阅读说明：本技术 活体检测方法和设备 (Living body detection method and apparatus ) 是由 郑家伟 罗文佑 伍显鸿 黄国城 于 2018-11-05 设计创作，主要内容包括：公开了用于检测电接触表面处可能的活体接触的方法及设备,包括发送无危害性的探测信号到接触表面,响应于电探测信号检测来自接触表面的电响应,以及确定捕获的响应信号是否具有期望的响应脉冲的特征,并且输出指示可能的活体的正输出信号以减轻电气伤害的风险。(Methods and apparatus are disclosed for detecting possible living body contact at an electrical contact surface, including sending a non-hazardous probe signal to the contact surface, detecting an electrical response from the contact surface in response to the electrical probe signal, and determining whether the captured response signal is characteristic of a desired response pulse, and outputting a positive output signal indicative of a possible living body to mitigate risk of electrical injury.)

活体检测方法和设备

技术领域

本公开涉及用于检测接触表面处的活体接触的方法和设备，以及用于控制供电以减轻触电风险的方法和设备。

背景技术

电是一种能量形式，其几乎存在于现代生活中的任何地方。然而，人体和其他活体在某种程度上是导电的，并且通过人体的电流可能引起触电并且是致命的。

研究表明，人体的不同部分可被视为形成包括分布式电阻(R)和电容(C)组件的电路，并且所述电阻(R)和电容(C)组件的阻抗值取决于许多因素，例如电流路径、触摸电压(touch voltage)、电流持续时间、电流频率、皮肤的湿润程度、接触的表面积、施加的压力和温度。从手臂到手臂或手臂到腿，电阻通常在1kΩ到1MΩ之间，但是破损的皮肤的电阻可以降到100Ω。

以下是当15-100Hz的电流通过人体时的一些典型阈值：

1mA	感知阈值
		5mA	明显的触电、不自主的运动
10mA	摆脱(let-go)阈值
		30mA	可能的心室颤动
50mA	更可能的(probable)
		100mA	呼吸停止、颤动、死亡成为可能
1A	神经损伤、烧伤、可能死亡

已知心室颤动是15Hz至100Hz频率范围内致命触电事故的主要原因，并且50Hz和60Hz当然是标准输电干线(mains)供电频率。

期望提供减轻致命触电风险的手段或措施。

发明内容

电流对于诸如心脏和大脑等重要人体器官的运作是必不可少的。然而，具有电流幅度和流动持续时间超过安全限制的电流可能是有害的并且可能通过触电造成伤害或死亡。

如果流过人的电流达到称为感知阈值的幅度，则活人可以感觉到电流。感知阈值取决于若干参数，例如身体接触面积(“接触面积”)、接触条件(干燥、湿润、压力、温度)，并且还取决于个体的生理特性。50/60Hz的AC电流(交流电)的感知阈值通常在0.25mA至1mA之间。DC(直流电)感知阈值大约是AC感知阈值的四倍。

如果流过人的电流达到称为“摆脱”阈值的幅度，则电流可能导致人失去肌肉控制。当发生这种情况时，将无法控制他/她的肌肉从电接触表面移开，直到电流停止。摆脱阈值取决于若干参数，例如接触面积、电极的形状和尺寸并且还取决于人的生理特性。50/60Hz的AC电流(交流电)的摆脱阈值通常取约10mA，并且对于DC，不存在可定义的摆脱阈值。

如果流过人的电流达到称为心室颤动阈值的幅度，则电流可引起心室颤动。尽管也存在一些因窒息或心脏骤停导致死亡的证据，但心室颤动被认为是触电导致死亡的主要原因。心室颤动的阈值取决于生理参数和电参数，所述生理参数例如身体的解剖结构、心脏功能的状态等，所述电参数例如电流的持续时间和通路、电流参数等。对于AC电流低于100毫秒(ms)的触电持续时间，心室颤动可能发生在500mA以上的电流值。对于比心跳周期更长的触电持续时间，DC的颤动阈值比AC高几倍。对于短于200ms的触电持续时间，颤动阈值与AC大致相同，其以均方根(rms)值来衡量。

人体允许电流流动，并且就涉及触电的研究而言，人体可以被认为是包括电阻和电容组件的无源网络。

人体可以被视为无源阻抗网络，其包括第一皮肤阻抗(Z_p1)、第二皮肤阻抗(Z_p2)和内部阻抗(Z_i)，以用于研究电气安全性。第一皮肤阻抗(Z_p1)、第二皮肤阻抗(Z_p2)和内部阻抗(Z_i)串联电连接，其中内部阻抗(Z_i)将第一皮肤阻抗和第二皮肤阻抗电互联并且在其之间。人体的总阻抗(Z_T)等于Z_p1+Z_i+Z_p2。

人体的内部阻抗具有电阻组件和电容组件的并联连接的阻抗特性，并且可以由阻抗网络的等效电路表示，所述等效电路包括并联连接的内部电阻器R_i和RC(电阻器和电容器)分支。RC分支由串联连接的第二内部电阻器和内部电容器C_i组成(来源：英国标准文件PD6519-1：1995，图1)。内部阻抗(Z_i)的值主要取决于电流路径，并且在较小程度上取决于接触表面积。实验表明内部电容C_i具有若干皮法(pF)的值。

