率之间的相移的变化而提供控制输出。

Description

具有电容检测器的控制系统

技术领域

一般来说，本发明涉及自动控制系统，更具体地说，是针对用于控制采用电容传感器的装置的操作的系统。

背景技术

迄今为止已经研制了大量电容传感器，用于检测人或材料以提供告警、指示信号或控制。例如，电容传感电路已经用于告警系统，以便响应物体的特定区域或附近的接触来提供信号。在其它情况下，电容传感电路已经用于检测是否存在液体和固体，随后再触发告警信号或测量的指示符。电容传感器还已经用来测量与物体的距离、材料大小、材料含水率、油污染、湿度、压力、液体水平等，实际上已经构成大量测量和检测应用中的检测基础。

对于配给控制，通常最好是操作一种装置，而没有人工交互作用的直接处理。例如，出于卫生考虑，在清洗中最好是避免需要与水龙头把手、纸巾配给器、干手器、皂液配给器等进行物理接触。

虽然已经开发了用于免接触装置的许多控制系统以便节约水和皂液，但它们受到误触发的困扰。也就是说，这些装置在没有真正出现人体部分时被打开。这自然引起液体浪费，有违这种控制系统的初衷。

此外，在皂液配给器等的情况下，当这类液体误配给并积聚在地板或其它表面时，安全性成为一个要素，其中所引起的打滑可能产生身体伤害。

误触发的问题、更普遍地说是由近程传感器对迫近物体的可靠及灵敏检测的问题源自需要可靠地区分因物体迫近的变化而产生的信号强度的小变化与因诸如传感器噪声、传感器偏差之类的其它因素而产生的信号强度的变化或者因环境本身的实际变化而产生的信号的变化、如传感器的污染和其它影响，它们会产生幅度相似于甚至大于检测信号本身的信号。

在例如常用于目前的商业非接触皂液配给器和其它类似装置中的红外近程传感器的情况下，由于因发光体等的寄生反射而照射到传感器上的外部杂散光的影响，或者由于因物体反射率的变化或光学器件的污染而无法检测物体的影响，会出现误触发。

在电容接近传感器的情况下，其中通过检测因物体迫近引起的电容变化来检测物体，日常生活环境下迫近物体的灵敏检测既难且不可靠，因为与因周围环境变化而产生的电容的其它变化相比，因迫近物体而产生的实际电容变化会很小。

会引起电容的这类干扰变化的某些常见的环境变化包括：因逐渐的灰尘聚集或冷凝水分而导致的电极或传感场效应区的其它结构的表面污染；环境湿度的明显变化；附近其它结构和物体的附近或构成的逐渐变化；或者传感器安装位置的变化；它们都会产生传感器电极之间的电场形状或密度的较小改变，从而改变充电状态，因此改变了电极之间的电容。

本领域目前存在两种基本类型的电容接近传感器。在通常称作平行板类型的一种情况下，传感器上只有一个传感电极，测量对地电容。一般来说，如果待检测的物体是导电且接地的，则可有效地形成第二电极，使物体朝主传感电极的运动或离开主传感电极的运动改变电容，这种变化被测量，并与远离物体或接近物体关联。

如果所测量的物体不是导电的，则以固定距离加入第二固定电极并接地，所测量的物体在两个电极之间通过，产生电容变化。在称作散射场类型的第二种情况下，在传感器上设置两个彼此靠近的传感电极，所测量的物体通过改变介电或导电效应的电场来改变它们之间的电容。所产生的电容变化被检测，然后再与远离或接近物体的变化关联。散射场类型电容接近传感器在工业上广泛用于制造应用，其中传感器安装通常是指定的以及固定的，其它可能的干扰环境因素能够得到控制。

不过，这类装置还加入附加电极来分别检测因表面污染而引起的偏差，从而对其进行补偿。最大传感距离是传感器范围，它与电容变化传感技术的灵敏度、待检测物体的性质和大小以及传感电极的物理大小相关。较大的传感电极提供较大的范围。

对于给定的电极大小和给定的待检测物体，更灵敏的检测提供更大的范围，它在不希望较大电极结构以及希望较大范围的应用中是一个性能优势。但是，电容变化的更灵敏检测本身不提供可靠性，其中显著的电容改变还因环境因素而引起。

