專利名稱：線性電容測量和非接觸開關(guān)的制作方法
交叉引用相關(guān)申請本申請要求以下專利申請的優(yōu)先權(quán)2005年6月15提交的名稱為LINEAR CAPACITANCE MEASUREMENT AND TOUCHLESS SWITCH的美國臨時專利申請No.60/690,486、2005年3月17日提交的名稱為CAPACITANCE MEASUREMENT AND TOUCHLESS SWITCH的美國臨時專利申請No.60/662,378、2004年10月19日提交的名稱為DIFFERENTIALCAPACITANCE MEASUREMENT AND TOUCHLESS SWITCH的美國臨時專利申請No.60/619,697以及2004年8月16日提交的名稱為DIFFERENTIAL CAPACITANCE MEASUREMENT AND TOUCHLESS SWITCH的美國臨時專利申請No.60/601,610。
關(guān)于聯(lián)邦贊助研究或開發(fā)的聲明N/A發(fā)明背景本發(fā)明整體涉及電容測量裝置和技術(shù)，并且更具體涉及采用電容測量技術(shù)的接近探測器(proximity detector)，例如非接觸開關(guān)。
近年來，越來越需要更好的技術(shù)來操作公共可用的設施和設備、而不需要使用者實際接觸手工激活裝置(例如接觸開關(guān))的表面。這種設施和設備包括電梯、自動售貨機、安全訪問面板(securityaccess panels)、信息終端等等。由于不需要使用者身體接觸可能已經(jīng)被之前使用這些設施或設備的其它人接觸和污染的開關(guān)，所以可以顯著地減少細菌和疾病的傳播。
例如，使用者一般地通過身體接觸一個或更多的開關(guān)來操作公共設施例如電梯，該開關(guān)可能之前被相當多的人接觸過。這些人中的一些可能來自可令他們暴露于污染物，例如潛在有害的或傳染性的毒物或致病生物，的環(huán)境。當這些人身體接觸操作電梯所需的一個或更多開關(guān)時，便存在著這些人把污染物附在開關(guān)表面的風險，而這些污染物可能在那里長時間地保持存活。這些污染物可能在后來從開關(guān)傳遞到隨后的身體接觸該開關(guān)的電梯使用者，因而可能使隨后的使用者得到疾病或其它嚴重身體不適狀況。
在亞洲爆發(fā)嚴重急性呼吸性綜合癥(SARS)期間，許多公眾成員害怕使用需要它們接觸手工激活裝置例如接觸開關(guān)的任何市政設施。為了緩解公眾的擔憂，實行了對這些裝置表面定期進行清潔和消毒的程序。這種程序一般是無效的，因為不管這些激活裝置清潔和消毒得怎么好，它們都可能再一次被之后的使用者污染。結(jié)果，潛伏地從公眾可用的設施和設備的手工激活裝置例如接觸開關(guān)轉(zhuǎn)移有害污染物到之后的使用者的風險仍然未降低。
現(xiàn)已有采用基于電容的接近探測器來實現(xiàn)不需要使用者身體接觸裝置表面的激活裝置。這種接近探測器根據(jù)在具有不同電壓電位和彼此物理分離的兩個導電物體之間產(chǎn)生的電場和電容的原理來操作。在兩個導電物體之間的電容通常隨著物體表面積增加而增加，或者隨著物體之間的距離減小而增加。
但是，傳統(tǒng)基于電容的接近探測器在它們用于實現(xiàn)非接觸開關(guān)時有缺陷。例如，通常難以調(diào)整基于電容的接近探測器的靈敏度以確保使用這種接近探測器的非接觸開關(guān)可以被大量的使用者可靠地起動，而同時要求該開關(guān)不容易受到噪音和/或環(huán)境變化的影響。這是由于在實現(xiàn)非接觸開關(guān)時，基于電容的接近探測器所需測量的等效電容相對較小。
具體地，當人體非常靠近或接近基于電容的接近探測器的傳感電極時，接近探測器是相等于測量兩個串聯(lián)電容器的等效電容，如忽略不計在電容傳感電路和電路接地端之間的雜散電容。串聯(lián)電容器之一形成在傳感電極和人體之間，另一個電容器形成在人體和地面之間。在傳感電極和人體之間的電容量主要決定于它們之間的距離，而較少地決定于人體的尺寸和特征。例如，當人體不是非?？拷鼈鞲须姌O時，在傳感電極和人體之間的電容量遠小于在人體和地面(ground)之間的電容量。因此，利用基于電容的接近探測器實現(xiàn)的非接觸開關(guān)必須測量的等效電容是遠小于一般由傳統(tǒng)接觸開關(guān)測量的電容。


圖1示出利用基于電容的接近探測器100實現(xiàn)的非接觸開關(guān)，該接近探測器100包括傳感電極112、電容傳感電路114和形成在人手指和傳感電極112之間的電容器(CA)、人體的其余部分和傳感電極112之間的電容器(CB)、人體和地面之間的電容器(CC)以及在這個分析中可以忽略不計的電容傳感電路114和地面之間的電容器(CD)的等效電容。當人手指接近傳感電極112時，在人體和傳感電極112之間的電容可以看作在手指和傳感電極112之間的電容CA與在人體其余部分和傳感電極112之間的電容CB的總和。如果人手指不是十分靠近傳感電極112，那么在手指和傳感電極112之間的電容CA的任何變化一般都非常小。結(jié)果，由電噪聲或干擾、環(huán)境特性的改變、在人體和地面之間的電容Cc的變化和/或由于在人體其余部分和傳感電極112之間的距離變化引起的在人體其余部分和傳感電極112之間的電容CB的變化、人體尺寸或特性的變化等等所引起的任何外部共模干擾可能等于或大于在人手指和傳感電極112之間的電容CA的相應變化。
因此，如果基于電容的接近探測器100的靈敏度調(diào)節(jié)為高靈敏度，那么由于上述的各種外部共模干擾，可能會無意中啟動接近探測器100。但是，如果基于電容的接近探測器100具有低靈敏度，那么接近探測器100可能由于不能檢測在合理距離的使用者的手指和傳感電極112之間的少量電容而不能工作。
利用基于電容的接近探測器100的接觸開關(guān)通常工作得比非接觸開關(guān)好得多，因為當人手指接觸接觸開關(guān)的表面時，接觸面積一般地遠大于僅僅是指尖的面積。而且，即使接觸開關(guān)的傳感電極設置在絕緣表面后面，在手指和接觸開關(guān)的傳感電極之間的距離一般也遠小于在手指和非接觸開關(guān)的傳感電極112之間的相應距離。因此在人手指和接觸開關(guān)的傳感電極之間的電容變化遠大于在人手指和非接觸開關(guān)的傳感電極112之間的相應電容變化。因此，上述有關(guān)檢測與人手指和非接觸開關(guān)的傳感電極112之間的電容CA的變化的問題例如由于不同使用者而導致的電容CB或CC的變化相對接觸開關(guān)來說是不重要的。
避免如上所述與非接觸開關(guān)中的外部共模干擾有關(guān)的問題的一種方法是使用已知的差分信號測量技術(shù)。這種差分信號測量技術(shù)可用于以下非接觸開關(guān)，該非接觸開關(guān)包括兩個傳感電極，這兩個傳感電極設置為在人手指和一個傳感電極之間的電容與該手指和另一個傳感電極之間的第二電容相對超過一個預設閾值水平時啟動開關(guān)。通過在差值測量中直接比較這些第一和第二電容，以決定是否啟動非接觸開關(guān)，可以有效地消除可能不利地影響測量的外部共模干擾。
2001年10月30日提交的、名稱為DIFFERENTIAL TOUCH SENSORAND CONTROL CIRCUIT THEREFORE的美國專利No.6,310,611(′611專利)公開了使用差分信號測量技術(shù)的一種接觸式傳感器。如′611專利中公開的，該接觸式傳感器包括第一傳感電極、位置接近第一電極的第二傳感電極、連接到第一和第二電極的差動電路以及用于在第一和第二電極之間產(chǎn)生電場的脈沖或其它的信號源。盡管′611專利的接觸式傳感器用于進行差值測量，但該接觸式傳感器不是通過測量電容來進行操作，而是通過測量由于引入影響兩個電極周圍的電場的物體所引起在兩個傳感電極之間的電壓差變化。該接觸式傳感器使用差動電路提供響應兩個電極之間的電壓差的輸出信號。
但是，在′611專利中公開的接觸式傳感器在用于實現(xiàn)非接觸開關(guān)時具有缺陷。例如，由引入物體所引起在接觸式傳感器的兩個傳感電極之間的上述電壓差變化是通過與傳感電極和該物體有關(guān)的電場的相互作用所導致的。這種電場的相互作用相對較復雜，因為兩個傳感電極和該物體處于不同的電壓電位，并且在兩個傳感電極之間的電壓差變化和該物體接近傳感電極的程度沒有精確的關(guān)系。此外，在′611專利中公開的測量傳感電極之間的電壓差的方法只有在電壓差象在接觸開關(guān)那樣的情況下一樣足夠大時才有效。因此，在′611專利中公開的方法是不夠精確或靈敏來用于非接觸開關(guān)。
2002年9月24日提交的、名稱為LINEAR CAPACITANCE DETECTIONCIRCUIT的美國專利No.6,456,477(′477專利)公開了使用差分信號測量技術(shù)的一種電容檢測電路。如′477專利中公開的那樣，線性電容檢測電路包括通過用脈沖驅(qū)動兩個電容器而測量在第一電容器和第二電容器之間的電容差值的電路。該電容檢測電路還包括具有負反饋的運算放大器，該負反饋用于使兩個電容器保持在基本相等的電壓電位。結(jié)果，在運算放大器產(chǎn)生的電信號和兩個電容器的電容比率之間存在線性關(guān)系。但是，在′477專利中公開的方法也具有缺陷，即，它需要脈沖信號，而脈沖信號可能給運算放大器帶來瞬時的噪音和不穩(wěn)定，并且會有害地影響運算放大器輸出的精確度。雖然可以在運算放大器的輸入端使用低通過濾器和反饋電容器來緩和瞬時噪音和不穩(wěn)定的影響，但是添加這種構(gòu)件不利地影響電容檢測電路的精確度和靈敏度。
因此，需要有一種可避免上述方法中的缺陷的電容測量裝置和技術(shù)以及使用可避免上述方法中的缺陷的電容測量技術(shù)的接近探測器(例如非接觸開關(guān))。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種電容測量裝置和技術(shù)，可以用于提高多種不同類型的電容式轉(zhuǎn)換器、接近傳感器和非接觸開關(guān)的靈敏度和精確度。這里公開的電容測量裝置直接和精確地對電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容與一個或更多其它不同的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容的每個比率變化產(chǎn)生具有可調(diào)整偏移量的(offset)線性響應，并且使所有的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器一直保持基本相同的電壓電位。這里公開的電容測量裝置還對電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容乘以第一常數(shù)因子與一個或更多其它不同的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容都乘以相應的第二常數(shù)因子之間的每個差值變化產(chǎn)生線性響應，并且使所有的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器一直保持基本相同的電壓電位。
