专利名称：包括电容性传感器的邻近检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用电容性传感器的邻近检测器。
在许多工业应用中，不管障碍是另一目标或个体，必须检测并测量机器和障碍之间的邻近程度，从而提供邻近距离信息、告警信号，并采取相应动作。
通过非限定性的举例，可被提及的这种类型的检测器的工业应用是对移动或静止自动仪器和障碍之间的防碰撞功能的管理、对防盗窃功能的管理、以及更通常地涉及实现邻近检测的任何管理。
在医学领域中，用于病人听诊(auscultation)的各种自动仪器需要知道病人相对于机器的移动部件的位置。
通过举例，对于放射学中或成像中的应用，或也对于医学或外科手术治疗，必需能够为设备或自动控制系统的操作者提供尽可能精确的涉及病人位置的信息，从而快速和正确地定位听诊元件。
关于采用X射线的放射学系统，对放射学设备相对于病人的毫米级位置的实时知识和它的即时硬件环境将允许增大机器的移动速度、提高安全性并最小化对X射线的曝光时间。
当前愿景之一是在确保不与病人碰撞的同时增大脉管定位器的移动速度。然而，当病人的外形和他相对于机器的参照机架的位置是未知时，这些自动仪器移动时的速度是低的，从而使机器的移动部件不意外地伤害病人。通常，紧急停机包括当X射线检测器或发射器开始与病人或设备的另一部件接触时由机械电路断路器停止全部移动；然而，移动目标的动力学和接触器的短的行程需要低的位移速度。只有当非接触装置在一个足以在接触病人之前使移动慢下来的距离处(被称为上限阈值)检测到病人的情况下，才有可能增大自动仪器的速度。被称为下限阈值的最小距离允许实现防碰撞紧急停机功能。
当前，因此存在对提供精确的距离信息的非接触邻近检测器的真实需要，其可以用于比如医学成像之类的具体环境。文献US4,987,583、WO 9730633和WO 9719638公开了适于这种类型的应用的邻近检测器。
文献US 5,982,835公开了一种非接触式邻近检测器。所使用的电子装置包括与连接至无屏蔽(shield)测量电极的FET晶体管振荡器一同起作用的非全有即全无(all-or-nothing)的检测器。
文献US 5,442,347公开了一种具有受控双屏蔽的电容式邻近检测器，其在相位差测量模式下起作用，同时利用用参照电阻产生的RC常量。通过利用缓冲器再生传感器信号来产生屏蔽。然而，当缓冲器增加寄生电容至被测量的电容时，在该概念中的一个主要的理论问题变得明显。该寄生电容远远大于被测量的电容，其导致测量误差和明显的不稳定性。
文献US 5,554,973公开了一种没有屏蔽的电容式静电检测器，其依据开关电容操作原理操作。
文献US 6,348,862公开了一种邻近检测器，其包括被放置成接近一个空间区域的检测电极和多个控制电极，其中在该空间区域中放置被检测的目标。
本发明的一个主要目的是提出一种采用电容性传感器的邻近检测器，其在大于现有技术的邻近检测器所允许的测量量程(典型地到约十厘米的精度)处提供对目标位置的精确测量(典型地精确到最近的毫米)，具体地，其具有增大放射学机器的移动速度并提供病人的外形以评估其厚度的效果，从而优化发射X射线的功率，并从而最小化产生图像所必须的辐射级别。
通过电容性邻近检测器来实现该目的，其包括-至少一个检测天线，其包括多个电容性邻近传感器，每一邻近传感器合并有测量电极，所述天线被放置成接近于目标或身体；-电子装置，其用于激励所述测量电极，并用于处理发源于所述电容性传感器的信号；-数字装置，其用于控制电子装置并用于根据这样处理的测量信号来计算所述电极和所述目标或所述身体之间的距离。
依据本发明，所述电子装置包括用于每一检测天线的浮动电容性桥(capacitive bridge)或具有浮动激励的电容性桥，其与轮询装置协同操作以顺序测量所述天线的每一电极和被测量目标或身体之间的各个电容。
这允许制造像素摄影机等效装置，其中每一像素由电极组成。当沿着病人的身体移动时，该摄影机将允许产生该病人的外形，从而获得对其身体厚度的测量。
