检测传感器的制作方法

本发明涉及检测传感器的领域，特别是要安装在富含水分或水的环境内的传感器的领域。

本发明优选地且有利地应用于自动龙头（faucet）的领域，这里水流的控制借助于触摸或接近传感器而发生。

本发明还应用于安全领域，这里触摸或接近传感器被安装在应用于可以暴露于坏天气的窗户、格栅或门的导电膜或金属框架内。

特别地，本发明涉及根据权利要求1的前序部分的传感器和并入这样的传感器的自动龙头。

背景技术：

自动龙头出于若干原因而已经变得相当常见。

首先，它们允许节约水，因为当洗他/她的手的人移动离开龙头时，该后者阻止水流动。其次，它们是卫生的，因为可以在没有（或几乎没有）利用脏手触摸龙头手柄的情况下控制水。

当前存在若干类型的自动龙头，其主要基于电容或红外（IR）传感器。

具有红外传感器的龙头具有以下优势：与龙头的接触对于打开和关闭水流不是必要的，然而它们具有以下缺点：其在期望填充下面的水槽的盆（例如，用于洗衣服）时是不方便的。在该情况下将必要的是，在对于填充水槽所必要的全部时间内保持用手靠近传感器，而没有走开的可能性。

为了解决这种类型的缺点，美国专利US 8,376,313提供一种用于龙头的电容传感器，其允许通过手部在传感器的电极上的简单触摸而打开和关闭水流。

尽管其是高效的，然而从US 8,376,313得知的解决方案具有一些缺点，诸如接地或虚拟接地连接的需要。而且，专利US 8,376,313看起来不提供对龙头的复杂控制的可能性，而是其仅可以取决于在传感器上检测到的电容改变而打开或关闭水流。

相反，从专利US 5,694,653得知一种自动龙头的解决方案，其如在IR传感器的情况下那样不需要触摸龙头。该解决方案不仅允许控制水流的打开和关闭，而且还允许借助于接近传感器来调节水温。然而，该解决方案是相当复杂和麻烦的。布置在水槽的盆上或龙头喷嘴（spout）上的多个发送器天线发射静电场。一旦接收器天线与所发送的场接触，它就接收由人体生成的静电场。处理器处理所接收到的信号以用于相应地控制龙头。

技术实现要素：

本发明的目的是克服与生产检测传感器有关的现有技术缺点。

特别地，本发明的目的是提供可以作为触摸或接近传感器操作的灵活使用的传感器。

本发明的这些和其它目的通过使所附权利要求的特性具体化的传感器来实现，所述所附权利要求是本描述的主要部分。

在一个实施例中，传感器包括脉冲生成器和通过电感电路（例如，实际的电感器）而被连接到脉冲生成器的输出的电极。传感器还包括用于检测存在于电极处的信号的幅度中的改变的检测器，以及操作连接到检测器的输出并且能够取决于来自检测器的输出信号而检测与传感器交互的人员的存在的控制单元。

通过电感电路将电极连接到脉冲生成器的选择允许改进传感器的使用的灵活性。通过改变生成器的频率，使传感器作为触摸传感器或作为接近传感器或作为触摸和接近传感器的混合物操作是可能的。

这允许将传感器用在不同的应用中。例如，在作为混合式传感器操作的情况下，这允许传感器用于控制多路龙头，诸如淋浴器，其典型地设有至少两个出口，例如龙头的喷嘴和淋浴器头。

而且，传感器不需要接地或虚拟接地，但是其可以利用在其被安装在其中的相同PCB（印刷电路板）上获得的接地线进行操作。

在一个实施例中，传感器设有能够生成具有基本上等于电感电路的谐振频率或这样的谐振频率的倍频程（octave）的整数倍的重复率的脉冲序列的脉冲生成器。

本发明还涉及使用这样的传感器的自动龙头和用于控制装备有这样的传感器的自动龙头的方法。

从以下描述并且从所附权利要求，本发明的另外的有利特性将是更加清楚的。

附图说明

以下将参照作为示例而非作为所附绘图中的限制被提供的非限制性示例来描述本发明。这些绘图示出本发明的不同方面和实施例，并且在适当的场合下，在不同图中示出相同结构、组件、材料和/或元件的参考数字由相同参考数字来表示。

