BRPI0709593A2 - Sistema sensor capacitivo e método para um sistema sensor capacitivo - Google Patents
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Abstract
SISTEMA SENSOR CAPACITIVO E MéTODO PARA UM SISTEMA SENSOR CAPACITIVO. A presente invenção refere-se a um sistema sensor capacitivo compreendendo um circuito sensor conectado com uma primeira (15) e uma segunda (11) antena, a primeira antena (15) é disposta sobre um primeiro objeto (10) e a segunda antena (11) disposta sobre um segundo objeto (11) deslocável em relação ao primeiro objeto (10). A primeira antena (15) é disposta imediatamente contígua ao segundo objeto (11) para o circuito sensor detectar o deslocamento e/ou a posição do segundo objeto (11).
Description
"SISTEMA SENSOR CAPACITIVO E MÉTODO PARA UM SISTEMASENSOR CAPACITIVO"
CAMPO TÉCNICO
A presente invenção trata de um sistema sensor capacitivocompreendendo um circuito sensor conectado com uma primeira e umasegunda antena, a primeira antena é disposta sobre um primeiro objeto e asegunda antena é disposta sobre um segundo objeto móvel em relação aoprimeiro objeto.
FUNDAMENTOS
Sistemas sensores capacitivos são bem conhecidos por suacapacidade de proporcionar controle e operação de diferentes aparelhosbaseados sobre a presença de um corpo humano. Os sistemas em causa sãogenericamente descritos, por exemplo, nos documentos US 4453112 e US5621290. Nestes documentos um eletrodo sensor é disposto sobre a armaçãode janela da janela de um carro. Assim que uma parte de um corpo humano, talcomo uma das mãos, se aproxima do eletrodo sensor, a capacitância entre oeletrodo sensor e um eletrodo terra aumenta. Este aumento em capacitânciaaltera a freqüência de um sinal de saída do eletrodo, que é comparado com umvalor de referência, e um motor moendo a janela funciona baseado sobre estaalteração. 0 sistema sensor pode responder a elementos semicondutores talcomo um corpo humano, porém, plásticos e madeira não causarão qualquerefeito.
O pedido de patente sueco ainda não publicado SE 0402261-2apresenta um sistema sensor capacitivo previsto para resolver o problema dedetectar uma pequena parte do corpo entre a porta e o corpo de um gabineterefrigerador equipado com um sistema sensor capacitivo. Normalmente, ocorpo do gabinete tornará a antena da porta cega uma vez que sua maiorinfluência sobre a capacitância é muito maior que a menor influência sobre acapacitância causada pela parte de corpo. Para resolver isto, a invençãoexposta compreende uma blindagem eletromagnética entre a porta e o corpodo refrigerador, montada como uma gaxeta na borda do corpo do gabinete. Ablindagem deve remover a influência causada pelo corpo do gabinete. Establindagem tem posição fixa em relação ao corpo do refrigerador e umacapacitância constante em relação à mesma. A porta é eletricamente ligadacom esta blindagem e o método de movimento da porta não altera acapacitância da porta para o corpo do refrigerador.
Todavia, uma desvantagem com o sistema exposto reside noalto custo de construção. Esta armação deve ser de delgada folha metálicacondutiva (de cobre por exemplo) porém do ponto de vista estético deve serrecoberto por alguns elementos de plástico e todos os lados desta armaçãodevem ser eletricamente ligados entre si e com o painel de controle.Quandofechados os elementos de armação de cobertura da porta influenciam a gaxetacom grande pressão e o plástico necessita ser bastante duro (dispendioso) parasobreviver nestas condições.
Outro problema reside no fato de que a armação não constituiuma blindagem real. A dimensão da porta (veja-se a figura 1) é muito maiorque a área total da armação. Isto significa que um campo eletromagnético C3é formado entre a porta e o corpo do refrigerador. Isto adicionará umacapacitância variável extra ao circuito de medição do sistema. Na realidade, ablindagem (uma vez que não constitui uma blindagem real) poderia sersubstituída por capacitor constante "normal" Cl localizado sobre o painel decontrole. Então estamos de retorno a um sistema sensor capacitivo para umgabinete refrigerador sem uma blindagem. A capacitância C3 dependerá doângulo da porta e influencia a capacitância total do circuito (ver a figura 2).Outrossim, devido à armação estar muito mais próxima do corpo dorefrigerador, sua capacitância Cl é muito mais alta (cerca de 2 a 3 nF e a suamédia 10 vezes maior que a capacitância do corpo humano para acapacitância da porta, C2).Por conseguinte, teremos não somente uma capacitânciaconstante da blindagem para o corpo, porém dois capacitores C1, C3 ligadosem paralelo - armação para o refrigerador e porta para o refrigerador comuma capacitância total 10 vezes mais alta que a do corpo humano para a porta(C2). As figs. 1-2 ilustram isto..Outrossim, temos de tratar com as variânciasC3 devido ao ângulo da porta. Devido a isto necessitaremos um ADC de alta-resolução (gama dinâmica cerca de 20000) e processamento de sinalcomplicado com amplificação de somente uma parte de um sinal dentro dainteira gama para poder detectar um movimento do corpo humano. Oproblema será identificar se uma variação na capacitância total depende deum movimento da porta ou da presença de um corpo humano.
