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CN110249529A - 用于相对于检测表面检测物体的接近和/或接触和压力的装置和方法 - Google Patents

用于相对于检测表面检测物体的接近和/或接触和压力的装置和方法 Download PDF

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CN110249529A
CN110249529A CN201780085655.5A CN201780085655A CN110249529A CN 110249529 A CN110249529 A CN 110249529A CN 201780085655 A CN201780085655 A CN 201780085655A CN 110249529 A CN110249529 A CN 110249529A
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Abstract

本发明涉及一种检测装置(300)包括：检测电极(106)和第二电极(108)，检测电极与第二电极分离通过物体(102)施加到检测表面(104)上的负荷而局部弹性可改变的距离(D)；以及控制器件(116)，其被设置为将电极(106、108)连接到交流保护电位(Vg)以测量表示接近和接触的电容，并且将第二电极(108)连接到与保护户电位(Vg)成比例并且具有不同振幅的第二电位或者连接到地电位(M)，以测量表示压力的电容。本发明还涉及一种使用这种装置的检测方法。

Description

用于相对于检测表面检测物体的接近和/或接触和压力的装 置和方法
技术领域
本发明涉及一种装置，一方面用于检测物体与检测表面的接近和接触，另一方面用于检测所述物体对所述表面的压力。本发明还涉及一种使用这种装置的方法。
本发明的领域非限定性地是用于电子装置的物体的电容式检测的接口，使所述装置能够检测相邻物体，尤其是在机器人领域。
背景技术
电子装置以越来越自主的方式与它们的环境交互。这种自主交互通常需要检测位于装置附近或者与装置接触的物体或者人的可能性，特别是当所述装置是机器人，无论机器人是不是移动的。接近和接触的这种检测通过配备有用于检测接近和/或接触的传感器(特别是电容式传感器)的检测表面来执行。
为了完成这种交互，除了检测接近和接触之外，似乎需要检测由物体施加在装置检测表面上的压力、力或者负荷。目前存在用于检测装置的检测表面上的压力的传感器。
然而，在已经配备有接近和接触传感器的检测表面中添加这种压力检测传感器被证明是昂贵、笨重和复杂的。此外，专用于检测接近和接触的传感器和专用于检测压力的传感器的并置产生相干干扰，降低这些传感器的操作性和有效性。
本发明的目的在于克服上述缺点。
本发明的另一个目的是提出一种单个传感器装置，一方面能够检测接近和/或接触，另一方面能够检测物体对接触表面的压力和/或由物体施加在检测表面上的力或负荷。
本发明的另一个目的是提出一种单个传感器装置，一方面能够检测接近和/或接触，另一方面能够检测压力、力或负荷，与两个现有传感器的并置(一个专用于检测接近和接触，另一个专用于检测压力、力或负荷)相比，所述单个传感器装置体积更小、成本更低、复杂度更低。
本发明的另一个目的是提出一种单个传感器装置，一方面能够检测接近和/或接触，另一方面能够检测压力、力或负荷，并且具有高稳定性和良好的可靠性。
发明内容
这些目的中的至少一个通过用于相对于检测表面检测物体的装置来实现，所述装置包括：
-至少一个称为测量电极的电极，和
-至少一个第二电极，其与所述测量电极相对设置；
其特征在于，所述电极间隔通过所述物体施加在所述检测表面上的负荷而可弹性变化的距离，特别是局部可弹性变化的距离；
并且其特征在于，所述装置包括至少一个控制模块，其设置以：
-将与地电位不同的以下电位施加到所述电极：
-一个称为保护电位的交流电位，或者
-基本相同的交流电位；
以测量关于所述测量电极和所述物体之间的称为电极-物体电容的电容的第一电信号：第一信号并且因此电极-物体电容表示所述物体与所述检测表面的接近和/或接触；以及
-将以下电位施加到所述第二电极：
-与保护电位成比例并且具有不同振幅的第二电位，或者
-地电位，
以测量关于由所述测量电极得到的称为总电容的电容的第二电信号：第二信号并且因此总电容表示由所述物体施加给所述检测表面的压力、力或者负荷。
因此，根据本发明的装置使得能够利用单个测量电子器件和单组电极来一方面测量表示第一信息项的第一信号，另一方面测量表示第二信息项的第二信号，其中第一信息项是物体与检测表面的接近和接触，第二信息项是由物体对检测表面施加的压力、力或者负荷。
因此，与两个专用传感器的并置(一个用于检测接近和接触，另一个用于检测压力)相比，根据本发明的装置使用时成本更低、体积更小、复杂度更低。此外，与使用可能互相干扰的两个独立传感器的配置相比，根据本发明的装置具有更好的检测性能。
根据实施例，控制模块还能够被设置以将第二电位或者地电位施加到第二电极，以便当电极-物体电容达到预定阈值电容或者在预定电容阈值范围内时，测量关于总电容的第二电信号，电极-物体电容达到预定阈值电容或者在预定电容阈值范围内表示所述物体和所述检测表面之间接触。
当然，能够根据其它准则或者简单重复地或者交替地开始第一电信号和第二信号的测量。
电位能够施加到电极，非限制性地，通过将这些电极电连接到该电位或者通过使这些电极直接地或经由电子组件和/或轨道或连接线和/或任何其他电耦合手段(电场、感应)受制于该电位或者产生该电位的电源来将该电位施加到这些电极。
相似地，在本发明的上下文中，在电位处电极化电极能够意味着例如使这些电极受制于该电位，或者将该电位施加到电极。
“地电位”意思是电子装置或者电子装置的一部分的参考电位。地电位还能够对应于接地或者接地电位。
