專利名稱：多頻電容測(cè)量裝置及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)定可以暴露于特定環(huán)境條件下的電極組件的電容變化的測(cè)量系統(tǒng)及方法，從而，例如，特定物質(zhì)的存在由于介電常數(shù)變化而導(dǎo)致電容改變。
背景技術(shù)：
在許多領(lǐng)域，需要特定環(huán)境條件的準(zhǔn)確而迅捷的信息以啟動(dòng)對(duì)所檢測(cè)到的環(huán)境條件的適當(dāng)響應(yīng)。例如，對(duì)路面環(huán)境條件充分地評(píng)估有助于極大地提高交通安全，因?yàn)榭梢曰谠撔畔⒏鶕?jù)道路管理員和路面情況作出相應(yīng)的決定。另外，有關(guān)路面狀況的信息還可通過廣播和電子信號(hào)方式傳達(dá)到道路使用者，從而可使限速駕駛方式適應(yīng)于當(dāng)前的普遍路況。具體地說，關(guān)于路面結(jié)冰或潮濕的路段的任何信息有助于極大地提高交通安全。因而，現(xiàn)代道路信息系統(tǒng)(RIS)的主要內(nèi)容之一是監(jiān)視當(dāng)前路面的狀況，其中檢測(cè)存在水、雪、冰以及趨于結(jié)冰是交通安全信息的最重要的部分之一。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，可及時(shí)確定如路面的滑水或冰層的可能性的關(guān)鍵信息，從而采取預(yù)防措施。
特定區(qū)域內(nèi)的環(huán)境條件在其他領(lǐng)域也是重要的，如飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰，采集可靠的氣象數(shù)據(jù)包括在特定表面存在冰、濕氣、水等，以及檢測(cè)危險(xiǎn)物質(zhì)，如特定區(qū)域內(nèi)的燃料或氨草膠(ammoniac)。但是，檢測(cè)特定物質(zhì)的存在或狀態(tài)的任何系統(tǒng)的效率很大程度上依賴于測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，例如，錯(cuò)誤地將冰指示成水甚至可增加發(fā)生交通事故的可能性而不是促進(jìn)交通安全。另外，道路信息系統(tǒng)需要提供大量的單獨(dú)的表面探測(cè)器，從而相對(duì)于裝置過早失靈而言的高度可靠性、維護(hù)所需的勞動(dòng)和單個(gè)傳感裝置的成本效率是重要的標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種增強(qiáng)的傳感器件和檢測(cè)傳感器件的電容變化的方法，例如，鑒于具有較高精確性和可靠性的表面監(jiān)測(cè)尤其是暴露表面上水、雪、和冰的檢測(cè)以及初期結(jié)冰的檢測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，通過多頻電容測(cè)量裝置來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，該裝置包括電極組件，配置用以接收改變電極組件的電容的樣本物質(zhì)。該裝置還包括與該電極組件結(jié)合在一起的多頻發(fā)生器，用以按時(shí)間順序的方式提供三個(gè)以上信號(hào)，各信號(hào)具有不同的頻率。另外，該裝置包括與該電極組件相連接的傳感裝置，用以測(cè)定表示三個(gè)以上頻率中各個(gè)的電極組件的電容的值。
通常，電容器的電容，如電極組件的電容，依賴于幾何結(jié)構(gòu)如該電極組件的相應(yīng)表面的距離，形狀和尺寸，而且還依賴于設(shè)置在電極之間的材料的相對(duì)介電常數(shù)。而介電常數(shù)又依賴于該物質(zhì)的溫度和該電容器工作的測(cè)量頻率。因此，利用電容的變化，物質(zhì)或其特定狀態(tài)的可靠檢測(cè)根據(jù)一兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)不能可靠地進(jìn)行。因而，為了精確地表現(xiàn)電極組件的電容特性，本發(fā)明提供一種測(cè)量裝置，可檢測(cè)三個(gè)以上不同頻率的電極組件的電容的變化，從而在頻域內(nèi)提供多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。因此，鑒于由庫數(shù)據(jù)表示的特定參考狀態(tài)，通過在頻域內(nèi)的至少三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，與各個(gè)庫數(shù)據(jù)相比該數(shù)據(jù)更可靠，從而可識(shí)別該電極組件的測(cè)量狀態(tài)。例如，水在-1℃左右的介電常數(shù)基本上是從DC到1kHz范圍內(nèi)的常數(shù)并在約2kHz至幾百kHz范圍內(nèi)減小。另一方面，水在1℃左右的介電常數(shù)基本上是高達(dá)約109Hz的頻率的常數(shù)并在109Hz至1010Hz范圍內(nèi)減小。因而，通過所發(fā)明的多頻電容測(cè)量裝置，可在頻域內(nèi)取多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，然后能可靠地識(shí)別特定的物質(zhì)，如溫度為+1℃的水，以及溫度為-1℃的水。因而，特定物資可以理解為一種在特定環(huán)境條件下具有特定組成成分和特定狀態(tài)的物質(zhì)。例如，大氣壓下在1℃的水和大氣壓下-1℃的冰可以認(rèn)為是兩種不同的特定物質(zhì)。因此，根據(jù)頻域的若干測(cè)量點(diǎn)，可以極其可靠地檢測(cè)例如水和冰的存在。另外，根據(jù)若干測(cè)量點(diǎn)，與基于一兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，即使在開始結(jié)冰時(shí)也可更可靠地檢測(cè)到。
在另一實(shí)施例中，該傳感裝置包括電荷探測(cè)器，設(shè)置用以測(cè)定累積在至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件上的電荷。因此，已核準(zhǔn)的探測(cè)器裝置，如積分器等可用于本發(fā)明，從而提高成本效率和可靠性。
在另一實(shí)施例中，該傳感裝置包括讀出電容器(sense capacitor)和電壓測(cè)量裝置，其中該電壓測(cè)量裝置與該讀出電容器相連接并被配置用以測(cè)定讀出電容器的電壓。
因而，該傳感裝置可具有少量的不昂貴且核準(zhǔn)可用的器件，從而增強(qiáng)該裝置的可靠性。
優(yōu)選地，該電壓測(cè)量裝置包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而提供表示該電容的測(cè)量值的數(shù)字值。相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)有技術(shù)中已核準(zhǔn)使用且價(jià)格較低。例如，相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換器可在微控制器中實(shí)現(xiàn)，其還可在測(cè)量裝置中執(zhí)行其他的功能，從而使該裝置極其可靠并節(jié)省空間。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，該頻率發(fā)生器包括參考電壓源和第一可控開關(guān)，該第一可控開關(guān)周期性地將參考電壓源與電極組件連接以提供三個(gè)以上不同頻率的信號(hào)。因此，該頻率發(fā)生器可設(shè)置為簡單且可靠的電子電路，其中該頻率發(fā)生器也可方便地在微控制器中實(shí)施，該頻率發(fā)生器通常配置為具有可工作在開關(guān)模式的數(shù)字輸出。
在另一實(shí)施例中，該電壓測(cè)量裝置還包括第二可控開關(guān)，可控制地將該讀出電容器與該電極組件連接。以這種方式，在應(yīng)用三個(gè)以上不同信號(hào)之一時(shí)，在電極組件中存儲(chǔ)的電荷可通過采用極其可靠且組件數(shù)量較少的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到該讀出電容器。從而還有助于裝置可靠性和成本效率。另外，該讀出電容器可選擇以表明與電極組件的電容相比已知的且大容量值的電容，從而有利于估測(cè)所存儲(chǔ)的電荷。