人体的皮肤阻抗具有并联连接的电阻组件和电容组件的阻抗特性，并且可以由包括具有皮肤电阻R_pi的电阻器和具有皮肤电容C_pi的电容器并联连接的阻抗网络的等效电路表示。其中i＝1或2。研究表明，皮肤电阻R_pi的值为几百kohm(kΩ)。(来源：英国标准文件PD6519-1：1995)。

皮肤阻抗值(Z_p1、Z_p2)取决于电压、频率、电流持续时间、接触表面积、接触压力、皮肤湿润程度、皮肤温度和类型。对于高达约50V AC的触摸电压，人的皮肤阻抗值随着接触表面积、温度、出汗、快速呼吸和其他因素而变化很大。对于超过约50V的较高触摸电压，皮肤阻抗显着降低，并且当皮肤被损坏时其可以忽略不计。当电流增加时，皮肤阻抗降低。(来源：英国标准文件PD6519-1：1995)

活的人体似乎具有电阻性和电容性的无源阻抗网络的电属性和特性，并且就触电安全性研究和解决方案而言，可以表示为这样的网络。然而，形成网络的各种电阻元件和电容元件的值看起来是非恒定且非线性的，并且根据许多因素和参数而变化很大，所述因素和参数例如接触面积、电流路径、接触条件(干燥、潮湿、压力、温度)和活体的生理参数，并且在不具有复杂算法的情况下表征人体特性是困难的(即使并非不可能)。然而，发现人体的阻抗在可预测的范围内。

例如，针对10V的示例触摸电压和从25Hz到20kHz的示例频率，具有手到手电流路径和大接触面积(5，000平方毫米(mm²)到10，000平方毫米)并且使用10个活的人体样本测得的总体阻抗值Z_T从低频端的最大阻抗下降到高频端的最小阻抗。低频端(本例中为25Hz)的最大阻抗平均值约为5.3kΩ或5.4kΩ，并且变化约为3kΩ，或者变化约为平均值两侧各1.5kΩ。发现高频端(在该示例中为20kHz)的最小阻抗具有约900Ω的平均值，并且变化约为80Ω-100Ω，或变化约为平均值两侧各40Ω-50Ω。总体阻抗Z_T从低频端的最大阻抗值迅速减小，渐近地稳定在约5kHz至10kHz处。发现在10kHz或以上的总体阻抗Z_T的变化较小并且在40Ω-50Ω范围内(来源：英国标准文件PD6519-1：1995，图6)。

例如，针对25V的示例触摸电压和从25Hz到2kHz的示例频率，具有手到手电流路径和大接触面积(5，000平方毫米(mm²)到10，000平方毫米)并且使用10个活的人体样本测得的总体阻抗值Z_T从低频端的最大阻抗下降到高频端的最小阻抗。低频端的最大阻抗(本例中为25Hz)的平均值约为3.23kΩ或3.3kΩ。发现高频端的最小阻抗(在该示例中为2kHz)具有约700Ω的平均值。总体阻抗Z_T从低频端的最大阻抗值迅速减小，渐近地稳定在约2kHz处(来源：英国标准文件PD6519-1：1995，图7)。

例如，对于从10V至1000V AC的触摸电压以及从50Hz至2kHz的频率范围的手到手或手到脚电流路径，百分等级为50％的人口的总体阻抗在10V AC 50Hz处的约5.5kΩ以及1kV AC 50Hz处的约1.1kΩ之间变化。对于50V AC或以上的触摸电压的总体阻抗，全部收敛以接近在约2kHz处的约650Ω的渐近值(来源：英国标准文件PD6519-1：1995，图8)。

例如，在AC 50/60Hz，具有手到手电流路径和大接触面积的总体阻抗值Z_T：在25V处在1750Ω(人口的5％)和6100Ω(人口的95％)之间，其中50％的人口为3250Ω；在50V处，在1450Ω(人口的5％)和4375Ω(人口的95％)之间，其中50％的人口为2625Ω；在75V处，在1250Ω(人口的5％)和2200Ω(人口的95％)之间，其中50％的人口为3500Ω；并且在100V处，在1200Ω(人口的5％)和3500Ω(人口的95％)之间，其中50％的人口为1875Ω(来源：英国标准文件PD6519-1：1995，表1)。

当活人触摸具有表面电压的接触表面使得活人和接触表面之间存在电压差或电位差时，电流将流过活人的身体(简称“活体”)。例如，当活人接触处于升高电压或高于活体电压的正电压的接触表面时，由于活体和接触表面之间的电压差或电位差，电流将从接触表面进入活体。相反，当活人接触处于低压电压或低于活体电压的负电压的接触表面时，电流将从活体进入接触表面。虽然本文的描述是参考相对于活体具有升高的电压的接触表面，但是应该理解，描述、术语和特征应经作出必要的修改后适用于接触表面相对于活体的电压处于降低的电压的情况，而不失一般性。本文的接触表面意味着允许电流流动的导电接触表面，并且电流意味着电气电流，而不失一般性。