在不失一般性的情况下，能够相对于电参考定义电位，电参考能够是产生这些电位的电源的参考点或者一般的参考电位，例如地电位。
“交流电位”意思是随着时间变化的电位，具有非零频率的至少一个频率分量。
因此，非限制性地能够相对于地电位定义保护电位(或者保护电位参考地电位)。在这种情况，保护电位还能够与相对于被认为是零的地电位的电位差对应。
根据实施例，保护电位能够是任何形状，特别是正弦、方形、三角形等。该电位能够直接产生或者通过使用脉冲宽度调制(PWM)技术产生。
在本发明的上下文中，当施加到电极(例如测量电极和第二电极)的交流电位在这些电极之间不产生可用的电容测量时，交流电位能够被认为基本相同。以下能够被特别提及作为相同的或者基本相同的交流电位的示例：
-具有同一时间形状(正弦、方形、三角形等)、同一变化振幅和同一相位(或换句话说，同步变化)的交流电位；
-包括在至少一个工作频率下的具有相同振幅和相位的至少一个频谱分量的交流电位。
需要注意的是电极能够极化或者受制于全局电位，其对应于称为保护电位的交流电位与具有其他分量的其他电位的叠加，所述交流电位对于每个电极是相同或基本上相同的，所述其他分量对于每个电极是可选地不同的，但是通过所使用的测量电极不能产生可用的电容测量。
因此，根据以下将会详细描述的测量电子器件的实施例，通过给测量电极和第二电极分别施加全局电位，能够测量物体-电极电容，全局电位包括相同的交流电保护电位和不同分量，例如，DC分量、或者不在测量电子器件的检测的通带中的频率分量、或者具有在标量积意义上与保护电位的波形正交(即，乘积一项一项之和等于零)的波形的另一分量。
第二电位对应于当被施加到第二电极时产生(利用所使用的测量电极)(保护电位处的)测量电极和该第二电极之间的电容测量的电位。为此，第二电位必须具有与保护电位不同的振幅。第二电位还可以具有零振幅，在这种情况下，第二电位对应于地电位。
第二电位还被限定为与保护电位成比例。这意味着第二电位包括在波形和/或频率和相位上与保护电位相同的分量，但是如上所述，该分量具有不同振幅。
该振幅优选地低于保护电位的振幅，但是还能够高于保护电位的振幅。因此，作为第二电位的示例，以下可以被特别提及：
-具有与保护电位相同的一个时间形状(正弦、方形、三角形等)、相同的一个相位(或者以其他术语是同步变化)、但不同的变化振幅的交流电位；
-包括至少一个工作频率的相同相位的至少一个频谱分量，但是具有不同振幅的交流电位。
将非零振幅的第二电位而不是地电位施加到第二电极的事实使得可以调整能够远大于电极-物体电容的总电容的测量的增益或者敏感度：
-通过将地电位施加到第二电极，在测量电极和该第二电极之间得到与保护电位相对应的电位差：
-通过将与保护电位成比例的非零振幅的第二电位施加到第二电极，(对于合适的振幅选择)可以在测量电极和该第二电极之间获得小于保护电位的电位差。
当然，如上所述，需要注意的是测量电极和第二电极能够被极化或者受制于全局电位，全局电位对应于保护电位或者第二电位分别与具有其他分量的其他电位叠加，所述其他分量对于每个电极是可选地不同的，但是不能通过所使用的测量电子器件产生可用的电容测量。
根据本发明的装置能够包括与测量电极连接的测量电子器件并且使得可以测量关于电极-物体电容的第一信号和关于总电容的第二信号。
有利地，由测量电极得到的关于电极-物体电容的第一信号和关于总电容的第二信号能够在同一测量点处被测量。
因此，根据本发明的装置的实施得到简化。
根据实施例，根据本发明的装置能够包括测量电子器件，其具有实施运算放大器的电路，所述电路具有包括电容反馈部件的阻抗，所述一个或多个测量电极与所述运算放大器的负输入端连接。
测量电子器件能够因此例如利用具有反馈电容的电荷放大器。
能够以任何形式，特别是模拟形式或者数字形式，制造利用运算放大器的电路，使得能够执行运算放大器功能。
回想一下，运算放大器是本领域技术人员所熟知的具有理想无限阻抗的负输入端和正输入端的部件模型，该部件模型在输出端产生与施加到输入端的电位之差相对应的、以理想无限增益放大的信号。
根据本发明的装置还能够包括测量电子器件，测量电子器件具有实施用于将电荷转化为电信号或者数字信号(开关电容等)的电路的电路。
根据实施例，实施运算放大器的电路能够由参考保护电位的电源供电。
根据其它实施例，实施运算放大器的电路能够由参考地的电源供电。
根据实施例，根据本发明的装置能够包括测量电子器件，测量电子器件具有使用以下元件中的至少一个的至少一个解调装置：
-异步解调器；
-振幅检测器；
-数字解调器。
通常，同步解调器能够由乘法器和低通滤波器表示(或者包括乘法器和低通滤波器)，乘法器实现测量信号与载波信号的相乘。
载波信号能够是保护电位、或者包括保护电位、或者来自保护电位(或者，至少来自地电位和保护电位之间的电位差)。
振幅检测器(或者异步解调器)能够由整流元件(例如二极管整流器、选择器开关或二次检测器)和低通滤波器表示(或者包括整流元件和低通滤波器)。振幅检测器使得能够获得源自电流检测器的调制的测量信号的振幅。
解调装置还能够包括设置在解调器之前的带通滤波器或者抗混叠低通滤波器。
当然，解调装置能够以数字和/或模拟的形式生产。解调装置能够特别地包括模拟-数字转换器和微处理器和/或FPGA，FPGA数字地执行同步解调、振幅检测或者任何其它解调操作。
根据本发明的装置能够包括由控制模块控制的至少一个可控开关，例如接触断路器，并且可控开关：
-在第一位置：将至少一个第二电极连接到保护电位；和
-在第二位置：将至少一个第二电极连接到地电位或者第二电位。
在利用几个第二电极的实施例中，可控开关能够被设置以：
-同时将所有第二电极连接到保护电位或者地电位或者第二电位；或
-选择性地将一个或多个第二电极连接到地电位或者第二电位并且将其它第二电极连接到保护电位。
根据实施例示例，根据本发明的装置能够有利地包括为所有电极提供保护电位的单个源。
可选地，根据本发明的装置能够包括：
-第一源，其给至少一个测量电极提供保护电位，以及