在優(yōu)選實(shí)施例中，三個(gè)以上頻率在大約50Hz到至少幾MHz范圍內(nèi)變化。如前所述，由有關(guān)的特定物質(zhì)的存在而引起的電極組件的電容的變化可以可靠地檢測(cè)且可與相應(yīng)的庫數(shù)據(jù)比較，以可靠地識(shí)別有關(guān)的物質(zhì)。具體地說，為跨越上述頻率范圍而選擇的頻率可以極其可靠的方式檢測(cè)電極組件上水或冰的存在。根據(jù)本發(fā)明可以理解，根據(jù)它的相對(duì)于測(cè)量頻率的相對(duì)介電常數(shù)的級(jí)數(shù)識(shí)別的物質(zhì)，可在從幾Hz至幾MHz范圍的頻域內(nèi)取若干測(cè)量點(diǎn)。例如，若干各自參考數(shù)據(jù)設(shè)置可存儲(chǔ)為關(guān)于若干有關(guān)物質(zhì)的庫。例如，若本發(fā)明的測(cè)量裝置用于路面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，若干有關(guān)的物質(zhì)可代表水、雪、冰或包含有不同數(shù)量防凍物質(zhì)如鹽的水。由于采用多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明而提供的識(shí)別給定物質(zhì)的精確度，在測(cè)量數(shù)據(jù)表明開始結(jié)冰時(shí)，有可能指示是否有足夠量的防凍物質(zhì)。類似地，在頻域中測(cè)量點(diǎn)的數(shù)目及使用的測(cè)量頻率范圍適合于其他有關(guān)的物質(zhì)，如任何有關(guān)區(qū)域內(nèi)的燃料或其他危險(xiǎn)液體的檢測(cè)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，多頻電容測(cè)量裝置還包括比較器裝置，配置用于將三個(gè)以上不同頻率的各個(gè)值與各自的目標(biāo)值進(jìn)行比較，并在各值與其各自的目標(biāo)值在預(yù)定的公差范圍內(nèi)相匹配時(shí)輸出指示。
如前所述，表示在給定頻率點(diǎn)的電極組件的電容的值可與各自目標(biāo)值或庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以識(shí)別有關(guān)的物質(zhì)或其特定狀態(tài)。因而，該測(cè)量值可以要求的方式被操作，從而以適于與目標(biāo)值比較的形式來提供它們。例如，當(dāng)目標(biāo)值被提供為表示關(guān)于在特定環(huán)境條件下頻率的有關(guān)物質(zhì)的介電常數(shù)的數(shù)值時(shí)，該測(cè)量值可轉(zhuǎn)換成表示電極組件周圍的物質(zhì)的介電常數(shù)相應(yīng)的值。在其他情況，該目標(biāo)值可以任何適當(dāng)?shù)男问教峁┮允蛊淇膳c測(cè)量值直接比較，從而極大地簡化比較器裝置的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，比較器裝置在微控制器中實(shí)現(xiàn)，該比較器裝置可具有存儲(chǔ)在其內(nèi)的目標(biāo)值或可訪問提供各自目標(biāo)值的獨(dú)立單元。例如，在多頻電容測(cè)量裝置中，目標(biāo)值通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)由外部源提供以更新或完善微控制器中或其他存儲(chǔ)裝置中相應(yīng)的庫數(shù)據(jù)。更為有利地，該裝置可包括配備相應(yīng)的通信單元，允許通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)接收相應(yīng)的目標(biāo)值。在其他的實(shí)施例中，該通信單元可被構(gòu)造用以通過網(wǎng)絡(luò)從該裝置向外部源傳送數(shù)據(jù)，從而可在外部源對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行估測(cè)，因而提供采用包含大量不同狀態(tài)的不同物質(zhì)的大數(shù)據(jù)庫的可能。具體地說，如前所述，目標(biāo)值可表示在三個(gè)以上頻率的各個(gè)的至少兩個(gè)不同溫度的材料的相對(duì)介電常數(shù)。以這種方式，可以可靠地檢測(cè)并指示從水到冰的轉(zhuǎn)換，反之亦然。
在另一實(shí)施例中，該裝置還包括參考信號(hào)源，用于提供參考信號(hào)給傳感裝置，其中該參考信號(hào)表示三個(gè)以上不同頻率的各個(gè)的各自參考值。該參考信號(hào)表示特定參考狀態(tài)的三個(gè)以上不同頻率的各個(gè)的電極組件的各自的電容。
通過參考信號(hào)源，信號(hào)可用于表示電極組件的特定參考狀態(tài)，可用以提高所獲得的測(cè)量值的精確度，由于偽信號(hào)和其他影響電極電容的功效沒產(chǎn)生，樣本物質(zhì)可減小或去除。例如，參考信號(hào)可用于產(chǎn)生傳感裝置的差分輸出信號(hào)，從而增強(qiáng)該測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。
在另一實(shí)施例中，參考信號(hào)源與該傳感裝置結(jié)合在一起并用于接收表示電極組件的電容的測(cè)量值，且當(dāng)由控制信號(hào)將該電極組件的狀態(tài)設(shè)定為參考狀態(tài)時(shí)，使用該測(cè)量值作為參考值。
如此，電極組件本身可用作在收到控制信號(hào)時(shí)產(chǎn)生參考信號(hào)的源，從而減小或消除任何有害效應(yīng)。例如，當(dāng)該電極組件的環(huán)境條件被評(píng)估適合產(chǎn)生參考信號(hào)，例如，當(dāng)假定電極組件沒有在其上形成特定物質(zhì)，或在已知的條件下在電極組件上形成特定物質(zhì)時(shí)，外部源或內(nèi)部控制單元可提供相應(yīng)的控制信號(hào)以啟動(dòng)測(cè)量周期，之后該測(cè)量數(shù)據(jù)用作該裝置的一個(gè)以上后續(xù)的測(cè)量周期的參考值。由于電極組件的狀況在參考狀態(tài)時(shí)被認(rèn)為是已知的，任何影響該裝置測(cè)量過程的其他效應(yīng)被減小或消除，如溫度漂移，電極組件的永久污染等等，因?yàn)檫@些效應(yīng)也至少部分地由參考值表示。
有利地，該參考信號(hào)源包括存儲(chǔ)器，配置用以存儲(chǔ)參考值，該參考值優(yōu)選作為數(shù)字值獲得。通過存儲(chǔ)該參考值，可根據(jù)確定的參考值完成所需的實(shí)際測(cè)量周期數(shù)。另外，該存儲(chǔ)器可被設(shè)置存儲(chǔ)若干參考測(cè)量周期的參考值，以建立參考狀態(tài)的“歷史記錄”。以這種方式，可以估計(jì)該測(cè)量裝置的“演變”而且可用于評(píng)測(cè)如該裝置的狀態(tài)和該裝置或其特定組件的可靠性。例如，在特定參考狀態(tài)時(shí)，一個(gè)或多個(gè)組件電極正在進(jìn)行的腐蝕可導(dǎo)致電容平穩(wěn)減少或增加，從而根據(jù)該參考信號(hào)變化的評(píng)估可對(duì)特定的組件進(jìn)行維護(hù)或替換。在要求高可靠性的系統(tǒng)中對(duì)測(cè)量裝置的狀態(tài)的評(píng)估是特別有利的，如在檢測(cè)機(jī)翼結(jié)冰的系統(tǒng)中，在包括很多單個(gè)多頻電容測(cè)量裝置的系統(tǒng)中也是特別有利的，其配備了各自的通信單元以發(fā)送數(shù)據(jù)到中心控制站，由于這里整個(gè)系統(tǒng)的可靠性很大程度上取決于各裝置的可靠性。因而，對(duì)各裝置的維護(hù)或所預(yù)期的剩余使用壽命的預(yù)測(cè)有助于整體的可靠性。根據(jù)從許多裝置中采集的數(shù)據(jù)和/或通過相應(yīng)的運(yùn)行測(cè)試容易建立評(píng)估該裝置的狀態(tài)的相應(yīng)的“狀態(tài)”數(shù)據(jù)。
在又一實(shí)施例中，傳感裝置還包括相連接的運(yùn)算放大器，接收參考信號(hào)并輸出差分信號(hào)，以得到三個(gè)以上不同頻率的各個(gè)的測(cè)量值。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，連接該運(yùn)算放大器以接收讀出電容器上的電壓和參考信號(hào)，并輸出其差值到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
通過以上述指定的方式設(shè)置運(yùn)算放大器，從電極組件向AD轉(zhuǎn)換器傳送信號(hào)的信號(hào)通道不致于受干擾而且信號(hào)電平可通過AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)整以適于信號(hào)的進(jìn)一步處理。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，參考信號(hào)源還包括相連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以接收存儲(chǔ)的數(shù)字參考值并輸出表示該存儲(chǔ)數(shù)字值的模擬信號(hào)到運(yùn)算放大器。因而，通過運(yùn)算放大器提供的電路的模擬側(cè)得到的優(yōu)勢(shì)可有效地與數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合，如存儲(chǔ)產(chǎn)生參考信號(hào)的參考數(shù)據(jù)，然后其可方便地轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)以產(chǎn)生所需的模擬差分信號(hào)。另外，DA轉(zhuǎn)換器可在微控制器中方便地實(shí)施，例如以適當(dāng)?shù)貙?shù)字輸出程式化作為脈沖寬度調(diào)制輸出的形式，或若干適當(dāng)加權(quán)的數(shù)字輸出等等。