实验和测量表明，当活体接触处于恒定电压或升高到活体电压以上的DC电压的接触表面时，存在电流的涌入(或简称“电流涌入”)，其在活体与接触表面直接电接触的瞬间或时刻流入活体。响应于接触表面触摸，电流涌入几乎立即或瞬间发生，并且流入活体的电流遵循在非常短的上升时间内上升到电流峰值，然后在实质上长于上升时间的下降时间之后从电流峰值下降到稳态电流水平的基本规则模式。响应电流在非常短的上升时间内上升到电流峰值并然后在实质上长于上升时间的下降时间之后从电流峰值下降到稳态电流水平的上述实质规则的模式是可重复的，并且被认为是表示活体的在触摸处于升高的恒定电压或DC电压的接触表面时的特性电响应曲线。涌入电流采用非对称电流脉冲的形式，在时域中，其电流幅度曲线与电流峰值不对称，其中电流峰值在时域原点或非常接近时域原点(即时域零)。

实验和测量表明，通过向接触表面发送无危害性的探测信号并且响应于探测信号评估来自接触表面的响应信号，可以确定在接触表面处是否存在活体接触。在设计合适的探测信号时，应注意，由活人触摸处于升高的电压电平的接触表面实际上等同于对人体施加作为触摸电压的、具有等于升高的电压电平的电压幅度的阶跃电压脉冲。

根据本公开，公开了一种电子电路布置，其用于检测活体与接触表面的电接触。所述活体具有类似于阻抗网络的电特征，该阻抗网络包括串联连接的第一阻抗部分、第二阻抗部分和第三阻抗部分。所述第一阻抗部分包括具有第一电容值的第一电容器和具有第一电阻值的第一电阻器，所述第一电容器和所述第一电阻器并联连接以构成第一阻抗电桥，所述第二阻抗部分包括具有第二电容值的第二电容器和具有第二电阻值的第二电阻器，所述第二电容器和所述第二电阻器并联连接以构成第二阻抗电桥，以及所述第三阻抗部分包括具有第三电容值的第三电容器和具有第三电阻值的第三电阻器，所述第三电容器和所述第三电阻器并联连接以构成第三阻抗电桥；以及其中，所述阻抗网络具有特征充电上升时间和特征放电下降时间。

在一些实施例中，所述电子电路布置包括固态控制器、非易失性数据存储装置、探测信号源和响应信号收集器。所述信号源生成探测脉冲或一连串探测脉冲作为探测信号，并将所述探测信号发送到接触端子。所述响应信号收集器收集所述接触端子处的响应信号，所述响应信号是对作用在所述接触端子上的所述探测信号做出响应或反应而生成的信号。所述探测脉冲包括在探测脉冲基础状态电压下的探测脉冲基础状态、在探测状态电压下的探测状态、以及具有中间电压的探测脉冲中间状态。所述探测脉冲在作为探测脉冲上升时间的上升时间从所述基础状态电压上升到所述探测状态电压，保持在所述探测状态达限定探测状态持续时间的持续时间，在所述探测状态结束时返回到所述探测脉冲基础状态，并且保持在所述探测脉冲基础状态达探测基础状态持续时间直到所述探测脉冲结束。当所述探测脉冲从所述探测脉冲基础状态改变到所述探测状态时，所述探测脉冲中间状态的所述中间电压随时间增加

所述探测脉冲和所述阻抗网络是相关的或被表征的，使得在所述探测脉冲施加在所述阻抗网络上时，预期包括具有期望脉冲基础大小的期望脉冲基础和相关电特征的期望响应脉冲。所述相关电特征包括期望脉冲峰、期望脉冲稳定状态和将所述期望脉冲峰和所述期望脉冲稳定状态互连的期望脉冲过渡状态。所述期望脉冲峰具有期望脉冲信号大小，所述期望脉冲峰信号大小是具有或带有所述探测状态电压和所述第二电阻值之间的相关性的电气参数。所述期望脉冲稳定状态具有期望稳定状态信号大小，所述稳定状态信号大小具有或带有所述探测状态电压和所述阻抗网络中的所述电阻器的电阻值之和之间的相关性。所述期望脉冲过渡状态具有下降时间或下降时间特征，所述下降时间或下降时间特征与所述阻抗网络的所述特征放电下降时间相应或对应。所述控制器在多个捕获时间处捕获所述响应信号的多个电气参数，参考所捕获的电气参数来确定所述响应信号是否包括具有所述期望响应脉冲的所述相关电特征或者与所述期望响应脉冲对应的响应脉冲，以及在肯定的确定结果时发出控制信号，该控制信号指示肯定的活体检测。

在一些实施例中，所述探测脉冲被配置成使得所述期望脉冲峰为所述期望响应脉冲的单个主峰并且具有第一电极性的期望峰大小。所述期望脉冲稳定状态的所述稳定状态信号大小具有非零大小和所述第一电极性，并且所述期望响应脉冲为非过零脉冲。

在一些实施例中，所述探测脉冲被配置成使得所述期望稳定状态信号大小介于所述期望脉冲峰信号大小和所述期望脉冲基础大小之间，并且所述期望稳定状态信号大小、所述期望脉冲峰信号大小和所述期望脉冲基础大小具有为所述第一电极性的相同电极性。

在一些实施例中，所述探测脉冲被配置成使得在期望脉冲上升时间，所述期望响应脉冲从所述期望脉冲基础上升到所述期望脉冲峰，并且所述期望脉冲上升时间等于或稍大于所述探测脉冲上升时间。