-第二源，所述第二源在第一信号的测量期间给至少一个第二电极提供保护电位，并且如果合适，所述第二源在第二信号的测量期间将第二电位提供给至少一个第二电极。
根据实施例，第二源能够独立于第一源，或者依赖或者从属于第一源，或者与第一源共享公共元件(例如振荡器或者波发生器)。
在第一实施例示例中，第二源在第一信号的测量期间接通以提供保护电位，在第二信号的测量期间接通以提供第二电位。特别地，第二源的振幅能够由控制器件控制。
在第二实施例示例中，第二源在第一信号的测量期间接通并且在第二信号的测量期间关断。特别地，第二源能够由控制器件接通或者关断。
在另一个实施例示例中，第二源能够始终保持通电。在这种情况下，根据本发明的装置能够包括可控开关，该可控开关：
-在第一信号的测量期间将至少一个第二电极连接到第二源；和
-在第二信号的测量期间将至少一个第二电极连接到地。
所述可控开关特别地能够由控制器件控制。
控制模块能够是配置为执行所述的控制操作的处理器或者电子芯片。
这种处理器或者这种电子芯片能够专用于或者不专用于执行所述控制操作。
有利地，根据本发明的装置能够包括至少一个计算模块，其被配置为根据所述总电容和所述电极-物体电容计算所述测量电极和所述第二电极之间的称为极间电容的电容。
这种计算模块能够被配置为根据以下关系通过从总电容CT减去所述电极-物体电容Ceo来计算极间电容Cie：
Cie＝CT-Ceo
根据实施例，电极-物体电容能够从先前的测量获得。电极-物体电容还能够是记录的测量。
当根据电极-物体电容与阈值电容Cs或者预定阈值电容范围的比较来执行总电容的测量时，该阈值电容Cs能够用作电极-物体电容的值以计算极间电容。
该阈值电容能够被固定，例如在工厂中预先确定。
该阈值电容还能够是自适应的。在这种情况下，能够例如根据先前测量、历史测量和/或例如以下将描述的测量环境来确定或者更新该阈值电容。
根据本发明的装置能够包括至少一个计算模块，其被配置为：
-根据第一信号(和/或速度、路径、移动、姿势等)确定物体与检测表面之间的距离或者接触(或者半接触)；和/或
-根据第二信号确定由所述物体施加在检测表面上的负荷、力或者压力。
所述至少一个计算模块能够通过计算或者通过与先前建立的参考表比较来分别确定所述距离(或者接触)和所述负荷(或者力或者压力)。
所述至少一个计算模块能够：
-直接根据第一测量信号或者所述信号的数字化版本，或者
-根据从测量的或者数字化的所述第一信号推导出的电极-物体电容值，来确定所述距离或者接触。
所述至少一个计算模块能够：
-直接根据测量的第二信号或者所述信号的数字化版本确定所述负荷(或者力或者压力)，或者
-根据从所述测量的或者数字化的第二信号推导出的总电容，或者
-从根据所述总电容和阈值电容计算出的极间电容值，
来确定所述负荷(或者力或者压力)。
有利地，测量电极和第二电极能够通过弹性可压缩的、特别是局部弹性可压缩的、包括或者由介电材料形成的层分开。
介电材料能够包括，例如：
-介电液体，例如油；
-介电聚合物，例如硅基聚合物；或者
-介电泡沫，例如由聚酯或者硅制成的泡沫。
根据实施例，根据本发明的装置能够包括由例如以下制成的一个或更多个测量电极和/或第二电极：
-导电油墨的沉积物，例如通过丝网印刷或喷墨工艺沉积在介电材料的表面上；
-通过真空沉积工艺沉积或通过蚀刻工艺蚀刻的金属材料层，例如铜、银或其他导电材料，例如碳或金属氧化物(氧化铟锡或ITO、氧化锌或ZnO)；
-刚性、半刚性或柔性(介电环氧树脂、聚酰亚胺、PET等)、具有单个金属层或几个金属层等的印刷电路板或类似物；
-导电聚合物；
-以具有由编织或针织等导电材料(金属等)制造的导线的织物或织物层的形式。
根据实施例，根据本发明的装置能够包括一个或更多个透明的测量电极和/或第二电极。这种电极能够例如利用透明导电氧化物(例如氧化铟锡(或ITO))在透明聚合物(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))电介质层上的沉积物来制造。
第二电极和测量电极的至少一个的连接轨道也能够是透明的。
弹性可压缩分离层也能够由透明介电材料制造。为此，弹性可压缩分离层能够例如由柔性透明塑料或聚二甲基硅氧烷(或PDMS)制造。
可选地或另外，测量电极能够设置在支撑件上、或中、或下，支撑件由诸如织物(例如编织或者针织结构)之类的柔性材料制造，所述支撑件设置在第二电极之上并且距离第二电极一定距离并且当负荷施加在所述支撑件上时至少局部地变形。
在这种情况下，一个或多个测量电极能够例如以织物或者以织物或织物层的形式制造，织物具有由编织或针织等导电材料(金属等)制造的导线。
根据本发明的装置能够包括几个测量电极。
根据本发明的装置能够特别地包括分布在检测表面的平面中的多个电极。
根据实施例，根据本发明的装置能够包括根据以下配置中的至少一个来设置的一个或更多个第二电极：
-至少一个第二电极与几个测量电极，特别是所有测量电极相对设置；
-对于至少一个测量电极，特别是每个测量电极，第二电极与所述测量电极相对设置；
-对于至少一个测量电极，特别是每个测量电极，几个第二电极与所述测量电极相对设置。
根据实施例，根据本发明的装置还能够包括在保护电位处极化的至少一个附加保护电极。
在这种情况下，第二电极能够设置在称为保护平面的平面中或上，所述保护平面包括一个或多个附加保护电极。
根据实施例，根据本发明的装置能够包括：
-按行和列组织的测量电极阵列；以及
-分别与测量电极的每行、每列相对的、由一个或更多个第二电极构成的至少一行、至少一列。
在这种情况下，同一行的第二电极能够位于相同电位，同一列的第二电极能够位于相同电位。换句话说，同一行的第二电极的电位共同调整或者修改，同一列的第二电极的电位共同调整或者修改。
当第二电极设置在保护平面中或上时，能够将保护平面设置在测量电极的电位。