在其他優(yōu)選實(shí)施例中，電極組件的至少一個(gè)電極用絕緣材料涂覆。優(yōu)選地，組件中的各電極涂覆絕緣材料層。在至少一個(gè)電極上設(shè)置絕緣材料層，通過有關(guān)的物質(zhì)和其他材料基本防止在電容耦合的電極之間形成導(dǎo)電通路。因此，電極組件的電容的估算可以更可靠的方式進(jìn)行。
在又一優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置還包括配置的溫度傳感器，以檢測(cè)電極組件或電極組件附近的溫度。通過設(shè)置溫度傳感器，還可采集其他的環(huán)境信息并用于鑒定和評(píng)測(cè)表示電極組件的電容的測(cè)量值。例如，有關(guān)的物質(zhì)的溫度知識(shí)極大地改善根據(jù)相關(guān)頻率的電容值來識(shí)別該物質(zhì)的過程。因而，可以更可靠的方式識(shí)別物質(zhì)和甚至其數(shù)量，從而，提供識(shí)別多種不同材料之間的區(qū)別的可能，如具有不同量的防凍物質(zhì)的水等等。另外，特別是在包括多個(gè)獨(dú)立裝置的系統(tǒng)中，如道路信息系統(tǒng)，在電極組件及其周圍的溫度的其他信息可提供給中心站以完善從天氣預(yù)報(bào)得到的另外的氣象數(shù)據(jù)，從而能提供比外部源的氣象數(shù)據(jù)具有更高的“空間分辨率”的相關(guān)交通信息。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置可以包括與頻率發(fā)生器可操作地連接的控制單元和控制其操作的傳感裝置。有利地，控制單元、頻率發(fā)生器，以及傳感裝置在適當(dāng)?shù)某淌交⒖刂破髦袑?shí)施，從而極大地簡化該裝置的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，用于檢測(cè)環(huán)境條件的傳感器系統(tǒng)包括若干根據(jù)前述的任一實(shí)施例的多頻電容測(cè)量裝置并將進(jìn)一步詳細(xì)描述，其中各測(cè)量裝置包括通信單元，用于通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。另外，該傳感器系統(tǒng)包括具有控制單元和用于通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)的通信裝置的中心站，其中配置的控制單元用以根據(jù)從那里所接收的數(shù)據(jù)評(píng)測(cè)多個(gè)多頻電容測(cè)量裝置的狀態(tài)。
如前所述，在許多應(yīng)用中，環(huán)境條件須跨越分布區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，如路面檢測(cè)系統(tǒng)的情況，或在不同位置檢查和監(jiān)測(cè)機(jī)翼表面情況的系統(tǒng)等等。在這些情況中，所發(fā)明的系統(tǒng)可以可靠的方式監(jiān)測(cè)擴(kuò)大范圍的區(qū)域，其中單個(gè)測(cè)量裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)和/或工作情況可由中心站控制和/或監(jiān)測(cè)。在一些實(shí)施例中，配備了中心站的通信裝置和各測(cè)量裝置的通信單元，以將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到中心站。以這種方式，在中心站可利用外部硬件和軟件資源更加有效地對(duì)若干測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，由于單個(gè)裝置的測(cè)量結(jié)果還可相對(duì)于其他裝置如位于特定裝置附近的裝置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，從而測(cè)量結(jié)果的一致性可以被監(jiān)測(cè)。另外，配置通信裝置和通信單元以允許將數(shù)據(jù)從中心站傳送到這些單個(gè)裝置的一個(gè)或多個(gè)之中。例如，目標(biāo)值，即，在這些單個(gè)裝置中的庫數(shù)據(jù)可根據(jù)中心站的決定進(jìn)行更新并且合適的目標(biāo)值可被傳送給單個(gè)的設(shè)備。當(dāng)裝置中的目標(biāo)值的存儲(chǔ)容量有限并且全局的或本地的情況可改變而需要不同組的目標(biāo)值時(shí)這樣是有利的。例如，在夏季道路信息系統(tǒng)中不需要在溫度低于0℃包含若干防凍物質(zhì)的水的目標(biāo)值，而需要更精確的更高溫度的水的目標(biāo)值，而且沉積在電極組件上的變化量可發(fā)送給單個(gè)測(cè)量裝置以使得在霧天或雨天能更加精確的檢測(cè)表面情況。
根據(jù)本發(fā)明的又一方案，氣象測(cè)量系統(tǒng)包括根據(jù)前述的任意實(shí)施例的多頻電容測(cè)量裝置。另外，氣象測(cè)量系統(tǒng)還包括與該多頻電容測(cè)量裝置可操作連接的控制單元，并被配置用以估算該裝置提供的數(shù)據(jù)。另外，還設(shè)置用于顯示氣象數(shù)據(jù)的顯示裝置。
根據(jù)本發(fā)明，傳統(tǒng)的氣象測(cè)量系統(tǒng)和站(station)可方便地配備本發(fā)明的測(cè)量裝置，以使其該氣象測(cè)量系統(tǒng)的功能極大地增強(qiáng)。具體地說，該測(cè)量裝置，即，至少它的電極組件，可以配備以檢測(cè)在特定的測(cè)量表面上的水、冰、雪以及其可能的各種的量而得到其他信息。因而，與其他指示參數(shù)如溫度、濕度、風(fēng)、氣壓、日照時(shí)間等等的傳感元件結(jié)合，可得到更加精確的天氣情況預(yù)報(bào)和估測(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，還提供測(cè)定電極組件的狀態(tài)的方法。該方法包括提供至少三個(gè)不同頻率的信號(hào)給處于有關(guān)狀態(tài)的電極組件。測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的電容的測(cè)量值，并將各測(cè)量值與至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的各自的庫值進(jìn)行比較，其中庫值表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的特定狀態(tài)。最后，當(dāng)各測(cè)量值與各庫值在預(yù)定的公差范圍內(nèi)匹配時(shí)，將該有關(guān)狀態(tài)確定為特定狀態(tài)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，可以得到表示三個(gè)以上不同頻率的電極組件電容的測(cè)量值，然后與庫值進(jìn)行比較以識(shí)別電極組件的特定狀態(tài)，如存在特定的物質(zhì)，正如參照本發(fā)明的測(cè)量裝置進(jìn)一步說明的。
另外，如前所述，庫值可表示一個(gè)或多個(gè)特定條件下的特定物質(zhì)，如大氣壓下不同溫度的水，其中在有的實(shí)施例中，庫值可表示有關(guān)的物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。測(cè)量值和庫值的比較可包括任何適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，如模數(shù)變換，數(shù)模變換，算術(shù)運(yùn)算，中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。具體地說，測(cè)量值和庫值的比較以及有關(guān)狀態(tài)的識(shí)別可現(xiàn)場進(jìn)行，也就是說，通過包括所需的獨(dú)立配置的組件的測(cè)量裝置，或可遠(yuǎn)程地進(jìn)行，例如通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，有線或無線，傳送測(cè)量值到適當(dāng)配置的分析站。例如測(cè)量站點(diǎn)的組件可包括與頻率發(fā)生器、傳感裝置以及通信裝置結(jié)合的電極組件，以將測(cè)量結(jié)果傳送給遠(yuǎn)程站，可利用強(qiáng)大的硬件和軟件資源從而與庫值進(jìn)行比較并估算該測(cè)量值。
在另一實(shí)施例中，該方法包括將該電極組件暴露在環(huán)境條件下以接收至少一種相關(guān)物質(zhì)，其中庫值表示在其上以預(yù)定的狀態(tài)施加有一種物質(zhì)的電極組件的狀態(tài)。