在一些实施例中，所述探测脉冲被配置成使得在期望脉冲下降时间、所述期望响应脉冲从所述期望脉冲峰下降到所述期望脉冲稳定状态，并且所述期望脉冲下降时间等于或小于所述探测脉冲的所述探测状态持续时间。

在一些实施例中，所述探测脉冲被配置成使得在所述探测脉冲从所述探测状态下降到所述探测脉冲基础状态时、所述期望响应脉冲开始从所述期望脉冲稳定状态朝向所述期望脉冲基础状态下降，并且在探测脉冲的所述探测脉冲基础状态期间，所述期望响应脉冲达到所述期望脉冲基础状态。

在一些实施例中，所述探测脉冲被配置成使得所述期望响应脉冲具有上升侧和上升部分以及下降侧和下降部分，所述上升侧和所述下降侧被所述期望脉冲峰分开，并且所述上升部分和所述下降部分通过所述期望脉冲峰互连。所述上升部分具有上升部分持续时间，且所述下降部分具有下降部分持续时间，其中，所述上升部分是窄的部分，且所述下降部分是缓慢扩大的肥厚的部分，且所述下降部分持续时间显著地于所述上升部分持续时间。

在一些实施例中，所述期望脉冲过渡状态和所述期望脉冲稳定状态在所述下降侧且在所述期望响应脉冲已经上升到所述期望脉冲峰之后顺序出现。所述期望脉冲过渡状态具有第一下降部分和第二下降部分，且所述第一下降部分和所述第二下降部分共同形成凹形弯曲的下降侧；且所述控制器参考所捕获的响应信号的电特征来确定所述响应信号是否是具有凹形弯曲的下降侧的响应脉冲，以及在肯定的确定结果时发出控制信号，该控制信号指示肯定的活体检测。

在一些实施例中，所述第一下降部分是紧接着所述期望脉冲峰继续的快速下降的下降部分，且所述第二下降部分是较慢下降的下降部分，其在结束时连接所述期望脉冲稳定状态，

在一些实施例中，所述第一下降部分相对于所述第二下降部分以类似于自由落体的速率下降，并且所述第二下降部分以遵从渐近线的方式下降。

在一些实施例中，所述探测脉冲上升时间被设置为促进所述期望脉冲峰大小的捕获，且所述上升时间被设置为对应于与集成电路快速采样保持电路的最小采样保持时间要求相当。

探测脉冲具有在1ms至25ms之间的优选周期，使得可在几秒或几十秒里促进多脉冲检测和分析。

探测脉冲优选具有1-2至1-8之间的传号空号比(mark-to-space ratio)，包括1-2,1-3,1-4,1-5,1-6,1-7,1-8。较高的传号空号比促进多脉冲检测和确认，同时允许活体有足够的时间返回到其初始的未激发状态。

在一些实施例中，所述探测脉冲具有高达1.5μs的探测脉冲上升时间，包括在300ns和1.5μs之间。

在一些实施例中，所述探测脉冲具有线性上升沿或非线性上升沿，所述上升沿具有单调的上升沿。

在一些实施例中，所述控制器被配置为操作以紧接在所述探测脉冲已经从所述探测脉冲基础状态上升到所述探测状态之后的捕获时间处捕获所述响应信号的信号大小。

在一些实施例中，所述控制器被配置为操作以在所述期望脉冲过渡状态期间捕获所述响应信号的多个信号大小，并且在所述期望脉冲稳定状态期间捕获所述响应信号的多个信号大小样本。

在一些实施例中，所述电子电路布置包括脉冲展宽电路，所述脉冲展宽电路将所述期望脉冲峰扩展到更圆的峰以促进对所述期望脉冲峰大小的测量。

本公开包括发送探测信号到接触表面，响应于电探测信号检测来自接触表面的电响应信号，以及确定捕获的响应信号是否具有期望的响应脉冲的相关特征，并且如果检测到一些或全部相关特征，则输出指示可能的活体的正输出信号以减轻电气伤害的风险。

公开了一种检测电接触表面处可能的活体接触的方法。该活体具有可检测的特性初始阻抗以及在电接触表面处于触摸电压的情况下接触电接触表面时由初始阻抗定义的相应特性时间常数。

该方法包括向接触表面发送无危害性的探测信号。探测信号包括一个探测脉冲或形成一个探测脉冲序列的多个探测脉冲，并且探测脉冲具有基准电压电平以及探测电压电平，探测电压电平高于基准电压电平且等于触摸电压，或探测电压电平低于基准电压电平且等于触摸电压；响应于电探测信号检测来自接触表面的电响应。电响应包括电响应信号；以及根据电响应信号确定在电接触表面处是否存在可能的活体接触。

探测脉冲在实质上短于定义上升沿的时间常数的上升时间内从基准电压电平上升到探测电压电平，并且在实质上长于时间常数的持续时间期间保持在探测电压电平。探测脉冲具有基准电压电平以及低于基准电压电平并且等于触摸电压的探测电压电平。探测脉冲在实质上短于定义下降沿时间常数的下降时间内从基准电压电平下降到探测电压电平，并且在实质上长于时间常数的持续时间期间保持在探测电压电平。