图1示意性地为根据本发明的传感器；

图2是图1的传感器的第一变型；

图3是图1的传感器的第二变型；

图4是用于实现图1的传感器的一些组件的电路；

图5是并入图1的传感器的自动龙头；

图6是在人员与龙头交互和不交互的情况下图1的传感器当作为接近传感器操作时的电压中的改变。

图7是当图1的传感器被配置用于作为接近传感器操作时用于利用其控制自动龙头的方法。

图8是在人员与龙头交互和不交互的情况下图1的传感器当作为触摸传感器操作时的电压中的改变。

图9是当图1的传感器被配置用于作为触摸传感器操作时用于利用其控制自动龙头的方法。

图10是在人员与龙头交互和不交互的情况下图1的传感器当作为混合式接近和触摸传感器操作时的电压中的改变。

图11是在人员与龙头交互和不交互的情况下图1的传感器当作为触摸传感器操作时的电压中的改变。

图12是当图1的传感器被配置用于作为触摸传感器操作时用于利用其控制自动龙头的第二方法。

图13和14是可替换图1的那些的传感器的另外的实施例。

具体实施方式

虽然本发明容许有各种修改和可替换的形式，但是以下详细描述出于解释性原因而提供的一些非限制性实施例。

然而，应该理解的是，不存在将本发明限制到所公开的具体实施例的意图，而是相反，本发明的意图是覆盖落在如权利要求中限定的本发明的范围内的所有修改、可替换的形式和等同物。

因此在以下描述中，“例如”、“等”、“或”的使用指示非排他性可替换方案而没有限制，除非另外限定；“还”的使用意味着“在……之中，但不限于”，除非另外限定；“包含/包括”的使用意味着“包含/包括，但不限于”，除非另外限定。

术语电感电路意味着具有主要电感等效阻抗的电路；因而这样的电路例如将是实际的电感器（众所周知还包括最小的电阻电容成分）或具有串联或并联电阻器的实际的电感器。

图1示出意图被安装在潮湿环境内或与水接触的传感器1。在以下示例中，在非出于限制传感器的可能应用和保护范围的这种原因的情况下，涉及在水槽上的应用（图5）。

传感器1包括能够生成具有期望频率的脉冲序列的脉冲生成器2，所述期望频率在脉冲生成器2的操作范围内是可选择的。在特别有利的实施例中，脉冲生成器被配置用于生成具有高于100 KHz并且优选地高于300 KHz的重复率的方波序列。该频率范围对于应用于自动龙头的传感器而言是特别有利的，因为其允许区别一只手靠近龙头经过（因而具有控制它的意图）和一只手远离龙头经过（并且因而没有控制它的意图）。

脉冲生成器2的输出通过电感电路4被连接到电极3。电阻器5设置电极3的偏置，从而避免其保持浮置。

在电极下游，检测和控制电路6检测通常存在于电极3处的信号的幅度中的改变，其是由于人员与电极交互所致。因此，因而，检测和控制电路检测与电极交互的人员的存在。

在图1的示例中，检测和控制电路6包括：

– 放大对应于存在于电极3处的那个的信号V1的放大器60，

– 检测来自放大器60的输出信号V2的最大幅度的峰值检测器61，并且其提供与放大器60的输出的幅度相关的输出恒定信号V3，

– 控制单元62，接收输入恒定信号V3并且其生成输出控制信号V4，所述输出控制信号V4可以既是控制传感器外部的一个或多个设备（诸如一个或多个阀门）这样以控制其打开和关闭所必要的信号，又是意图由传感器外部的微处理器来解释和管理的警报信号，其进而控制这样的外部设备。