因而，本發(fā)明的方法在測(cè)定特定環(huán)境條件下可沉積在電極組件上的有關(guān)的物質(zhì)的存在和/或狀態(tài)時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，庫值表示已知的預(yù)定狀態(tài)的有關(guān)的物質(zhì)，從而該狀態(tài)將測(cè)量值與庫值進(jìn)行比較后易于識(shí)別。如前所述，根據(jù)本發(fā)明這種比較在至少三個(gè)不同頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)行以使得可以可靠地識(shí)別特定物質(zhì)。有利地，庫值表示特定條件下至少三個(gè)不同頻率的有關(guān)的物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該方法還包括為該物質(zhì)的多個(gè)不同狀態(tài)的至少有關(guān)的物質(zhì)建立表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的相對(duì)介電常數(shù)的數(shù)據(jù)庫。例如，在與水接觸時(shí)可采集表示大氣壓下不同溫度的水的介電常數(shù)的數(shù)據(jù)并備用為可后續(xù)用以比較測(cè)量數(shù)據(jù)并識(shí)別相應(yīng)的電極組件的狀態(tài)的庫數(shù)據(jù)。類似地，可為若干不同的物質(zhì)建立庫數(shù)據(jù)，如具有不同量的配料如鹽等的水，或可以得到燃料、氨草膠等等的庫值，從而可識(shí)別沉積在電極組件上的這些物質(zhì)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該方法還包括將具有特定狀態(tài)的物質(zhì)施加到電極組件上，測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的電容的參考測(cè)量值，并存儲(chǔ)該參考測(cè)量值或表示與特定狀態(tài)的庫數(shù)據(jù)相同的值。
以這種方式，測(cè)量裝置本身利用也可在實(shí)際測(cè)量中使用的相同的硬件組件產(chǎn)生庫數(shù)據(jù)，從而提供減少在數(shù)據(jù)捕獲和評(píng)測(cè)時(shí)所需的信號(hào)處理的工作強(qiáng)度的可能，由于在信號(hào)處理過程中庫數(shù)據(jù)可以適當(dāng)?shù)男问胶蜖顟B(tài)以及可與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相同的形式和狀態(tài)存儲(chǔ)。例如，表示電極組件電容的測(cè)量讀數(shù)可直接用作庫數(shù)據(jù)并可被存儲(chǔ)以使得在其他的實(shí)際測(cè)量周期中這些庫值可直接與測(cè)量值比較。因此，測(cè)量值和庫值都不必轉(zhuǎn)換成特定的數(shù)據(jù)形式，如直接表示相對(duì)介電常數(shù)的數(shù)，因此，信號(hào)處理和比較可基于便于信號(hào)處理的信號(hào)格式進(jìn)行。另外，由于庫值也受相同效果影響，測(cè)量裝置對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的固有的效果可不需考慮。
在優(yōu)選實(shí)施例中，測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的電容的測(cè)量值包括a)用具有至少三個(gè)不同頻率之一的信號(hào)給電極組件充電預(yù)定的時(shí)間周期，b)測(cè)定電極組件上存儲(chǔ)的電荷，以及c)對(duì)至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)重復(fù)步驟a)和b)。
因此，在應(yīng)用預(yù)定的脈沖序列期間通過測(cè)定存儲(chǔ)在其上的總電荷數(shù)可得到電極組件的電容的精確表示。優(yōu)選地，通過提供包括預(yù)定數(shù)量的脈沖的信號(hào)調(diào)整至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的預(yù)定時(shí)間周期。依靠矩形波發(fā)生器或通過微控制器的適當(dāng)?shù)某绦蚧臄?shù)字輸出，通過提供具有特定數(shù)量的脈沖的信號(hào)，易于控制信號(hào)的頻率和對(duì)電極組件充電的預(yù)定時(shí)間周期。
在優(yōu)選實(shí)施例中，在預(yù)定的時(shí)間周期后通過將讀出電容器與電極組件連接并測(cè)定讀出電容器兩端的電壓來測(cè)定存儲(chǔ)在電極組件上的電荷。以這種方式，可利用較少數(shù)量的電子元件測(cè)定存儲(chǔ)在電極組件上的電荷，其中有利地該讀出電容器可選用遠(yuǎn)大于電極組件的預(yù)定電容值的電容，從而使得該讀出電容器在測(cè)量讀數(shù)中的影響最小化。讀出電容器與電極組件的連接可通過快速半導(dǎo)體開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，如場效應(yīng)晶體管等，其可通過微控制器的數(shù)字輸出來控制而不需其他元件，從而使得電壓測(cè)量的控制效率更高。
在另一實(shí)施例中，測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的電容的測(cè)量值包括a)通過特定電阻器提供具有至少三個(gè)不同頻率之一和特定幅度的信號(hào)給電極組件，b)測(cè)定電極組件上的電壓，以及c)對(duì)至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)重復(fù)步驟a)和b)。因此，電極組件的電容可形成具有特定電阻的頻率相關(guān)分壓器，從而該組件的電容可根據(jù)至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的壓降和特定幅度來測(cè)定。例如，工作在穩(wěn)定電壓的微控制器可通過適當(dāng)?shù)某绦蚧瘮?shù)字輸出提供特定頻率的信號(hào)和占空因數(shù)(duty cycle)，從而根據(jù)這些參數(shù)和電極組件上實(shí)際測(cè)量的壓降可測(cè)定該電容。優(yōu)選地，通過包括以低通濾波器形式連接的電阻和電容的積分濾波器可測(cè)量該壓降，其中濾波電容器兩端的電壓被測(cè)量作為所需壓降。
根據(jù)本發(fā)明的又一方案，方法包括設(shè)置若干電極組件并根據(jù)上述方法中的任何一種或所附的權(quán)利要求所限定的以及下面詳細(xì)描述的方法測(cè)定各電極組件的狀態(tài)。因而根據(jù)該方法可采集若干測(cè)量數(shù)據(jù)，從而用所需的空間分辨率“覆蓋”特定區(qū)域。例如，該方法可方便地用以與道路信息系統(tǒng)、環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、機(jī)翼、船體以及火箭的表面監(jiān)測(cè)等等相結(jié)合。在優(yōu)選實(shí)施例中，該方法還包括將測(cè)量值傳送給中心站，其中比較和確定的步驟在中心站進(jìn)行。由于通常在中心站具有強(qiáng)大的硬件和軟件資源，因此可以高效地處理和估測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)。例如，在中心站庫數(shù)據(jù)的容量是可用的，其中即使有大量的單個(gè)電極組件，處理器強(qiáng)大的處理能力使其可將測(cè)量結(jié)果與庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以精確地測(cè)定一個(gè)或多個(gè)電極組件上的物質(zhì)及其狀態(tài)。另外，在一些實(shí)施例中，可在電極組件與中心站之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳送，從而中心站可監(jiān)測(cè)和/或控制讀出電極組件狀態(tài)所需的任何硬件組件的工作情況和/或狀態(tài)。在其他實(shí)施例中，可配備電極組件和相關(guān)的硬件組件以臨時(shí)地存儲(chǔ)測(cè)量結(jié)果，中心站可根據(jù)需要重新得到該測(cè)量結(jié)果。具體地說，可由中心站啟動(dòng)參考測(cè)量以估計(jì)電極組件當(dāng)前的狀態(tài)，其中參考測(cè)量的啟動(dòng)可基于其他信息如氣象信息、溫度信號(hào)等等。如此，可采集到相對(duì)可靠的參考數(shù)據(jù)，例如對(duì)于道路信息系統(tǒng)，隨著時(shí)間的過去為得到電極組件性能的指示可存儲(chǔ)這些相對(duì)可靠的參考數(shù)據(jù)。


本發(fā)明的其他優(yōu)選實(shí)施例在所附的權(quán)利要求中描述并參照附圖予以描述，其中圖1a所示為根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例電容測(cè)量裝置的基本實(shí)施例的電路示意框圖；圖1b和1c所示分別為溫度高于結(jié)冰點(diǎn)和低于結(jié)冰點(diǎn)時(shí)水作為工作在各個(gè)頻率的電容的電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的特性圖；圖1d-1f示出了具有微控制器的測(cè)量裝置的各種實(shí)施例的電路示意框圖；以及圖2示意地表示了包括與中心站連接的多個(gè)電容測(cè)量裝置的系統(tǒng)；具體實(shí)施方式