该方法包括将在定义检测时间段的时间窗口中响应于探测信号而接收的电响应与参考响应进行比较，并确定电响应是否与参考响应匹配，以判断在电接触面处是否存在活体接触。参考响应是将探测信号施加到活体或施加到具有活体的特性初始阻抗的无源电阻抗网络而产生的预期[时域]响应。参考响应是参考形成样本池的相应多个活体的多个样本响应而确定的预期响应，并且样本响应是通过以下操作来获得的：将探测信号单独地施加到样本池的样本活体来收集响应信号，并且每个样本活体具有可检测的特性初始阻抗以及在电接触表面处于探测电压的情况下接触电接触表面时由初始阻抗定义的相应特性时间常数。

该方法包括在多个数据收集时间收集电响应的多个信号幅度值，并且参考多个信号值来确定电响应是否与参考响应相匹配，以判断在电接触表面是否存在活体接触。

数据收集时间顺序地分布在收集时间窗口中，收集时间窗口在靠近探测信号的上升沿或下降沿的时间开始并且具有与时间常数相当或大于时间常数的持续时间。

特性初始阻抗具有串联的特性初始电阻和特性初始电容，并且时间常数定义等于特性初始电阻乘以特性初始电容的时间值。

电接触表面具有特性接触区域，并且活体具有特性内部电阻和可参考接触区域确定的特性皮肤电容。并且其中特性初始电阻具有等于内部电阻或与内部电阻相当的电阻值，并且特性初始电容具有等于皮肤电容或与皮肤电容相当的电容值。

探测脉冲具有阶跃波形或方波。

探测脉冲具有足以产生至活体的电子可检测的电流涌入的电压电平，并且电流涌入具有无危害性的峰值电流幅度和无危害性的持续时间。

该方法包括微控制器操作电子电路以收集电响应信号，并参考收集的电响应信号来确定电响应是否具有与参考响应的时域特性匹配的或相当的时域特性。

该方法包括微控制器操作电子电路以在多个数据收集时间收集电响应的多个信号幅度值，并确定当受到具有与时间常数相比可忽略地小的上升时间的施加的阶跃探测信号时，电响应是否具有与具有特性初始阻抗的无源阻抗网络的时域特性匹配或相当的时域响应特性。

该方法包括参考电响应的如下的一个或多个时域特性来确定电响应是否与参考响应匹配：峰值电流幅度、电流尖峰幅度、电流尖峰持续时间、电流脉冲形状、时间常数、电流下降时间趋势或上升时间趋势、稳态电流幅度、电流过零存在。

方波脉冲的上升时间小于5μs、小于4μs、小于3μs、小于2μs、小于1μs、小于0.5μs、小于0.3μs、小于0.2μs、小于或大于100ns、大于50ns、或者由上述值的组合形成的一个范围或任意个范围。

方波脉冲的探测电压电平持续时间在50μs和50ms之间，包括大于50μs、大于或小于100μs、大于或小于200μs、大于或小于300μs、大于或小于500μs、大于或小于1ms、大于或小于5ms、大于或小于10ms、大于或小于20ms、大于或小于30ms、大于或小于50ms、或由上述值的组合形成的一个范围或任意个范围。

探测电压电平在10V和50V之间，包括等于或大于10V、等于或大于或小于15V、等于或大于或小于20V、等于或大于或小于25V、等于或大于或小于30V、等于或大于或小于35V、等于或大于或小于40V、等于或大于或小于45V、等于或小于50V、或由上述值的组合形成的一个范围或任意个范围。

探测信号具有20Hz至2kHz之间的探测信号频率，包括20Hz或更高、40Hz或更高或更低、60Hz或更高或更低、80Hz或更高或更低、100Hz或更高或更低、200Hz或更高或更低、400Hz或更高或更低、600Hz或更高或更低、800Hz或更高或更低、1kHz或更高或更低、2kHz或更低、或由上述值的组合形成的一个范围或任意个范围。

探测信号是DC信号。

响应信号是电流信号。

时间窗口在探测信号的上升沿或下降沿的末端附近开始或与探测信号的上升沿或下降沿的末端对齐开始。

在一些实施例中，该方法包括使用模板匹配、脉冲形状匹配或深度学习来确定电响应是否与参考响应匹配。

公开了一种用于检测接触表面处的活体接触的负载检测器。活体具有可检测的特性初始阻抗以及在所述电接触表面处于触摸电压的情况下接触电接触表面时由初始阻抗定义的相应特性时间常数。该设备包括微控制器和电子电路，并且微控制器操作电子电路以向接触表面发送无危害性的探测信号，响应于电探测信号检测来自接触表面的电响应，以及根据电响应信号确定在电接触表面处是否存在可能的活体接触。探测信号包括一个探测脉冲或形成探测脉冲序列的多个探测脉冲，并且探测脉冲具有基准电压电平以及探测电压电平，探测电压电平高于基准电压电平且等于触摸电压，或探测电压电平低于基准电压电平且等于触摸电压。电响应包括电响应信号。

探测脉冲在实质上短于时间常数的上升时间内从基准电压电平上升到探测电压电平以定义上升沿，并且在实质上长于时间常数的持续时间期间保持在探测电压电平。探测脉冲具有基准电压电平以及低于基准电压电平并且等于触摸电压的探测电压电平。探测脉冲在实质上短于时间常数的下降时间内从基准电压电平下降到探测电压电平以定义下降沿，并且在实质上长于时间常数的持续时间期间保持在探测电压电平。