所述浮动电容性桥应该在文献FR 2756048中公开的类型。也可以使用在文献FR 2640373中描述的那类电容性测量链，其采用极化电压源和三轴变压器。
依据本发明的邻近检测器可被制造为几个检测天线，所述邻近检测器由沿着几个轴定向以便覆盖全部相关区域的多个测量电极组成。
在用于制造根据本发明的邻近检测器的一个优选形式中，检测天线还包括用于天线的全部测量电极的单个屏蔽。
然而，也可以设想这样一个配置，其中检测天线还包括多个屏蔽，提供每一屏蔽以用于天线测量电极的组件的一部分。
可以利用刚性或柔性电路来制造检测天线，并将其连接至电子装置。
电子装置以及数字控制和计算装置可以协同操作以依据预定但可改变的次序连续在每一天线电极上测量距离。
检测天线优选地包括放置在电极(屏蔽的平坦侧)的后面或被放置成接近于电极的测试轨道，该测试轨道在标准操作中处于屏蔽电势，并且在测试模式中接地。
在这些条件下，每一电极查看模拟目标的存在的寄生电容，从而检验邻近检测器的完整性。
电子装置以及数字控制和计算装置协同操作以提供指示数字控制和计算装置的不一致测量或故障的告警信号。
也可以设想，电子装置包括用于检查所述电子装置的校准或执行自动重新校准的一个或多个参照电容。
在依据本发明的邻近检测器的一个特定配置中，可以将被安排来修改电极的场线的屏蔽或接地表面放置成接近于所述电极。这样，可以产生等效于所述测量电极的特定的表面区域形式。
在一个特定实施例中，在罩或盒子外壳的内部或外部表面上设置依据本发明的邻近检测器，例如X射线成像检测器或X射线发射器。
电子装置以及数字控制和计算装置协同操作以提供邻近检测阈值告警信号。以数字和模拟形式提供电极和被检测目标之间的测量距离。
为了提供跟随六个自由度的移动，例如，在盒子或罩的五个表面上设置天线。
如果这是用于利用X射线的放射学系统的邻近检测器(其包括用于发射想要辐射目标或身体的X射线束的装置)，则被称为X射线天线的天线至少部分地由X射线束穿过。
在一个简单的配置中，X射线天线可以例如包括允许X射线束通过的穿孔。由于它不具有电极，该区域是非测量的。
为了克服该缺陷，于是有可能规定在X射线束的区域中，X射线天线是用对于X射线至少部分地透明的材料制成的。利用一个柔性印刷电路，该制造是可能的，该印刷电路由在它的两个侧面上金属化的绝缘体构成，所述金属化用非常薄的铬层形成用于铜层的基层。在对应于X射线束的通道的区域上通过化学腐蚀去除所述铜层，从而仅在绝缘体上留下薄的铬层，其中产生链接轨道、电容性电极、测试轨道和屏蔽(图5)。X射线发射器也可以具有所谓的X射线天线。
上一个配置允许检测器的电极的完全覆盖，从而增大该检测器的效率。
通过下面的事实特别区分依据本发明的邻近检测器和在文献US5,952,835中公开的检测器在本发明中，电子装置通过利用屏蔽进行幅度测量而起作用，并且振荡器具有独立于被测量电容的恒定特性。此外，依据本发明的检测器通过测量幅度、而不是通过测量相位差来操作。
该邻近检测器装置允许当前放射学机器的位移速度的增大、安全检测(防碰撞)、病人的三维粗略图像的产生以及对病人的厚度的评估，从而最佳化X射线的功率以用最小的辐射产生图像，并提高图像质量。
利用几个容纳于检测器中的装配有多个电容性电极的天线，依据本发明的邻近电容性检测器允许控制用于医学应用的脉管定位器的靠近。所述装置实时测量分离检测器罩的表面和比如病人或台子的围绕目标的几个绝对距离(每个电极一个距离)。
依据本发明的邻近检测器装置可以用于移动机器或自动仪器，特别是机器工具、工业自动仪器、运输工具等，其具有增大它们的操作速度和提高安全性的效果。
通过考察绝非限制性的本发明的实现方法的详细说明以及附图，本发明的其他优点和特征将变得更明显，其中-
图1是合并了两个依据本发明的邻近检测器的放射学设备的方框图；-图2说明了在依据本发明的邻近检测器中天线的布局；-图3说明了依据本发明的邻近检测器的天线的结构的举例；-图4示意性说明了对适于依据本发明的邻近检测器的板的输入和从该板的输出；以及图5说明了用于制造邻近检测器中的天线的柔性电路的结构；以及图6说明了形成依据本发明的邻近检测器的一部分的测量链的结构。