根据实施例，根据本发明的装置能够包括几个测量电极和电极开关，电极开关使得能够选择性地将称为“有源电极”的测量电极连接到测量电极，所述电极开关还被设置为将其它测量电极在与有源电极相同的电位处极化。
特别地，电极开关能够顺序地选择多个或者所有测量电极作为有源电极。
因此，电极开关使得能够使用测量电极(或者测量通道)以执行利用几个测量电极的顺序测量。
因此，根据本发明的具有多个测量电极的装置能够包括：
-具有单个测量通道和电极开关的测量电子器件，使得能够顺序地轮询(poll)所有测量电极(顺序测量)；
-利用几个测量通道的一个或更多个测量电子器件，每个测量电子器件具有电极开关，该电极开关使得能够轮询测量电极(顺序和并行测量)的一部分；
-与测量电极一样多的测量电子器件或者测量通道，没有电极开关，以便同时轮询所有测量电极(并行测量)。
根据同一发明的另一方面，提出了一种利用根据本发明的检测装置相对于测量平面检测物体的方法。
特别地，根据一般定义，根据本发明的方法包括：
-第一检测步骤的至少一个迭代，第一检测步骤通过将与地电位不同的以下电位施加到电极来执行：
-称为保护电位的同一个交流电位，或者
-基本相同的交流电位；
以根据测量的第一信号确定由至少一个测量电极得到的称为电极物体电容的电容；以及
-第二检测步骤的至少一个迭代，第二检测步骤包括以下操作：
-将以下电位施加到至少一个第二电极：
■与保护电位成比例并且具有不同的振幅的第二电位，或者
■地电位；以及
-根据测量的第二信号确定由至少一个测量电极得到的称为总电容的电容。
在步骤或者操作方面，根据本发明的方法还能够包括通过根据本发明的装置根据以上描述的特性在每个版本/模式/实施例示例中实施的功能。
特别地，第二检测步骤还能够包括根据总电容和电极-物体电容计算所述测量电极和所述第二电极之间的称为极间电容的电容。
根据实施例，当电极-物体电容达到预定阈值电容或者在预定阈值电容范围内时，能够开始第二检测步骤，电极-物体电容达到预定阈值电容或者在预定阈值电容范围内表示物体和检测表面之间接触。
当检测装置包括配备检测表面的多个测量电极时，第二检测步骤能够有利地仅在检测表面的区域中执行，在该区域中，在第一检测步骤期间已检测到物体。
因此，在第二检测步骤期间，不必扫描整个检测表面。
当检测装置包括多个测量电极时，对于至少两个测量电极，特别是所有测量电极，阈值电容能够相同。
可选地或者另外，当检测装置包括多个测量电极时，用于至少两个电极的阈值电容能够是不同的。
根据本发明的方法还能够包括称为校准步骤的步骤，该步骤包括测量和记录阈值电容。
这个校准步骤能够在以下期间被执行，例如：
-在工厂中制造检测装置期间；
-在使用装置期间，在特定的校准过程期间；
-在使用装置期间，周期性地在进行测量期间。
特别地，根据本发明的方法能够包括校准步骤，其中考虑以下元素的至少一个来确定阈值电容：历史测量、测量环境。
因此，特别地，利用在存在物理与检测表面接触或者按压在检测表面上时获得的电极-物体电容测量的历史测量或者测量，能够更新阈值电容。物体的存在例如在特定的校准过程期间能够是需要的，或者物体的存在能够根据总电容测量自动确定。
在存在几个测量电极的情况下，还能够根据检测的测量环境来确定(和调整)阈值电容。例如，可以用几个电极检测正在接近的物体的尺寸并且根据这个尺寸调整阈值电容值，例如以便考虑接触的物体是否完全覆盖测量电极的事实。
根据实施例，根据本发明的方法还能够包括称为测试步骤的步骤，其在没有物体的情况下执行，以验证装置的功能性，所述步骤包括以下操作：
-将保护电极施加到至少一个测量电极；
-将与地电位成比例并且具有不同振幅的第二电位或者地电位施加到所述至少一个第二电极；以及
-通过测量第三信号确定所述测量电极和第二电极之间的称为电极-测试电容的电容；
-将所述电极-测试电容与第二预定阈值电容比较。
这个测试步骤的目的是验证装置的功能性。
检测物体，在本申请中也称为控制物体，能够是例如戴或没戴手套的手、人体的任何其它部分、触笔(例如由塑料或金属制成的触笔)。
检测物体还能够是检测装置的环境中的任何物体，例如工具、墙等。
根据本发明的又一方面，提出了一种用于包括根据本发明的检测装置的设备的检测层。
根据本发明的装置，特别地是电极能够集成到检测层中。
特别地，该设备能够包括装置或者电子装置，例如机器人的一部分或者机器人。
检测层能够设置在装置上或者集成在装置表面或者壳体中。
可替代地，检测层能够具有独立于所述装置的装饰部件的形式，例如纺织饰品。
测试层还能够具有皮肤(或者“敏感皮肤”)的形式，使得能够覆盖机器人(例如人形机器人)的所有或者部分。这种皮肤能够设计为具有与人类皮肤相近的外观(颜色、表面、触感等等)。
检测表面还能够具有管状的装饰部件或者元件的形式，例如，适合围绕机器人的肢体或者机器人的肢体的部分设置。
该设备还能够包括医疗设备或者医疗用处的设备，例如床、床垫、座椅或者座椅靠垫。
在这种情况下，特别地，检测层能够以装饰元件(例如床单或套)的形式制造，或者形成该设备的整体部分。
在这种情况下，能够非限制性地使用根据本发明的装置以检测身体或者人的存在、其位置、施加的负荷(例如为了防止褥疮)；其运动、生理参数(呼吸、心跳)、水分(尿)的存在，等等。
根据本发明的另一方面，提出了一种配备有根据本发明的检测装置的设备。
特别地，检测装置能够被设置为使得一个或多个测量电极以及一个或多个第二电极设置在该设备的周边的至少一部分上。
根据该设备的实施例：
-一个或多个测量电极以及一个或多个第二电极能够设置在所述设备的表面或者壳体上、中或下；
-一个或多个测量电极以及一个或多个第二电极能够设置在独立于该设备的装饰元件中，并且安装在该设备上；
-一个或多个第二电极能够设置在所述设备的表面或者壳体上、中或下；并且一个或多个测量电极能够设置在独立于该设备的装饰元件中，并且安装在该装备上。
附图说明和具体实施方式
参考附图，在阅读非限制性示例的详细描述之后，其他优点和特征将变得显而易见，其中：
-图1a-1c是根据本发明的装置的第一非限制性实施例示例的电原理的示图；