根据本公开的一种电力安全装置，包括控制器、根据权利要求19所述的包括可由控制器操作的电子电路的负载检测器、以及电力连接电路。电力连接电路在源侧和负载侧之间定义可切换的电源连接路径。电力连接电路可由所述控制器切换，以在第一操作状态或开启状态操作或者在第二操作状态或关闭状态操作，在第一操作状态或开启状态中，源侧和负载侧之间的阻抗非常低，以允许操作电流流过所述电力连接电路，在第二操作状态或关闭状态中，源侧和负载侧之间的阻抗非常高，以阻止操作电流流过所述电力连接电路。控制器根据任何前述权利要求的方法来操作所述负载检测器，以确定在所述电接触表面处是否存在可能的活体接触，并且如果确定的结果是在所述电接触面处不真实存在可能的活体接触的可能性，则将所述电力连接电路切换到所述开启状态。

附图说明

通过示例并参考附图来描述本公开，在附图中，

图1是采样示波器的捕获图像，其显示向样本活体XCD施加的示例探测信号和XCD的电响应，

图2A1是图1的测得的示例探测信号的示意图，

图2A2是图1的测得的示例电响应的示意图，

图2B1是与图1的示例探测信号对应的模拟探测信号的示意图，

图2B2是使用从图1的测量得到的参数的电响应的模拟响应信号的示意图，

图2C1是具有正和负探测电压的示例探测信号序列的示意图，

图2C2是对图2C1的探测信号序列的模拟响应信号的示意图，

图3是有助于负载侧的活体检测的示例检测装置(arrangement)的示例电子电路的电路图，

图3A1是与图3的示例检测装置一起使用的示例探测信号序列的示意图，

图3A2是示出图3的示例检测装置的数据收集定时点的示意图，

图3B1和图3B2是示出图3的示例检测装置的示例操作流程的流程图，

图3C1-图3C7是示出使用图3的示例检测装置来促进活体检测的示例检测标准的示意图，

图4是用于促进负载侧的活体检测的示例检测装置的框图，

图4A1和图4A2是示例检测装置的主检测电路的电路图，

图4B1和图4B2是示例检测装置的一部分的电路图，

图4C1和图4C2是示例检测装置的一部分的电路图，

图5是示例电力开关设备的框图，

图5A是描绘图5的电力开关设备的操作流程的示例流程图，

图5B是图5的示例电力开关设备的电路图，

图6是包括图5的电力开关设备的供电装置的示图，

图7A示意性示出示例探测脉冲和示例期望的响应脉冲，

图7B示意性示出示例探测脉冲和示例期望的响应脉冲，以及增加上升时间对脉冲峰的影响，

图8A是根据本公开的示例电子布置，

图8B是根据本公开的另一示例电子布置，

图9A至图9F是不同活体或捕获条件的示例捕获的响应脉冲，以及

图10A至图10D示出具有不同上升时间和对应的期望的响应脉冲的探测信号。

具体实施方式

在矩形电压脉冲施加在活体部分上时，具有独特特征的响应脉冲将作为响应出现。当一连串矩形电压脉冲施加在活体部分上时，具有独特特征的一连串响应脉冲将作为响应出现。

矩形脉冲具有两个脉冲状态，即，第一状态和第二状态。第一状态是具有基础电压的基础状态。第二状态是具有升高电压(elevated voltage)的升高状态(elevatedstate)。每个矩形脉冲在时间零时处于第一状态且处于基础电压，并且在被称为矩形脉冲的上升时间的时间中上升达到第二状态。从基础状态到升高状态的上升限定了矩形脉冲的上升沿。然后，矩形脉冲停留在第二状态且处于升高电压电平达一持续时间，以限定具有传号持续时间的‘传号(mark)’部分。矩形脉冲在上升持续时间结束时返回到基础状态,且停留在基础状态直到脉冲时间段结束。留在基础状态的时间限定了具有空号持续时间的‘空号(space)’部分。从升高状态到基础状态的下降限定了矩形脉冲的下降沿。相邻矩形脉冲的相邻上升沿限定了矩形脉冲的脉冲时间段。

每个响应脉冲是电流脉冲，其包括上升侧、下降侧和脉冲峰，该脉冲峰将上升侧和下降侧分开，如图7A中所示。相邻响应脉冲由分隔时间分开，该分隔时间等于对应的相邻矩形脉冲之间的分隔时间。

响应脉冲具有初始状态R₀、上升状态R₁、峰状态R₂,R₂’、下降状态R₃,R₃’、稳定状态R₄,R₄’和最终状态R₅,R₅’。

响应脉冲在初始状态从基础电平上升，且在上升时间达到峰状态的脉冲峰。响应脉冲从脉冲峰下降到稳定状态的稳定状态电平，并且保持在稳定状态和稳定状态电平直到稳定状态结束。然后，响应脉冲从稳定状态电平下降到基础状态电平，并保持在基础状态电平直到响应脉冲时间段结束。初始状态和基础电平处于相同电平。下降侧包括第一下降部分和第二下降部分。第一下降部分比第二下降部分下降的快。第一下降部分在响应脉冲峰处立即开始，且以快速速率下降以与上升侧一同限定脉冲尖峰。第二下降部分缓慢下降以在下降时间达到稳定状态电平，并且保持在稳定状态电平直到响应脉冲时间段结束。第一下降部分和第二下降部分共同限定凹形弯曲的下降侧。