现在参照图1说明在用于脉管定位器的X射线放射学机器中的依据本发明的邻近检测器的一个实施例。
在适于放射学机器(10)的X射线检测器装置(5)内部设置第一邻近检测器(1A)，该检测器包括排列于X射线检测器的罩的五个内壁或外壁的几个天线，每一天线包括多个电极Ei，j。在机器(10)的X射线发射器装置的内表面上设置第二邻近检测器(1B)。在围绕病人(3)躺在其上的检查台(4)旋转的C形移动部件的两端安装X射线发射器装置(2)和X射线检测器装置(5)。
参照图2，依据本发明的邻近检测器1包括设置在罩22的内表面上的天线20和设置在侧表面上的天线21、22。天线20由安排成矩阵的多个电极组成，其包括完全位于一个表面上的电极Ei，j、设置在两个表面上的边缘上的电极E′i，j以及全部设置于侧面上的电极。
需要指出，天线20也可以设置于检测器罩的外表面上。
现在参照图3说明以柔性电路为形式的天线30的一个实施例。该天线30用电极31排列于的罩的主表面的内表面并用电极32、33、34排列于罩的侧表面的内表面。这些电极通过导电轨道(未示出)全部连接至板。
如图5中示意性所述，利用多层技术可以制造适于依据本发明的邻近检测器的天线。为了制造所谓的X射线天线，柔性印刷电路60由绝缘体I构成，在该绝缘体I的两个表面上用铬Cr的薄层和铜Cu的厚层金属化，两个铜层在对应于X射线束的通道的区域ZX上被去除，并且在所述区域中，从两个铬层中制造链接轨道、电容性电极Ecr、测试轨道P和屏蔽。
依据利用“无粘合(adhesiveless)”类型的多层柔性电路的工业工艺制造铜+铬中的导电屏蔽层G、铜+铬中的电极ECu+Cr和铬中的电极ECr，该“无粘合”类型的多层柔性电路在一个聚酰亚胺载体上具有覆盖有铜的铬薄层。由柔性电路的制造商控制该工业工艺。
参照图4，用于依据本发明的邻近检测器的板包括至三个检测天线的电极的64条链路、连接至用于每一天线的测试电极的测试输入端、用于再初始化的复位输入端和直流电源输入端。
该板接受“监视器(watchdog)”告警信号、五个告警阈值检测信号(目标或病人太近)、X射线发射器检测信号、对应于罩的五个表面的五个模拟输出信号、检测X射线发射器的模拟输出信号、测试电极激励信号和用来与设备的中央处理单元通信的串行数字信号。
在不一致测量、没有电极或软件错误的情况中将“监视器”告警信号设置为低电平。模拟输出是从检测器的表面、从检测器的侧面、或从发射器的最小距离的图像。复位信号是用于再初始化微控制器的信号。数字链路提供64个测量的距离以及邻近检测器正确地操作。传感器直接连接至设备的中央处理单元SI而无需接口卡。
如图6所示，依据本发明的邻近检测器的天线A经柔性连接电缆CL连接至板60，其包括允许轮询输入端的模拟多路复用器、利用在对应于1996年11月15日的法国专利no.9613992的文献FR2750648中公开的技术的多通道电容性浮动桥、模拟/数字转换模块和用于计算距离、检查合格操作和与信息系统SI通信并控制机器的数字模块。
参照前面的附图，现在说明依据本发明的邻近检测器的操作。遵循可以在软件中简单改变的顺序，邻近检测器依次在每一电极上测量距离。
邻近检测器具有测试电极，在标准操作中，该测试电极处于屏蔽电势，而当被接地时，其用于测试传感器的正确操作和组件连接+天线的适用性。
通过执行测试命令，它也可以测试每一传感器的测量链，以用于正确操作。
如果在一个电极上测量的距离达到预定义的低阈值，则对应于支持该电极的天线的软件输出移动至低状态，并当距离再次超过阈值时，它回复至高状态。如果n个测量中的任何一个是不一致的(测试失败)或如果微控制器被阻塞或损坏，则“监视器”告警输出移动至低状态。
最初，数字输出是用于每一电极的所测量距离的图像，但处理然后会变得更复杂，因此微控制器(或DSP)将具有预留计算能力。
现在说明依据本发明的邻近检测器的制造的实际举例。
在该实际举例中，电模块被设置在长度为160mm和宽度为100至160mm的板上，并包括用于模拟输出(扭绞的和屏蔽的)的连接器、用于软件输入/输出的连接器、电源连接器和用于电极信号的几个连接器。