另外，這里公開的電容測量裝置直接和精確地對電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容變化或電容倒數(shù)變化產(chǎn)生具有可調(diào)整偏移量的線性響應，而且在大范圍的電容值內(nèi)都不需要特別的校準或調(diào)整。這里公開的電容測量裝置還提供一種測量大量電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容或電容倒數(shù)的簡單方法，或者將大量電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容與大量組電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容進行比較的簡單方法。
這里公開的電容測量裝置使用多個運算放大器，用于使許多的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電壓電位一直保持在基本相同的電壓電位下進行比較或測量。因為這許多的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器保持在基本相同的電壓電位，所以它們之間基本上沒有電容。因此，即使在電容器/電容式轉(zhuǎn)換器彼此相對較近時，該電容測量裝置也可以用于測量許多電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的小量電容變化，而附近的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器不會影響該電容測量。
在一個實施例中，電容測量裝置包括第一運算放大器A1和配置為差值放大器的第二運算放大器A2。在這里使用的術(shù)語差值放大器是指放大兩個輸入信號之間的差值的電路或器件，包括不同類型的差分直流放大器，例如儀表放大器等等。被比較或測量的兩個電容器C1和C2中的每一個的一端連接到電路接地端，另一端連接到運算放大器A1的一個差分輸入端。電容器C1連接到運算放大器A1的倒相輸入端，電容器C2連接到運算放大器A1的同相輸入端。經(jīng)過連接到運算放大器A1的相應輸入端的相應電阻器，電容器C1和C2都由周期性變化電壓源的輸出來驅(qū)動，例如正弦電壓源。反饋電阻器連接在運算放大器A1的輸出端和它的倒相輸入端之間。由于運算放大器A1高的開環(huán)增益，電容器C1和C2一直保持基本相同的電壓電位。在流過反饋電阻器的電流量、和電容器C1的電容與電容器C2的電容的比率之間存在線性關(guān)系。而且，流過反饋電阻器的電流與流過連接到周期性變化電壓源的電阻器的電流同相或異相，這取決于該比率小于還是大于指定值。流過反饋電阻器的電流的相位和量可以通過差值放大器A2來測量，它的一個差分輸入端連接到運算放大器A1的輸出端，另一個差分輸入端連接到運算放大器A1的一個差分輸入端。
在第二實施例中，電容測量裝置包括第一運算放大器A1和配置為差值放大器的第二運算放大器A2。被比較或測量的兩個電容器C1和C2中的每一個的一端連接到電路接地端，另一端連接到運算放大器A1的一個差分輸入端。電容器C1連接到運算放大器A1的倒相輸入端，電容器C2連接到運算放大器A1的同相輸入端。運算放大器A1的同相輸入端直接由第一周期變化電流源的輸出來驅(qū)動，例如正弦電流源，而運算放大器A1的倒相輸入端直接由第二周期性變化電流源來驅(qū)動，第二周期性變化電流源的輸出是第一周期性變化電流源的輸出的K(常數(shù))倍。反饋電阻器連接在運算放大器A1的輸出端和它的倒相輸入端之間。由于運算放大器A1高的開環(huán)增益，電容器C1和C2一直保持基本相同的電壓電位。在流過反饋電阻器的電流量和電容器C1的電容與電容器C2的電容的比率之間存在線性關(guān)系。而且，流過反饋電阻器的電流與周期性變化電流源的輸出同相或異相，這取決于該比率小于還是大于K值。流過反饋電阻器的電流的相位和量可以通過差值放大器A2來測量，它的一個差分輸入端連接到運算放大器A1的輸出端，另一個差分輸入端連接到運算放大器A1的一個差分輸入端。
在第三實施例中，電容測量裝置包括第一和第二運算放大器A0和A1以及設置為差值放大器的第三運算放大器A2。被比較或測量并且相應具有電容c1和c2的兩個電容器C1和C2中的每一個的一端連接到電路接地端，另一端連接到運算放大器A0或A1的倒相輸入端。電容器C1連接到運算放大器A1的倒相輸入端，電容器C2連接到運算放大器A0的倒相輸入端。運算放大器A0和A1的同相輸入端都直接由周期性變化電壓源來驅(qū)動，例如正弦電壓源。具有電阻r1的第一反饋電阻器R1連接在運算放大器A1的輸出端和它的倒相輸入端之間。具有電阻r2的第二反饋電阻器R2連接在運算放大器A0的輸出端和它的倒相輸入端之間。由于運算放大器A0和A1高的開環(huán)增益，兩個電容器C1和C2一直保持與周期性變化電壓源基本相同的電壓電位。運算放大器A1的輸出端連接到差值放大器A2的同相輸入端，運算放大器A0的輸出端連接到差值放大器A2的倒相輸入端。差值放大器A2的輸出與(r1×c1-r2×c2)成正比，并且與流過電阻器R1和R2的電流同相或異相，這取決于(r1×c1-r2×c2)是大于還是小于零。
這里公開的每個電容測量裝置的實施例可以設置為用于比較電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容和多個其它不同電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容，同時使所有電容器/電容式轉(zhuǎn)換器保持基本相同的電壓電位。另外，通過使各個電容器/電容式轉(zhuǎn)換器切入或切出隨后的比較或測量，每個電容測量裝置的實施例可以依次地測量許多電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容或電容的倒數(shù)，或者比較許多電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容和許多組電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容。
還有提供使用這里公開的電容測量裝置的實施例的非接觸開關(guān)和接近傳感器。非接觸開關(guān)設置為通過人手指或指狀物體啟動，在啟動開關(guān)之前需要手指或指狀物體達到指定的邊界范圍。該非接觸開關(guān)對無意的啟動具有較小的敏感度，并且對環(huán)境因素(例如溫度、濕度等等)的變化和對電噪聲具有較小的敏感性，并且具有簡單而堅固的結(jié)構(gòu)。該非接觸開關(guān)可用于衛(wèi)生敏感(hygiene-sensitive)的應用裝置、工業(yè)控制面板和公眾可利用的多種設施和設備，包括但不局限于電梯、自動售貨機、安全訪問面板、信息終端等等。
在一個實施例中，非接觸開關(guān)包括正面和設置在開關(guān)正面上面或后面的、基本上保持相同電壓電位的兩個鄰近的傳感電極。結(jié)果，在兩個傳感電極之間基本上不存在電容，因此傳感電極基本上彼此獨立地操作。一個傳感電極是中心電極，另一個傳感電極是外部電極。中心電極與外部電極隔開，并且至少部分被外部電極圍繞。當人手指或指狀物體的尖端靠近或接近中心電極時，利用在這里公開的電容測量裝置的實施例可以檢測出手指或指狀物體的存在。該電容測量裝置可以用于測量兩個傳感電極相對于手指或指狀物體的電容的比率，或者測量在一個傳感電極相對于手指或指狀物體的電容乘以第一常數(shù)因子、和另一個傳感電極相對于手指或指狀物體的電容乘以第二常數(shù)因子之間的差值，因此基本上消除外部的共模干擾，例如在人體其余部分和傳感電極之間的電容、在人體和地面之間的電容、環(huán)境變化、電噪聲等等，由于它們彼此緊密地接近，所以這些外部的共模干擾會同等地影響兩個傳感電極。通過固定的幾何形狀、尺寸和兩個傳感電極的相對位置而促進電容測量裝置進行的電容比率和差值測量。外部電極可以放在中心電極的前面，使得最初在手指或指狀物體移向中心電極時，電容比率或差值測量值小于預設的閾值。隨著手指或指狀物體越來越靠近中心電極，電容比率或差值測量值最后超過預設的閾值，因而啟動開關(guān)。非接觸開關(guān)還可以包括圍繞兩個傳感電極背面和側(cè)面的防護電極。防護電極和傳感電極保持基本相同的電壓電位，因此每個傳感電極僅可和設置在它前面的物體形成電容器。還可以用雙軸電纜或兩個同軸電纜來防護從兩個傳感電極延伸到電容測量裝置的導線，其中電纜的外部導體用作防護屏蔽，并和連接到傳感電極的電纜的內(nèi)部導體保持基本相同的電壓電位。非接觸開關(guān)的正面可以采取容器表面的形式，其中容器表面的邊緣勾劃出一個手指或指狀物體必須達到以啟動開關(guān)的假想邊界面。
這里公開的電容測量裝置可以用于檢測大于人手指的導電物體的接近，例如人手的手掌。這里公開的電容測量裝置還可以用于檢測在指定范圍內(nèi)的導電物體(例如人的附屬部分)的位置、定位和/或移動。
從下面的“本發(fā)明的詳細說明”將可以顯而易見本發(fā)明的其它特點、功能和方面。
附圖簡述結(jié)合附圖參考下列的“本發(fā)明的詳細說明”將更充分地理解本發(fā)明，其中圖1示出在人體、地面和連接到電容傳感電路的傳感電極之間形成的各種等效電容；圖2a是根據(jù)本發(fā)明的第一電容測量電路的示意圖；圖2b是使用圖2a中第一電容測量電路的電路的示意圖，該電路用于產(chǎn)生對電容器的電容與一個或更多其它不同電容器的電容的每個比率的變化的線性響應；圖3a是根據(jù)本發(fā)明的第二電容測量電路的示意圖；圖3b是使用圖3a中第二電容測量電路的電路的示意圖，該電路用于產(chǎn)生對電容器的電容與一個或更多其它不同電容器的電容的每個比率的變化的線性響應；圖4a是根據(jù)本發(fā)明的第三電容測量電路的示意圖；圖4b是使用圖4a中第三電容測量電路的電路的示意圖，該電路用于產(chǎn)生對每個差值變化的線性響應，該差值是電容器的電容乘以第一常數(shù)因子與一個或更多其它不同電容器的電容在其每一個乘以相應的第二常數(shù)因子之后的之間的差值；圖5a-5d是根據(jù)本發(fā)明非接觸開關(guān)的正面的直觀形狀的立體圖；圖6a-6d分別是圖5a-5d中非接觸開關(guān)的兩個傳感電極以及其正面的直觀排列和相對位置的橫截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的非接觸開關(guān)的兩個傳感電極、正面以及防護電極的直觀排列和相對位置的橫截面圖；圖8a是使用圖2a的第一電容測量電路的非接觸開關(guān)的示圖；圖8b是使用圖2a的第一電容測量電路的一組非接觸開關(guān)的示圖；圖9a是使用圖3a的第二電容測量電路的非接觸開關(guān)的示圖；圖9b是使用圖3a的第二電容測量電路的一組非接觸開關(guān)的示圖；圖10a是使用圖4a的第三電容測量電路的非接觸開關(guān)的示圖；和圖10b是使用圖4a的第三電容測量電路的一組非接觸開關(guān)的示圖。