圖1a所示的電容測(cè)量裝置100包括頻率發(fā)生器110，傳感裝置120，和電極組件130。該電極組件130可包括配置并定位的兩個(gè)以上單個(gè)電極以確定電極組件130的預(yù)定條件下至少兩個(gè)單個(gè)電極之間的具體電容。也就是，該組件130的單個(gè)電極包括確定定位的特定電容表面的導(dǎo)電部分，從而設(shè)定其間的預(yù)定距離。眾所周知，兩個(gè)位置相互靠近的導(dǎo)電表面的有效電容由其幾何結(jié)構(gòu)、有效表面積的大小、表面區(qū)域之間的距離以及封入表面區(qū)域的空間的介電常數(shù)確定。例如，電極組件130可包括至少一對(duì)具有確定幾何結(jié)構(gòu)并由相應(yīng)的外殼或支架支撐的板狀電極，從而電極組件130可被定位以在至少一個(gè)暴露的表面部分接收有關(guān)的物質(zhì)。有利地，該組件130的單個(gè)電極的至少一個(gè)暴露的表面部分用絕緣材料層涂覆以消除或至少減小單個(gè)電極之間建立導(dǎo)電通路的可能性。例如，若電極組件130設(shè)置成具有各自的引線的板狀電極對(duì)形式，則一個(gè)或兩個(gè)電極都完全絕緣，從而即使電極板之間的整個(gè)空間充滿導(dǎo)電介質(zhì)，如水、冰、雪等，也可避免電極之間短路。在電路圖中，電極組件130由電容器131和與電容器131并聯(lián)連接的高阻值電阻器132來表示。具體地說，當(dāng)電極組件130在各電極上已形成相應(yīng)的絕緣層時(shí)，即使有各種物質(zhì)沉積在電極組件130上，電阻器132完全可以被看作為常量。但是，可以理解，電極組件130在特定的狀態(tài)，任何其他影響因素如溫度、材料磨損等可影響電阻器132的阻值和電容器131的電容值。但是電阻器132和電容器131相應(yīng)的較小起伏易于補(bǔ)償，這將在后面予以描述。頻率發(fā)生器110被設(shè)置以提供至少三個(gè)不同頻率的信號(hào)，其中，在優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置的頻率發(fā)生器110可提供頻率在從50Hz至幾百kHz甚至高達(dá)幾MHz范圍內(nèi)的信號(hào)。例如，頻率發(fā)生器110可被構(gòu)造成提供頻率為50Hz，100Hz，1kHz，20kHz，100kHz和500kHz等等的信號(hào)。在如圖1a中所示的實(shí)施例中，頻率發(fā)生器110包括與可控開關(guān)113相連接的參考電壓源111，該可控開關(guān)113與控制單元112相連接。可控開關(guān)113可包括場效應(yīng)晶體管，其控制極(gate)連接到控制單元112，其可依次發(fā)送特定頻率和占空因數(shù)的選通信號(hào)，從而可根據(jù)頻率發(fā)生器110產(chǎn)生的若干頻率之一相應(yīng)地將參考電壓源111連接到電極組件130?？梢岳斫猓鐖D1a中所示的頻率發(fā)生器110可產(chǎn)生不同頻率的矩形波型信號(hào)，由于所需的硬件配置可由少量組件獲得。但是還可以理解，只要可提供三個(gè)以上頻率給電極組件130，用產(chǎn)生其他類型信號(hào)的其他電路也是合適的。在具體實(shí)施例中，正如將參照?qǐng)D1d-1f進(jìn)行描述的，頻率發(fā)生器110可在微控制器中實(shí)施，而可控開關(guān)113可以微控制器的數(shù)字輸出的形式提供。
在如圖1a中所示的實(shí)施例中，可配置傳感裝置120以在預(yù)定頻率的信號(hào)施加預(yù)定的時(shí)間周期之后測(cè)定電容器131中存儲(chǔ)的電荷。因此，傳感裝置120可包括任何電荷感應(yīng)測(cè)量裝置(charge sensitivemeasurement device)121，如積分器等，這在現(xiàn)有技術(shù)中已熟知。在一個(gè)具體實(shí)施例中，傳感裝置120可包括與控制單元122相連接的可控開關(guān)123，控制單元122觸發(fā)該開關(guān)123從而將電荷檢測(cè)器121與電極組件130相連接。例如，開關(guān)123可設(shè)置成由單元122控制的場效應(yīng)晶體管的形式，其中該單元122可表示微控制器的一部分，如由微控制器中運(yùn)行的相應(yīng)軟件程序驅(qū)動(dòng)的數(shù)字輸出。
該裝置100工作期間，在電極組件130上或其至少一部分上也許已經(jīng)沉積特定物質(zhì)，從而影響電容器131的電容。下面，用水作為有關(guān)的物質(zhì)，其中可以理解在沉積在電極組件130上之后本發(fā)明可容易地應(yīng)用于任何導(dǎo)致電容變化測(cè)量的物質(zhì)。
圖1b和1c示出水對(duì)若干不同溫度的測(cè)量頻率的相對(duì)介電常數(shù)的數(shù)量級(jí)。圖1b示出水的液相特性，而圖1c示出冰和雪的形成并表示水的固態(tài)。從圖1b中可看到，液態(tài)水具有相對(duì)較高的介電常數(shù)，溫度為1℃時(shí)介電常數(shù)約為90而在80℃的溫度時(shí)介電常數(shù)約為70。由于電容與介電常數(shù)成正比，因此，在充分靠近電極組件130之處加水可明顯地影響電容器131的電容。
圖1c示出的是低于結(jié)冰點(diǎn)的水的類似曲線，其中很明顯地溫度為-1℃至-40℃的冰或雪與80℃及更低溫度的水具有差不多相同的介電常數(shù)，因此，在恒定電流或較低頻率時(shí)測(cè)量電容器131的電容不需區(qū)分熱水及冰和雪。因此，根據(jù)本發(fā)明具有不同頻率的若干信號(hào)加到電容器131上可得到至少三個(gè)不同頻率甚至更多的若干測(cè)量數(shù)據(jù)，可允許不同物質(zhì)之間或相同物質(zhì)的不同狀況之間的區(qū)別。圖1c示出了可選擇的頻域內(nèi)的若干測(cè)量點(diǎn)F1...F5以得到表示電容的若干測(cè)量數(shù)據(jù)，并因而得到沉積在電極組件130上的物質(zhì)的介電常數(shù)。可以理解頻率值F1...F5是示范性的，根據(jù)本發(fā)明可選用其他值，尤其不止所示出的值。
頻率發(fā)生器110工作以提供多個(gè)對(duì)應(yīng)于不同頻率如頻率F1...F5的不同信號(hào)，其中各個(gè)不同的信號(hào)加到電極組件130上預(yù)定的時(shí)間周期。例如，在所示的實(shí)施例中，控制單元112可周期性地激活開關(guān)113以產(chǎn)生預(yù)定數(shù)量的具有特定占空因數(shù)的輸出脈沖，例如，占空因數(shù)為50％。矩形波信號(hào)被施加到電極組件130上并當(dāng)電極組件130由開關(guān)113斷開之后在電容器131上存儲(chǔ)特定量的電荷。此時(shí)，控制單元122可啟動(dòng)開關(guān)123以讀出存儲(chǔ)在電容器131上的電荷，該電荷表示該電容器131的電容。典型地，電荷檢測(cè)器121包括讀出電容器，其中在優(yōu)選實(shí)施例中該電荷檢測(cè)器121對(duì)其上沉積的任何期望的物質(zhì)可包括具有確定的基本上大于電容器131的電容的電容器。
因此，在這種情況下，電容器131的電容可通過測(cè)定電荷檢測(cè)器121的電壓和參考電壓源111提供的電壓進(jìn)行估算。上述步驟可對(duì)任何所需頻率如頻率F1...F5進(jìn)行重復(fù)，并相應(yīng)地得到的表示電容器131的電容的測(cè)量值可用于將這些值與相應(yīng)的庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，庫數(shù)據(jù)可從信息如圖1b和1c的圖表中得到?？梢岳斫庀鄳?yīng)的庫數(shù)據(jù)很容易從可公開訪問的資源如數(shù)據(jù)庫等處得到。
在其他實(shí)施例中，相應(yīng)的庫數(shù)據(jù)可在由裝置100本身或相應(yīng)的裝置所獲得的測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上建立，如上所述，在該裝置內(nèi)確定條件下的公知物質(zhì)應(yīng)用到電極組件130上并執(zhí)行測(cè)量程序。相應(yīng)的測(cè)量值可用作特定條件下特定物質(zhì)的庫數(shù)據(jù)。因此，可測(cè)量若干不同狀況和/或不同物質(zhì)以建立多個(gè)庫數(shù)據(jù)，該庫數(shù)據(jù)可用于與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)比較以識(shí)別特定的物質(zhì)和/或其狀態(tài)。如此，由于測(cè)量值作為庫數(shù)據(jù)可直接與其他測(cè)量值進(jìn)行比較，所以不需要對(duì)測(cè)量值作進(jìn)一步信號(hào)處理，因此可顯著地簡化信號(hào)處理和數(shù)據(jù)操作。但是，可以理解，即使進(jìn)行測(cè)量時(shí)實(shí)際使用的庫數(shù)據(jù)是由裝置100作為測(cè)量結(jié)果而得到的，也可將相關(guān)測(cè)量結(jié)果的進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理成校準(zhǔn)的庫數(shù)據(jù)。當(dāng)根據(jù)“已校準(zhǔn)的”數(shù)據(jù)如圖1b和1c的曲線中的數(shù)據(jù)對(duì)庫數(shù)據(jù)經(jīng)常進(jìn)行相應(yīng)的重新校準(zhǔn)時(shí)，以后裝置100的性能可被監(jiān)測(cè)。
