專利名稱：具有電容檢測器的控制系統的制作方法
技術領域：
一般來說，本發明涉及自動控制系統，更具體地說，是針對用于控制采用電容傳感器的裝置的操作的系統。
背景技術：
迄今為止已經研制了大量電容傳感器，用于檢測人或材料以提供告警、指示信號或控制。例如，電容傳感電路已經用于告警系統，以便響應物體的特定區域或附近的接觸來提供信號。在其它情況下，電容傳感電路已經用于檢測是否存在液體和固體，隨后再觸發告警信號或測量的指示符。電容傳感器還已經用來測量與物體的距離、材料大小、材料含水率、油污染、濕度、壓力、液體水平等，實際上已經構成大量測量和檢測應用中的檢測基礎。
對于配給控制，通常最好是操作一種裝置，而沒有人工交互作用的直接處理。例如，出于衛生考慮，在清洗中最好是避免需要與水龍頭把手、紙巾配給器、干手器、皂液配給器等進行物理接觸。
雖然已經開發了用于免接觸裝置的許多控制系統以便節約水和皂液，但它們受到誤觸發的困擾。也就是說，這些裝置在沒有真正出現人體部分時被打開。這自然引起液體浪費，有違這種控制系統的初衷。
此外，在皂液配給器等的情況下，當這類液體誤配給并積聚在地板或其它表面時，安全性成為一個要素，其中所引起的打滑可能產生身體傷害。
誤觸發的問題、更普遍地說是由近程傳感器對迫近物體的可靠及靈敏檢測的問題源自需要可靠地區分因物體迫近的變化而產生的信號強度的小變化與因諸如傳感器噪聲、傳感器偏差之類的其它因素而產生的信號強度的變化或者因環境本身的實際變化而產生的信號的變化、如傳感器的污染和其它影響，它們會產生幅度相似于甚至大于檢測信號本身的信號。
在例如常用于目前的商業非接觸皂液配給器和其它類似裝置中的紅外近程傳感器的情況下，由于因發光體等的寄生反射而照射到傳感器上的外部雜散光的影響，或者由于因物體反射率的變化或光學器件的污染而無法檢測物體的影響，會出現誤觸發。
在電容接近傳感器的情況下，其中通過檢測因物體迫近引起的電容變化來檢測物體，日常生活環境下迫近物體的靈敏檢測既難且不可靠，因為與因周圍環境變化而產生的電容的其它變化相比，因迫近物體而產生的實際電容變化會很小。
會引起電容的這類干擾變化的某些常見的環境變化包括因逐漸的灰塵聚集或冷凝水分而導致的電極或傳感場效應區的其它結構的表面污染；環境濕度的明顯變化；附近其它結構和物體的附近或構成的逐漸變化；或者傳感器安裝位置的變化；它們都會產生傳感器電極之間的電場形狀或密度的較小改變，從而改變充電狀態，因此改變了電極之間的電容。
本領域目前存在兩種基本類型的電容接近傳感器。在通常稱作平行板類型的一種情況下，傳感器上只有一個傳感電極，測量對地電容。一般來說，如果待檢測的物體是導電且接地的，則可有效地形成第二電極，使物體朝主傳感電極的運動或離開主傳感電極的運動改變電容，這種變化被測量，并與遠離物體或接近物體關聯。
如果所測量的物體不是導電的，則以固定距離加入第二固定電極并接地，所測量的物體在兩個電極之間通過，產生電容變化。在稱作散射場類型的第二種情況下，在傳感器上設置兩個彼此靠近的傳感電極，所測量的物體通過改變介電或導電效應的電場來改變它們之間的電容。所產生的電容變化被檢測，然后再與遠離或接近物體的變化關聯。散射場類型電容接近傳感器在工業上廣泛用于制造應用，其中傳感器安裝通常是指定的以及固定的，其它可能的干擾環境因素能夠得到控制。
不過，這類裝置還加入附加電極來分別檢測因表面污染而引起的偏差，從而對其進行補償。最大傳感距離是傳感器范圍，它與電容變化傳感技術的靈敏度、待檢測物體的性質和大小以及傳感電極的物理大小相關。較大的傳感電極提供較大的范圍。
對于給定的電極大小和給定的待檢測物體，更靈敏的檢測提供更大的范圍，它在不希望較大電極結構以及希望較大范圍的應用中是一個性能優勢。但是，電容變化的更靈敏檢測本身不提供可靠性，其中顯著的電容改變還因環境因素而引起。
研制出本發明以克服上述已知系統的缺陷，以便為電容傳感器系統提供提高的靈敏度和可靠性。
它通過提供用于僅檢測電容變化的時間變率的靈敏裝置來實現。這個數量以數學方式表示為dC/dt，明顯地不同于先有技術的典型情況的兩個電容之間的差的測量值。