本發(fā)明的詳細說明這里結(jié)合以下專利申請的全部公開內(nèi)容作為參考，2005年6月15提交的名稱為“線性電容測量和非接觸開關(guān)(LINEAR CAPACITANCEMEASUREMENT AND TOUCHLESS SWITCH)”的美國臨時專利申請No.60/690,486、2005年3月17日提交的名稱為“電容測量和非接觸開關(guān)“(CAPACITANCE MEASUREMENT AND TOUCHLESS SWITCH)”的美國臨時專利申請No.60/662,378、2004年10月19日提交的名稱為“差分電容測量和非接觸開關(guān)(DIFFERENTIAL CAPACITANCE MEASUREMENTAND TOUCHLESS SWITCH)”的美國臨時專利申請No.60/619,697以及2004年8月16日提交的名稱為“差分電容測量和非接觸開關(guān)”(DIFFERENTIAL CAPACITANCE MEASUREMENT AND TOUCHLESS SWITCH)”的美國臨時專利申請No.60/601,610。
公開一種電容測量裝置和技術(shù)，可以用于提高許多不同類型電容式轉(zhuǎn)換器、接近傳感器和非接觸開關(guān)的靈敏度和精確度。圖2a示出根據(jù)本發(fā)明的電容測量電路200a的第一說明性實施例。在所述的實施例中，電容測量電路200a包括周期性變化電壓源G1、第一運算放大器A1和設置為差值放大器的第二運算放大器A2。被比較并且相應具有電容c1和c2的兩個電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C1和C2中的每一個的一端連接到電路接地端，另一端連接到運算放大器A1的一個差分輸入端。電容器C1在節(jié)點101連接到運算放大器A1的倒相輸入端，電容器C2在節(jié)點102連接到運算放大器A1的同相輸入端。節(jié)點101和102相應由經(jīng)過電阻器R1和R2的周期性變化電壓源G1的輸出Vs驅(qū)動，該電壓源G1可以是正弦電壓源。電阻器R1具有電阻r1，電阻器R2具有電阻r2。運算放大器A1的輸出V1通過具有電阻r3的反饋電阻器R3反饋到運算放大器A1的倒相輸入端。因為運算放大器A1具有很高的開環(huán)增益，所以運算放大器A1的兩個輸入端基本上保持相同的電壓電位，從而使在節(jié)點101和102的電容器C1和C2的有效RC時間常數(shù)基本相同。流過電阻器R3的電流I3的量i3基本上等于流入電容器C2的電流I2的量i2乘以因數(shù)(r2/r1-c1/c2)，即i3＝i2×(r2/r1-c1/c2)。流過電阻器R3的電流I3將與流過電阻器R1的電流I1和流過電阻器R2的電流I2同相或異相，這取決于電容比率c1/c2是小于還是大于值r2/r1。更具體地說，如果c1/c2小于r2/r1，那么(r2/r1-c1/c2)是正的，電流I2和I3將是同相，但如果c1/c2大于r2/r1，那么(r2/r1-c1/c2)是負的，電流I2和I3將是異相。在穩(wěn)定狀態(tài)時，流入電容器C2的電流I2的量i2是時間的函數(shù)，因此在電流I3的周波的一個固定時間上流過電阻器R3的電流I3的量i3是值(r2/r1-c1/c2)的精確測量。電阻器R3上的電壓等于i3×r3，并且等于在節(jié)點101(或節(jié)點102)與運算放大器A1的輸出V1之間的電壓電位的差值。這個電壓可以通過將節(jié)點101(或節(jié)點102)連接到差值放大器A2的兩輸入端之一，和通過將運算放大器A1的輸出V1連接到差值放大器A2的另一個輸入端來測量。應當注意，在這里描述如圖2a所示差值放大器A2的結(jié)構(gòu)是為了說明，其它適當?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)亦可以使用。例如，可供選擇的差值放大器A2的結(jié)構(gòu)可以包括多于一個的運算放大器。差值放大器A2的輸出Vd與流過電阻器R3的電流I3的量i3成正比，而且當c1/c2大于r2/r1時將與電流I1和I2同相。注意，如果差值放大器A2的輸入被互換，輸出Vd的相位也相反。
因此，差值放大器A2的輸出Vd與代表由值(c1/c2-r2/r1)調(diào)制的電流I2的信號成正比。如果電流I2是正弦曲線的，那么可以利用同步解調(diào)器來測量電容比率c1/c2的變化。而且，在輸出周波的一個固定時間上(例如周波的峰值)的輸出Vd、其正和/或負周波的平均絕對值或者利用同步解調(diào)從輸出Vd中提取的信號(如果電壓源G1的輸出Vs是正弦曲線的)與電容比率c1/c2之間存在線性關(guān)系。因此，如果電容器C2具有固定電容，在輸出周波的一個固定時間上的輸出Vd、其正和/或負周波的平均絕對值，或者利用同步解調(diào)從輸出提取的信號與電容c1之間存在線性關(guān)系，或者如果電容器C1具有固定電容，則它們和電容c2的倒數(shù)之間存在線性關(guān)系，在測量距離時這特別地有用，因為在兩個導電物體例如兩個板之間的電容與它們之間的距離成反比。
圖2b示出使用電容測量電路200a1-200an的電路200b，用以對電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容與一個或更多其它不同電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容的每個比率的變化產(chǎn)生線性響應，而使所有的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器一直保持基本相同的電壓電位。相應具有電容c11-c1n的多個電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C11-C1n中的每一個與連接在運算放大器A0的同相輸入端和接地端之間的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C2的電容c2進行比較(參見圖2b)。電容測量電路200a1-200an中的每一個都象電容測量電路200a(參見圖2a)那樣工作，除了電容器C11-C1n的電壓電位是與運算放大器A0的輸出電平進行比較，而運算放大器A0設置為電壓跟隨器，從而產(chǎn)生與電容器C2上基本相同的電壓電位。注意，電容器C2由通過電阻器R2的電壓源G1的輸出Vs來驅(qū)動。因此，在輸出Vd1-Vdn之每一個的周波的一個固定時間上(例如周波的峰值)的輸出、輸出Vd1-Vdn之每一個的正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號(如果電壓源G1的輸出Vs是正弦曲線的)與相應的電容比率c11/c2到c1n/c2之間存在線性關(guān)系。結(jié)果，如果C2具有固定電容，那么在輸出Vd1-Vdn之每一個的周波的一個固定時間上的輸出、輸出Vd1-Vdn之每一個的正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號與相應的電容c11到c1n之間存在線性關(guān)系。
圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的電容測量電路300a的第二說明性實施例。在所述的實施例中，電容測量電路300a包括周期性變化電流源G1和G2、第一運算放大器A1以及設置為差值放大器的第二運算放大器A2。被比較并且相應具有電容c1和c2的兩個電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C1和C2中的每一個的一端連接到電路接地端，另一端連接到運算放大器A1的一個差分輸入端。電容器C1在節(jié)點101連接到運算放大器A1的倒相輸入端，電容器C2在節(jié)點102連接到運算放大器A1的同相輸入端。節(jié)點102由周期性變化電流源G2的輸出電流I2驅(qū)動。節(jié)點101由周期性變化電流源G1的輸出電流I1驅(qū)動，其中I1等于K倍的I2，K是大于或等于零的常數(shù)。運算放大器A1的輸出V1通過具有電阻r1的反饋電阻器R1反饋到它的倒相輸入端。因為運算放大器A1具有很高的開環(huán)增益，所以運算放大器A1的兩個輸入端保持基本相同的電壓電位。因此，流過電阻器R1的電流I3的量i3基本上等于流入電容器C2的電流I2的量i2乘以因數(shù)(K-c1/c2)，即i3＝i2×(K-c1/c2)。流過電阻器R1的電流I3將與電流I1和I2同相或異相，這取決于電容比率c1/c2是小于還是大于K。更具體地說，如果c1/c2小于K，那么(K-c1/c2)是正的，電流I2和I3將是同相，但如果c1/c2大于K，那么(K-c1/c2)是負的，電流I2和I3將是異相。在穩(wěn)定狀態(tài)時，流入電容器C2的電流I2的量i2僅是時間的函數(shù)，因此在電流I3的周波的一個固定時間上流過電阻器R1的電流I3的量i3是值(K-c1/c2)的精確測量。電阻器R1上的電壓基本上等于i3×r1，并且等于在節(jié)點101(或節(jié)點102)與運算放大器A1的輸出V1之間的電壓電位的差值。電阻器R1上的電壓可以通過將節(jié)點101(或節(jié)點102)連接到差值放大器A2的兩個輸入端之一，和通過將運算放大器A1的輸出V1連接到差值放大器A2的另一個輸入端來測量。應當注意，在這里描述如圖3a所示差值放大器A2的結(jié)構(gòu)是為了說明，其它適當?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)亦可以使用。例如，可供選擇的差值放大器A2的結(jié)構(gòu)可以包括一個以上的運算放大器。差值放大器A2的輸出Vd與流過電阻器R1的電流I3的量i3成正比，而且當電容比率c1/c2大于K時將與電流I1和I2同相。注意，如果差值放大器A2的輸入互換，輸出Vd的相位也相反。因此，差值放大器A2的輸出Vd與代表由值(c1/c2-K)調(diào)制的電流I2的信號成比例。如果常數(shù)K等于0，即沒有電流源G1，差值放大器A2的輸出Vd與代表由值c1/c2調(diào)制的電流I2的信號成正比。如果電流I2是正弦曲線的，那么對于所有的K值，都可以利用同步解調(diào)器來測量電容比率c1/c2的變化。而且，在輸出周波的一個固定時間上(例如周波的峰值)的輸出Vd、其正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號(如果電流源G2的輸出I2是正弦曲線的)與電容比率c1/c2之間存在線性關(guān)系。因此，如果電容器C2具有固定電容，在輸出周波的一個固定時間上的輸出Vd、其正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出提取的信號與電容c1之間存在線性關(guān)系，或者如果電容器C1具有固定電容，則它們和電容c2的倒數(shù)之間存在線性關(guān)系，這在測量距離時是特別地有用，因為在兩個導電物體例如兩個板之間的電容與它們之間的距離成反比。應該注意，如果電流源G1和G2在它們的輸出中具有相當大的直流分量，那么可以在電容器C1和C2的兩端間設置旁路電阻器。