占据检测器的边缘的天线将在侧面上具有它们的一半表面和并在大的正面上具有其另一半表面。在4个天线上分布了33个电极；3个天线用于检测器，并且一个天线用于X射线发射器。13个电极位于检测器的侧面上的天线上，16个电极在X射线天线上，2个电极在X射线发射器上。
传感器的量程大于100mm，其具有毫米量级的分辨率，这允许优化对于检测器接近病人的速度的控制(具有最小撞击风险的最大速度)。
连接电子装置至X射线发射器的侧面的天线的电缆可以移动，并在实践中必须适应50mm曲率的动态半径。
为了允许在不去除电缆的情况下替换X射线发射器的侧面或电子装置的天线，例如，后者可以在天线侧配备连接器并在电子装置侧配备连接器。也可以在检测器的侧面上提供屏蔽条带，以便修改电极的场线，从而修改这些电极的等效表面区域以及它们的测量跨距和它们的测量范围。
由于它是安全装置，检测距离必须是非常可靠的，并且系统必须能够在故障的情况下被警告。在真实环境中，设备的周围是非常拥挤的。被检测的目标是不同的类型；人体(躺在台子上的垫子上的病人或站在台子一侧处的医生)，可以或可以不接地的金属部件，以及轻微导电的非金属部件。检测必须在任何方向上工作。检测发生在检测器的整个有效表面之上和它的边缘上，其对应于盒子的五个侧面。
X射线天线必须是对X射线准透明的，这意味着使用不是非常厚的金属以用于电极和屏蔽的制造。医生通常在检测器上安装轻的塑料保护(Charlotte)。其中必须检测全部邻近的时间的数量级对于具有64个电极的天线来说是50ms。被检测目标的尺寸是可变的从病人的腹部到他的手、手指或他的鼻子。
当然，本发明不局限于上面已经说明的举例，并且在不脱离本发明的范围的前提下可对这些例子进行多种安排。更一般地，当利用多电极天线检测复杂形状或存在时，依据本发明的邻近检测器可以用于任何工业应用。因此，可以为移动式自动仪器或运输工具提供依据本发明的邻近检测器，以提高这些设备周围的安全性。依据本发明的邻近检测器也可以用于防盗窃装置和防碰撞装置中。
权利要求
1.一种采用电容性传感器的邻近检测器，包括-至少一个检测天线，包括多个电容性邻近传感器，每一邻近传感器包括测量电极，所述天线被放置成接近于目标或身体；-电子装置，用于激励所述测量电极并用于处理源自所述电容性传感器的信号；-数字装置，用于控制电子装置并用于根据这样被处理的测量信号来计算所述电极和所述目标或所述身体之间的距离，其特征在于，电子装置包括用于每一检测天线的浮动电容性桥或利用浮动激励来与轮询装置协同操作以便顺序测量所述天线的每一电极和被测量目标或身体之间的各个电容。
2.依据权利要求1的邻近检测器，其特征在于，检测天线还包括用于天线的全部测量电极的单个屏蔽。
3.依据权利要求1的邻近检测器，其特征在于，检测天线还包括多个屏蔽，提供每一屏蔽以用于天线的测量电极的组件的一部分。
4.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，电子装置以及数字控制和计算装置协同操作以依据预定的但可改变的顺序依次在天线的每一电极上测量距离。
5.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，它的检测天线中的至少一个包括测试轨道，在标准操作中，该测试轨道处于屏蔽电势，并且在测试模式中，该测试轨道接地。
6.依据权利要求5的邻近检测器，其特征在于，在电极的后面放置测试轨道或将测试轨道放置成接近于电极。
7.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，电子装置以及数字控制和计算装置协同操作以提供指示数字控制和计算装置的不一致测量或故障的告警信号。
8.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，电子装置还包括为检查所述电子装置的校准或为再校准所述电子装置而提供的一个或多个参照电容。