研制出本发明以克服上述已知系统的缺陷，以便为电容传感器系统提供提高的灵敏度和可靠性。

它通过提供用于仅检测电容变化的时间变率的灵敏装置来实现。这个数量以数学方式表示为dC/dt，明显地不同于先有技术的典型情况的两个电容之间的差的测量值。

因此，它与已知的先有技术系统相反，在先有技术系统中的检测是基于电容的变化。

在本发明中，在相域中执行的检测采用连续操作控制环路，因此有利于对由环境变化而引起的任何绝对量的电容逐渐变化不灵敏，只要这些变化在足够长的时间上以低于dC/dt的检测灵敏度的速率出现。

应当知道，虽然变化信号的时间变率原则上也可以通过以电子方式对该信号求导、从测量电容变化的各种先有技术电容传感器的输出中导出，但这种导出的信号不能提供所需的可靠及灵敏检测。这是因为对传感器信号求导的作用使所产生的信号噪声更大，因此可靠性更低。

在本发明中，以这种方式提供一种固有运动灵敏电容传感装置，用于检测物体、如人的手在与传感器指定距离范围内的一个区域中的移动。根据本发明的系统提供一种装置，用于可靠地检测手在传感范围之内朝传感器的微幅移动。此外，这种可靠性不取决于在传感器工作中人是否电气接地或者间歇接地，如人在洗手时出现的情况那样。

这种可靠性本质上提供对误触发的免疫力，因为传感器不断地适应环境的电气特性以及高于因手进入传感区域而产生的幅度的整体幅度的周围环境的逐渐变化。因此传感器具有零偏差。

这样，本发明在不同环境范围中是实用的，而不需要人工调整。另外，本发明基本不受RF和其它外部产生的电场干扰，本身具有低电磁发射且消耗极少功率。最后一个所述特征实现通过电池进行扩展的操作。

发明内容

一种根据本发明的电容传感器系统，用于响应因迫近物体的移动而引起的电容变化率来控制装置的操作，它一般包括至少两个传感电极，以相对隔开的形式设置，实现传感电极之间的电场的建立。电子电路响应因电场中的迫近物体的运动而产生的传感电极的电容变化率来提供控制输出信号，而没有与电容变化相关的信号的过渡电子微分。

传感电极最好是设置在平面上，在这种配置中，实现向外延伸的以及在传感电极之间的电场的建立。

更具体地说，电子电路可包括：锁相频率控制环路(PLL)，其中包括电压控制振荡器(VCO)；VCO依照的固定频率参考振荡器；相位/频率比较器；相位延时网络，用于延时相对于参考值的VCO输出的相位，当环路被锁相时进行工作以便使VCO频率超前参考振荡器；以及环路滤波器，对来自比较器的相位误差信号求积分，从而定义环路的动态响应。

环路滤波器的特性是减缓环路动态响应以及实际上将环路的动态响应与待检测物体的运动特性时间表匹配。另外，相敏触发器电路连接在VCO和参考振荡器之间，并在其中两个信号同相时产生传感器输出信号。

VCO连接到传感电极，使电容的任何提高均起作用以降低VCO频率，或者反之。物体移动到传感电极的传感区域所产生的电容变化引起相对于参考值的工作频率相移，对于传感电极的较大的电容变化率，它也较大。

比较器以这种方式产生的相位误差信号结合到环路滤波器中，如果相位误差以足够快的速率累积，使相移超过相位延时网络定义的阈值，则产生传感器输出或触发信号。然后，这个信号可用于控制另一个装置、如输皂泵，其中传感器用来检测非接触皂液配给器附近的手的运动或者经由与显示器或告警装置的连接的迫近指示。

在本发明的最佳实施例中，触发信号生成电路包括D翻转电路，以及在另一个实施例中，触发电路包括电压比较器。

在最佳实施例中，分频器包含在VCO和相位/频率比较器之间，它使VCO频率以参考振荡器频率的一个固定倍数的频率进行工作。

另外，在本发明的最佳实施例中，控制电路结合与环路滤波器并联的回路的附加反馈通路，用于消除原本由传感电极上产生的极大dC/dt引起的极大相位延时误差的多个触发信号。这个反馈通路结合了一个电路，它以一种方式适合极大相位误差信号，这种方式对小误差信号提供可忽略的输出，而对极大信号则不允许相差超出+/-90度的范围。在最佳实施例中，这个反馈通路结合了二极管以及RC解调网络。