圖1d示意性地示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的多頻電容測(cè)量裝置100。裝置100還包括微控制器150，其具有在其內(nèi)以硬件和/或軟件構(gòu)件的形式實(shí)現(xiàn)的各種功能，從而至少部分地提供頻率發(fā)生器110和傳感裝置120的功能性。在所示的實(shí)施例中，傳感裝置120包括作為電荷檢測(cè)器的讀出電容器121，該讀出電容器121與電壓測(cè)量裝置124相連接，電壓測(cè)量裝置124可以設(shè)置成具有合適分辨率的AD轉(zhuǎn)換器的形式。例如，電壓測(cè)量裝置124可以在微控制器150中實(shí)施，現(xiàn)在，許多微控制器可將具有從8位到16位分辨率的AD轉(zhuǎn)換器電路結(jié)合在其中。此外，傳感裝置120的可控開關(guān)123設(shè)置成場效應(yīng)晶體管的形式，場效應(yīng)晶體管的控制極連接到控制裝置122，控制裝置122以與微控制器150的特定數(shù)字輸出結(jié)合的軟件程序的形式設(shè)置。此外，參考電壓源111可設(shè)置成微控制器150的穩(wěn)壓電源的形式。
如在圖1d中所示的裝置100的操作可以按照如在圖1a-1c中說明的相似的方式執(zhí)行，其中，由于對(duì)讀出電容器121兩端測(cè)量的電壓的AD轉(zhuǎn)換，測(cè)量數(shù)據(jù)和/或庫數(shù)據(jù)的特定處理被簡化。根據(jù)電壓測(cè)量的讀數(shù)，微控制器150可與相應(yīng)的庫數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，該電壓測(cè)量讀數(shù)可存儲(chǔ)在微控制器150中或者可通過相應(yīng)的接口140提供給微控制器150。接口140代表適合與外部源通信的任何通信裝置，從而提供測(cè)量結(jié)果到外部源，或者接收庫數(shù)據(jù)和/或用于控制裝置100的測(cè)量操作的控制信號(hào)。例如，外部源可以代表包含庫數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)裝置。
在一些實(shí)施例中，與從傳感裝置120獲得的測(cè)量值一起提供參考信號(hào)是有利地，從而補(bǔ)償或減少任何內(nèi)部的或外部的影響，內(nèi)部的或外部的影響不是通過在電極組件130上的有關(guān)的物質(zhì)產(chǎn)生的。因此，第二電極組件(未示出)配備成具有相應(yīng)的硬件構(gòu)件，從而提供指示第二電極組件的電容的相應(yīng)測(cè)量值，其中第二電極組件被定位以保持在確定的狀態(tài)，實(shí)質(zhì)上不暴露于有關(guān)的物質(zhì)中。按照這一方法，不是由有關(guān)的物質(zhì)引起的任何影響可以相似方式影響電極組件130和第二電極組件，使得對(duì)測(cè)量結(jié)果的相應(yīng)影響可消除或者至少明顯地減少。
圖1e示意性地表示裝置100的另一個(gè)實(shí)施例，裝置100包括不需要第二電極組件的參考信號(hào)源。裝置100包括運(yùn)算放大器126，運(yùn)算放大器126以它的輸入連接到在該實(shí)施例中由微控制器150的一部分表示的讀出電容器121和參考信號(hào)源160。例如，參考信號(hào)源160可以包括DA轉(zhuǎn)換器，從而在那里提供的數(shù)字值的基礎(chǔ)上提供模擬信號(hào)。裝置100還可以包括連接到參考信號(hào)源160的存儲(chǔ)器裝置170。
在運(yùn)行期間，電極組件130可以是在特定(well-specified)的狀態(tài)，例如，可以在上面提供特定物質(zhì)，或者電極組件實(shí)際上可以完全沒有任何物質(zhì)，從而電極組件130可預(yù)期具有特定的電容，并且，測(cè)量順序可以啟動(dòng)，其中參考信號(hào)源160可以提供中性的(neutral)或恒定的信號(hào)，以致于不影響獲得的測(cè)量結(jié)果。然后，相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器裝置170中，作為可以在隨后的實(shí)際測(cè)量周期中使用的參考值，以補(bǔ)償設(shè)備波動(dòng)和系統(tǒng)飄移。當(dāng)期望電極組件130在預(yù)定的狀態(tài)時(shí)，參考值可以經(jīng)常建立，或者，可以按照需求建立，例如，當(dāng)檢測(cè)某一情況時(shí)，依據(jù)由外部源或微控制器150提供的控制信號(hào)的應(yīng)用?？纱鎯?chǔ)參考值，以便隨著時(shí)間過去監(jiān)視參考值進(jìn)展，其中，在一些實(shí)施例中，可建立某一標(biāo)準(zhǔn)，以便評(píng)估與參考值的進(jìn)展關(guān)聯(lián)的裝置100的狀態(tài)。尤其是，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)參考測(cè)量與一個(gè)或多個(gè)“有效”標(biāo)準(zhǔn)不匹配時(shí)，微控制器150可以指示出無效狀態(tài)，“有效”標(biāo)準(zhǔn)可以被定義為特定的閾值范圍。例如，涂覆電極組件130的絕緣材料的退化隨著時(shí)間的過去可以導(dǎo)致參考值的顯著變化，因此，也使實(shí)際測(cè)量結(jié)果可靠性差，并且，裝置100可能指示出無效的狀態(tài)或者至少對(duì)認(rèn)為需要注意的的測(cè)量結(jié)果給出指示。在高敏感應(yīng)用和/或在需要大量的裝置100的應(yīng)用中對(duì)裝置狀態(tài)的相應(yīng)監(jiān)視是有利的，以便單個(gè)裝置的裝置狀態(tài)可以有效地評(píng)估。
此外，裝置100可以包括一個(gè)或多個(gè)另外的傳感器元件，例如，連接到相應(yīng)的控制裝置的溫度元件180，在本實(shí)施例中，該控制裝置由微控制器150代表。由傳感器180收集的另外的信息可以提高在檢測(cè)特定物質(zhì)時(shí)的準(zhǔn)確性，以便獲得比相應(yīng)的庫數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果更好的“分辨率”。
在其它實(shí)施例中，包括一個(gè)或多個(gè)另外的傳感器元件180的裝置100可以代表氣象系統(tǒng)，其功能性通過與傳感裝置120和多頻發(fā)生器110結(jié)合的電極組件130有效地?cái)U(kuò)展。在這種情況下，作為氣象系統(tǒng)的裝置100也可以包括與微控制器150連接的顯示裝置190，以根據(jù)從電極組件130和/或傳感器元件180獲得的測(cè)量結(jié)果顯示任何信息。
圖1f示意性地示出簡化了傳感裝置120的裝置100，其中，開關(guān)123可以省略并且可以用高阻的電阻器125替換，該電阻器125與讀出電容器121結(jié)合構(gòu)成低通濾波器。此外，電極組件130可以包括電阻器133，其與電容器131結(jié)合構(gòu)成相關(guān)頻率分壓器(frequencydependent voltage divider)。在裝置100運(yùn)行期間，特定頻率和幅度的信號(hào)，例如已知幅度和占空因數(shù)的矩形波信號(hào)，施加到電極組件130，其中，在電容器131上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，這取決于預(yù)定的頻率、幅度和占空因數(shù)、以及電阻器133的值。因?yàn)榫哂写_定阻抗的電阻器133可以容易地合并到電極組件130中或者在信號(hào)路徑里的任何合適的位置，所以電容器131的電容可以通過檢測(cè)在電容器131處的電壓降來確定。所以，可以在讀出電容器121處測(cè)量電壓，其中，只要電阻器具有足夠高的值并且電容器對(duì)提供到電容器131的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)仄交?，那么特定的值不是臨界的。因此，當(dāng)施加確定頻率的信號(hào)時(shí)，可以確定電容器131的電容，不需要對(duì)多個(gè)脈沖和任何控制電壓測(cè)量操作的開關(guān)進(jìn)行特定的控制。為了測(cè)量較低頻率的信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換器124的操作可以及時(shí)地與由頻率發(fā)生器110提供的低頻脈沖相關(guān)，并且，在各周期里，可以執(zhí)行多次測(cè)量，從而獲得適度精確的平均值。應(yīng)該明白在圖1a中所示的實(shí)施例可以容易地與在圖1e中所示的元件結(jié)合，例如，運(yùn)算放大器126、參考信號(hào)源160和/或另外的傳感器元件180。