因此，它與已知的先有技術系統相反，在先有技術系統中的檢測是基于電容的變化。
在本發明中，在相域中執行的檢測采用連續操作控制環路，因此有利于對由環境變化而引起的任何絕對量的電容逐漸變化不靈敏，只要這些變化在足夠長的時間上以低于dC/dt的檢測靈敏度的速率出現。
應當知道，雖然變化信號的時間變率原則上也可以通過以電子方式對該信號求導、從測量電容變化的各種先有技術電容傳感器的輸出中導出，但這種導出的信號不能提供所需的可靠及靈敏檢測。這是因為對傳感器信號求導的作用使所產生的信號噪聲更大，因此可靠性更低。
在本發明中，以這種方式提供一種固有運動靈敏電容傳感裝置，用于檢測物體、如人的手在與傳感器指定距離范圍內的一個區域中的移動。根據本發明的系統提供一種裝置，用于可靠地檢測手在傳感范圍之內朝傳感器的微幅移動。此外，這種可靠性不取決于在傳感器工作中人是否電氣接地或者間歇接地，如人在洗手時出現的情況那樣。
這種可靠性本質上提供對誤觸發的免疫力，因為傳感器不斷地適應環境的電氣特性以及高于因手進入傳感區域而產生的幅度的整體幅度的周圍環境的逐漸變化。因此傳感器具有零偏差。
這樣，本發明在不同環境范圍中是實用的，而不需要人工調整。另外，本發明基本不受RF和其它外部產生的電場干擾，本身具有低電磁發射且消耗極少功率。最后一個所述特征實現通過電池進行擴展的操作。

發明內容
一種根據本發明的電容傳感器系統，用于響應因迫近物體的移動而引起的電容變化率來控制裝置的操作，它一般包括至少兩個傳感電極，以相對隔開的形式設置，實現傳感電極之間的電場的建立。電子電路響應因電場中的迫近物體的運動而產生的傳感電極的電容變化率來提供控制輸出信號，而沒有與電容變化相關的信號的過渡電子微分。
傳感電極最好是設置在平面上，在這種配置中，實現向外延伸的以及在傳感電極之間的電場的建立。
更具體地說，電子電路可包括鎖相頻率控制環路(PLL)，其中包括電壓控制振蕩器(VCO)；VCO依照的固定頻率參考振蕩器；相位/頻率比較器；相位延時網絡，用于延時相對于參考值的VCO輸出的相位，當環路被鎖相時進行工作以便使VCO頻率超前參考振蕩器；以及環路濾波器，對來自比較器的相位誤差信號求積分，從而定義環路的動態響應。
環路濾波器的特性是減緩環路動態響應以及實際上將環路的動態響應與待檢測物體的運動特性時間表匹配。另外，相敏觸發器電路連接在VCO和參考振蕩器之間，并在其中兩個信號同相時產生傳感器輸出信號。
VCO連接到傳感電極，使電容的任何提高均起作用以降低VCO頻率，或者反之。物體移動到傳感電極的傳感區域所產生的電容變化引起相對于參考值的工作頻率相移，對于傳感電極的較大的電容變化率，它也較大。
比較器以這種方式產生的相位誤差信號結合到環路濾波器中，如果相位誤差以足夠快的速率累積，使相移超過相位延時網絡定義的閾值，則產生傳感器輸出或觸發信號。然后，這個信號可用于控制另一個裝置、如輸皂泵，其中傳感器用來檢測非接觸皂液配給器附近的手的運動或者經由與顯示器或告警裝置的連接的迫近指示。
在本發明的最佳實施例中，觸發信號生成電路包括D翻轉電路，以及在另一個實施例中，觸發電路包括電壓比較器。
在最佳實施例中，分頻器包含在VCO和相位/頻率比較器之間，它使VCO頻率以參考振蕩器頻率的一個固定倍數的頻率進行工作。
另外，在本發明的最佳實施例中，控制電路結合與環路濾波器并聯的回路的附加反饋通路，用于消除原本由傳感電極上產生的極大dC/dt引起的極大相位延時誤差的多個觸發信號。這個反饋通路結合了一個電路，它以一種方式適合極大相位誤差信號，這種方式對小誤差信號提供可忽略的輸出，而對極大信號則不允許相差超出+/-90度的范圍。在最佳實施例中，這個反饋通路結合了二極管以及RC解調網絡。
更具體地說，VCO向傳感電極提供一種工作頻率，它高到足以保證當物體是人的手、且個人已經接地時，手仍然作為介電物體被檢測。它消除了因手的電氣接地變化而引起的任何可能的檢測人為因素，如先有技術所知的那樣，對數百千赫的傳感器設置最小工作頻率。因此，在最佳實施例中且物體是手以及裝置是皂液配給器的情況下，工作頻率設置為大約0.5MHz。在這個方面以及或者對于其它傳感應用，傳導影響的避免可對工作頻率設置其它最佳限制。這類限制處于本發明的范圍之內。