更具体地说，VCO向传感电极提供一种工作频率，它高到足以保证当物体是人的手、且个人已经接地时，手仍然作为介电物体被检测。它消除了因手的电气接地变化而引起的任何可能的检测人为因素，如先有技术所知的那样，对数百千赫的传感器设置最小工作频率。因此，在最佳实施例中且物体是手以及装置是皂液配给器的情况下，工作频率设置为大约0.5MHz。在这个方面以及或者对于其它传感应用，传导影响的避免可对工作频率设置其它最佳限制。这类限制处于本发明的范围之内。

最好是还提供接地屏蔽电极以及将它相互间隔地设置为与传感电极平行以及在传感电极之上。它消除了屏蔽之上的区域中的传感电场，以便可使用该区域而不会错误地触发系统。在另一个实施例中，屏蔽电极可分为两半，每一半均以相同于相对传感电极的电压来驱动，以便减少传感电极和屏蔽之间的电容，从而提高灵敏度以及传感器范围。这个备选配置要求额外的电子电路来产生屏蔽的电压波形。

附图说明

通过以下结合附图的说明，将会更好地了解本发明的优点和特征，附图包括：

图1是本发明的一个实施例的方框图，其中触发器采用D翻转电路；

图2是图1所示方框图中的电路示意图；

图3是本发明的另一个实施例的方框图，其中比较器用于触发器；

图4是适合与图1或3所示方框图配合使用的传感电极配置的图；以及

图5是已测量的如图4所示传感电极的电容因展开手出现而引起变化的图。

详细说明

参照图1说明根据本发明的传感器电子设备10的方框图。所述电路是电子电路的一个实例，它用于响应因电场中的迫近物体的运动而产生的传感电极的电容变化率来提供控制输出信号，而没有与电容变化相关的信号的过渡电子微分。

操作的整体原理如下所述：锁相频率控制环路(PLL)12与传感电极14和16相互连接。PLL包括电压控制振荡器(VCO)22，它具有一个输出，其频率与输入控制电压102线性相关。输出经分频器100和固定相位延时网络34连接到相位/频率比较器。

参考振荡器32还连接到比较器，并产生连续的固定频率信号。如果所分VCO频率低于参考频率，则相位/频率比较器24一般提供高电压(Vcc)，如果所分配的VCO频率高于参考频率，则提供低电压(0)。

此外，当两个频率相等但它们之间存在相差时，比较器24检测两个信号的上升沿，并产生脉冲输出，其宽度与相差成比例，它处于+/-360度之间。平均环路控制电压以线性方式在0和Vcc之间被驱动，其整体结果是：相位/频率比较趋向于把提供给它的两个信号的上升边驱动到零相差。当它实现时，PLL因此以一种方式被锁相，这种方式使分配的VCO频率的相位始终超前参考频率由相位延时网络34定义的一个数量。这是传感器的正常静止状态。

在最佳实施例中，分频器100将VCO频率除以16，以便VCO以参考振荡器频率的16倍频率运行。以这种方式利用分频器允许使用低廉的较低频率、低功率参考振荡器，对传感器的基本操作不是主要的。例如，VCO和相位/频率比较器可以是德克萨斯仪器公司(TexasInstruments)制造的CD74HC4046AM芯片的元件。

环路滤波器20是RC网络，它结合了支配控制环路的动态响应的大电容器。小电阻器与这个电容器串联，并连接到VCO输入102。这个电阻器允许控制环路抑制少量电路噪声，从而稳定VCO和参考信号之间的相位关系。

最好是还包含一个附加反馈通路101，它与环路滤波器20并联。它用于消除多个错误触发信号，这些信号是在极大相位延时误差有时因传感电极上出现的极大dC/dt而产生的情况或应用中出现的。在可能有物体异常迅速移动被检测到或者由于该物体近距离移动的情况下，这类大信号会出现。

如果传感器用来检测皂液配给器应用中的手的运动，则会出现偶然的大信号的这类情况。这个反馈通路结合了一个电路，它以一种方式适合极大相位误差信号，这种方式对小误差信号提供可忽略的输出，而对极大信号则不允许相差超出+/-90度的范围。在最佳实施例中，这个并联反馈通路将引起触发信号的相移方向上的两个串联二极管和相反方向上的一个二极管与RC解调电路结合。它提供了一条相位误差信息无法抑制的预备平行反馈通路。

相敏比较器、如D型触发器30连接到参考振荡器32，分频VCO信号参考连接到数据输入，VCO信号连接到时钟输入。这个装置用作触发器来产生传感器输出信号。当传感电极上因物体、如手(未标出)移动到触发区域中时，以及在以足以抑制环路的速率来进行的情况下，这些信号之间的相位易于漂移。当这个漂移等于或超过由相位延时网络34设置的相位阈值时，数据输入在时钟转变时将为低而不是高，并产生触发器输出脉冲。