由于以上，控制单元62可以不被提供在传感器内部并且其功能可以由传感器其自身外部的处理器来执行。

在图2的示例中，示出图1的传感器的一个可替换的实施例。在该情况下，电极3通过第二电感器7被连接到电感器4。当人员靠近电极3移动或触摸电极3时，则存在于电极上的信号VE改变并且因此由检测和控制电路6实际上检测到的电压V1也改变。在该实施例中，因而，检测和控制电路6间接检测存在于电极3处的电压中的改变。

图3示出传感器1的另外的实施例，其中插入其它组件，诸如连接在生成器2与电感器4之间的电阻器8，和充当对抗静电放电的ESD（静电放电）保护的齐纳二极管9。

这样的附加组件已经被公开为可以被插入在传感器内以用于改进其性能的可能元件，即使它们对于实现检测用户与电极之间的交互的功能而言不是必需的。

图4示出充当用于传感器的放大器和峰值检测器的电路；这样的电路因而起实现图1-3的电路块60和61的功能的作用。

图4的电路包括运算放大器10，其同相输入被连接到地并且其反相输入被连接在电阻器11与电阻器12之间。电阻器11被连接到节点n1，这里提供被监视的电压V1，而电阻器12在一侧上被连接到电阻器11并且在另一侧上被连接到位于放大器10的输出上的二极管13的输出。

由电阻器14和电容器15组成的RC电路是低通滤波器，其允许输出电压V3被提供，所述输出电压V3是具有值αV1的直流电压，其中α（alpha）是图4的电路的增益。

在操作上，传感器1被安装在自动龙头上这样以检测人员与龙头之间的交互。

图5示出包括龙头101和盆102的水槽100，仅示出其的一个截面。

龙头101包括喷嘴103，来自运送热水和冷水的两个管道104的水通过所述两个管道104流动。龙头的喷嘴103借助于一个或多个紧固元件被安装在表面105上。在图5的示例中，紧固元件是放置在紧固表面上的环形螺帽106，然而，取决于龙头模型，使环形螺帽放置在表面下面或者提供两个环形螺帽，一个在表面105以上并且一个在表面105下面，是可能的。

在图5的示例中，龙头包括以上参照图1-4示出的类型的传感器1。通过虚线表示的传感器1被插入在表面105中的凹进部分内，并且电极3被放置成与龙头101的金属喷嘴103接触。因此，整个喷嘴是传感器的部分并且龙头对逼近或不逼近喷嘴103的手部200起反应。

为了使传感器与外部环境绝缘，提供绝缘体，其是由允许龙头与外部环境绝缘的非导电材料制成的器件。

在图5的示例中，例如绝缘体107被提供成放置在紧固环形螺帽106与表面105之间，并且绝缘体108被提供成沿着联动装置109放置，所述联动装置109允许水槽100的挡块111借助于手柄110而被控制。在一个实施例中，绝缘体108采取塑料橡胶垫或O形环的形式，然而可以采取其它形式和解决方案。如果电极3不与龙头喷嘴接触，但是其被安装在喷嘴内（例如，被安装到适当的座中）与喷嘴绝缘，则可以省略绝缘体107和108。

无论如何，对于运送热水和冷水的管道104而言必要的是由非导电材料制成，这样以保证与供水系统的电气绝缘，所述供水系统可以传导将使传感器不太灵敏的信号。传感器1检测用户与龙头的交互，例如人员的手部200是否靠近移动，其是否触摸龙头101或者其是否远离龙头101移动。

如参照以下各图更好地解释的，传感器可以被配置用于实现控制龙头的不同方法，例如其可以被配置成以便仅检测一个人的存在，而没有触摸它的需要，或者检测触摸，或仍旧检测触摸和靠近龙头移动的人员二者。