最好是還提供接地屏蔽電極以及將它相互間隔地設置為與傳感電極平行以及在傳感電極之上。它消除了屏蔽之上的區域中的傳感電場，以便可使用該區域而不會錯誤地觸發系統。在另一個實施例中，屏蔽電極可分為兩半，每一半均以相同于相對傳感電極的電壓來驅動，以便減少傳感電極和屏蔽之間的電容，從而提高靈敏度以及傳感器范圍。這個備選配置要求額外的電子電路來產生屏蔽的電壓波形。


通過以下結合附圖的說明，將會更好地了解本發明的優點和特征，附圖包括圖1是本發明的一個實施例的方框圖，其中觸發器采用D翻轉電路；圖2是圖1所示方框圖中的電路示意圖；圖3是本發明的另一個實施例的方框圖，其中比較器用于觸發器；圖4是適合與圖1或3所示方框圖配合使用的傳感電極配置的圖；以及圖5是已測量的如圖4所示傳感電極的電容因展開手出現而引起變化的圖。
詳細說明參照圖1說明根據本發明的傳感器電子設備10的方框圖。所述電路是電子電路的一個實例，它用于響應因電場中的迫近物體的運動而產生的傳感電極的電容變化率來提供控制輸出信號，而沒有與電容變化相關的信號的過渡電子微分。
操作的整體原理如下所述鎖相頻率控制環路(PLL)12與傳感電極14和16相互連接。PLL包括電壓控制振蕩器(VCO)22，它具有一個輸出，其頻率與輸入控制電壓102線性相關。輸出經分頻器100和固定相位延時網絡34連接到相位/頻率比較器。
參考振蕩器32還連接到比較器，并產生連續的固定頻率信號。如果所分VCO頻率低于參考頻率，則相位/頻率比較器24一般提供高電壓(Vcc)，如果所分配的VCO頻率高于參考頻率，則提供低電壓(0)。
此外，當兩個頻率相等但它們之間存在相差時，比較器24檢測兩個信號的上升沿，并產生脈沖輸出，其寬度與相差成比例，它處于+/-360度之間。平均環路控制電壓以線性方式在0和Vcc之間被驅動，其整體結果是相位/頻率比較趨向于把提供給它的兩個信號的上升邊驅動到零相差。當它實現時，PLL因此以一種方式被鎖相，這種方式使分配的VCO頻率的相位始終超前參考頻率由相位延時網絡34定義的一個數量。這是傳感器的正常靜止狀態。
在最佳實施例中，分頻器100將VCO頻率除以16，以便VCO以參考振蕩器頻率的16倍頻率運行。以這種方式利用分頻器允許使用低廉的較低頻率、低功率參考振蕩器，對傳感器的基本操作不是主要的。例如，VCO和相位/頻率比較器可以是德克薩斯儀器公司(TexasInstruments)制造的CD74HC4046AM芯片的元件。
環路濾波器20是RC網絡，它結合了支配控制環路的動態響應的大電容器。小電阻器與這個電容器串聯，并連接到VCO輸入102。這個電阻器允許控制環路抑制少量電路噪聲，從而穩定VCO和參考信號之間的相位關系。
最好是還包含一個附加反饋通路101，它與環路濾波器20并聯。它用于消除多個錯誤觸發信號，這些信號是在極大相位延時誤差有時因傳感電極上出現的極大dC/dt而產生的情況或應用中出現的。在可能有物體異常迅速移動被檢測到或者由于該物體近距離移動的情況下，這類大信號會出現。
如果傳感器用來檢測皂液配給器應用中的手的運動，則會出現偶然的大信號的這類情況。這個反饋通路結合了一個電路，它以一種方式適合極大相位誤差信號，這種方式對小誤差信號提供可忽略的輸出，而對極大信號則不允許相差超出+/-90度的范圍。在最佳實施例中，這個并聯反饋通路將引起觸發信號的相移方向上的兩個串聯二極管和相反方向上的一個二極管與RC解調電路結合。它提供了一條相位誤差信息無法抑制的預備平行反饋通路。
相敏比較器、如D型觸發器30連接到參考振蕩器32，分頻VCO信號參考連接到數據輸入，VCO信號連接到時鐘輸入。這個裝置用作觸發器來產生傳感器輸出信號。當傳感電極上因物體、如手(未標出)移動到觸發區域中時，以及在以足以抑制環路的速率來進行的情況下，這些信號之間的相位易于漂移。當這個漂移等于或超過由相位延時網絡34設置的相位閾值時，數據輸入在時鐘轉變時將為低而不是高，并產生觸發器輸出脈沖。