圖3b示出使用電容測量電路300a1-300an的電路300b，其用以對電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容與一個或更多其它不同電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容的每個比率的變化產(chǎn)生線性響應，而使所有的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器一直保持基本相同的電壓電位。相應具有電容c11-c1n的各個電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C11-C1n與連接在運算放大器A0的同相輸入端和接地端之間的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C2的電容c2進行比較(參見圖3b)。電容器C11-C1n相應由電流源G11-G1n驅(qū)動。電流源G11-G1n的各個輸出I11-I1n中的每一個等于I2乘以相應的常數(shù)K11-K1n，其中常數(shù)K11-K1n之每個都大于或等于零。電容測量電路300a1-300an中的每一個都象電容測量電路300a(參見圖3a)那樣工作，除了電容器C11-C1n的電壓電位是與運算放大器A0的輸出電平進行比較，而運算放大器A0設置為電壓跟隨器，從而產(chǎn)生與電容器C2上基本相同的電壓電位，該電容器C2由電流源G2的輸出I2驅(qū)動。因此，在輸出Vd1-Vdn之每一個的周波的一個固定時間上(例如周波的峰值)的輸出、輸出Vd1-Vdn之每一個的正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號(如果電流源G2的輸出I2是正弦曲線的)與相應的電容比率c11/c2到c1n/c2之間存在線性關(guān)系。結(jié)果，如果C2具有固定電容，那么在輸出Vd1-Vdn之每一個的周波的一個固定時間上的輸出、輸出Vd1-Vdn之每一個的正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號與相應的電容c11到c1n之間存在線性關(guān)系。
圖4a示出根據(jù)本發(fā)明的電容測量電路400a的第三說明性實施例。在所述的實施例中，電容測量電路400a包括周期性變化電壓源G1、第一運算放大器A0、第二運算放大器A1和設置為差值放大器的第三運算放大器A2。被比較并且相應具有電容c1和c2的兩個電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C1和C2中的每一個的一端連接到電路接地端，另一端連接到運算放大器A0或運算放大器A1的倒相輸入端。電容器C1在節(jié)點101連接到運算放大器A1的倒相輸入端，電容器C2在節(jié)點102連接到運算放大器A0的倒相輸入端。具有電阻r1的第一反饋電阻器R1連接在運算放大器A1的輸出端和它的倒相輸入端之間。同樣，具有電阻r2的第二反饋電阻器R2連接在運算放大器A0的輸出端和它的倒相輸入端之間。運算放大器A1和A0的同相輸入端都由周期性變化電壓源G1的輸出Vs驅(qū)動，該電壓源G1可以是正弦電壓源。由于運算放大器A1和A0的高開環(huán)增益，所以電容器C1和C2一直保持與電壓源G1的輸出Vs基本相同的電壓電位。V0是運算放大器A0的輸出，V1是運算放大器A1的輸出。(V1-Vs)等于Vs的時間導數(shù)乘以值(r1×c1)，即(V1-Vs)＝r1×c1×dVs/dt，并且和流過電阻器R1進入電容器C1的電流I1同相。(V0-Vs)等于Vs的時間導數(shù)乘以值(r2×c2)，即(V0-Vs)＝r2×c2×dVs/dt，并且和流過電阻器R2進入電容器C2的電流I2同相。當運算放大器A1的輸出V1提供給差值放大器A2的同相輸入端，而運算放大器A0的輸出V0提供給差值放大器A2的倒相輸入端時，差值放大器A2的輸出Vd與代表由值(r1×c1-r2×c2)調(diào)制的Vs的時間導數(shù)的信號成正比，并且與流過電阻器R1和R2的電流同相或異相，這取決于(r1×c1-r2×c2)是大于還是小于零(如果到差值放大器A2的輸入互換，輸出Vd的相位就相反)。應當注意，在這里描述如圖4a所示差值放大器A2的結(jié)構(gòu)是為了說明，其它適當?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)亦可以使用。例如，可供選擇的差值放大器A2的結(jié)構(gòu)可以包括一個以上的運算放大器。如果電壓Vs是正弦曲線的，那么可以利用同步解調(diào)器測量(r1×c1-r2×c2)的值的變化。在穩(wěn)定狀態(tài)下，Vs的時間導數(shù)僅是時間的函數(shù)，因此，在輸出周波的一個固定時間上(例如周波的峰值)的輸出Vd、其正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號(如果電壓源G1的輸出Vs是正弦曲線的)與值(r1×c1-r2×c2)之間存在線性關(guān)系。結(jié)果，如果C2具有固定電容，那么在輸出周波的固定時間的輸出Vd、其正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號與電容c1之間存在線性關(guān)系，或者如果電容器C1具有固定電容，那么它們就與電容c2之間存在線性關(guān)系。
圖4b示出使用電容測量電路400a1-400an的電路400b，其用以對電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容乘以第一常數(shù)因子、與一個或更多其它不同電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容在每個乘以相應的第二常數(shù)因子之后的之間的每個差值變化產(chǎn)生線性響應，而使所有的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器一直保持基本相同的電壓電位。相應具有電容c11-c1n的電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C11-C1n中的每一個與電容器/電容式轉(zhuǎn)換器C2的電容c2進行比較。與運算放大器A0、反饋電阻器R2和電容器C2結(jié)合的各個電容測量電路400a1-400an象電容測量電路400a(參見圖4a)那樣工作。因此，在輸出Vd1-Vdn之每一個的周波的一個固定時間上(例如周波的峰值)的輸出、輸出Vd1-Vdn之每一個的正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號(如果電壓源G1的輸出Vs是正弦曲線的)與相應的值(r1n×c1n-r2×c2)之間存在線性關(guān)系，其中“r1n”是與相應的運算放大器A1n相關(guān)聯(lián)的相應反饋電阻器R1n的電阻。因此，如果電容器C2具有固定電容，那么在輸出Vd1-Vdn之每一個的周波的一個固定時間上的輸出、輸出Vd1-Vdn之每一個的正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號與相應的電容c11-c1n之間存在線性關(guān)系。
通過使電容器/電容式轉(zhuǎn)換器切入和切出隨后的測量，這里公開的電容測量電路的每個實施例可以依次地對大量電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容變化或電容的倒數(shù)變化產(chǎn)生線性響應，或者比較許多電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容和許多組電容器/電容式轉(zhuǎn)換器的電容。請注意，可以在上述電容測量電路的每個實施例中使用任何適當類型的電容式轉(zhuǎn)換器，包括但不局限于用于檢測力、壓力、張力、加速度、聲音、機械位移、流體流動等等的任何適當類型的電容式轉(zhuǎn)換器。還應當注意，上述電容測量電路的每個實施例可以使用任何適當類型的雙端電源(double-ended power supply)或如果可以提供適當?shù)碾娐方拥鼗鶞世缤ㄟ^分壓電路(voltage splitter circuit)時，可以使用任何適當類型的單端電源(single-ended power supply)。
圖5a-5d示出根據(jù)本發(fā)明的非接觸開關(guān)正面的說明性實施例。這里公開的非接觸開關(guān)的正面可以采取任何適當類型容器的形式，例如圖5a-5c分別示出的容器500a-500c。如圖5a-5c所示，各個容器500a-500c包括如相應的象圖5a-5c的基底部分502a-502c的基底部分和如相應的圖5a-5c的邊緣部分504a-504c的邊緣部分。開關(guān)的正面亦可以是象正面500d(參見圖5d)那樣平坦的，或者是任何其它合適的表面形狀。這里公開的非接觸開關(guān)包括設置在開關(guān)正面的上面或后面、并且保持基本相同的電壓電位的兩個傳感電極，具體地說是一個中心電極和一個外部電極。中心電極與外部電極隔開，并且至少部分被外部電極圍繞。中心和外部電極可以具有任何合適的形狀、形態(tài)或尺寸，并且可以不是實體塊件，例如電極可以是導線柵網(wǎng)。圖6a-6d分別示出中心和外部電極彼此相對以及相對于圖5a-5d的正面500a-500d的說明性排列和位置。如圖6a-6c所示，當正面為容器形式時，中心電極設置在容器的基底附近，外部電極設置在容器的邊緣附近。
利用在這里公開的電容測量電路的實施例，可以檢測出在非接觸開關(guān)中心電極附近或接近中心電極的人手指或指狀物體的尖端的存在。當檢測人手指或指狀物體的存在時，電容測量電路比較在兩個傳感電極(即中心電極和外部電極)和人手指或指狀物體之間形成的電容器的電容，因此基本上消除外部共模干擾，例如在人體其余部分和傳感電極之間的電容、在人體和地面之間的電容、環(huán)境變化、電噪聲等等。由于它們彼此緊密地靠近，所以這些外部共模干擾會同等地影響兩個傳感電極。另外，外部電極可以設置于非接觸開關(guān)中一個位置使得在啟動開關(guān)之前，人手指或指狀物體的尖端要經(jīng)過指定的邊界。在一個實施例中，這通過以下設置來完成將外部電極設置在中心電極前面指定的距離，并且配置兩個傳感電極的間距和它們的相對表面積使得當物體靠近電極但是離中心電極超過指定的距離時，在物體和中心電極之間的電容與在物體和外部電極之間的電容的比率，或者在物體和中心電極之間的電容乘以第一常數(shù)、與在物體和外部電極之間的電容乘以第二常數(shù)之間的差值，小于預設的閾值。應當理解，電容比率和差值測量是通過上述電容測量電路的實施例來進行，并且通過兩個傳感電極的固定的幾何形狀、尺寸和相對位置來促進這種測量。在一個實施例中，當測量的電容比率或差值超過預設的閾值時，啟動非接觸開關(guān)。