圖2示意性地示出系統(tǒng)200，系統(tǒng)200包括多個(gè)設(shè)置和形成接收有關(guān)的物質(zhì)的電極組件230。尤其是，電極組件230可以包括至少一對(duì)具有絕緣表面部分235的電極，絕緣表面部分235限定電極組件230的特定的電容。電極組件230的各連接到各自的硬件和軟件資源250，能夠執(zhí)行多頻電容測(cè)量，如在圖1a-1f所描述的。此外，硬件和軟件資源250也包括通信裝置，通信裝置被配置用以通過網(wǎng)絡(luò)240與中心站201通信。網(wǎng)絡(luò)240可表示任何合適的有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)。配置中心站201以監(jiān)視和/或控制單個(gè)的硬件和軟件資源250的操作并且也可接收來自單個(gè)的資源250的測(cè)量結(jié)果，從而確定沉積在單個(gè)的電極組件230上的有關(guān)的物質(zhì)的存在和/或狀態(tài)。在一個(gè)具體實(shí)施例中，系統(tǒng)200可以代表用于收集有關(guān)路面情況信息的系統(tǒng)，其中，單個(gè)的電極組件230位于有關(guān)的道路的各個(gè)地點(diǎn)，以確定水、冰、雪的存在和這些物質(zhì)的相應(yīng)狀態(tài)，例如，開始結(jié)冰等等。在其它實(shí)施例中，系統(tǒng)200可以代表用于檢測(cè)在危險(xiǎn)區(qū)域例如飛機(jī)機(jī)翼等等的特定物質(zhì)的多傳感器系統(tǒng)。在一個(gè)具體實(shí)施例中，硬件和軟件資源250和/或中心站201被配置用以例如在參考測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上評(píng)估單個(gè)的電極組件230的設(shè)備的狀態(tài)和/或它們的硬件和軟件資源250的狀態(tài)，如在前面解釋的。
在其它實(shí)施例中，中心站201可與外部源連接，以便從外面接收信息或提供信息到外面，例如，氣象信息、技術(shù)信息等等。
結(jié)果，本發(fā)明提供一種新型的多頻電容測(cè)量系統(tǒng)，允許以三個(gè)以上頻率為基礎(chǔ)確定電極組件的電容，因此，以可靠的方式提供用于確定有關(guān)的物質(zhì)的存在和特征的能力。有利地，控制和管理道路和高速公路的公司可以應(yīng)用該系統(tǒng)和方法，從而，提供監(jiān)視道路表面情況的功能，提高安全性，并且，通過避免在道路上不必要地散布除冰物質(zhì)而降低成本。此外，通過由本發(fā)明提供的功能，可以擴(kuò)大氣象站的功能，以允許可靠地檢測(cè)暴露表面的表面情況。此外，在許多工業(yè)領(lǐng)域中，需要對(duì)極性液體例如水、燃料、或氨草膠進(jìn)行檢測(cè)，其中，高度的硬件可靠性和低成本使本發(fā)明成為非常吸引人的方法。此外，本發(fā)明的裝置可以成成小體積的形式，從而容易安裝在相應(yīng)的測(cè)量場所例如道路表面上。整個(gè)配置不復(fù)雜，因此，確?？煽康南到y(tǒng)長期運(yùn)行，其中，可以保持低的功耗，以致于不用外部電源而連續(xù)地監(jiān)視具體情況是切實(shí)可行的。此外，由于多頻測(cè)量原理，可獲得更高的靈敏度，這不僅可檢測(cè)水或冰的存在，而且也能夠檢測(cè)冰層或水層的厚度并精確地監(jiān)視冰的形成。
權(quán)利要求
1.多頻電容測(cè)量裝置，包括電極組件，配置用以接收改變所述電極組件的電容的測(cè)量物質(zhì)，多頻發(fā)生器，與所述電極組件結(jié)合在一起，配置用以按時(shí)間順序的方式提供三個(gè)以上各自具有不同頻率的信號(hào)，及傳感裝置，其與所述電極組件相連接，配置用以測(cè)定表示所述三個(gè)以上不同頻率中的各個(gè)的所述電極組件的電容的值。
2.如權(quán)利要求1所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述的傳感裝置包括讀出電容器和電壓測(cè)量裝置，該電壓測(cè)量裝置與所述讀出電容器相連接并用以測(cè)定讀出電容器的電壓。
3.如權(quán)利要求2所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述的電壓測(cè)量裝置包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用以提供所述值的數(shù)字值。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述頻率發(fā)生器包括參考電壓源和第一可控開關(guān)，該第一可控開關(guān)用于周期性地將參考電壓源與所述電極組件連接以提供具有所述三個(gè)以上不同頻率的所述信號(hào)。
5.如權(quán)利要求2、3或4所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述電壓測(cè)量裝置還包括第二可控開關(guān)，用于可控制地將所述讀出電容器與所述電極組件連接。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述三個(gè)以上頻率是從大約50Hz到至少幾MHz中選擇的。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，還包括比較器裝置，配置用于對(duì)三個(gè)以上不同頻率中的各個(gè)值與各自的目標(biāo)值相比較并當(dāng)所述各值與其目標(biāo)值在預(yù)定的公差范圍內(nèi)相匹配時(shí)輸出指示。
8.如權(quán)利要求7所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述各目標(biāo)值表示所述三個(gè)以上頻率的各個(gè)有關(guān)的物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述各目標(biāo)值表示對(duì)于所述有關(guān)的物質(zhì)的兩個(gè)以上不同溫度的所述三個(gè)以上頻率有關(guān)的物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述各目標(biāo)值表示對(duì)所述三個(gè)以上頻率有關(guān)的至少兩種物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，還包括參考信號(hào)源，用于提供參考信號(hào)給所述傳感裝置，所述參考信號(hào)表示所述三個(gè)以上不同頻率的各個(gè)的各自參考值，并表示參考狀態(tài)的三個(gè)以上不同頻率的各個(gè)的所述電極組件的各自的電容。
12.如權(quán)利要求11所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述參考信號(hào)源與所述傳感裝置相連接并用于接收所述表示電極組件電容的值，并且當(dāng)由控制信號(hào)將該電極組件的狀態(tài)設(shè)定為參考狀態(tài)時(shí)，利用所述值作為參考值。
13.如權(quán)利要求3和12所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述參考信號(hào)源包括存儲(chǔ)器，配置用以將獲得的所述參考值存儲(chǔ)為數(shù)字值。
14.如權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述傳感裝置還包括相連接的運(yùn)算放大器，用以接收所述參考信號(hào)并輸出差分信號(hào)以得到三個(gè)以上不同頻率的各個(gè)的所述值。
15.如權(quán)利要求3和14所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述運(yùn)算放大器被連接以接收所述讀出電容器上的電壓和所述參考信號(hào)，并將所述差分信號(hào)輸出到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
16.如權(quán)利要求13和15所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述參考信號(hào)源還包括連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用以接收所述存儲(chǔ)的數(shù)字值并將表示該存儲(chǔ)的數(shù)字值的模擬信號(hào)輸出到所述運(yùn)算放大器。
17.如權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述頻率發(fā)生器和傳感裝置在微控制器中實(shí)現(xiàn)。
18.如權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，還包括溫度傳感器。
19.如權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，其中所述電極組件中的各電極用絕緣材料層涂覆。