大家知道，上述方案配置成僅檢測與負dC/dt相反的正dC/dt或者檢測正和負dC/dt。這意味著上述傳感器配置僅在被檢測物體移向傳感電極而不是離開傳感電極時產生輸出。這種操作模式是有意的，尤其在皂液配給器應用中是極為有利的，在這種應用中，希望僅在手移向配給器時而不是手離開配給器時配給皂液。這種操作模式簡單并易于典型的皂液配給器用戶的使用，并且還提供特定于皂液配給器應用的附加優越性能。
這個附加特征應用于用戶要求附加或連續輸送皂液的情況，它因此需要額外或連續產生傳感器觸發信號。在這種情況下，因為傳感器對正dC/dt靈敏，并且因例如手的靜止狀態所感應的電容而調整到電容的靜態變化，因此用戶不需要完全將手收回然后再使手重新進入傳感區域，或者也可僅將手移向傳感電極或者將手在觸發區域中以小運動形式移上移下，在檢測到向傳感電極的移動時，在觸發區域上會發生傳感器觸發及皂液輸送。
如果必要以及為利于其它應用，傳感器電路可方便地重新配置為檢測負dC/dt事件，其中如果被檢測物體移出或離開觸發區域而不是進入這個區域，則會產生觸發信號。這種傳感器主要可用于希望檢測移出或離開某個區域的物體的運動的應用中。
靜止相位關系可按照若干方式其中之一來設置，但最好是在相位和頻率比較器24的輸入上采用小RC網絡來構造一個相位延時元件34。這迫使VCO振蕩器22超前參考振蕩器一個量，該量將在噪聲免疫力的需求和靈敏度的需求之間進行平衡。兩個相位運行得越近，觸發器電路越靈敏。它們之間的相移越大，則電路噪聲的容差越大，振蕩器抖動越大。這個元件34設置觸發閾值。
在參考振蕩器的頻率大約為32kHz的情況下，相位延時可設置為0.5至4μs范圍內的一個值，它約等于6至45度，最好是設置為1.5μs的延時。
對于RF干擾，大家知道，先有技術典型的電容傳感器經常易受因雜散電磁輻射的影響而產生誤觸發。在本發明中，對這種類型的RF干擾的高度免疫力因以下事實而發生傳感器基于PLL電路，它調諧到特定的低頻率或以這個特定低頻率工作，因而具有對高于和低于這個頻率的那些頻率的固有的良好拒絕性。
不過，在應用環境中，寄生RF可能會出現，它的強度以及頻率足以使傳感器誤觸發。為此，在最佳實施例中，濾波器103和104連接在傳感電極和VCO 22之間。
這些濾波器降低因雜散或寄生的外部RF干擾而引起的侵入傳感器電路的高頻信號的幅度，例如，這些干擾可能是家用廚具、如微波爐輻射以及由蜂窩式電話輻射，也可能是其強度足以引起傳感器的誤觸發的信號。這些濾波器可包括鐵氧體濾波器，但是，在皂液配給器應用的情況下，可以僅采用電阻器和電容器的網絡便實現充分的衰減。
圖2是實用傳感器電路10的示意圖，其中兩個傳感電極直接連接到J1和J2表示的點上。具體地說，這個電路還包括使用屏蔽電極的裝置，其中屏蔽電極直接連接到J3表示的連接點。這個電路可由本領域的技術人員利用圖2所示組件在印刷電路板上構造。還應當理解，如果從涉及大批量生產的經濟的原因考慮，則該電路可進一步改進并轉變為本領域的技術人員稱作專用集成電路(ASIC)的單集成電路電子組件。
提供傳感器的動態響應的以下數學表示，以便進一步說明傳感器的基本操作。對于電容隨時間變化的不同形式，電路10的響應是不同的。對于皂液配給器應用，對這種形式的一個合理近似法是電容的斜坡變化。因此，觸發器電路是基于D翻轉的電路響應的分析以及電容的斜坡變化的解答由下式給出Φen(t)=dCvdt·1Cv·Tdelay·ωn2·[1-e-ζωn·t·{cos(1-ζ2·ωn·t)+ζ1-ζ2·sin(1-ζ2·ωn·t)}]]]>其中Ko≅2·π·(F2-F1)V2-V1]]>其中Ko＝增益常數F1＝對應于VCO控制電壓V1的VCO工作頻率F2＝對應于VCO控制電壓V2的VCO工作頻率。
實際上，根據所用裝置或特定裝置的精確特性，上式所表示的增益常數Ko不是頻率和控制電壓的完全線性函數。但是，它對于某個范圍的值通常是近似于線性的。此外，為便于設計，Ko一般是一系列電路參數的非線性函數，一般可由下式表示Ko＝F(Vcc，N，ω，R1，R2，C)其中
Vcc＝電源電壓，在圖2所示電路中等于3.3V。