大家知道，上述方案配置成仅检测与负dC/dt相反的正dC/dt或者检测正和负dC/dt。这意味着上述传感器配置仅在被检测物体移向传感电极而不是离开传感电极时产生输出。这种操作模式是有意的，尤其在皂液配给器应用中是极为有利的，在这种应用中，希望仅在手移向配给器时而不是手离开配给器时配给皂液。这种操作模式简单并易于典型的皂液配给器用户的使用，并且还提供特定于皂液配给器应用的附加优越性能。

这个附加特征应用于用户要求附加或连续输送皂液的情况，它因此需要额外或连续产生传感器触发信号。在这种情况下，因为传感器对正dC/dt灵敏，并且因例如手的静止状态所感应的电容而调整到电容的静态变化，因此用户不需要完全将手收回然后再使手重新进入传感区域，或者也可仅将手移向传感电极或者将手在触发区域中以小运动形式移上移下，在检测到向传感电极的移动时，在触发区域上会发生传感器触发及皂液输送。

如果必要以及为利于其它应用，传感器电路可方便地重新配置为检测负dC/dt事件，其中如果被检测物体移出或离开触发区域而不是进入这个区域，则会产生触发信号。这种传感器主要可用于希望检测移出或离开某个区域的物体的运动的应用中。

静止相位关系可按照若干方式其中之一来设置，但最好是在相位和频率比较器24的输入上采用小RC网络来构造一个相位延时元件34。这迫使VCO振荡器22超前参考振荡器一个量，该量将在噪声免疫力的需求和灵敏度的需求之间进行平衡。两个相位运行得越近，触发器电路越灵敏。它们之间的相移越大，则电路噪声的容差越大，振荡器抖动越大。这个元件34设置触发阈值。

在参考振荡器的频率大约为32kHz的情况下，相位延时可设置为0.5至4μs范围内的一个值，它约等于6至45度，最好是设置为1.5μs的延时。

对于RF干扰，大家知道，先有技术典型的电容传感器经常易受因杂散电磁辐射的影响而产生误触发。在本发明中，对这种类型的RF干扰的高度免疫力因以下事实而发生：传感器基于PLL电路，它调谐到特定的低频率或以这个特定低频率工作，因而具有对高于和低于这个频率的那些频率的固有的良好拒绝性。

不过，在应用环境中，寄生RF可能会出现，它的强度以及频率足以使传感器误触发。为此，在最佳实施例中，滤波器103和104连接在传感电极和VCO 22之间。

这些滤波器降低因杂散或寄生的外部RF干扰而引起的侵入传感器电路的高频信号的幅度，例如，这些干扰可能是家用厨具、如微波炉辐射以及由蜂窝式电话辐射，也可能是其强度足以引起传感器的误触发的信号。这些滤波器可包括铁氧体滤波器，但是，在皂液配给器应用的情况下，可以仅采用电阻器和电容器的网络便实现充分的衰减。

图2是实用传感器电路10的示意图，其中两个传感电极直接连接到J1和J2表示的点上。具体地说，这个电路还包括使用屏蔽电极的装置，其中屏蔽电极直接连接到J3表示的连接点。这个电路可由本领域的技术人员利用图2所示组件在印刷电路板上构造。还应当理解，如果从涉及大批量生产的经济的原因考虑，则该电路可进一步改进并转变为本领域的技术人员称作专用集成电路(ASIC)的单集成电路电子组件。

提供传感器的动态响应的以下数学表示，以便进一步说明传感器的基本操作。对于电容随时间变化的不同形式，电路10的响应是不同的。对于皂液配给器应用，对这种形式的一个合理近似法是电容的斜坡变化。因此，触发器电路是基于D翻转的电路响应的分析以及电容的斜坡变化的解答由下式给出：

$\mathrm{\Φen}\left(t\right)=\frac{\mathrm{dCv}}{\mathrm{dt}}\·\frac{1}{\mathrm{Cv}\·\mathrm{Tdelay}\·{\mathrm{\ωn}}^2}\·[{1-e}^{-\mathrm{\ζ\ωn}\·t}\·\{\cos (\sqrt{{1-\mathrm{\ζ}}^2}\·\mathrm{\ωn}\·t)+\frac{\mathrm{\ζ}}{\sqrt{{1-\mathrm{\ζ}}^2}}\·\sin (\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}\·\mathrm{\ωn}\·t)\left\}\right]$