SUMÁRIO DA PRESENTE INVENÇÃO
Por conseguinte um dos objetivos da presente invenção éproporcionar um sistema sensor capacitivo, aplicado sobre uma porta ou sobreuma tampa retida por uma armação influenciada por capacitância, que ésuscetível de facilmente e confiavelmente detectar uma pequena parte de umcorpo humano. Este objetivo é alcançado de acordo com a invenção conformedefinido na parte caracterizadora de acordo com a reivindicação 1.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
A invenção passa a ser descrita em maior detalhe comreferência aos desenhos apensos, de acordo com os quais:
A fig. 1 mostra o sistema sensor capacitivo aplicado a umgabinete refrigerador;
A fig. 2 mostra o circuito de medição correspondente para osistema de acordo com a fig. 1;
A fig. 3 mostra um sistema sensor capacitivo aplicado aogabinete de um refrigerador de acordo com a presente invenção;
A fig. 4 mostra a estrutura do elemento de sistema de mediçãopara o sistema de acordo com a fig. 3;A fig. 5 mostra o correspondente sistema de medição para osistema de acordo com as figs. 3-4;
A fig. 6 mostra a "capacitância subordinada ao ângulo deabertura da porta".
DESCRIÇÃO DE UMA MODALIDADE ILUSTRATIVA
As figuras 1-2 mostram a modalidade da técnica anterior nopedido de patente Sueco não publicado SE 0402261-2, ao passo que as figs. 3- 6 mostram uma modalidade ilustrativa de um sistema sensor capacitivo deacordo com a presente invenção. A modalidade ilustrativa não deve serinterpretada como uma limitação da invenção. Sua finalidade é ilustrar comoa invenção pode ser aplicada e ilustrar adicionalmente o âmbito da invenção.
Reportando-se à fig. 1 o sistema sensor capacitivo da técnicaanteriormente existente é aplicado a um gabinete refrigerador 10 tendo umcorpo com uma chapa metálica externa encerrando o gabinete. O gabinetecompreende uma porta 11 suspensa por dobradiças ao corpo. Conformedescrito nos fundamentos, o presente sistema compreende uma blindagemeletromagnética 12 entre a porta e o corpo do refrigerador, montada comouma gaxeta na borda do corpo do gabinete. Ela é acoplada 13 com a porta. Ablindagem deve remover a influência causada pelo corpo do gabinete. A fig. 2mostra o correspondente circuito de medição (sumariador de correntes)formado por este conjunto, que por sua vez corresponde ao seguinte cálculoda capacitância total:
Ctot = Cl + C2 + C3
Cl é a capacitância fixa formada entre a blindagem e o corpo do gabinete.
Esta tem um alto valor (nF), C2 é a capacitância variável formada entre aporta e o nível de terra, que depende do movimento do corpo humano ou dapresença na porta. Este tem um baixo valor (pF). C3 é a capacitância variável,não calculada formada entre a porta e o corpo do gabinete. Esta tem um altovalor (nF) e depende do ângulo de abertura da porta. Ao medir a capacitânciatotal na saída 14 do circuito (fig. 2) será muito difícil identificar ummovimento de corpo humano (variações de C2). O problema será identificarse uma variação na capacitância total depende de um movimento da porta ouda presença de um corpo humano, ι
As figs. 3 -6 mostram uma modalidade ilustrativa de acordocom a presente invenção. Na fig. 3 é mostrado o gabinete 10 com a portaarticulada 11. Uma chapa metálica externa cobre o corpo do gabinete. Deacordo com a presente invenção, a blindagem 12 é substituída por umeletrodo 15 sobre o lado superior do refrigerador. O eletrodo é construídocomo uma tira metálica disposta sobre o painel superior (não mostrado)retendo a interface de usuário, o painel de circuito e outros componenteselétricos. O eletrodo funciona como uma antena para o circuito sensorcapacitivo. O sistema será suscetível de detectar a posição como uma maneirade resolver os problemas acima mencionados com a solução da técnicaanterior.