N＝由于電路元件100而分割VCO頻率的次數ω＝參考振蕩器32角頻率R1＝在圖2所示電路圖上對應于R1的電阻值R2＝在圖2所示電路圖上對應于R2的電阻值其中，在上式中由f表示的、電路設計所需的精確函數關系可從制造商數據表中提供的詳細數據中來確定，例如，它在“CD54/74HC4046A Texas Instruments Data Sheet，1998年2月，2000年5月修訂”中以各種方式用圖表形式提供，它說明了圖2所示的特定PLL電路元件的操作。
VCO＝控制電壓102的范圍的中間值，即Vcc/2，其中，Vcc是電源電壓，且在圖2所示電路中等于3.3VVref＝PLL芯片內部的參考電壓Kd=Vcc4π]]>τ1＝(R3+R4)·C其中R3、R4以及C是環路濾波器組件(在圖2所示電路圖上對應于R9、R8以及電容C7)。
t＝時間ζ＝阻尼比，由下式給出ζ=12·ωn·τ2]]>其中τ2＝R4·C上式具有一個首項，它乘以一個時間相關響應項。后項最終下降為零。因此，對于觸發而產生的初始響應的幅度與首項成比例，同樣可以看到，它與總電容除電容變化的比率成比例。初始響應還與環路電路的固有頻率成反比，如大家預期的那樣，表明該響應對于更慢校正的電路會更大。
圖3說明根據本發明的另一個實施例的傳感器電子設備40的方框圖，包括描述結合圖1的實施例10所述的相同或隨后相似元件的共同標號。在本實施例40中，觸發器基于電壓比較器42。這是檢測的另一種方法，采用鎖相環路(PLL)12。操作過程如下所述和圖1所示的實施例10一樣，平均控制電壓是使VCO以分割之后與參考振蕩器32相同的頻率進行工作所需的電壓。但是，在本實施例中沒有相位延時網絡，而是相移誤差會使相位/頻率比較器24增加或減少控制電壓102，直到相差校正為零。在這種方案40中，來自相位/頻率比較器24的相位誤差信號由可包括RC網絡44的第一環路濾波器進行濾波，并且還由可包括RC網絡105、其時間常數遠比第一RC網絡長、且向比較器42提供電壓參考的第二濾波器進行濾波。當控制電壓102達到比較器42上的預置正向電壓閾值時，由于檢測到傳感電極14和16的觸發區內的移動物體，因此比較器42觸發并提供傳感器輸出觸發信號。
工作頻率用于皂液配給器(未標出)的傳感器的工作頻率是VCO頻率，且大約為0.5MHz(實際頻率是32.768kHz的參考振蕩器頻率的16倍，即等于0.5244MHz)。這個頻率設置為足夠高，使人的手始終被傳感器作為介電材料來檢測，與有些時候的導體和在觸發范圍及一般性能中產生可變性的其它情況的電介質相反。這個問題的起因在于以下事實操作配給器的個人既可以也可以不電氣接地。例如，需要皂液的操作者有時可用一只手接觸接地金屬物體、如水槽或水龍頭，或者通過流水來電氣接地。
為了讓人的手可作為電介質被檢測，這個頻率必需超過人體的自由電荷釋放時間。這個時間由皮膚對地的電阻歐姆數與身體電容的法拉數之積來確定。成人的電容處于50pF的范圍內。兩手之間的皮膚電阻在100kΩ至數MΩ的范圍內變化。因此，RC時間常數可短至5μs，對應于0.2MHz的頻率。因此選擇0.5MHz的工作頻率來提供合理的余量。
其它可能的應用包括水龍頭控制。將電容傳感器有效地應用于水龍頭控制可能要求10MHz以上范圍內的更高頻率。如專利5730165中所述以及其它方面的一般證明。這個推理仍然基于RC時間常數，必需利用皮膚環境中存在的較高傳導性。
將本發明的傳感器的設計在必要時修改為以更高頻率進行工作不存在根本問題。實際上，對于所涉及的工作頻率，PLL裝置中目前最新技術完全擴展到GHz范圍。因此，這個設計可由“本領域的技術人員”進行修改，從而根據目標應用的需要以達到GHz范圍的任何所需頻率進行工作。
圖4說明一個模擬皂液配給器基座50，它具有由銅箔構成的彼此相隔設置的電極14、16，能夠在其中建立電場。并列布置在兩個電極之間產生電場，它從電極表面向外延伸并在兩個電極之間成曲形。基座52還結合了屏蔽電極，它在本例中由銅箔構成，并環繞基座52的外側。