其中：

$\mathrm{Ko}\≅\frac{2\·\mathrm{\π}\·(F2-F1)}{V2-V1}$

其中：

Ko＝增益常数

F1＝对应于VCO控制电压V1的VCO工作频率

F2＝对应于VCO控制电压V2的VCO工作频率。

实际上，根据所用装置或特定装置的精确特性，上式所表示的增益常数Ko不是频率和控制电压的完全线性函数。但是，它对于某个范围的值通常是近似于线性的。此外，为便于设计，Ko一般是一系列电路参数的非线性函数，一般可由下式表示：

Ko＝F(Vcc，N，ω，R1，R2，C)

其中：

Vcc＝电源电压，在图2所示电路中等于3.3V。

N＝由于电路元件100而分割VCO频率的次数

ω＝参考振荡器32角频率

R₁＝在图2所示电路图上对应于R1的电阻值

R₂＝在图2所示电路图上对应于R2的电阻值

其中，在上式中由f表示的、电路设计所需的精确函数关系可从制造商数据表中提供的详细数据中来确定，例如，它在“CD54/74HC4046A Texas Instruments Data Sheet，1998年2月，2000年5月修订”中以各种方式用图表形式提供，它说明了图2所示的特定PLL电路元件的操作。

VCO＝控制电压102的范围的中间值，即Vcc/2，其中，Vcc是电源电压，且在图2所示电路中等于3.3V

Vref＝PLL芯片内部的参考电压

$\mathrm{Kd}=\frac{\mathrm{Vcc}}{4\mathrm{\π}}$

τ1＝(R₃+R₄)·C

其中：

R₃、R₄以及C是环路滤波器组件(在图2所示电路图上对应于R9、R8以及电容C7)。

t＝时间

ζ＝阻尼比，由下式给出：

$\mathrm{\ζ}=\frac{1}{2}\·\mathrm{\ωn}\·{\mathrm{\τ}}_2$

其中：

τ₂＝R₄·C

上式具有一个首项，它乘以一个时间相关响应项。后项最终下降为零。因此，对于触发而产生的初始响应的幅度与首项成比例，同样可以看到，它与总电容除电容变化的比率成比例。初始响应还与环路电路的固有频率成反比，如大家预期的那样，表明该响应对于更慢校正的电路会更大。

图3说明根据本发明的另一个实施例的传感器电子设备40的方框图，包括描述结合图1的实施例10所述的相同或随后相似元件的共同标号。在本实施例40中，触发器基于电压比较器42。这是检测的另一种方法，采用锁相环路(PLL)12。操作过程如下所述：和图1所示的实施例10一样，平均控制电压是使VCO以分割之后与参考振荡器32相同的频率进行工作所需的电压。但是，在本实施例中没有相位延时网络，而是相移误差会使相位/频率比较器24增加或减少控制电压102，直到相差校正为零。在这种方案40中，来自相位/频率比较器24的相位误差信号由可包括RC网络44的第一环路滤波器进行滤波，并且还由可包括RC网络105、其时间常数远比第一RC网络长、且向比较器42提供电压参考的第二滤波器进行滤波。当控制电压102达到比较器42上的预置正向电压阈值时，由于检测到传感电极14和16的触发区内的移动物体，因此比较器42触发并提供传感器输出触发信号。

工作频率

用于皂液配给器(未标出)的传感器的工作频率是VCO频率，且大约为0.5MHz(实际频率是32.768kHz的参考振荡器频率的16倍，即等于0.5244MHz)。这个频率设置为足够高，使人的手始终被传感器作为介电材料来检测，与有些时候的导体和在触发范围及一般性能中产生可变性的其它情况的电介质相反。这个问题的起因在于以下事实：操作配给器的个人既可以也可以不电气接地。例如，需要皂液的操作者有时可用一只手接触接地金属物体、如水槽或水龙头，或者通过流水来电气接地。

为了让人的手可作为电介质被检测，这个频率必需超过人体的自由电荷释放时间。这个时间由皮肤对地的电阻欧姆数与身体电容的法拉数之积来确定。成人的电容处于50pF的范围内。两手之间的皮肤电阻在100kΩ至数MΩ的范围内变化。因此，RC时间常数可短至5μs，对应于0.2MHz的频率。因此选择0.5MHz的工作频率来提供合理的余量。