因此，人手指或指狀物體不啟動非接觸開關(guān)，直到手指穿過指定的邊界。如果非接觸開關(guān)的正面具有容器表面的形式，(例如參見圖5a-5c)，指定的邊界與容器邊緣所勾劃的假想平面一致。隨著人手指或指狀物體的尖端移向中心電極，并且突破指定的邊界的平面，與中心電極相關(guān)的電容比與外部電極相關(guān)的電容增加更快。當與中心電極和外部電極相關(guān)的電容比率、或者在與中心電極相關(guān)的電容乘以第一常數(shù)和與外部電極相關(guān)的電容乘以第二常數(shù)之間的差值超過預設的閾值時，啟動非接觸開關(guān)。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的非接觸開關(guān)700的說明性實施例。在所示的實施例中，非接觸開關(guān)700包括容器形式的正面702、中心電極704、外部電極706以及圍繞兩個傳感電極704、706背面和側(cè)面的防護電極708。所有電極704、706、708保持基本相同的電壓電位。結(jié)果，兩個傳感電極704、706僅可在傳感電極和位于開關(guān)前面(即在圖7所示的開關(guān)700上面)的物體之間形成電場。還可以用雙軸電纜或兩個同軸電纜來防護從兩個傳感電極延伸到電容測量電路的導線，其中電纜的外部導體用作防護屏蔽，并和連接到傳感電極的內(nèi)部電纜導體保持基本相同的電壓電位。
圖8a示出根據(jù)本發(fā)明的非接觸開關(guān)的第一說明性電路設備800a。如圖8a所示，電路設備800a包括中心電極E1、外部電極E2、防護電極E3、啟動延遲部分(startup delay section)203、開關(guān)決定部分205、開關(guān)輸出部分207和電容測量電路802a，該電容測量電路802a包括周期性變化電壓源G1、運算放大器A0和A1、電阻器R1-R3以及設置為差值放大器的運算放大器A2。中心電極E1在節(jié)點201連接到運算放大器A1的倒相輸入端，外部電極E2在節(jié)點202連接到運算放大器A0的同相輸入端，運算放大器A0設置為電壓跟隨器，從而提供外部電極E2的電壓電位給運算放大器A1的同相輸入端。節(jié)點201和202兩個都由周期性變化電壓源G1的輸出Vs驅(qū)動。電極E1和E2對應于圖2a相應的電容器C1和C2。防護電極E3連接到運算放大器A0的輸出端，因此防護電極E3的電壓電位基本上等于傳感電極E1和E2的電壓電位。防護電極E3可以設置為圍繞傳感電極E1和E2的背面和側(cè)面，因此只能在位于非接觸開關(guān)前面的導電物體和傳感電極E1和E2之間形成電容。注意，圖8a的運算放大器A1和A2象圖2a相應的運算放大器A1和A2，圖8a的電阻器R2象圖2a的電阻器R2，圖8a的電阻器R1和R3象圖2a相應的電阻器R1和R3，圖8a的周期性變化電壓源G1象圖2a的周期性變化電壓源G1。因此，在輸出周波的一個固定時間上(例如周波的峰值)的差值放大器A2的輸出Vd、其正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號(如果電壓源G1的輸出Vs是正弦曲線的)與和中心電極E1相關(guān)的電容對和外部電極E2相關(guān)的電容的比率之間存在線性關(guān)系。差值放大器A2提供輸出Vd給開關(guān)決定部分205，開關(guān)決定部分205根據(jù)信號Vd決定是否啟動非接觸開關(guān)。例如，開關(guān)決定部分205可以根據(jù)信號Vd的相位、振幅、平均值和/或任何其它合適的特質(zhì)來決定?？蛇x擇地，開關(guān)決定部分205在決定啟動非接觸開關(guān)之前，可能需要指定數(shù)量的所需信號Vd的相位和/或振幅的連續(xù)檢測，或者滿足某些要求。如果電壓Vs是正弦曲線的，那么可以在開關(guān)決定部分205中引入同步解調(diào)器，使得即使在高噪音水平下，也可以以高精度獲得與中心電極E1相關(guān)的電容對與外部電極E2相關(guān)的電容的比率變化。應注意，開關(guān)決定部分205可能除信號Vd之外還需要一個或更多的信號來決定是否啟動開關(guān)。例如，開關(guān)決定部分205可能需要基準信號來決定信號Vd的相位。開關(guān)決定部分205提供代表其決定的邏輯信號206到開關(guān)輸出部分207，來實現(xiàn)所需的開關(guān)動作。請注意，開關(guān)輸出部分207可以利用任何合適數(shù)量的邏輯輸出(通常是高或低)、固態(tài)開關(guān)輸出、和/或干接觸輸出(通常是打開或閉合)，以任何合適的開關(guān)方式包括但不局限于脈沖方式、瞬間方式(momentarily mode)、觸發(fā)開合方式等等來實現(xiàn)。開關(guān)輸出部分207還可以設置為產(chǎn)生聲頻和/或視頻輸出，從而指示非接觸開關(guān)的狀態(tài)。因為電容測量電路802a需要經(jīng)歷電壓源G1的輸出Vs的幾個周波來達到穩(wěn)定，所以在啟動周期內(nèi)，啟動延遲部分203輸出啟動信號204給開關(guān)決定部分205，以防開關(guān)決定部分205無意中啟動開關(guān)。當傳感電極E1和E2設置為隔開運算放大器A0和A1的輸入端一定距離時，可以利用雙軸電纜或等長的兩個同軸電纜來防護來自中心電極E1和外部電極E2的導線，用外部導體作為連接到防護電極E3的防護屏蔽，并保持與連接到各個傳感電極E1和E2的內(nèi)部導體基本相同的電壓電位，因此不會引入雜散電容，并且基本消除由導線引入的任何其它有害的影響。
圖8b示出一組非接觸開關(guān)的第一說明性電路設備800b，包括周期性變化電壓源G1、運算放大器A0、電容測量電路802a1-802an、啟動延遲部分203、開關(guān)決定部分205和開關(guān)輸出部分207。請注意，與運算放大器A0結(jié)合的電容測量電路802a1-802an中的每一個象電容測量電路802a(參見圖8a)，并且對應于該組非接觸開關(guān)中相應的非接觸開關(guān)。具體地，連接到運算放大器A0的同相輸入端的電極E2對應為該組非接觸開關(guān)的公共外部電極，連接到運算放大器A0輸出端的電極E3對應為該組非接觸開關(guān)的公共防護電極。電極E11-E1n中的每一個對應于相應的非接觸開關(guān)的中心電極。請注意，圖8b的運算放大器A0象圖2b的運算放大器A0，圖8b的運算放大器A11-A1n象圖2b相應的運算放大器A11-A1n，圖8b的差值放大器A21-A2n象圖2b相應的差值放大器A21-A2n，圖8b的電阻器R2象圖2b的電阻器R2，圖8b的電阻器R11-R1n象圖2b相應的電阻器R11-R1n，圖8b的電阻器R31-R3n象圖2b相應的電阻器R31-R3n，并且圖8b的周期性變化電壓源G1象圖2b的周期性變化電壓源G1。差值放大器A21-A2n提供相應的輸出信號Vd1-Vdn給開關(guān)決定部分205，開關(guān)決定部分205根據(jù)相應的信號Vd1-Vdn決定什么時候啟動每個開關(guān)。開關(guān)決定部分205提供代表其相應決定的邏輯信號206到開關(guān)輸出部分207，開關(guān)輸出部分207實現(xiàn)每個開關(guān)所需的開關(guān)動作。請注意，開關(guān)輸出部分207可以利用任何合適數(shù)量的邏輯輸出(通常是高或低)、固態(tài)開關(guān)輸出、和/或干接觸輸出(通常是打開或閉合)，以任何合適的開關(guān)方式包括但不局限于脈沖方式、瞬間方式、觸發(fā)開合方式等等來實現(xiàn)每個開關(guān)。開關(guān)輸出部分207還可以設置為產(chǎn)生聲頻和/或視頻輸出，從而指示每個開關(guān)的狀態(tài)。圖8b的啟動延遲部分203象上面參考圖8a所述的相應部分203，并且電路設備800b的每個開關(guān)(參見圖8b)基本上象電路設備800a的開關(guān)(參見圖8a)那樣工作。
圖9a示出根據(jù)本發(fā)明的非接觸開關(guān)的第二說明性電路設備900a。如圖9a所示，電路設備900a包括中心電極E1、外部電極E2、防護電極E3、啟動延遲部分203、開關(guān)決定部分205、開關(guān)輸出部分207和電容測量電路902a，該電容測量電路902a包括周期性變化電流源G1和G2、運算放大器A0和A1、電阻器R1以及設置為差值放大器的運算放大器A2。中心電極E1在節(jié)點201連接到運算放大器A1的倒相輸入端，外部電極E2在節(jié)點202連接到運算放大器A0的同相輸入端，運算放大器A0設置為電壓跟隨器，從而提供外部電極E2的電壓電位給運算放大器A1的同相輸入端。節(jié)點201由周期性變化電流源G1的輸出電流I1驅(qū)動，節(jié)點202由周期性變化電流源G2的輸出電流I2驅(qū)動。電極E1和E2對應于圖3a相應的電容器C1和C2。防護電極E3連接到運算放大器A0的輸出端，因此防護電極E3的電壓電位與傳感電極E1和E2的電壓電位基本相同。防護電極E3可以設置為圍繞傳感電極E1和E2的背面和側(cè)面，因此只能在位于非接觸開關(guān)前面的導電物體與傳感電極E1和E2之間形成電容。請注意，圖9a的運算放大器A1和A2象圖3a相應的運算放大器A1和A2，圖9a的電阻器R1象圖3a的電阻器R1，圖9a的周期性變化電流源G1和G2象圖3a相應的周期性變化電流源G1和G2。因此，在輸出周波的一個固定時間上(例如輸出的峰值)的差值放大器A2的輸出Vd、其正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號(如果電流源G2的輸出I2是正弦曲線的)與和中心電極E1相關(guān)的電容對和外部電極E2相關(guān)的電容的比率之間存在線性關(guān)系。差值放大器A2提供輸出信號Vd給開關(guān)決定部分205，開關(guān)決定部分205根據(jù)信號Vd決定是否啟動非接觸開關(guān)。例如，開關(guān)決定部分205可以根據(jù)信號Vd的相位、振幅、平均值和/或任何其它合適的特質(zhì)來決定?？蛇x擇地，開關(guān)決定部分205在決定啟動非接觸開關(guān)之前，可能需要指定數(shù)量的所需信號Vd的相位和/或振幅的連續(xù)檢測，或者滿足某些要求。如果電流I2是正弦曲線的，那么可以在開關(guān)決定部分205中引入同步解調(diào)器，使得即使在高噪音水平下，也可以以高精度獲得與中心電極E1相關(guān)的電容對與外部電極E2相關(guān)的電容的比率變化。應注意，開關(guān)決定部分205可能除信號Vd之外還需要一個或更多的信號來決定是否啟動開關(guān)。例如，開關(guān)決定部分205可能需要基準信號來決定信號Vd的相位。開關(guān)決定部分205提供代表其決定的邏輯信號206到開關(guān)輸出部分207，來實現(xiàn)所需的開關(guān)動作。請注意，開關(guān)輸出部分207可以利用任何合適數(shù)量的邏輯輸出(通常是高或低)、固態(tài)開關(guān)輸出、和/或干接觸輸出(通常是打開或閉合)，以任何開關(guān)方式包括但不局限于脈沖方式、瞬間方式、觸發(fā)開合方式等等來實現(xiàn)。開關(guān)輸出部分207還可以設置為產(chǎn)生聲頻和/或視頻輸出，從而指示開關(guān)的狀態(tài)。因為電容測量電路902a需要經(jīng)歷周期性變化電流源G2的輸出I2的幾個周波來達到穩(wěn)定，所以在啟動周期內(nèi)，啟動延遲部分203提供啟動信號204給開關(guān)決定部分205，以防它無意中啟動開關(guān)。當傳感電極E1和E2設置為隔開運算放大器A0和A1的輸入端一定距離時，可以利用雙軸電纜或等長的兩個同軸電纜來防護來自傳感電極E1和E2的導線，用外部導體作為連接到防護電極E3的防護屏蔽，并保持與連接到各個傳感電極E1和E2的內(nèi)部導體基本相同的電壓電位，因此不會引入雜散電容，并且基本消除由導線引入的任何其它有害的影響。