在這個配置中，電場強度的幅度隨著與電極14、16的距離而線性降低，然后，由于在電場中出現介電材料、如手而產生的電容變化的幅度也降低。這種并列配置產生所說的散射場，傳感器與這種電極配置的結合可稱作散射場類型的電容傳感器。作為一個粗略指南，在超過電極14、16的結合寬度、本例中約為3英寸的距離上，電場的強度通常在散射場中迅速下降。由前至后的長度為3.1”；并列長度為3.25”；間隔大約為0.5”；電極和屏蔽框之間的周圍間隙為”。
由于從模擬基座開始的不同距離范圍出現手而產生的電容變化被測量。圖5說明在基座50的不同垂直距離范圍上平伸的成人的手的電容變化，其中對此進行確認的屏蔽52存在以及移開。對接地屏蔽52存在兩種技術副作用。首先是將傳感電極結構的整體電容提高數微微法。其次是使一部分電場避開傳感區域，使固定距離的電容變化降低。對于傳感電極附近的接地屏蔽，這是不可避免的，根據圖5所示的數據得到證明。
因此，對于這種特定物理結構，對屏蔽的要求提高了傳感器的所需靈敏度，如本文所述的測試數據所證明的一樣，這個傳感器具有必要的靈敏度。如果靈敏度會成為要求類似屏蔽電極的這種應用或其它類似應用的一個問題，則要求較低靈敏度的另一種配置是分割屏蔽，并以相同于傳感電極的電壓來驅動這兩部分。
傳感器特征及試驗臺測試數據數據分為以下類別●特征對已知小電容變化率●特征對相對于模擬基座的手的運動的響應動態模擬和測試數據構成一種用于特征的測試裝置，并作為用于以不同時標上出現的不同的典型電容變化率來產生一系列已知及可再生電容變化的手段，上述時標表示手的運動并具有近似斜坡的電容變化時間表。它是基于平行板電容器，其中包括兩個間隔1cm的標稱5厘米×5厘米的平面平行電極。包含3/8”×3/8”(厚度1毫米)的小矩形純熔凝石英的介電試樣被用于逐漸增加電容。材料具有已知的介電常數3.8。
在給定該結構的實際精確尺寸以及試樣并假定均勻電場的情況下，將這樣一個試樣導入電容器的電場區域而產生的電容的逐漸增加的增量計算為6.3fF。設計了一種以已知恒定速度將試樣引入或導出電場區域的裝置。它包括將試樣安裝在薄塑膠盤上，它穿過電場間隙并由小電機以已知RPM(每分鐘轉數)來轉動。因此，這個裝置提供一種用于模擬因手的運動而產生的電容變化率的手段。
使用以下電動機的RPM，其中試樣位于塑膠盤的最外緣。每次旋轉當試樣進入這些板之間的電場時產生一個正dC/dt，當試樣離開電場時產生一個負dC/dt。

由于每次旋轉產生一個正dC/dt和一個負dC/dt，因此這個裝置還允許對不同dC/dt幅度的傳感器觸發靈敏度的測試，以及對不同的-dC/dt幅度的誤觸發的測試。它也是有效的，因為對于皂液配給器應用，傳感器不應當由于手離開觸發區域而觸發。
以下數據是在各種速度上大約100次旋轉的情況下獲得的。

結合前表的這些數據指明，傳感器對具有82ms持續時間、超過+77fF/s的事件靈敏，以及在檢測具有59ms持續時間、+107fF/s的事件上，在這些測試中是100％(-1％)成功的。
該數據還證實，傳感器能夠可靠地檢測除手之外的小介電物體的運動。該數據還證實，傳感器在傳感電極以平行板類型配置設置的情況下是有用的。
手觸發測試數據為了進一步提供對于非接觸皂液配給器的觸發環境中的應用的實用及適用性的簡化的證明，采用結合了傳感電極的散射場配置以及圖4所示屏蔽電極的模擬皂液配給器基座來執行一系列手觸發測試。
通過參照圖5，通過在3”、2”、1”的范圍垂直接近以起動傳感器，可對可靠的觸發來粗略估算所需的手速度。然后，技術估算可與相同的手的實際數據進行比較。下方的曲線表明由于在3”范圍的大約5fF、2”的大約12fF以及估算的3”的39fF上的手而引起的電容變化。可以估計，這個變化會在大約5”的初始手距離和3”觸發距離之間發生，諸如此類。為了使變化率大約為100fF/s，對于3”上(持續時間50ms)觸發，手速度需要大約為每秒100*2/5英寸＝每秒40英寸，對于2”上(120ms)觸發，為每秒大約100*2/12＝每秒17英寸，以及對于1”上(444ms)觸發，為大約100*2/39＝每秒5英寸。每秒5英寸是極慢的手速度，而25至40英寸可能更具代表性。