响应脉冲的上升侧紧密遵从矩形脉冲的上升沿。响应脉冲的下降侧独立于上升沿但取决于响应脉冲峰，并且在响应脉冲峰之后立即出现。

图7A的示例矩形脉冲具有非常短的脉冲上升时间(如，小于50ns)和21ms的脉冲周期以及1:3的传号空号持续时间比。传号持续时间为约5ms，且空号持续时间经选择以基本上长于传号持续时间,以允许活体放松或由探测脉冲的激发电气重置。在此示例中，基础电压为0V，而升高电压为24V。

在矩形脉冲的上升时间增加时，响应脉冲的上升时间也增加，但仍与矩形脉冲的上升时间一致，但是响应脉冲峰开始出现圆形，使得响应脉冲峰是圆形峰，而不是尖峰。

注意，在矩形脉冲的上升时间增加较远(即，矩形脉冲较缓上升)时，与快速上升时间峰大小相比，响应脉冲峰将变得更圆且大小下降。

在经受矩形脉冲的直接施加时，活体对具有独特电脉冲特性的响应脉冲做出响应。本公开的一个方面是利用矩形脉冲作为探测信号来执行活体接触的检测。

在活体接触通电的电源(如，AC电源)时，可以使用活的人体的接受等效电路来估计或预测活体的与电源物理且电连接的暴露的部分的初始电响应。等效电路是阻抗网络，其包括第一阻抗部分、第二阻抗部分和第三阻抗部分，它们串联连接以构成阻抗电桥。

第一阻抗部分包括第一电阻值为R_1的第一电阻器和第一电容器，其具有第一电容值C_1且与第一电阻器并联连接以构成第一R-C桥。第二阻抗部分包括第二电阻值为R_2的第二电阻器和第二电容器，其具有第二电容值C_2且与第二电阻器并联连接。第三阻抗部分包括第三电阻值为R_3的第三电阻器和第三电容器，其具有第三电容值C_3且与第三电阻器并联连接。通常认为第一阻抗部分表示第一皮肤阻抗Z_p1。通常认为第二阻抗部分表示身体内部阻抗Z_i。通常认为第三阻抗部分表示第二皮肤阻抗Z_p2。

频域或Laplace域中的阻抗网络的阻抗值在下面的公式(1)中列出。

公式(1)的频域响应基于以下假设：第一阻抗值和第二阻抗值相同，且电容器中没有初始存储的能量。这些假设应当适用于研究对接触时间和面积小的活体的无危险瞬态电气伤害。

在电压V(s)施加于阻抗网络时，响应电流由下面的公式(2)中描述的关系给出。

在电压阶跃脉冲在阻抗网络上作为探测信号施加在阻抗网络的端子两端时，阻抗网络的时域电流响应i(t)可由下面的公式(3)的表达式表示。

频域中的电压阶跃由下面的公式(4)表示，且具有下面的公式(5)的时域表示。

V(t)＝ke^at-k(k＜0，a＜0) (5)

可以通过下面的公式(6)获得响应脉冲的稳定状态电流i(t)_ss。

稳定状态电流的大小等于且起动电流或电流峰的大小等于

可以使用公式(3)通过设置来确定响应脉冲的上升时间或从零电流到峰电流的时间，并且这将给出下面的公式(7)。

公式7:

响应电流脉冲包括峰电流、峰电流一侧上的上升侧电流和峰电流另一侧上的下降侧。在时间小于t_rise时，上升侧电流由公式(3)表征，在时间大于t_rise时，下降侧电流由公式(3)表征，并且电流峰出现在时间t_rise时且具有响应脉冲峰大小。

在本文中，在经受阶跃电压脉冲时的阻抗网络的由公式(2)表示的时域电流响应i(t)是具有独特特征的电流脉冲，这些独特特征是活体的表示，且阶跃电压脉冲将用作活体检测的探测信号。

为此目的，内部电容C₂大体上小于皮肤电容C₁并且可被忽略以进一步简化公式。

从公式(7)可见，响应电流的上升时间取决于网络阻抗。

为了促进检测活体(尤其是，活的人体或身体部分)与通电的接触表面的可能的电接触，本文公开了方案、方法、设备和装置。根据在活体经受通过基于矩形脉冲的电压信号的激发时可期望的响应电流脉冲的独特性，本文公开了基于矩形脉冲的电压信号以用作探测信号。

本文的探测信号可以包括一个矩形脉冲，但是探测信号可以是由多个相同的矩形电压脉冲形成的一连串脉冲。相同的探测脉冲可用来确认确定的初始结果或者为了其他目的，例如，确定响应信号是否包含指示活体的动态行为的参数。形成信号串的矩形脉冲可以不相同。微控制器可以使用不相同的探测脉冲用来确定给出响应信号的主体包含活体的非线性电气参数的时间。