-图2是根据本发明的装置的第二非限制性实施例示例的电原理的示图；
-图3是根据本发明的装置的第三非限制性实施例示例的电原理的示图；
-图4是根据本发明的装置的第四非限制性实施例示例的电原理的示图；
-图5-8是能够在根据本发明的装置中实施的电极的不同配置的示图；以及
-图9是根据本发明的方法的非限制性实施例示例的流程图。
应当理解，下文将描述的实施例绝不是限制性的。特别的，如果从下文描述的特征中选择的特征(与所描述的其它特征分离)足以带来技术优点或者使本发明与现有技术区别开，则可以想到本发明的变型仅包括该选择的特征。该选择的特征包括至少一个，优选地功能性的特征，不具有结构细节，或者只具有结构细节的一部分，如果这部分单独足以赋予技术优点或者使本发明与现有技术区别开。
特别的，如果从技术观点不反对将所描述的所有实施例和所有变型组合在一起，则可以进行这种组合。
在附图中，几幅图的共同元件保持相同的附图标记。
图1a-1c是根据本发明的检测装置的第一非限制性实施例示例的电原理的示图。
图1a-1c中图示的装置100旨在检测控制物体102对检测表面104的接近、接触以及由控制物体102施加在检测表面104上的压力。
在图1a中，物体102接近检测表面104并且距离检测表面104一定距离，在图1b中，物体102与检测表面104接触，在图1c中物体102压在检测表面上。
在图1a-1c中表示的装置100至少包括电极106和电极108。电极106称为测量电极，根据检测表面104设置。电极108，称为第二电极，面对测量电极106设置在测量电极106下方并且距离测量电极106一定距离。
在所示实施例中，检测表面104由一个或多个测量电极106的表面表示，优选地覆盖有电绝缘材料(聚酰亚胺、绝缘漆膜等)的薄层，以避免与控制物体102的短路。
装置100还包括电子电路，电子电路能够以运算放大器(AO)110的形式表示，运算放大器110的输出通过阻抗112在放大器110的负输入端上循环，阻抗112能够是例如：电容器、与电阻器结合的电容器或与重置开关或放电开关组合的电容器。在所示示例中，阻抗112由电容器C形成。
连接到AO110的输出端的数字或模拟测量模块114使得能够在AO110的输出端测量或者解调由Vs表示的电压或信号。
装置100还包括称为保护电源的电源E，其提供由Vg表示的、称为保护电位的交流电位，并且不同于由M表示的电接地。
在图1a-1c中示出的示例中：
-测量电极106与AO110的负输入端连接，并且
-电源E与AO110的正输入端连接。
由于AO110的非常高的阻抗和开环增益，能够认为与AO110的负输入端连接的测量电极106在与AO110的正输入端提供的电位相同的电位处极化。
在所示实施例中，运算放大器(AO)110参考保护电位Vg。为此，该运算放大器由也参考保护电位Vg的电源(未示出)供电。
可替代地，运算放大器(AO)110能够参考地电位，同时由参考电接地电位M的电源(未示出)供电。
应当注意，根据定义，控制物体102通常直接地或间接地通过电阻性耦合或者电容性耦合在地电位M处极化。当然，物体在该地电位M处完美地极化不是必要的。为了使物体可检测，仅仅需要使物体在与保护电位Vg不同的电位处极化。
AO110的输出端提供的电压Vs参考保护电位Vg。
为了获得参考一般地电位M的电压Vs，处理模块114特别地能够包括电参考一般地电位M的差分放大器。该差分放大器分别在输入端连接到AO110的输出端和保护电位，并在输出端产生参考一般地电位M的Vs图像信号。
装置100还包括控制设置在第二电极108和电源E之间的可控开关118的操作的控制模块116。可控开关118被设置成使得：
-在图1a和图1b中所示的第一位置，可控开关118将第二电极108连接到保护电位Vg；以及
-在图1c中所示的第二位置，可控开关118将第二电极108连接到地电位M。
控制可控开关118以从第一位置到第二位置，特别是当在测量电极106和控制物体102之间形成的称为电极-物体电容的电容Ceo达到记录装置(未示出)中预定和记录的、由Cs表示的预定阈值电容时，其中记录装置例如位于控制模块116中。阈值电容Cs被预定并且表示控制物体102和检测表面104之间接触，如图1b中所示。
设置测量电极106使得测量电极106和第二电极108之间的距离D能够局部地由控制物体102施加在检测表面104上的负荷弹性地修改。如图1c所示，特别地，当负荷施加到检测表面104上时，测量电极106移动靠近第二电极108。为此，测量电极106和第二电极108设置在由弹性可压缩介电材料(例如泡沫或硅)形成的层120的任一侧。
在这些条件下，根据测量电极106和控制物体102之间形成的电容Ceo的值来检测控制物体102与检测表面104的接近和接触。当电容Ceo达到阈值电容Cs时，这表明物体102与检测表面104接触。在这种情况下，根据测量电极106和保护电极108之间形成的被称为极间电容的电容Cie来检测由控制物体102施加的负荷。
为了确定表示控制物体120与检测表面104接近和接触的电容Ceo，通过将测量电极106和第二电极108设置到相同的交流电位，例如由源E(图1a)供电的保护电位Vg，来周期性地测量第一信号。在这种配置中：
关系(1)使得能够从测量的第一信号Vs推导出电极-物体电容Ceo的值。
需要注意的是在这种配置中，第二电极108充当保护电极，其防止出现与测量电极106的寄生耦合或漏电容。
当控制物体102与检测表面104相距一定距离时，只需要测量电极-物体电容Ceo。
当控制物体102与检测表面104接触或者立即靠近(半接触)表面时，还需要测量表示控制物体102对检测表面104的压力的极间电容Cie。极间电容Cie由以下方式确定。
当电容Ceo达到预定阈值Cs(阈值电容范围)时，确定控制物体102和检测表面104之间接触(图1b)。此时，可控开关118被切换，以便将保护电极108连接到地电位M，如图1c所示。在该配置中，在AO110的输出端测量第二电流Vs。该第二信号Vs表示由测量电极106得到的称为总电容的电容CT，使得：