将脉冲生成器连接到电极3的电感器4是实际的电感器，并且照此其还具有电容和电抗成分，使得电感器充当主要电感电路，具有增益，所述增益在一个谐振频率f₀处和在与谐振频率相隔（增加或减小）f₀/8的频率处具有最大峰值。例如，如果考虑TDK®的电感器NL565050T-472J-PF，其在252 kHz的频率处具有最大增益并且在282.5 kHz、315 kHz、346.5 kHz等等处具有增益峰值。

图6示出在如下情况下的电压V3的趋势：如果脉冲生成器2被设置用于生成具有低于谐振频率f₀或低于其倍频程（nf₀/8，其中n为整数）的频率的脉冲序列。在该情况下，传感器1检测逼近电极的一只手，即其充当纯粹的接近传感器。自动龙头因而可以被配置用于实现图7的方法。龙头的控制系统（例如，图1中的单元62）检查（步骤701）电压V3是否胜过V_thp中的阈值设置使得V_rest≤V_thp。如果电压低于阈值（优选地，选择成高于V3_rest这样以考虑可能的噪声），则这意味着不存在人员与龙头之间的交互并且方法返回到步骤701。当（图6的时间t₀）人员靠近电极（或龙头的喷嘴，如果电极被连接到喷嘴的话）移动时，则电压V3通过从静止（rest）值V3_rest到检测值V3_prox> V_thp经过而增加；因而控制系统检查所测量到的电压高于阈值并且其打开龙头（步骤702）。

然后控制系统开始检查（步骤703）所测量到的电压是否已经下降至阈值以下，即是否V3 < V_thp。如果不是，则重复检查，否则其意味着与龙头的交互已经结束（时间t₁），例如因为用户将他/她的手部远离龙头，则电压V3返回到静止值V3_rest。现在，控制系统关闭（步骤704）龙头并且控制系统的算法返回到步骤701，等待再次打开龙头。

图8示出在如下情况下的电压V3的趋势：如果脉冲生成器2被设置成生成具有高于谐振频率f₀或高于其倍频程（nf₀/8，其中n为整数）的频率的脉冲序列。在该情况下，传感器1检测一只手与龙头的触摸，即其充当纯粹的触摸传感器。因此自动龙头可以被设置用于实现图9的方法。龙头的控制系统（例如，图1的单元62）检查（步骤901）龙头是否打开，例如通过控制存储器字段中的标志。如果龙头被关闭，则控制系统检查（步骤902）是否电压V3变成低于V_tht中的阈值设置使得Vrest <= V_tht。如果电压高于阈值，则其意味着不存在人员与龙头之间的交互并且方法返回到步骤902。当（图8的时间t₀）人员通过手部触摸电极（或龙头喷嘴，如果电极被连接到所述龙头喷嘴的话）时，则电压V3通过从静止值V3_rest到检测值V3_touch < V_tht经过而减小；因此控制系统检查所测量到的电压是否低于阈值电压，其对应龙头被触摸。为了检查触摸是否是故意的而非意外的（例如，因为人们期望清洁龙头），控制系统被设置用于等待预确定的相当短的时间Δt，例如1或2秒（步骤903），然后其重复关于电压值的检查（步骤904）。如果即使在该情况下电压也低于阈值电压，则控制系统检查电极已经被故意触摸并且其打开龙头（步骤905）。

然后，当人员从与电极的接触移开手部时（图8的时间t₁），电压V3上升至阈值V_tht以上并且其返回到初始值V3_rest。这通过控制系统来检查，其在打开龙头之后并且在等待时间Δt2（例如，5秒）（步骤906）之后，其检查（步骤907）所测量到的电压是否已经上升至阈值以上，即是否V3 > V_tht。如果是，其意味着不存在不合常规的情况，诸如手部与龙头的非故意延长的接触或与使电极接地的对象的接触；算法因而返回到步骤901。如果不是，验证操作异常状况并且控制系统关闭龙头（步骤908）。

当龙头打开时，在图9的示例中，水被供给直至时间t2，此时由用户对电极的新触摸已经发生。该事件在步骤909处被检查，这里控制系统检查是否存在与电极的新接触，即是否V3<=V_tht，在该情况下其关闭龙头（步骤908）。