9.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，一个天线还包括接近测量电极的、被安排成修改测量电极的场线的一个或多个屏蔽或接地表面。
10.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，在罩或盒子的内部或外部表面上设置该邻近检测器，并且该邻近检测器包括装配有检测天线的多个测量区域。
11.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，电子装置以及数字控制和计算装置协同操作以提供邻近检测阈值信号。
12.依据权利要求10和11的其中之一的邻近检测器，其特征在于，电子装置以及数字控制和计算装置协同操作以提供盒子的区域和被检测目标之间的最小距离图像的模拟输出信号。
13.依据权利要求10到12的其中之一的邻近检测器，其特征在于，在盒子或罩的五个表面上设置天线。
14.依据权利要求10到13的其中之一的邻近检测器，其特征在于，该邻近检测器包括部分设置于所述罩的一个表面且部分设置于另一邻接表面上的边缘天线以及侧面天线。
15.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，利用柔性电路制造天线中的至少一个。
16.依据前述权利要求之一的邻近检测器，其特征在于，天线中的至少一个通过柔性连接装置连接至电子装置。
17.依据前述权利要求之一的邻近检测器，该邻近检测器用于采用X射线的放射学设备中，该邻近检测器包括用于发射想要辐射目标或身体的X射线束的装置和用于检测源自所述目标或身体的X射线的装置，该X射线检测器装置被罩覆盖，其特征在于，在所述罩的内部或外部表面上、在X射线发射场中设置检测器，并且该邻近检测器包括被称作X射线天线的至少一个天线，该天线被X射线束穿过。
18.依据权利要求17的邻近检测器，其特征在于，X射线天线包括为X射线束的通道提供的穿孔。
19.依据权利要求17的邻近检测器，其特征在于，从柔性印刷电路制造X射线天线，该柔性印刷电路由利用铬薄层、然后用铜层在两个表面上金属化的绝缘体构成，在对应于X射线束的通道的区域上去除所述铜层，并且在所述区域中从铬层制造链接轨道和电容性电极。
20.依据前述权利要求之一的邻近检测器，该邻近检测器适于采用X射线的放射学设备，该邻近检测器包括用于发射想要辐射目标或身体的X射线束的装置，其特征在于，在所述发射器装置的内部或外部表面上设置该邻近检测器。
21.依据前述权利要求之一的邻近检测器的应用，用于控制脉管定位器。
22.依据权利要求1到20的其中之一的邻近检测器的应用，用于在放射学机器中从对所述目标或身体的厚度的计算开始，检查发射至目标或身体上的X射线剂量。
23.依据权利要求22的应用，其中根据距离测量来计算目标或身体的厚度。
24.依据权利要求1到20的其中之一的邻近检测器的应用，用于检查运动中的机器、特别是机器工具的速度和/或位置。
25.依据权利要求1到20的其中之一的邻近检测器的应用，用于检测复杂形状或存在。
26.依据权利要求25的应用，其中在一项设备或移动运输工具中安装依据权利要求1到20的其中之一的一个或多个邻近检测器。
27.依据权利要求25的应用，用于防盗窃检测器。
全文摘要
本发明涉及一种采用电容性传感器的邻近检测器，其包括至少一个检测天线，该检测天线包括多个电容性邻近传感器，每一邻近传感器包括测量电极，所述天线被定位成接近于目标或身体；用于激励电极和处理源自电容性传感器的距离信号的电子装置；以及控制前述电子装置并利用经处理的测量信号来计算电极和身体或目标之间的距离的数字装置。检测天线还包括用于全部测量电极的单个防护装置。此外，电子装置包括用于每一检测天线的浮动或浮动激励电容性桥，其与轮询装置协同操作以顺序测量每一电极和被测量目标或身体之间的各个电容。
文档编号G01V3/08GK1695038SQ03824951
公开日2005年11月9日 申请日期2003年9月5日 优先权日2002年9月6日
发明者D·罗齐尔 申请人:纳米技术公司