关系(2)使得能够从测量的第二信号Vs推导出总电容CT的值。
然而，总电容CT对应于以下之和：
-电极-物体电容Ceo，和
-极间电容Cie，由于测量电极106和第二电极108的电位差，极间电容出现在测量电极106和第二电极108之间。
随着物体102与控制表面104接触，电极-物体电容Ceo不再变化并且始终与电容Cs相等(或近似)。因此，根据以下关系通过减法获得表示物体102在检测表面104上的压力的极间电容Cie的值：
Cie＝CT-Cs (3)
或者
Cie＝CT-CeoT (4)
其中CeoT是随着物体接触而测量的电极-物体电容。
在该配置中，需要周期性地验证控制物体102是否仍然与检测表面104接触。为此，可控开关118被周期性地切换，以将保护电极108连接到保护电位Vg以测量电极-物体电容Ceo，然后将保护电极108连接到地M以测量总电容CT，从而测量极间电容Cie。只要电极-物体电容高于阈值电容(Ceo≥Cs)就执行Ceo和CT的顺序测量。
通过使用例如平形板电容器规范，能够将电极-物体电容Ceo和极间电容Cie分别连接到测量电极与物体之间的距离以及测量电极与第二电极之间的距离D。因此，负荷能够根据介电材料120的测量厚度D的变化和其弹性模量来计算。
从测量信号中确定这些电容中的每一个能够通过测量模块114或者通过控制模块或者甚至通过一个或更多个(未示出的)附加计算模块来执行。
为此，可以使用同步解调器，同步解调器执行源自AO110的信号Vs与对应于保护电位Vg的载波信号相乘的功能，然后执行低通滤波。
还可以使用包括整流的异步解调器，在其之后是低通滤波器。
图2是根据本发明的装置的第二实施例示例的电原理的简化示图。
图2中所示的装置200包括图1a-1c中所示的装置100的所有元件。
与装置100不同，装置200不包括可控开关，并且包括设置在第二电极108和地电位M之间的第二源E'。
第二源E'由控制模块116控制使得：
-在第一信号测量期间，第二源E'提供与保护电位Vg相同或者基本相同的电位V1：在这种情况下，第二电极108(如测量电极106一样)在保护电位Vg处极化；以及
-在第二信号测量期间，第二源E'提供与保护电位Vg(V1＝kVg其中k<1)成比例并且振幅小于Vg的第二电位V1：在这种情况下，第二电极108在电位V1处极化，并且测量电极106在保护电位Vg处极化。
如上所述，只要电容Ceo小于阈值电容Cs，就控制第二源E'以提供保护电位Vg，然后当电容Ceo达到电容Cs时，控制第二源E'以便交替地提供第二电位V1＝kVg和保护电位Vg。
事实上，源E和第二源E'由一个相同的振荡器或者一个相同的功能发生器产生，以使产生在相位上相同形状的信号，这些信号仅在振幅上不同。
第二电位的使用具有如下优点：允许调整检测的增益，以便能够在最佳条件下检测电极-物体电容Ceo和总电容CT。实际上，由于相对表面之间的关系，极间电容Cie并且因此总电容CT能够比电极-物体电容Ceo大几个数量级。
使用第二电位V1＝kVg，如上所示测量的信号分别变为：
以及
因此可以优化检测增益以检测与远处物体对应的电极-物体电容Ceo，并且检测由于所获得的因数(1-k)的衰减而没有饱和的总电容CT。
替代地，第二源E'能够由控制模块116控制，以便提供保护电位Vg或者被关断，使得第二电极在地电位M处极化。在这种情况下，在图2中的装置200中，还可以在保护电极106和第二源E'之间增加可控开关，以避免关断和接通第二源E'，这种可控开关将第二电极108：
-连接到第二源E'以测量第一信号；以及
-连接到地电位M以测量第二信号。
当然，在呈现的所有实施例中，总电容CT的测量能够根据与电极-物体电容Ceo达到阈值电容Cs的条件的检测不同的准则来执行。
特别地，可以以相同的方式周期性地和顺序地测量如上所述的电极-物体电容Ceo和总电容CT，而不需要考虑控制物体102是否与检测表面104接触的事实。
还可以周期性地对系统的良好运行进行验证。为此：
-在物体102不存在的情况下(或者至少当电极-物体电容Ceo的测量值足够低以对应于不存在物体时)，执行总电容CT的测量，在这些情况下总电容CT的测量必须与极间电容Cie的测量对应：
-将所获得的极间电容Cie的值与期望的极间电容值或极间电容值范围进行比较，如果差值不能满足预先建立的准则，则能够认为系统是故障的并且触发警报。
可以校准极间电容的测量，例如以考虑介电材料120的老化或者不可逆转的变形，因此产生更准确的负荷或者力的测量。为此：
-在不存在物体102与检测表面104接触的情况下(或者至少当电极-物体电容Ceo的测量值足够低以对应于物体距离检测表面一定距离或者不存在物体时)，执行总电容CT的测量，在这些情况下，总电容CT的测量必须与极间电容Cie的测量对应。
-极间电容Cie的测量被用作参考值，其是“无负荷”值或者非抑制值，和/或从中推导出电介质120的标称厚度(即没有施加应力)。
图3是根据本发明的装置的第三实施例示例的电原理的简化图示。
图3所示的装置300包括图1a-1c所示的装置100的所有元件。
与装置100不同，除了测量电极106和第二电极108之外，装置300还包括附加保护电极302。
像测量电极106一样，附加保护电极302在保护电位Vg极化，因此充当有源保护电极以移除与环境的寄生或泄漏耦合电容。为此，如图所示附加保护电极302能够连接到AO110的正输入端。特别地，附加保护电极302能够以附加透孔保护平面的形式生产，其中第二电极108设置在附加保护平面302的开口中。
因此，为了测量第一信号，所有电极106、108和302在保护电位Vg极化。为了测量第二信号，测量电极106和附加保护电极302保持在保护电位Vg，第二电极108通过由控制模块116控制的开关118设置在地电位M。