作为可替换方案，控制系统可以被配置成以便在预确定的时间内供给水，在该情况下，以上描述的步骤909可以被定时器代替，当其期满时关闭龙头（步骤909）。

相反，图10的示例示出电压V3的趋势，如果脉冲生成器2被设置用于生成具有等于谐振频率f₀或其倍频程（nf₀/8，其中n为整数）的频率的脉冲序列的话。在该情况下，传感器1检测一只手与电极的接近和接触二者，即其充当混合式接近和触摸传感器。

诸如在图10中所示出的，当手部逼近电极时，则电压V3上升至在没有人员与电极之间的交互的状况下维持的静止值V_rest以上。因而，变化（behavior）与参照图6所解释的类似。当人员用他/她的手部触摸电极时，则电压V3下降至V_rest以下，如以上参照图8所提到的。

在该情况下，控制系统62可以被配置成以便取决于一只手触摸或仅靠近电极移动的事实来做出不同的决定。

例如在多路龙头中，控制系统可以在手部靠近或远离电极移动时打开和关闭一路的水流，并且相反，其可以在手部触摸接触件时打开和关闭另一路的水流。在用于淋浴器的龙头中，这例如将允许淋浴器的水流在人员靠近传感器走动时被打开，并且当电极被触摸时将水流从淋浴器头偏离到手持淋浴器头。

鉴于以上，清楚的是，所描述的传感器如何能够实现所建议的目的并且取决于其配置而允许检测接近和触摸状况或它们二者。

因而，清楚的是，本领域技术人员可以对以上描述的用于控制自动龙头的方法和传感器做出不同改变，而不出于此原因而脱离诸如在所附权利要求中所限定的本专利的保护范围。

例如，清楚的是，以上描述为分立组件的若干组件可以被集成，或者电路的不同功能块可以由集成电路或可编程逻辑（PLC）来实现。

关于阈值V_tht和V_thp，它们可以被预先布置或者可以在校准步骤之后被限定，此后在人员处于与龙头交互或不交互的状况下检查电压V3的值。因而阈值电压可以在校准步骤期间所测量到的电压V3的两个值之间选择，特别地，ΔV3是所测量到的信号之间的差，阈值电压被选择为等于不交互状况下的电压（V3_rest）加上或减去（取决于其分别为V_thp还是V_tht）ΔV3的30-35%。因而，该校准步骤允许选择考虑传感器组件的可能制造公差的最优阈值电压。

在另外的有利的实施例中，系统使用动态（mobile）阈值以便区别与龙头的交互状况和不交互状况。

取决于传感器以其被安装在龙头中的配置，例如电极是否被连接到龙头喷嘴，并且取决于流过龙头的水的盐水平，在没有交互的情况下由控制系统用于决定如何控制龙头的电压V3在龙头被打开或者关闭的情况下（即，在存在水流动或者不通过龙头喷嘴的情况下）可以相当不同。

动态阈值的使用允许保持传感器的用于以下的良好的能力：区别用户与传感器交互或不与传感器交互，其中龙头处于打开或关闭状况中。

在图11的示例中，传感器1视为被配置用于作为纯粹的触摸传感器操作。

参照图11，在时间零处，龙头关闭并且不存在龙头与自然人之间的交互，因而电压V3在静止值V3_rc处。阈值电压V_tht，在该初始步骤中被设置在值V_tht0处，所述值V_tht0例如如以上所描述的在校准步骤之后确定。

在时间t₀处，电压V3下降至阈值V_tht（设置在V_tht0中）以下，走到V3_touch。诸如参照图12的方法所描述的，控制龙头的系统检测到触摸已经发生（步骤1001），其检查龙头关闭（步骤1002）并且其打开它（步骤1003）。