圖9b示出一組非接觸開關(guān)的第二說明性電路設備900b，包括周期性變化電流源G11-G1n、周期性變化電流源G2、運算放大器A0、電容測量電路902a1-902an、啟動延遲部分203、開關(guān)決定部分205和開關(guān)輸出部分207。請注意，與運算放大器A0結(jié)合的電容測量電路902a1-902an中的每一個象電容測量電路902a(參見圖9a)，并且對應于該組非接觸開關(guān)中相應的非接觸開關(guān)。具體地，連接到運算放大器A0的同相輸入端的電極E2對應為該組非接觸開關(guān)的公共外部電極，連接到運算放大器A0輸出端的電極E3對應為該組非接觸開關(guān)的公共防護電極。電極E11-E1n中的每一個對應于相應的非接觸開關(guān)的中心電極。而且，圖9b的運算放大器A0象圖3b的運算放大器A0，圖9b的運算放大器A11-A1n象圖3b相應的運算放大器A11-A1n，圖9b的差值放大器A21-A2n象圖3b相應的差值放大器A21-A2n，圖9b的電阻器R11-R1n象圖3b相應的電阻器R11-R1n，圖9b的周期性變化電流源G2象圖3b的周期性變化電流源G2，并且圖9b的周期性變化電流源G11-G1n象圖3b的周期性變化電流源G11-G1n。差值放大器A21-A2n提供相應的輸出信號Vd1-Vdn給開關(guān)決定部分205，開關(guān)決定部分205根據(jù)相應的信號Vd1-Vdn決定什么時候啟動每個開關(guān)。開關(guān)決定部分205提供代表其相應決定的邏輯信號206到開關(guān)輸出部分207，來實現(xiàn)每個開關(guān)所需的開關(guān)動作。請注意，開關(guān)輸出部分207可以利用任何合適數(shù)量的邏輯輸出(通常是高或低)、固態(tài)開關(guān)輸出、和/或干接觸輸出(通常是打開或閉合)，以任何合適的開關(guān)方式包括但不局限于脈沖方式、瞬間方式、觸發(fā)開合方式等等來實現(xiàn)每個開關(guān)。開關(guān)輸出部分207還可以設置為產(chǎn)生聲頻和/或視頻輸出，從而指示每個開關(guān)的狀態(tài)。圖9b的啟動延遲部分203象圖9a的啟動延遲部分203，并且電路設備900b的每個開關(guān)(參見圖9b)基本上象電路設備900a的開關(guān)(參見圖9a)那樣工作。
圖10a示出根據(jù)本發(fā)明的非接觸開關(guān)的第三說明性電路設備1000a。如圖10a所示，電路設備1000a包括中心電極E1、外部電極E2、防護電極E3、啟動延遲部分203、開關(guān)決定部分205、開關(guān)輸出部分207和電容測量電路1002a，該電容測量電路1002a包括周期性變化電壓源G1、運算放大器A0和A1、電阻器R1和R2以及設置為差值放大器的運算放大器A2。運算放大器A0和A1的同相輸入端都由周期性變化電壓源G1的輸出Vs驅(qū)動。中心電極E1在節(jié)點201連接到運算放大器A1的倒相輸入端，外部電極E2在節(jié)點202連接到運算放大器A0的倒相輸入端。請注意，傳感電極E1和E2對應于圖4a相應的電容器C1和C2。防護電極E3連接到周期性變化電壓源G1的輸出端，因此與兩個傳感電極E1和E2的電壓電位基本相同。防護電極E3可以設置為圍繞傳感電極E1和E2的背面和側(cè)面，使得只能在位于非接觸開關(guān)前面的導電物體與傳感電極E1和E2之間形成電容。請注意，圖10a的運算放大器A0和A1象圖4a相應的運算放大器A0和A1，圖10a的電阻器R1象圖4a的電阻器R1，圖10a的電阻器R2象圖4a的電阻器R2，圖10a的周期性變化電壓源G1象圖4a的周期性變化電壓源G1。因此，在輸出周波的一個固定時間上(例如周波的峰值)的差值放大器A2的輸出Vd、或其正和/或負周波的平均絕對值、或者利用同步解調(diào)從輸出中提取的信號(如果電壓源G1的輸出Vs是正弦曲線的)與值(r1×c1-r2×c2)之間存在線性關(guān)系，其中r1和r2是電阻器R1和R2的相應電阻，c1和c2是與傳感電極E1和E2相關(guān)聯(lián)的相應電容。差值放大器A2提供輸出信號Vd給開關(guān)決定部分205，開關(guān)決定部分205根據(jù)信號Vd決定是否啟動開關(guān)。例如，開關(guān)決定部分205可以根據(jù)信號Vd的相位、振幅、平均值和/或任何其它合適的特質(zhì)來決定?？蛇x擇地，開關(guān)決定部分205在決定啟動開關(guān)之前，可能需要指定數(shù)量的所需信號Vd的相位和/或振幅的連續(xù)檢測，或者滿足某些要求。如果電壓Vs是正弦曲線的，那么可以在開關(guān)決定部分205中包括同步解調(diào)器，使得即使在高噪音水平下，也可以以高精度獲得(r1×c1-r2×c2)值的變化。應注意，開關(guān)決定部分205可能除信號Vd之外還需要一個或更多的信號來決定是否啟動開關(guān)。例如，開關(guān)決定部分205可能需要基準信號來決定輸出信號Vd的相位。開關(guān)決定部分205提供代表其決定的邏輯信號206到開關(guān)輸出部分207，來實現(xiàn)所需的開關(guān)動作。請注意，開關(guān)輸出部分207可以利用任何合適數(shù)量的邏輯輸出(通常是高或低)、固態(tài)開關(guān)輸出、和/或干接觸輸出(通常是打開或閉合)，以任何開關(guān)方式包括但不局限于脈沖方式、瞬間方式、觸發(fā)開合方式等等來實現(xiàn)。開關(guān)輸出部分207還可以設置為產(chǎn)生聲頻和/或視頻輸出，從而指示開關(guān)的狀態(tài)。因為電容測量電路1002a需要經(jīng)歷周期性變化電壓源G1的輸出Vs的幾個周波來達到穩(wěn)定，所以在啟動周期內(nèi)，啟動延遲部分203提供啟動信號204給開關(guān)決定部分205，以防它無意中啟動開關(guān)。當傳感電極E1和E2設置為隔開運算放大器A0和A1的輸入端一定距離時，可以利用雙軸電纜或等長的兩個同軸電纜來防護來自傳感電極E1和E2的導線，用外部導體作為連接到防護電極E3的防護屏蔽，并保持與連接到各個傳感電極E1和E2的內(nèi)部導體基本相同的電壓電位，因此不會引入雜散電容，并且基本消除由導線引入的任何其它有害的影響。
圖10b示出一組非接觸開關(guān)的第三說明性電路設備1000b，包括周期性變化電壓源G1、運算放大器A0、電容測量電路1002a1-1002an、啟動延遲部分203、開關(guān)決定部分205和開關(guān)輸出部分207。請注意，與運算放大器A0結(jié)合的電容測量電路1002a1-1002an中的每一個象電容測量電路1002a(參見圖10a)，并且對應于該組非接觸開關(guān)中相應的非接觸開關(guān)。具體地，連接到運算放大器A0的倒相輸入端的電極E2對應為該組非接觸開關(guān)的公共外部電極，連接到電壓源G1的輸出端Vs的電極E3對應為該組非接觸開關(guān)的公共防護電極。電極E11-E1n中的每一個對應于相應的非接觸開關(guān)的中心電極。而且，圖10b的運算放大器A0象圖4b的運算放大器A0，圖10b的運算放大器A11-A1n象圖4b相應的運算放大器A11-A1n，圖10b的差值放大器A21-A2n象圖4b相應的差值放大器A21-A2n，圖10b的電阻器R2象圖4b的電阻器R2，圖10b的電阻器R11-R1n象圖4b相應的電阻器R11-R1n，并且圖10b的周期性變化電壓源G1象圖4b的周期性變化電壓源G1。差值放大器A21-A2n提供相應的輸出信號Vd1-Vdn給開關(guān)決定部分205，開關(guān)決定部分205根據(jù)相應的信號Vd1-Vdn決定什么時候啟動每個開關(guān)。開關(guān)決定部分205提供代表其相應決定的邏輯信號206到開關(guān)輸出部分207，來實現(xiàn)每個開關(guān)所需的開關(guān)動作。請注意，開關(guān)輸出部分207可以利用任何合適數(shù)量的邏輯輸出(通常是高或低)、固態(tài)開關(guān)輸出、和/或干接觸輸出(通常是打開或閉合)，以任何合適開關(guān)方式包括但不局限于脈沖方式、瞬間方式、觸發(fā)開合方式等等來實現(xiàn)每個開關(guān)。開關(guān)輸出部分207還可以設置為產(chǎn)生聲頻和/或視頻輸出，從而指示每個開關(guān)的狀態(tài)。圖10b的啟動延遲部分203象圖10a的啟動延遲部分203，并且電路設備1000b的每個開關(guān)(參見圖10b)象電路設備1000a的開關(guān)(參見圖10a)那樣工作。
說明了上述說明性實施例后，其它選擇的實施例或變化也可以實現(xiàn)。例如，這里公開的每個非接觸開關(guān)的電路的實施可以按比例增大，從而檢測更大類似形狀的導電物體(例如人手的手掌)的接近。它還可以適合于通過測量在導電物體和傳感電極陣列中相應的一個之間的相應電容，利用一個上述電容測量技術(shù)和利用電子線路或電腦來分析結(jié)果，來檢測導電物體(例如人的附屬肢體)的位置或位移。請注意，外部電極可以根據(jù)應用而位于中心電極或一組中心電極的前面或后面，或者在對其相對的任何合適的位置。而且，盡管本發(fā)明可以利用硬件組件來實現(xiàn)，但是可以理解，實現(xiàn)本發(fā)明所需的功能可以替換地利用微控制器、微處理器、數(shù)字信號處理器、可編程邏輯陣列或任何其它合適的硬件和/或軟件，全部或部分地利用硬件或軟件或它們的一些組合來實現(xiàn)。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在不脫離在這里公開的發(fā)明原理的情況下，可以對上述線性電容測量和非接觸開關(guān)進行進一步改良和變化是可以理解的。因此，本發(fā)明不應當看作是有局限的，除非為附加的權(quán)利要求的范圍和精神所限制。
權(quán)利要求