其它可能的应用包括水龙头控制。将电容传感器有效地应用于水龙头控制可能要求10MHz以上范围内的更高频率。如专利5730165中所述以及其它方面的一般证明。这个推理仍然基于RC时间常数，必需利用皮肤环境中存在的较高传导性。

将本发明的传感器的设计在必要时修改为以更高频率进行工作不存在根本问题。实际上，对于所涉及的工作频率，PLL装置中目前最新技术完全扩展到GHz范围。因此，这个设计可由“本领域的技术人员”进行修改，从而根据目标应用的需要以达到GHz范围的任何所需频率进行工作。

图4说明一个模拟皂液配给器基座50，它具有由铜箔构成的彼此相隔设置的电极14、16，能够在其中建立电场。并列布置在两个电极之间产生电场，它从电极表面向外延伸并在两个电极之间成曲形。基座52还结合了屏蔽电极，它在本例中由铜箔构成，并环绕基座52的外侧。

在这个配置中，电场强度的幅度随着与电极14、16的距离而线性降低，然后，由于在电场中出现介电材料、如手而产生的电容变化的幅度也降低。这种并列配置产生所说的散射场，传感器与这种电极配置的结合可称作散射场类型的电容传感器。作为一个粗略指南，在超过电极14、16的结合宽度、本例中约为3英寸的距离上，电场的强度通常在散射场中迅速下降。由前至后的长度为3.1”；并列长度为3.25”；间隔大约为0.5”；电极和屏蔽框之间的周围间隙为”。

由于从模拟基座开始的不同距离范围出现手而产生的电容变化被测量。图5说明在基座50的不同垂直距离范围上平伸的成人的手的电容变化，其中对此进行确认的屏蔽52存在以及移开。对接地屏蔽52存在两种技术副作用。首先是将传感电极结构的整体电容提高数微微法。其次是使一部分电场避开传感区域，使固定距离的电容变化降低。对于传感电极附近的接地屏蔽，这是不可避免的，根据图5所示的数据得到证明。

因此，对于这种特定物理结构，对屏蔽的要求提高了传感器的所需灵敏度，如本文所述的测试数据所证明的一样，这个传感器具有必要的灵敏度。如果灵敏度会成为要求类似屏蔽电极的这种应用或其它类似应用的一个问题，则要求较低灵敏度的另一种配置是分割屏蔽，并以相同于传感电极的电压来驱动这两部分。

传感器特征及试验台测试数据

数据分为以下类别：

●特征对已知小电容变化率

●特征对相对于模拟基座的手的运动的响应

动态模拟和测试数据

构成一种用于特征的测试装置，并作为用于以不同时标上出现的不同的典型电容变化率来产生一系列已知及可再生电容变化的手段，上述时标表示手的运动并具有近似斜坡的电容变化时间表。它是基于平行板电容器，其中包括两个间隔1cm的标称5厘米×5厘米的平面平行电极。包含3/8”×3/8”(厚度1毫米)的小矩形纯熔凝石英的介电试样被用于逐渐增加电容。材料具有已知的介电常数3.8。

在给定该结构的实际精确尺寸以及试样并假定均匀电场的情况下，将这样一个试样导入电容器的电场区域而产生的电容的逐渐增加的增量计算为6.3fF。设计了一种以已知恒定速度将试样引入或导出电场区域的装置。它包括将试样安装在薄塑胶盘上，它穿过电场间隙并由小电机以已知RPM(每分钟转数)来转动。因此，这个装置提供一种用于模拟因手的运动而产生的电容变化率的手段。

使用以下电动机的RPM，其中试样位于塑胶盘的最外缘。每次旋转当试样进入这些板之间的电场时产生一个正dC/dt，当试样离开电场时产生一个负dC/dt。

RPM	ω弧度/秒	速率cm/s	事件持续时间ms	DC/dt，fF/s
					13.5	1.42	7.9	140	45
2 3	2.41	13.4	82	77
					32	3.35	18.6	59	107

由于每次旋转产生一个正dC/dt和一个负dC/dt，因此这个装置还允许对不同dC/dt幅度的传感器触发灵敏度的测试，以及对不同的-dC/dt幅度的误触发的测试。它也是有效的，因为对于皂液配给器应用，传感器不应当由于手离开触发区域而触发。