装置300还被设置为使得能够利用同一个电子检测单元(并且尤其同一个AO110)顺序地管理多个测量电极106。为此，装置300包括电极开关304，该电极开关304使得能够选择性地将测量电极106连接到AO110的负输入端以执行测量(有源测量电极106)或者将测量电极106连接到保护电位Vg，例如AO110的正输入端。电极开关304还被设置为使得当测量电极106连接到AO110的输入端，因此是有源的时，其它测量电极106在保护电位Vg极化并且对保护元件有贡献。
在具有多个测量电极106的配置中，控制第二电极的电位的开关118能够以不同方式配置。
为了测量第一信号，所有第二电极108在保护电位Vg极化。
为了测量第二信号，能够配置开关118以便：
-将所有第二电极108连接到地电位M；
-或者将与有源测量电极106(连接到AO110的负输入端)相对的第二电极108连接到地电位M，并且将所有其它第二电极108连接到保护电位Vg使得所有其它第二电极108对保护元件有贡献。
当然，可以通过将图3中的实施例示例与图2中的实施例示例进行组合来获得可替代实施例示例，即使用第二源E'以便在第二电位处极化第二电极108，用于测量第二信号，如上所述。
图4是这种可替代实施例示例的电原理的简化示图。
为了管理多个电极106，可以使用如上所述的电极开关304。
还可以使用开关118以将一个或多个第二电极108的电位切换到保护电位Vg或者切换到由第二源E'产生的第二电位。
如上所述，为了测量第二信号，因此能够将开关118配置为：
-将所有第二电极108连接到第二源E'的第二电位；
-或者将面对有源测量电极106(连接到AO110的负输入端)的第二电极108连接到第二电位，并且将所有其它第二电极108连接到保护电位Vg使得所有其它第二电极108对保护元件有贡献。
图5是能够在根据本发明的装置中使用的电极的第一配置的示图。
在图5所示的配置500中，装置能够包括多个测量电极1061-106N和所有测量电极1061-106N共用的第二单个电极108。
图6是能够在根据本发明的装置中采用的电极的第二配置的示图。
在图8所示的配置600中，装置能够包括多个测量电极1061-106N和针对每个测量电极1061-106N的第二单独电极，分别是1081-108N。
图7是能够在根据本发明的装置中采用的电极的第三配置的示图。
在图7所示的配置700中，装置能够包括多个测量电极1061-106N以及针对每个测量电极1061-106N的：
-第二单独电极，分别是1081-108N；和
-单独透孔附加保护电极，分别是3021-302N。
图8是能够在根据本发明的装置中采用的电极的第四配置的示图。
在图8所示的配置800中，装置能够包括多个测量电极1061-106N。
装置还包括单个附加保护电极302，单个附加保护电极302对于测量电极1061-106N组是共用的并且形成保护平面。
该装置包括针对每个测量电极1061-106N的、插入由单个附加保护电极302形成的保护平面中的第二单独电极，分别是1081-108N。
图9是根据本发明的检测方法的非限制性实施例的流程图。
方法900包括当控制物体接近检测平面时执行的第一检测步骤902的一个或更多个迭代。
第一检测步骤902包括将测量电极和第二电极设置到如上所述的保护电位的步骤904，第二电极能够是保护电极或者测试电极
因此，步骤906测量表示电极-物体电容Ceo的第一信号。
根据测量信号，在步骤908期间计算电容Ceo。
在步骤910期间，将测量的电容Ceo与表示当控制物体与检测表面之间存在接触时所获得的电极-物体电容的预定阈值电容Cs进行比较。
如果电容Ceo<Cs，则重复步骤904，例如以预定的频率重复步骤904。
如果电容Ceo≥Cs，则进行到步骤904之后的第二检测步骤912。
第二检测步骤912包括将第二电极设置到地电位或者将第二电极设置到第二电位的步骤914。测量电极保持在保护电位。
然后，步骤916执行由测量电极得到的表示总电容CT的第二信号的测量。
根据测量的第二信号，在步骤918期间计算电容CT。
然后，步骤919测量表示电极-物体电容Ceo的第一信号。
根据测量的信号，在步骤920期间计算电容Ceo。
在步骤921期间，通过从计算出的电容CT减去阈值电容Cs来计算表示控制物体在检测表面上的压力的极间电容Cie。
当电容Ceo≥Cs时，重复步骤912。否则，方法900在步骤902重新开始。
需要注意的是，测量电容Ceo以便确定极间电容Cie的步骤可能不在第二检测步骤912的所有迭代中执行，但更少见的是记录电容Ceo。
当然，本发明不限于刚刚所描述的示例，并且在不超出本发明的范围的情况下能够对这些示例进行许多调整。

Claims (17)

1.一种用于相对于检测表面(104)检测物体(102)的装置(100；200；300；400)，包括：
-至少一个称为测量电极的电极(106)，以及
-至少一个第二电极(108)，面对所述测量电极(106)设置；
其特征在于，所述电极(106、108)分离通过所述物体(102)施加在所述检测表面(104)上的负荷而能局部弹性地改变的距离(D)；
并且在于，所述装置包括至少一个控制器件(116)，被设置为：
-将与地电位(M)不同的以下电位施加到所述电极(106、108)：
-称为保护电位的同一个交流电位(Vg)，或者
-基本相同的交流电位；
以便测量关于所述测量电极(106)和所述物体(102)之间的称为电极-物体电容的电容(Ceo)的第一电信号；以及
-将以下电位施加到所述第二电极(108)：
-与保护电位(Vg)成比例并且具有不同振幅的第二电位，或者
-地电位(M)，
以便测量关于由所述测量电极(106)得到的称为总电容的电容的第二电信号。