傳感器電路連接到模擬基座，并對于手以判斷為正常速度的速度移向基座引起的觸發以及對于手已經處于觸發區域中的反復觸發進行測試，各種情況十次。
測試手橫向移入觸發區域

測試手垂直移入觸發區域

測試手在觸發區域中垂直移動3/4至1”

應當了解，在皂液配給器的典型用戶不會注意保持手的展開和水平的意義上，以上測試是技術或“分段”的，手的速度也是一個重要因素，它基于對普通用戶的行為的判斷并隨實際使用而變化。大家可以看到，根據這些數據，有效的觸發距離是在2.5”至3”的范圍，它也符合基于技術的估算。大家同樣可以看到，存在誤觸發的零發生率，意味著手的移開決不起動傳感器。
從電路10流出的電流很低，在低壓上充分小于1mA。這就證明了采用堿性蓄電池長期工作的適用性。它在電池供電裝置的應用中極為有利，這些裝置適合用于連續工作持續時間，而不需要頻繁地更換電池。
以上雖然已經說明了根據本發明的一種最佳控制系統，用于說明本發明的實施方式，但應當理解，本發明并不限于此。因此，本領域的技術人員可進行任何及全部修改、變更或等效配置，它們都應當看作處于所附權利要求定義的本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種電容傳感器系統，用于控制裝置的操作，所述系統包括傳感電極，用于能夠建立電場，以截取迫近物體的運動；以及電子電路，用于響應因所述電場中的所述迫近物體的運動而產生的所述傳感電極的電容變化率來提供控制輸出信號，而沒有與電容變化相關的信號的過渡電子微分。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于所述電子電路包括鎖相環路，包括電壓控制振蕩器(VCO)，連接到所述傳感電極，用于向所述傳感電極提供工作頻率；固定頻率參考振蕩器，用于提供固定頻率參考；相位/頻率比較器，用于將VCO頻率與所述固定參考頻率進行比較；相位延時電路，用于在環路被鎖相時改變所述VCO頻率和所述固定參考振蕩器頻率之間的相差；環路濾波器，用于對來自所述相位/頻率比較器的相位誤差信號進行積分，以便定義所述環路的動態響應；以及相敏觸發電路，用于響應所述固定參考頻率和所述工作頻率之間的相差的變化來提供控制輸出信號。
3.如權利要求2所述的系統，其特征在于所述相位延時電路可用于使所述VCO頻率超前所述固定參考頻率，以便電容的正變化率控制所述裝置的操作。
4.如權利要求2所述的系統，其特征在于所述相位延時電路可用于使所述VCO頻率滯后所述固定參考頻率，以便電容的負變化率控制所述裝置的操作。
5.一種電容傳感器系統，用于響應因迫近物體的運動而產生的電容變化率來控制裝置的操作，所述系統包括至少兩個傳感電極，相互間隔設置，能夠建立所述傳感電極之間的電場，所述電場向外延伸并在所述傳感電極之間；鎖相環路，包括電壓控制振蕩器(VCO)，連接到所述傳感電極，用于向所述傳感電極提供工作頻率；固定頻率參考振蕩器，用于提供固定頻率參考；相位/頻率比較器，用于將VCO頻率與所述固定參考頻率進行比較；相位延時電路，用于在所述環路被鎖相時改變所述VCO頻率和所述固定參考振蕩器頻率之間的相差；環路濾波器，用于對來自所述相位/頻率比較器的相位誤差信號進行積分，以便定義所述環路的動態響應；以及相敏觸發電路，用于響應所述固定參考頻率和所述工作頻率之間的相差的變化來提供控制輸出信號。
6.如權利要求5所述的系統，其特征在于所述相位延時電路可用于使所述VCO頻率超前所述固定參考頻率，以便電容的正變化率控制所述裝置的操作。
7.如權利要求5所述的系統，其特征在于所述相位延時電路可用于使所述VCO頻率滯后所述固定參考頻率，以便電容的負變化率控制所述裝置的操作。
8.如權利要求5、6或7其中任何一項所述的系統，其特征在于所述電壓控制振蕩器向所述傳感電極提供一個足夠高的工作頻率，以確保所述傳感電極將物體作為介電材料來檢測。
9.如權利要求8所述的系統，其特征在于所述電壓控制振蕩器提供低于大約1MHz的工作頻率，用于通過人的手的運動來操作皂液配給器。