以下数据是在各种速度上大约100次旋转的情况下获得的。

RPM	触发百分比，％	误触发百分比，％
			13.5	34	0
23	91	0
			32	100	0

结合前表的这些数据指明，传感器对具有82ms持续时间、超过+77fF/s的事件灵敏，以及在检测具有59ms持续时间、+107fF/s的事件上，在这些测试中是100％(-1％)成功的。

该数据还证实，传感器能够可靠地检测除手之外的小介电物体的运动。该数据还证实，传感器在传感电极以平行板类型配置设置的情况下是有用的。

手触发测试数据

为了进一步提供对于非接触皂液配给器的触发环境中的应用的实用及适用性的简化的证明，采用结合了传感电极的散射场配置以及图4所示屏蔽电极的模拟皂液配给器基座来执行一系列手触发测试。

通过参照图5，通过在3”、2”、1”的范围垂直接近以起动传感器，可对可靠的触发来粗略估算所需的手速度。然后，技术估算可与相同的手的实际数据进行比较。下方的曲线表明由于在3”范围的大约5fF、2”的大约12fF以及估算的3”的39fF上的手而引起的电容变化。可以估计，这个变化会在大约5”的初始手距离和3”触发距离之间发生，诸如此类。为了使变化率大约为100fF/s，对于3”上(持续时间50ms)触发，手速度需要大约为每秒100*2/5英寸＝每秒40英寸，对于2”上(120ms)触发，为每秒大约100*2/12＝每秒17英寸，以及对于1”上(444ms)触发，为大约100*2/39＝每秒5英寸。每秒5英寸是极慢的手速度，而25至40英寸可能更具代表性。

传感器电路连接到模拟基座，并对于手以判断为正常速度的速度移向基座引起的触发以及对于手已经处于触发区域中的反复触发进行测试，各种情况十次。

测试：手横向移入触发区域

范围	触发	误触发
			3	4	0
2.5	10	0
			2	10	0

测试：手垂直移入触发区域

范围	触发	误触发
			3	4	0
2.5	8	0
			2	10	0

测试：手在触发区域中垂直移动3/4至1”

范围	触发	误触发
			4	3	0
3.5	6	0
			3	10	0
2.5	10	0

应当了解，在皂液配给器的典型用户不会注意保持手的展开和水平的意义上，以上测试是技术或“分段”的，手的速度也是一个重要因素，它基于对普通用户的行为的判断并随实际使用而变化。大家可以看到，根据这些数据，有效的触发距离是在2.5”至3”的范围，它也符合基于技术的估算。大家同样可以看到，存在误触发的零发生率，意味着手的移开决不起动传感器。

从电路10流出的电流很低，在低压上充分小于1mA。这就证明了采用碱性蓄电池长期工作的适用性。它在电池供电装置的应用中极为有利，这些装置适合用于连续工作持续时间，而不需要频繁地更换电池。

以上虽然已经说明了根据本发明的一种最佳控制系统，用于说明本发明的实施方式，但应当理解，本发明并不限于此。因此，本领域的技术人员可进行任何及全部修改、变更或等效配置，它们都应当看作处于所附权利要求定义的本发明的范围之内。

Claims (24)

1.一种电容传感器系统，用于控制装置的操作，所述系统包括：

传感电极，用于能够建立电场，以截取迫近物体的运动；以及

电子电路，用于响应因所述电场中的所述迫近物体的运动而产生的所述传感电极的电容变化率来提供控制输出信号，而没有与电容变化相关的信号的过渡电子微分。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述电子电路包括：

锁相环路，包括电压控制振荡器(VCO)，连接到所述传感电极，用于向所述传感电极提供工作频率；

固定频率参考振荡器，用于提供固定频率参考；

相位/频率比较器，用于将VCO频率与所述固定参考频率进行比较；

相位延时电路，用于在环路被锁相时改变所述VCO频率和所述固定参考振荡器频率之间的相差；

环路滤波器，用于对来自所述相位/频率比较器的相位误差信号进行积分，以便定义所述环路的动态响应；以及

相敏触发电路，用于响应所述固定参考频率和所述工作频率之间的相差的变化来提供控制输出信号。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述相位延时电路可用于使所述VCO频率超前所述固定参考频率，以便电容的正变化率控制所述装置的操作。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述相位延时电路可用于使所述VCO频率滞后所述固定参考频率，以便电容的负变化率控制所述装置的操作。