现在（时间t0），将阈值电压设置成零V_tht（步骤1004）并且控制系统等待检测到新的触摸（步骤1001）。

在后面的时钟时刻处，控制系统再次计算阈值电压的值，从而保持其总是在信号值V3以下。

在一个实施例中，将阈值电压被计算为：

V_tht=V3*0.65。

由于阈值总是被保持在信号值V3以下，关于图9的示例可以简化龙头控制方法。

当在时间t₁处，人员的手部与传感器之间的触摸结束，电压V3增加至值V3ro，其由于经过龙头的水而低于V3rc，然而阈值保持在V3的值以下，因而传感器控制系统不对龙头执行任何动作。

当在时间t₂处，传感器检测到新的触摸，传感器控制系统检查触摸已经发生并且龙头打开，因而其关闭它（步骤1005）并且其回到备用状况等待新的触摸（步骤1001）。

即使被提到配置成作为触摸传感器操作的传感器，然而图11和12的示例也不是限制性的，并且在适当的注意（precaution）下对于被配置为接近传感器或混合式接近和触摸传感器的传感器也可以做出动态阈值的使用。例如，当传感器必须作为接近传感器操作时，动态阈值将被保持高于信号V3（例如V_th=V3*1.35）并且没有更低，如针对图11和12的示例所描述的。

在传感器作为混合式传感器操作的情况下，因而其中脉冲生成器被设置用于生成具有等于谐振频率或这样频率的倍频程的倍数的重复率的脉冲序列，使用两个动态阈值：一个动态阈值被保持低于信号V3，另一个高于这样的信号。通过监视何时信号V3跨过一个阈值或者另一个，决定如何控制阀门、设备或器具（电的或液压的器具）是可能的。

在一个实施例中，控制单元62不仅检测电极的电压中的改变，而且其还测量信号与阈值（动态阈值或者不取决于配置）之间的差分强度矢量。在该实施例中，因而传感器能够生成作为这样的差分强度矢量的函数的输出V4变量。由于这样的差分强度矢量（在接近检测的情况下）取决于一个人距传感器的距离，这允许进一步增强传感器的使用的灵活性，其可以被配置用于取决于人员距传感器的距离而控制流速、混合温度或供给的选择。例如，传感器可以被设置成当人员的手部靠近传感器移动时增加水流速并且当手部从其移动离开时减小水流速。

在使用差分强度矢量的一个实施例中，将传感器的电极制成具有三角形形状的金属板，如在图13中所示出的。因而电极具有随着朝向x移动而增大的检测表面300。通过触摸不同位置中的电极（或者靠近其移动），存在电极与手指之间的不同交互面积，并且因而，差分强度矢量是不同的。例如考虑图13，位置x1处的手指的交互面积小于位置x2处的交互面积。因而该解决方案允许做出一种滑动接头（滑块），因而通过在方向x上沿着电极移动手指（触摸或不触摸），传感器检测差分强度矢量中的连续改变，其将取决于移动方向而增加或减小。因而控制单元62被配置用于取决于差分强度矢量的改变而控制在传感器下游的设备或器具，例如用于取决于手指沿着电极的移动而增加龙头中的水流的流速或温度。

作为诸如在图13中所示出的对供应可变检测表面的形状的可替换方案，在图14的示例中，电极3由通过参考符号301、302、303和304表示的若干分离的检测区域组成。通过触摸区域301-304中的一个或多个，差分强度矢量改变，并且因而传感器可以以不同方式控制传感器下游的设备或器具，例如假定传感器被配置用于作为触摸传感器操作，如果触摸区域301和302，则调节水流速，如果触摸区域303和304，则调节水温。在该实施例中，因而，传感器具有带有不同检测表面的电极并且其被配置用于以取决于一个人与所述检测区域中的一个或多个的交互的方式来控制设备。

必须指出的是，尽管以上已经参照自动龙头领域中的应用公开了若干实施例，但是以上描述的传感器可以被应用在许多其它领域中，诸如例如用户接口领域或安全领域，因而传感器可以控制电器具，诸如警报或信号发送器，或者其可以被用于检测人员与设备的区域的交互。