1.一種用于測量至少一個第一電容器和至少一個第二電容器的電容的相對變化的裝置，包括至少一個運算放大器，用于使用負反饋使該至少一個第一電容器和該至少一個第二電容器保持基本相等的電壓電位，該至少一個第一電容器和該至少一個第二電容器之每一個具有連接到公共接地端的一端；和至少一個差值放大器，用于提供電信號，其中在該電信號與該至少一個第一電容器和該至少一個第二電容器的電容的指定算術(shù)函數(shù)之間存在線性關(guān)系，其中至少一個運算放大器用于提供輸出給至少一個差值放大器的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括周期性變化電壓源，用于驅(qū)動在第一節(jié)點連接到該第一電容器的第一電阻器，和驅(qū)動在第二節(jié)點連接到該第二電容器的第二電阻器，其中該至少一個運算放大器包括第一運算放大器，其中在該第一節(jié)點的電壓電位被提供給該第一運算放大器的倒相輸入端，在該第二節(jié)點的電壓電位被提供給該第一運算放大器的同相輸入端，其中在該第一運算放大器的輸出端和該第一節(jié)點之間連接第三電阻器，因而流過該第三電阻器的反饋電流使在該第一節(jié)點的電壓電位保持基本上等于在該第二節(jié)點的電壓電位，其中在該第一和第二節(jié)點之一的電壓電位被提供給該差值放大器的第一差分輸入端，和該第一運算放大器的輸出被提供給該差值放大器的第二差分輸入端，和其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，該差值放大器的輸出與代表由值(c1/c2-r2/r1)調(diào)制的、流過該第二電阻器的電流的信號成正比，該電流是時間的周期函數(shù)，其中c1是該第一電容器的電容，c2是該第二電容器的電容，r1是該第一電阻器的電阻，和r2是該第二電阻器的電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該差值放大器的輸出周波的一個固定時間上的輸出和值(c1/c2-r2/r1)之間存在線性關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該差值放大器的輸出的正和/或負周波的平均絕對值和值(c1/c2-r2/r1)之間存在線性關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，還包括同步解調(diào)器，其中該周期性變化電壓源是正弦電壓源，和其中該同步解調(diào)器用于通過同步解調(diào)從該差值放大器的輸出提取與值(c1/c2-r2/r1)成正比的信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括第一周期性變化電流源，用于提供第一輸出電流給該第一電容器，該第一電容器在第一節(jié)點連接到該第一周期性變化電流源，和第二周期性變化電流源，用于提供第二輸出電流給該第二電容器，該第二電容器在第二節(jié)點連接到該第二周期性變化電流源，其中該第一輸出電流的量等于該第二輸出電流的量的常數(shù)K倍，其中該至少一個運算放大器包括第一運算放大器，其中在該第一節(jié)點的電壓電位被提供給該第一運算放大器的倒相輸入端，和在該第二節(jié)點的電壓電位被提供給該第一運算放大器的同相輸入端，其中在該第一運算放大器的輸出端和該第一節(jié)點之間連接第一電阻器，因而流過該第一電阻器的反饋電流使在該第一節(jié)點的電壓電位保持基本上等于在該第二節(jié)點的電壓電位，其中在該第一和第二節(jié)點之一的電壓電位被提供給該差值放大器的第一差分輸入端，和該第一運算放大器的輸出被提供給該差值放大器的第二差分輸入端，和其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，該差值放大器的輸出與代表由值(c1/c2-K)調(diào)制的、流入該第二電容器的電流的信號成正比，該電流是時間的周期函數(shù)，其中c1是該第一電容器的電容，c2是該第二電容器的電容。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該差值放大器的輸出周波的一個固定時間上的輸出和值(c1/c2-K)之間存在線性關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該差值放大器輸出的正和/或負周波的平均絕對值和值(c1/c2-K)之間存在線性關(guān)系。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，還包括同步解調(diào)器，其中該第一和第二周期性變化電流源是相應的正弦電流源，和其中該同步解調(diào)器用于通過同步解調(diào)從該差值放大器的輸出提取與值(c1/c2-K)成正比的信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個運算放大器包括第一和第二運算放大器，和還包括周期性變化電壓源，用于提供輸出電壓給該第一運算放大器的同相輸入端和該第二運算放大器的同相輸入端，其中在該第一運算放大器的輸出端和該第一電容器在第一節(jié)點處之間連接第一電阻器，其中在該第一節(jié)點的電壓電位被提供給該第一運算放大器的倒相輸入端，因而流過該第一電阻器的反饋電流使在該第一節(jié)點的電壓電位保持基本上等于該周期性變化電壓源的輸出電壓的電壓電位，其中在該第二運算放大器的輸出端和該第二電容器在第二節(jié)點處之間連接第二電阻器，其中在該第二節(jié)點的電壓電位被提供給該第二運算放大器的倒相輸入端，因而流過該第二電阻器的反饋電流使在該第二節(jié)點的電壓電位保持基本上等于該周期性變化電壓源的輸出電壓的電壓電位，其中該第一運算放大器的輸出被提供給該差值放大器的第一差分輸入端，和該第二運算放大器的輸出被提供給該差值放大器的第二差分輸入端，和其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，該差值放大器的輸出與代表由值(r1×c1-r2×c2)調(diào)制的、該周期性變化電壓源的輸出電壓的時間導數(shù)的信號成正比，該周期性變化電壓源的輸出電壓是時間的周期函數(shù)，其中c1是該第一電容器的電容，c2是該第二電容器的電容，r1是該第一電阻器的電阻，r2是該第二電阻器的電阻。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該差值放大器的輸出周波的一個固定時間上的輸出和值(r1×c1-r2×c2)之間存在線性關(guān)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該差值放大器輸出的正和/或負周波的平均絕對值和值(r1×c1-r2×c2)之間存在線性關(guān)系。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，還包括同步解調(diào)器，其中該周期性變化電壓源是正弦電壓源，和其中該同步解調(diào)器用于通過同步解調(diào)從該差值放大器的輸出提取與值(r1×c1-r2×c2)成正比的信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中各個第一電容器是電容式轉(zhuǎn)換器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中各個第二電容器是電容式轉(zhuǎn)換器。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中各個第一電容器是電容式傳感器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中各個第二電容器是電容式傳感器。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括第一和第二傳感電極，其中該第一電容器形成在導電物體和該第一傳感電極之間，其中該第二電容器形成在該導電物體和該第二傳感電極之間，和其中該差值放大器的輸出指示該導電物體相對于這些傳感電極的接近或位移。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括第一和第二傳感電極，其中該第一電容器形成在人附屬肢體和該第一傳感電極之間，其中該第二電容器形成在該人附屬肢體和該第二傳感電極之間，和還包括開關(guān)決定部分，用于根據(jù)該差值放大器的輸出產(chǎn)生第一控制信號，和開關(guān)輸出部分，用于指示響應于第一控制信號的一個狀態(tài)情形。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，還包括啟動延遲部分，用于延遲該開關(guān)決定部分產(chǎn)生該第一控制信號，直到該裝置處于穩(wěn)態(tài)情形。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，還包括防護電極，其中該防護電極與該第一和第二傳感電極電隔離，其中該防護電極保持與該第一和第二傳感電極基本相同的電壓電位，和其中該防護電極設置為圍繞該第一和第二傳感電極的背面和側(cè)面。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中該第一傳感電極是中心電極，該第二傳感電極是外部電極，其中該中心電極與該外部電極隔開，并且至少部分被該外部電極圍繞。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，還包括容器形式的表面，該容器具有基底和邊緣，其中該中心和外部電極設置在該表面的其中一面上，和其中該中心電極設置在該容器基底的附近，及該外部電極設置在該容器邊緣的附近。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個第二電容器是多個第二電容器中選擇出來的一個。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中該至少一個第一電容器是一組第一電容器中的一個，其中該至少一個運算放大器是多個第一運算放大器中的一個，該多個第一運算放大器中的每一個都與該組第一電容器中相應的一個相關(guān)聯(lián)，其中該至少一個差值放大器是多個差值放大器中的一個，該多個差值放大器中的每一個都與該組第一電容器中相應的一個相關(guān)聯(lián)，其中與該組第一電容器中相應的一個相關(guān)聯(lián)的該多個第一運算放大器中的每一個使用負反饋，從而使該組第一電容器中相應的一個和該第二電容器保持在基本相等的電壓電位，其中該多個第一運算放大器中的每一個用于提供輸出給該多個差值放大器中相應的一個的輸入端，和其中該多個差值放大器中的每一個用于提供多個電信號中相應的一個，其中在每個相應的電信號與該組第一電容器中相應的一個和該第二電容器的電容的指定算術(shù)函數(shù)之間存在線性關(guān)系。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，其中該組第一電容器是多組第一電容器中選擇出來的一組。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，還包括周期性變化電壓源，用于驅(qū)動多個第一電阻器，每個第一電阻器在多個第一節(jié)點中相應的一個連接到該組第一電容器中相應的一個，并且用于驅(qū)動在第二節(jié)點連接到該第二電容器的第二電阻器，其中在該多個第一節(jié)點中相應的一個的電壓電位被提供給該多個第一運算放大器中相應的一個的倒相輸入端，和在該第二節(jié)點的電壓電位被提供給該多個第一運算放大器中相應的一個的同相輸入端，其中在該多個第一運算放大器中相應的一個的輸出端和該多個第一節(jié)點中相應的一個之間連接多個第三電阻器中相應的一個，因而流過該多個第三電阻器中相應的一個的反饋電流使在該多個第一節(jié)點中相應的一個的電壓電位保持基本等于在該第二節(jié)點的電壓電位，其中在該第二節(jié)點的電壓電位被提供給該多個差值放大器中相應的一個的第一差分輸入端，和該多個運算放大器中相應的一個的輸出被提供給該多個差值放大器中相應的一個的第二差分輸入端，和其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，該多個差值放大器中相應的一個的輸出與代表由相應的值(c1/c2-r2/r1)調(diào)制的、流過該第二電阻器的電流的信號成正比，該電流是時間的周期函數(shù)，其中c1是該組第一電容器中相應的一個的電容，c2是該第二電容器的電容，r1是該多個第一電阻器中相應的一個的電阻，和r2是該第二電阻器的電阻。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該多個差值放大器中相應的一個的輸出周波的一個固定時間上的輸出和相應的值(c1/c2-r2/r1)之間存在線性關(guān)系。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該多個差值放大器中相應的一個的輸出的正和/或負周波的平均絕對值和相應的值(c1/c2-r2/r1)之間存在線性關(guān)系。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，其中該周期性變化電壓源是正弦電壓源，和還包括同步解調(diào)器，用于通過同步解調(diào)從該多個差值放大器中相應的一個的輸出提取與相應的值(c1/c2-r2/r1)成正比的信號中相應的一個。