Na figura 3 são mostrados os capacitores formados pelo novoconjunto de sistema. Cl é a capacitância fixa formada entre o eletrodo 15 e ocorpo do gabinete 10. C2 é a capacitância variável formada entre a porta e onível do solo 10. C2 é a capacitância variável formada entre a porta e o níveldo solo, que depende da presença ou movimento de um corpo humanopróximo à porta. C3 é a capacitância variável formada entre a porta e o corpodo gabinete. Depende do ângulo de abertura da porta. C4 é a capacitânciavariável formada entre o eletrodo e a porta. Depende do ângulo de abertura daporta. Como descrito mais adiante, o sistema usará o conhecimento acerca dovalor desta capacitância C4 para detectar se um corpo humano 16 se aproximada porta.
A fig. 4 mostra a estrutura de elementos do sistema demedição e a fig. 5 o correspondente sistema de medição para o presentesistema sensor capacitivo. A fig. 4 mostra as diferentes antenas (corpo degabinete 10, eletrodo 15, porta 11, corpo humano 16) que influencia acapacitância total medida na saída 17 do circuito (fig. 5). Agora olhando parao cálculo da capacitância total na saída 17:
Ctot = Cl + 1/(4 + l/(C2+3))
Na presente invenção os valores da capacitância de eletrodo(Cl e C4) são muito mais baixos (menos de 10 pF) comparando com ascapacitâncias de porta e corpo humano C2/C3, (200 - 400 pF no total) e ainfluência do C2 e C3 sobre a capacitância da tira metálica por conseguintenão é significante, por exemplo:
Se Cl = C 10 pF, C4 = 10 pF; C3 = 300 pF, C2 = 100 pF(usuário toca uma porta). A capacitância total é então:
C = Cl + 1/(C4 + 1(C2+C3) = 10 + 1/(300+100)) = 19,76 pFSe Cl= 10F, C4 = 10 pF; C3 = 300 pF, C2 = 0 pF (usuáriodistante da porta). A capacitância total é então.
C = Cl + 1/(1/C4 + 1/(C2+C3)) = 10 + l(C300+0)) = 19,67 pF
Assim o movimento do corpo humano próximo à porta emesmo tocando a porta não terá influência real sobre os resultados demedição da posição da porta (especialmente quando a porta está aberta e acapacitância C4 é significativamente menor).
Olhando para a fig. 6, quando a porta está se abrindo suaposição sob a tira de metal do lado superior está se alterando e a área dassuperfícies de cobertura comum está também se alterando. A capacitânciadeste capacitor variável, por conseguinte, depende (porém não linearmente)do ângulo de abertura no diagrama. A maior parte das alterações se verificaráquando a porta somente principia a se abrir e serão muito pequenas quando aporta estiver quase aberta. Este sensor terá excelente precisão paradeterminação da condição fechada da porta e baixa precisão para a condiçãoaberta da porta. Para correta funcionalidade do refrigerador a identificaçãoconfiável da condição fechada da porta é mais crítica do que aberta assim umaprecisão não tão exata para a condição aberta é aceitável.
O resultado disto é que será fácil, ao dar início ao sistemacalibrar de modo que o sistema tenha conhecimento da capacitância total nasaída 17 para diferentes ângulos de porta. O usuário será instruído pararealizar esta calibração ao instalar o gabinete em sua residência. Então osistema sempre disporá de informações acerca da posição da porta e podecalcular o sinal capacitivo total previsto para um determinado ângulo de portasem ações do usuário (movimentação e toque da porta) e subtrair o mesmo dosinal real. Disporemos desse modo de um sinal puro de ações do usuário. Istohabilitará um sistema sensor capacitivo operacional para um gabineterefrigerador.
Praticamente, o circuito sensor capacitivo, quando calibrado,detectará a posição do segundo objeto medindo a capacitância total nocircuito elétrico e efetuar sua comparação com um diagrama armazenado darelação entre a capacitância total e a posição do segundo objeto. O circuitosensor, ao detectar a posição do segundo objeto, detectará o movimento e/ou aposição de uma parte de corpo usada contígua ao segundo objeto.
Outra vantagem é que os dois comutadores mecânicosnormalmente usados em refrigeradores (comutador de alarme de porta abertae comutador de iluminação interna) poderem ser removidos. Redução decusto prevista devido à simplificação da construção mecânica.
Será óbvio para aqueles versados na técnica que a invençãonão está limitada ao sistema sensor capacitivo adaptado somente para umgabinete de refrigeração. Em vez disso pode ser usada em qualquer aparelhodotado de uma parte móvel em que um dispositivo de antena para um sistemasensor capacitivo seja implementado.