10.如權利要求8所述的系統，其特征在于所述電壓控制振蕩器提供大于約10MHz的工作頻率，用于通過人的手的運動來操作水龍頭。
11.如權利要求5所述的系統，其特征在于所述電極以平面關系設置。
12.如權利要求11所述的系統，其特征在于還包括接地屏蔽電極，與所述傳感電極以相互間隔及環繞的關系設置，所述屏蔽電極處于一般垂直于所述傳感電極的平面中，并從所述建立的電場中延伸。
13.如權利要求11所述的系統，其特征在于還包括接地電極，設置在一般平行于所述傳感電極的平面中。
14.如權利要求5所述的系統，其特征在于所述觸發電路包括D翻轉電路。
15.一種電容傳感器系統，用于響應因迫近物體的運動而產生的電容變化率來控制裝置的操作，所述系統包括至少兩個傳感電極，相互間隔設置，能夠建立所述傳感電極之間的電場，所述電場向外延伸并在所述傳感電極之間；鎖相環路，包括電壓控制振蕩器(VCO)，連接到所述傳感電極，用于向所述傳感電極提供工作頻率；固定頻率參考振蕩器，用于提供固定頻率參考；環路濾波器，用于對來自所述相位/頻率比較器的相位誤差信號進行積分，以便定義所述環路的動態響應；以及相敏觸發電路，用于響應所述固定參考頻率和所述工作頻率之間的相差的變化而提供控制輸出信號，所述觸發電路包括電壓比較器，一端連接到所述VCO；以及長時間常數環路濾波器，連接在所述相位/頻率比較器和所述電壓比較器之間。
16.一種電容傳感器系統，用于響應因迫近物體的運動而產生的電容變化率來控制裝置的操作，所述系統包括至少兩個傳感電極，相互間隔設置，能夠建立所述傳感電極之間的電場；鎖相環路，包括電壓控制振蕩器(VCO)，連接到所述傳感電極，用于向所述傳感電極提供工作頻率；固定頻率參考振蕩器，用于提供固定頻率參考；相位頻率比較器，用于將VCO頻率與所述固定參考頻率進行比較；相位延時電路，連接在所述相位/頻率比較器和所述電壓控制振蕩器之間，用于使所述電壓控制振蕩器超前所述參考振蕩器；以及觸發電路，用于響應所述固定頻率和所述工作頻率之間的相移的變化來提供控制輸出。
17.如權利要求16所述的系統，其特征在于所述電壓控制振蕩器向所述傳感電極提供一個足夠高的工作頻率，以確保所述相同電極將物體作為介電材料來檢測。
18.如權利要求17所述的系統，其特征在于所述電壓控制振蕩器提供低于大約1MHz的工作頻率，用于通過人的手的運動來操作皂液配給器。
19.如權利要求17所述的系統，其特征在于所述電壓控制振蕩器提供大于約10MHz的工作頻率，用于通過人的手的運動來操作水龍頭。
20.如權利要求19所述的系統，其特征在于還包括屏蔽電極，與所述傳感電極以互相間隔以及環繞的關系來設置。
21.如權利要求16所述的系統，其特征在于所述觸發電路包括D翻轉電路。
22.如權利要求5、15或16所述的系統，其特征在于還包括自適應反饋通路，連接在所述相位/頻率比較器和所述VCO之間，用于將所述固定參考頻率和所述VCO工作頻率之間的相差保持在+90和-90度之間。
23.如權利要求5、15或16所述的系統，其特征在于還包括RF衰減濾波器，互相連接在各傳感電極和所述VCO之間。
24.如權利要求5、15或16所述的系統，其特征在于還包括分頻器，與所述VCO和所述相位/頻率比較器互相連接。
全文摘要
一種電容傳感器系統，用于響應因迫近物體的運動而產生的電容變化率來控制裝置的操作，包括至少兩個傳感電極，設置在一個表面上；以及一個鎖相環，包括電壓控制振蕩器和相位/頻率比較器，連接在傳感電極和RC網絡之間，用于向傳感電極提供工作頻率。一個電路環路，包括參考振蕩器，提供鎖相環路所依照的固定頻率參考；以及相位延時電路，連接在所述相位/頻率比較器和所述電壓控制振蕩器之間，使電壓控制振蕩超前參考振蕩器。觸發電路，響應所述固定頻率和所述工作頻率之間的相移的變化而提供控制輸出。
文檔編號G01N27/22GK1539123SQ02807837
公開日2004年10月20日 申請日期2002年1月30日 優先權日2001年2月7日
發明者D·瓦羅, F·肖爾滕, R·吉福尼, K·B·格倫雷茨, D, D 瓦羅, 格倫雷茨 申請人:格倫雷茨家族信托公司