20.如權(quán)利要求1至19中任一項(xiàng)所述的多頻電容測(cè)量裝置，還包括通信裝置，配置用以將數(shù)據(jù)傳送到外部源。
21.一種測(cè)定環(huán)境狀況的傳感系統(tǒng)，包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至20的任一項(xiàng)的多頻電容測(cè)量裝置，各測(cè)量裝置包括配置用于通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的通信單元，和中心站，具有控制單元和用于通過所述網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)的通信裝置，所述配置的控制單元用以根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)評(píng)測(cè)多個(gè)多頻電容測(cè)量裝置的狀態(tài)。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)多頻電容測(cè)量裝置被定位以暴露在路面狀況之中。
23.如權(quán)利要求21或22所述的系統(tǒng)，其中所述通信裝置還被配置用以接收外部源的氣象數(shù)據(jù)。
24.如權(quán)利要求21至23所述的系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)另外的獲取環(huán)境信息的傳感器件。
25.一種氣象測(cè)量系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)的多頻電容測(cè)量裝置，和控制單元，可操作地與所述多頻電容測(cè)量裝置相連接，并用以估測(cè)由所述多頻電容測(cè)量裝置提供的數(shù)據(jù)，以及顯示裝置，用于顯示氣象數(shù)據(jù)。
26.一種測(cè)定電極組件的狀態(tài)的方法，該方法包括將至少三個(gè)不同頻率的信號(hào)提供給處于有關(guān)狀態(tài)的電極組件，測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的電容的測(cè)量值，將各個(gè)測(cè)量值與至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的各自的庫值進(jìn)行比較，所述庫值表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的所述電極組件的特定狀態(tài)，以及當(dāng)各測(cè)量值與各庫值在預(yù)定的公差范圍內(nèi)匹配時(shí)，將該所述有關(guān)狀態(tài)確定為所述特定狀態(tài)。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述至少三個(gè)不同頻率在幾Hz到幾MHz范圍內(nèi)變化。
28.如權(quán)利要求26或27所述的方法，還包括將所述電極組件暴露在環(huán)境條件下以接收至少一種有關(guān)的物質(zhì)，其中所述庫值表示在其上以預(yù)定的狀態(tài)施加所述至少一種物質(zhì)的所述電極組件的狀態(tài)。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述庫值表示至少三個(gè)不同頻率中的各個(gè)在特定條件下所述至少一種物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
30.如權(quán)利要求26或27所述的方法，還包括建立數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫表示多個(gè)不同狀態(tài)所述物質(zhì)的至少所述物質(zhì)的所述至少三個(gè)不同頻率中的各個(gè)的相對(duì)介電常數(shù)。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述不同狀態(tài)包括所述物質(zhì)的多個(gè)不同溫度。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述庫包括表示多個(gè)不同物質(zhì)的至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的相對(duì)介電常數(shù)。
33.如權(quán)利要求30至32中的任一項(xiàng)所述的方法，還包括將具有特定狀態(tài)的所述物質(zhì)施加到所述電極組件上，測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的所述電極組件的電容的參考測(cè)量值，以及存儲(chǔ)所述參考測(cè)量值或表示與特定狀態(tài)的庫數(shù)據(jù)相同的值。
34.如權(quán)利要求30至33中的任一項(xiàng)所述的方法，其中測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的電容的測(cè)量值，包括a)用具有至少三個(gè)不同頻率之一的信號(hào)給電極組件充電預(yù)定的時(shí)間周期，b)測(cè)定電極組件上存儲(chǔ)的電荷，以及c)對(duì)所述至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)重復(fù)步驟a)和b)。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的預(yù)定時(shí)間周期可通過提供包括預(yù)定數(shù)量的脈沖的信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其中在所述電極組件上存儲(chǔ)的電荷在所述預(yù)定時(shí)間周期后通過將讀出電容器與所述電極組件連接并測(cè)定讀出電容器的電壓來測(cè)定。
37.如權(quán)利要求30至33中的任一項(xiàng)所述的方法，其中測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的電容的測(cè)量值，包括a)通過特定電阻將具有所述至少三個(gè)不同頻率之一和特定幅度的信號(hào)提供給所述電極組件，b)測(cè)定所述電極組件上的電壓，以及c)對(duì)所述至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)重復(fù)步驟a)和b)。
38.如權(quán)利要求30至37中的任一項(xiàng)所述的方法，其中測(cè)定表示至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的電極組件的電容的測(cè)量值還包括產(chǎn)生表示所述電極組件的參考狀態(tài)的參考信號(hào)并從所述電極組件的輸出信號(hào)中減去所述參考信號(hào)以提供所述至少三個(gè)不同頻率的各個(gè)的差分信號(hào)。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中當(dāng)所述電極組件處于所述參考狀態(tài)時(shí)，所述參考信號(hào)先于所述輸出信號(hào)產(chǎn)生且所述參考信號(hào)或其代表被存儲(chǔ)。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中所述參考信號(hào)或其代表以數(shù)字形式存儲(chǔ)并在從輸出信號(hào)中減去之前變換成模擬信號(hào)。
41.如權(quán)利要求30至40中的任一項(xiàng)所述的方法，還包括獲得環(huán)境信息并根據(jù)該環(huán)境信息確定電極組件的狀態(tài)。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述環(huán)境信息包括所述電極組件的當(dāng)前環(huán)境的溫度。
43.一種方法，包括提供多個(gè)電極組件，和根據(jù)權(quán)利要求30至42中的任一項(xiàng)所述的方法測(cè)定各個(gè)所述電極組件的狀態(tài)。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，還包括將所述測(cè)量值傳送到中心站，其中比較和確定的步驟在所述中心站進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種方法和系統(tǒng)，系統(tǒng)包括多頻發(fā)生器，用于提供至少三個(gè)不同頻率的信號(hào)給電極組件，對(duì)多個(gè)不同頻率點(diǎn)測(cè)定其電容。如此，存在于電極組件附近的物質(zhì)影響電極組件的電容。優(yōu)選地，本發(fā)明適于可靠地監(jiān)測(cè)路面狀況。
文檔編號(hào)G01W1/00GK1749743SQ20051010481
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者埃羅斯·帕塞羅, 馬爾科·里卡爾迪, 塔西洛·B·邁因德爾 申請(qǐng)人:都靈無線基金會(huì)