31.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，還包括多個第一周期性變化電流源，每個第一周期性變化電流源用于提供第一輸出電流給該組第一電容器中相應的一個，該組第一電容器中的每一個在多個第一節(jié)點中相應的一個連接到這些第一周期性變化電流源中相應的一個，和第二周期性變化電流源，用于提供第二輸出電流給該第二電容器，該第二電容器在第二節(jié)點連接到該第二周期性變化電流源，其中這些第一輸出電流中相應的一個的量等于該第二輸出電流的量的相應常數(shù)K倍，其中在多個第一節(jié)點中相應的一個的電壓電位被提供給該多個第一運算放大器中相應的一個的倒相輸入端，和在該第二節(jié)點的電壓電位被提供給該多個第一運算放大器中相應的一個的同相輸入端，其中在該多個第一運算放大器中相應的一個的輸出端和該多個第一節(jié)點中相應的一個之間連接多個第一電阻器中相應的一個，因而流過該多個第一電阻器中相應的一個的反饋電流使在該多個第一節(jié)點中相應的一個的電壓電位保持基本上等于該第二節(jié)點的電壓電位，其中在該第二節(jié)點的電壓電位被提供給該多個差值放大器中相應的一個的第一差分輸入端，和該多個第一運算放大器中相應的一個的輸出被提供給該多個差值放大器中相應的一個的第二差分輸入端，和其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，該多個差值放大器中相應的一個的輸出與代表由相應的值(c1/c2-K)調(diào)制的、流入該第二電容器的電流的信號成正比，該電流是時間的周期函數(shù)，其中c1是該組第一電容器中相應的一個的電容，和c2是該第二電容器的電容。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該多個差值放大器中相應的一個的輸出周波的一個固定時間上的的輸出和相應的值(c1/c2-K)之間存在線性關(guān)系。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該多個差值放大器中相應的一個的輸出的正和/或負周波的平均絕對值和相應的值(c1/c2-K)之間存在線性關(guān)系。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置，還包括同步解調(diào)器，其中該多個第一周期性變化電流源和該第二周期性變化電流源是相應的正弦電流源，和其中同步解調(diào)器用于通過同步解調(diào)從該多個差值放大器中相應的一個的輸出提取與相應的值(c1/c2-K)成正比的信號中相應的一個。
35.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，還包括周期性變化電壓源，用于提供輸出電壓給該多個第一運算放大器的相應的同相輸入端和第二運算放大器的同相輸入端，其中在該多個第一運算放大器中相應的一個的輸出端和該組第一電容器中相應的一個在多個第一節(jié)點中相應的一個之間連接多個第一電阻器中相應的一個，其中在該多個第一節(jié)點中相應的一個的電壓電位被提供給該多個第一運算放大器中相應的一個的倒相輸入端，因而流過該多個第一電阻器中相應的一個的反饋電流使在該多個第一節(jié)點中相應的一個的電壓電位保持基本上等于該周期性變化電壓源的輸出電壓的電壓電位，其中在該第二運算放大器的輸出端和該第二電容器在第二節(jié)點之間連接第二電阻器，其中在該第二節(jié)點的電壓電位被提供給該第二運算放大器的倒相輸入端，因而流過該第二電阻器的反饋電流使在該第二節(jié)點的電壓電位保持基本上等于該周期性變化電壓源的輸出電壓的電壓電位，其中該多個第一運算放大器中相應的一個的輸出提供給該多個差值放大器中相應的一個的第一差分輸入端，和該第二運算放大器的輸出被提供給該多個差值放大器中相應的一個的第二差分輸入端，和其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，該多個差值放大器中相應的一個的輸出與代表由相應的值(r1×c1-r2×c2)調(diào)制的、該周期性變化電壓源的輸出電壓的時間導數(shù)的信號成正比，該周期性變化電壓源的輸出電壓是時間的周期函數(shù)，其中c1是該組第一電容器中相應的一個的電容，c2是該第二電容器的電容，r1是該多個第一電阻器中相應的一個的電阻，和r2是該第二電阻器的電阻。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該多個差值放大器中相應的一個的輸出周波的一個固定時間上的輸出和相應的值(r1×c1-r2×c2)之間存在線性關(guān)系。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其中在穩(wěn)定狀態(tài)下，在該多個差值放大器中相應的一個的輸出的正和/或負周波的平均絕對值和相應的值(r1×c1-r2×c2)之間存在線性關(guān)系。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，還包括同步解調(diào)器，其中該周期性變化電壓源是正弦電壓源，和其中該同步解調(diào)器用于通過同步解調(diào)從該多個差值放大器中相應的一個的輸出提取與相應的值(r1×c1-r2×c2)成正比的信號中相應的一個。
39.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，還包括一組第一傳感電極和公共的第二傳感電極，其中該組第一電容器中的每一個形成在人附屬肢體和該組第一傳感電極中相應的一個之間，和其中該第二電容器形成在該人附屬肢體和該公共的第二傳感電極之間，和還包括開關(guān)決定部分，用于根據(jù)該多個差值放大器中相應的一個的輸出產(chǎn)生多個第一控制信號中的每一個，和開關(guān)輸出部分，用于指示響應于該多個第一控制信號中相應的一個的相應的一個狀態(tài)情形。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的裝置，還包括啟動延遲部分，用于延遲該開關(guān)決定部分產(chǎn)生該多個第一控制信號中的每一個，直到該裝置處于穩(wěn)態(tài)情形。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的裝置，還包括公共的防護電極，其中該防護電極與該組第一傳感電極和該第二傳感電極電隔離，其中該防護電極保持與該組第一傳感電極和該第二傳感電極基本相同的電壓電位，和其中該防護電極設置為圍繞該組第一傳感電極和該第二傳感電極的背面和側(cè)面。
42.根據(jù)權(quán)利要求39的裝置，其中該組第一傳感電極中相應的一個是一組中心電極中相應的一個，該第二傳感電極是公共的外部電極，和其中該組中心電極中的每一個與該外部電極隔開并至少部分被該外部電極圍繞。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的裝置，還包括含有許多凹陷區(qū)的表面，每個凹陷區(qū)都是容器形式，每個容器具有基底和邊緣，其中該外部電極和該組中心電極設置在該表面的其中一面上，和其中該組中心電極中的每一個都設置在這些容器中相應的一個的基底附近，和該外部電極設置在這些容器的邊緣附近。
44.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，還包括一組第一傳感電極和公共的第二傳感電極，其中該組第一電容器中的每一個形成在導電物體和該組第一傳感電極中相應的一個之間，和其中該第二電容器形成在該導電物體和公共的第二傳感電極之間，及該多個差值放大器的輸出指示該導電物體相對于這些第一傳感電極的接近或位移。
45.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，還包括一組第一傳感電極和公共的第二傳感電極，其中該組第一電容器中的每一個形成在人附屬肢體和該組第一傳感電極中相應的一個之間，和其中該第二電容器形成在該人附屬肢體和該公共的第二傳感電極之間，其中該組第一傳感電極布置以形成二維陣列，和其中該多個差值放大器的輸出指示該人附屬肢體相對于這些第一傳感電極的位置或位移。
46.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，還包括多組第一傳感電極和公共的第二傳感電極，其中該組第一電容器是多組第一電容器中選擇出來的一組，其中該多組第一電容器中相應的一組的每一個電容器形成在人附屬肢體和該多組第一傳感電極中相應的一組中相應的一個之間，和其中該第二電容器形成在該人附屬肢體和該公共的第二傳感電極之間，其中該多組第一傳感電極布置以形成二維陣列，和其中該多個差值放大器的輸出指示該人附屬肢體相對于這些第一傳感電極的位置或位移。
全文摘要
一種提高電容式轉(zhuǎn)換器、接近傳感器和非接觸開關(guān)的敏感性和精確度的電容測量裝置。被測量的兩個電容器(C1、C2)中的每一個的一端接地，并且通過運算放大器(A1)或多個放大器(A0、A1)利用負反饋來保持基本相同的電壓電位。該裝置由周期性的例如正弦信號源(G1)或多個信號源(G1、G2)驅(qū)動，并且包括差值放大器(A2)，其用于產(chǎn)生與兩個電容器(C1、C2)的電容的指定算術(shù)函數(shù)具有線性關(guān)系的電信號。利用該電容測量裝置實現(xiàn)非接觸開關(guān)。該非接觸開關(guān)包括對應于被測的兩個電容器(C1、C2)的兩個傳感電極(E1、E2)，并且在一個實施例中具有容器形狀的正面。
文檔編號H03F3/00GK1951003SQ200580014313
公開日2007年4月18日 申請日期2005年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
發(fā)明者李應流 申請人:李應流