5.一种电容传感器系统，用于响应因迫近物体的运动而产生的电容变化率来控制装置的操作，所述系统包括：

至少两个传感电极，相互间隔设置，能够建立所述传感电极之间的电场，所述电场向外延伸并在所述传感电极之间；

锁相环路，包括电压控制振荡器(VCO)，连接到所述传感电极，用于向所述传感电极提供工作频率；

固定频率参考振荡器，用于提供固定频率参考；

相位/频率比较器，用于将VCO频率与所述固定参考频率进行比较；

相位延时电路，用于在所述环路被锁相时改变所述VCO频率和所述固定参考振荡器频率之间的相差；

环路滤波器，用于对来自所述相位/频率比较器的相位误差信号进行积分，以便定义所述环路的动态响应；以及

相敏触发电路，用于响应所述固定参考频率和所述工作频率之间的相差的变化来提供控制输出信号。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述相位延时电路可用于使所述VCO频率超前所述固定参考频率，以便电容的正变化率控制所述装置的操作。

7.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述相位延时电路可用于使所述VCO频率滞后所述固定参考频率，以便电容的负变化率控制所述装置的操作。

8.如权利要求5、6或7其中任何一项所述的系统，其特征在于所述电压控制振荡器向所述传感电极提供一个足够高的工作频率，以确保所述传感电极将物体作为介电材料来检测。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述电压控制振荡器提供低于大约1MHz的工作频率，用于通过人的手的运动来操作皂液配给器。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述电压控制振荡器提供大于约10MHz的工作频率，用于通过人的手的运动来操作水龙头。

11.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述电极以平面关系设置。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于还包括接地屏蔽电极，与所述传感电极以相互间隔及环绕的关系设置，所述屏蔽电极处于一般垂直于所述传感电极的平面中，并从所述建立的电场中延伸。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于还包括接地电极，设置在一般平行于所述传感电极的平面中。

14.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述触发电路包括D翻转电路。

15.一种电容传感器系统，用于响应因迫近物体的运动而产生的电容变化率来控制装置的操作，所述系统包括：

至少两个传感电极，相互间隔设置，能够建立所述传感电极之间的电场，所述电场向外延伸并在所述传感电极之间；

锁相环路，包括电压控制振荡器(VCO)，连接到所述传感电极，用于向所述传感电极提供工作频率；

固定频率参考振荡器，用于提供固定频率参考；

环路滤波器，用于对来自所述相位/频率比较器的相位误差信号进行积分，以便定义所述环路的动态响应；以及

相敏触发电路，用于响应所述固定参考频率和所述工作频率之间的相差的变化而提供控制输出信号，所述触发电路包括：电压比较器，一端连接到所述VCO；以及长时间常数环路滤波器，连接在所述相位/频率比较器和所述电压比较器之间。

16.一种电容传感器系统，用于响应因迫近物体的运动而产生的电容变化率来控制装置的操作，所述系统包括：

至少两个传感电极，相互间隔设置，能够建立所述传感电极之间的电场；

锁相环路，包括电压控制振荡器(VCO)，连接到所述传感电极，用于向所述传感电极提供工作频率；

固定频率参考振荡器，用于提供固定频率参考；

相位频率比较器，用于将VCO频率与所述固定参考频率进行比较；

相位延时电路，连接在所述相位/频率比较器和所述电压控制振荡器之间，用于使所述电压控制振荡器超前所述参考振荡器；以及

触发电路，用于响应所述固定频率和所述工作频率之间的相移的变化来提供控制输出。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述电压控制振荡器向所述传感电极提供一个足够高的工作频率，以确保所述相同电极将物体作为介电材料来检测。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述电压控制振荡器提供低于大约1MHz的工作频率，用于通过人的手的运动来操作皂液配给器。

19.如权利要求17所述的系统，其特征在于所述电压控制振荡器提供大于约10MHz的工作频率，用于通过人的手的运动来操作水龙头。

20.如权利要求19所述的系统，其特征在于还包括屏蔽电极，与所述传感电极以互相间隔以及环绕的关系来设置。

21.如权利要求16所述的系统，其特征在于所述触发电路包括D翻转电路。

22.如权利要求5、15或16所述的系统，其特征在于还包括自适应反馈通路，连接在所述相位/频率比较器和所述VCO之间，用于将所述固定参考频率和所述VCO工作频率之间的相差保持在+90和-90度之间。

23.如权利要求5、15或16所述的系统，其特征在于还包括RF衰减滤波器，互相连接在各传感电极和所述VCO之间。

24.如权利要求5、15或16所述的系统，其特征在于还包括分频器，与所述VCO和所述相位/频率比较器互相连接。

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