2.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；300；400)，其特征在于，所述装置包括至少一个计算模块(114)，所述至少一个计算模块配置为根据所述总电容和所述电极-物体电容(Ceo)计算所述测量电极(106)和所述第二电极(108)之间的称为极间电容的电容(Cie)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；300；400)，其特征在于，所述装置包括计算模块，所述计算模块配置为：
-根据第一信号来确定物体(102)和检测表面(104)之间的距离或者接触；和/或
-根据第二信号来确定由所述物体(102)施加到检测表面(104)上的负荷、力或压力。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；300；400)，其特征在于，测量电极(106)和第二电极(108)通过层(120)分离，所述层是弹性可压缩的并且包括介电材料或者由介电材料形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；300；400)，其特征在于，测量电极(106)设置在由诸如织物之类的柔性材料制成的支撑件上、中或下，所述支撑件设置在第二电极(108)之上并且距第二电极(108)一定距离，并且当在所述支撑件上施加负荷时，所述支撑件至少局部变形。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；300；400)，其特征在于，所述装置包括几个测量电极(1061-106N)。
7.根据权利要求6所述的装置(100；200；300；400)，其特征在于，所述装置包括根据以下配置中的至少一种来设置的一个或更多个第二电极(108)：
-至少一个第二电极(108)与几个测量电极、特别是所有测量电极(1061-106N)相对设置；
-对于至少一个、特别是每个测量电极(1061-106N)，第二电极(1081-108N)与所述测量电极(1061-106N)相对设置；
-对于至少一个、特别是每个测量电极(1061-106N)，几个第二电极(1081-108N)与所述测量电极(1061-106N)相对设置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100；200；300；400)，其特征在于，所述装置包括:
-按行和列组织的测量电极(1061-106N)阵列；以及
-分别与测量电极(1061-106N)的每行、每列相对的、由一个或更多个第二电极(1081-108N)构成的至少一行、至少一列；
同一行的第二电极位于相同电位，同一列的第二电极位于相同电位。
9.一种利用根据前述权利要求中任一项所述的检测装置(100；200；300；400)来相对于检测表面(104)检测物体(102)的方法(900)，所述方法(900)包括第一检测步骤(902)的至少一个迭代，所述第一检测步骤(902)通过将与地电位(M)不同的以下电位施加到电极(106；108)来执行：
-称为保护电位的同一个交流电位(Vg)，或者
-基本相同的交流电位；
以便根据测量的第一信号确定由所述至少一个测量电极(106)得到的称为电极-物体电容的电容(Ceo)；
其特征在于，所述方法还包括第二检测步骤(912)的至少一个迭代，所述第二检测步骤(912)包括以下操作：
-将以下电位施加到所述至少一个第二电极(108)：
·与保护电位(Vg)成比例并且具有不同振幅的第二电位，或者
·地电位(M)：以及
-根据测量的第二信号来确定由所述至少一个测量电极(106)得到的称为总电容的电容。
10.根据权利要求9所述的方法(900)，其特征在于，第二检测步骤(912)还包括根据总电容和电极-物体电容(Ceo)来计算所述测量电极(106)和所述第二电极(108)之间的称为极间电容的电容(Cie)的步骤(921)。
11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法(900)，其特征在于，当电极-物体电容(Ceo)达到预定阈值电容或者在预定阈值电容范围内时，第二检测步骤(912)被启动，电极-物体电容(Ceo)达到预定阈值电容或者在预定阈值电容范围内表示物体(102)与检测表面(104)接触。
12.根据权利要求11所述的方法(900)，其特征在于，检测装置(100；200；300；400)包括配备有检测表面(104)的多个测量电极(1061-106N)，第二检测步骤(912)仅在检测表面(104)的区域中执行，在第一检测步骤(902)期间在该区域中检测到物体(102)。
13.根据权利要求11或者12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括称为校准步骤的步骤，其包括测量和记录阈值电容。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，校准步骤包括考虑以下元素中的至少一个来确定阈值电容：历史测量、测量环境。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法(900)，其特征在于，所述方法还包括称为测试步骤的步骤，其在没有物体的情况下执行以验证所述装置的功能性并且包括以下操作：
-将保护电位(Vg)施加到所述至少一个测量电极；
-将保护电位(Vg)与地电位(M)之间的第二电位或者地电位(M)施加到所述至少一个第二电极；以及
-通过测量第三信号来确定所述测量电极与第二电极之间的称为电极-测试电容的电容：
-将所述电极-测试电容与第二预定阈值电容进行比较。
16.一种用于设备的检测层，包括根据权利要求1至8中任一项所述的检测装置(100；200；300；400)。
17.一种设备，其配备有根据权利要求1至8中任一项所述的检测装置(100；200；300；400)。
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