Claims (19)
1. Sistema sensor capacitivo compreendendo um circuitosensor conectado com uma primeira (15) e uma segunda antena (11), aprimeira antena (15) é disposta sobre um primeiro objeto (10) e a segunda antena (11) é disposta sobre um segundo objeto (11) móvel em relação aoprimeiro objeto (10) caracterizado pelo fato de que a primeira antena (15) édisposta imediatamente contígua ao segundo objeto (11) para o circuito sensordetectar o movimento e/ou a posição do segundo objeto (11).
2. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes caracterizado pelo fato de que a primeira antena(15) é disposta substancialmente em paralelo com uma superfície sobre osegundo objeto (11).
3. Sistema sensor capacitivo de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que a primeira antena (15) e a superfície sobre o segundo objeto (11) pelo menos parcialmente se superpõem olhando para asuperfície em frente.
4. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma dasreivindicações 2-3, caracterizado pelo fato de que a primeira antena (15) e dasuperfície sobre o segundo objeto (11) têm uma forma oblonga, em que adireção de extensão principal tanto para a antena (15) quanto para a superfíciesão substancialmente paralelas em uma posição do segundo objetivo (11).
5. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma dasreivindicações 2-4, caracterizado pelo fato de que o segundo objeto (11) éuma porta montada de forma girante ou deslizante sobre o primeiro objeto (10), da superfície sobre o segundo objeto (11) ser parte do formato da porta,com a superfície sendo formada sobre a borda da porta.
6. Sistema sensor capacitivo de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de que a segunda antena (11) é formada como umafolha de cobertura sobre a porta.
7. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma dasreivindicações 5-6, caracterizado pelo fato de que o primeiro objeto (10) é umcorpo de gabinete e o corpo conjuntamente com a porta encerra um espaço degabinete, a primeira antena (15) sendo disposta em uma superfície de antenaconfrontando a superfície sobre o segundo objeto (11).
8. Sistema sensor capacitivo de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que a superfície de antena é disposta sobre umaparte estendida do corpo do gabinete de modo a confrontar a borda da porta.
9. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a segunda antena(11) é prevista para o circuito sensor detectar o deslocamento e/ou a posiçãoda parte de corpo de um usuário (16) contígua ao segundo objeto (11).
10. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que uma primeiracapacitância (Cl) é formada entre a primeira antena (15) e o primeiro objeto(10).
11. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que uma segundacapacitância (C2) é formada entre a segunda antena (11) e o nível de terra.
12. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que uma terceiracapacitância (C3) é formada entre a segunda antena (11) e o primeiro objeto(10).
13. Sistema sensor capacitivo de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que uma quartacapacitância (C4) é formada entre a primeira antena (15) e a segunda antena(11).
14. Sistema sensor capacitivo de acordo com as reivindicações-10-13, caracterizado pelo fato de que o valor da quarta capacitância (C4) éinfluenciado pelo dito deslocamento do segundo objeto (11) em relação aoprimeiro objeto (10).
15. Sistema sensor capacitivo de acordo com as reivindicações-10-14, caracterizado pelo fato de que o valor da segunda capacitância (C2) éinfluenciado pela presença de um corpo humano (16) no segundo objeto (11).
16. Sistema sensor capacitivo de acordo com as reivindicações-10-14, caracterizado pelo fato de que ditas capacitâncias (C1,C2,C3,C4)formam um circuito elétrico equivalente em que a primeira capacitância éconectada em paralelo com uma conexão em série pelo menos entre a segundae quarta capacitâncias.
17. Método para um sistema sensor capacitivo compreendendoum circuito sensor conectado com uma primeira (15) e uma segunda (11)antena, a primeira antena (15) é disposta sobre um primeiro objeto (10) e asegunda antena (11) é disposta sobre um segundo objeto (11) deslocável emrelação ao primeiro objeto (10), o conjunto de antenas formando um circuitoelétrico equivalente caracterizado pelo fato de que o circuito sensor detecta aposição do segundo objeto (11) medindo a capacitância total (17) no circuitoelétrico e compara a mesma com um diagrama armazenado da relação entre acapacitância total e a posição do segundo objeto (11).
18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizadopelo fato de que o segundo objeto (11) é uma porta giravelmente montadasobre o primeiro objeto (10) e a posição do segundo objeto (11) correspondeao ângulo de rotação em relação ao primeiro objeto (10).
19. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações-17-18, caracterizado pelo fato de que o circuito sensor ao ter detectado aposição do segundo objeto (11) é capaz de detectar o deslocamento e/ou aposição de uma parte de corpo usada contígua ao segundo objeto (11).
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