为了促进无害检测，本文公开的探测信号具有电特征，包括电流大小和电压大小、脉冲持续时间、脉冲重复频率，这些对于活体来说都是无害的。本文的无害包括无危险。

为了减缓与适用于检测活体接触的接触表面接触的活体主体的不适或影响，以及为了减缓惊慌的风险，控制响应信号低于阈值电流峰。阈值电流峰经选择为约10mA至20mA，可以谨慎地使用更高的峰电流阈值。

本公开的探测信号是包括探测电压脉冲作为探测脉冲的电压信号。探测脉冲是本文描述的矩形脉冲且具有第一状态和第二状态。本公开的第一状态处于0V的基础状态电压。第二状态处于基础状态电压以上的升高电压。

本文的探测脉冲优选具有关于阻抗网络的非常短的上升时间，使得皮肤电容器C₁在探测脉冲上升时间期间会在电性上表现为短路。在另一方面，探测脉冲上升时间不应当是太短而使内部电容C₂也在探测脉冲上升时间期间在电性上表现为短路。由于内部电容C₂具有比皮肤电容器C₁明显更小的电容值，例如，C₂的电容值小于皮肤电容器C₁的电容值的1％,5％或10％。在20ns和50ns之间的快速上升时间将达到以下良好平衡：在探测脉冲上升时间期间，使皮肤电容器C₁短路，同时使内部电容C₂在电性上表现为开路。在探测脉冲为在探测脉冲上升时间期间使皮肤电容器C₁表现为短路，同时使内部电容C₂表现为开路的情况下，响应脉冲将在探测脉冲上升时间结束时达到电流峰，且响应脉冲峰将具有响应脉冲峰电流，其具有的值，其是升高状态的电压，即，探测电压。

由于探测脉冲在已经从基础状态电压上升且达到探测状态电压之后要保持在探测状态电压，并且将在整个探测状态持续时间期间保持在探测状态电压，因此，在整个探测状态下电压无变化意味着充电的皮肤电容器C₁将在达到电流峰之后立刻开始放电，且放电将导致电流遵从公式(3)的时域特征。

用于检测可能的活体接触的示例电子电路布置包括微控制器242、信号生成器230、数据存储装置244、信号收集装置、开关SW1和一对接触端子T1、T2，如图8A中所示。

控制器242将操作信号生成器以生成到探测端子T1、T2的探测脉冲，探测端子设置在活体可与其物理和电接触的接触表面上。信号收集装置从接触端子T1收集响应信号。控制器242将从接触端子T1收集的响应信号存储在数据存储装置244中，并执行分析以确定检测到的响应信号是否具有活体的特征表示。如果确定结果是检测到的响应信号具有活体的特征表示，则控制器242将生成指示可能有害的条件的控制信号。控制器可以是基于微控制器或基于微处理器的固态控制器。控制器可以确定响应脉冲是否携带相对于捕获的响应脉冲的参数(包括峰电流大小、稳定状态电流大小)的活体的特征表示，是否存在响应脉冲的过零、响应脉冲下降侧的下降时间特征或任意上述收集到的电气参数的任意组合。

尽管具有快速上升时间的陡的阶跃电压脉冲会产生具有

的峰电流大小的响应脉冲峰，但峰可能会太尖而不能被捕获。

为了缓和此问题，脉冲展宽装置可以连接在信号收集装置250的输出处，如图8B中所示。示例脉冲展宽装置是可操作放大器Op-amp MAX4012，其操作以将尖脉冲展宽为具有约300ns的宽度的脉冲。

在其他实施例中，探测脉冲被成形，使得上升时间增加以得到具有圆形峰的响应脉冲，如图7B中所示。例如，上升时间可增加到在200ns至1.5us之间，使得可获得具有圆形大小的响应，其大小与期望的响应脉冲的大小近似相同。例如，上升时间可以是200ns、300ns、400ns、500ns、600ns、700ns、800ns、900ns、1us、1.1us、1.2us、1.3us、1.4us、1.5us、1.6us或从上述值的组合获得的任何(一个或多个)范围。上升沿可以是线性上升沿或非线性上升沿，如，具有上升RC特征的上升沿。

在图10A至图10B中分别示出示例活体目标的具有1us、5us、10us、15us的上升时间的示例期望的响应脉冲。

应当理解，即使活体的电气参数变化很大程度，且该变化根据捕获条件而改变，但是在本文中，在经受探测脉冲时的活体的响应脉冲遵从类似图案，如图7A、图7B以及图9A至图9F所示。因此，探测信号的使用以及捕获的响应信号和期望的响应脉冲之间的比较可用作用于确定在接触表面或接触端部处的可能活体接触的操作指导。作为参考，图9A至图9F的活体的峰电流分别为2.5mA、6.3mA、12.6mA、2.7mA、8.15mA和15.9mA。

尽管本文已经参考示例描述了本公开，但是示例是用来帮助理解且不旨在也不应当用来限制本公开的范围。例如，尽管锂离子电池在本文已经用作示例，但是本文中的布置和装置可用于其他类型的电池而不失普遍性。

图1示出了施加于活体的示例探测信号(上部通道)以及在示例测量中由采样示波器捕获的电流响应或响应电流(下部通道)。示例探测信号是由多个探测脉冲组成的脉冲序列的形式，，并且探测脉冲以规则间隔分开。示例探测信号具有在50％占空比下的1kHz频率和10V的标称电压，并且每个示例探测脉冲是具有基准电压和高于基准电压的触摸电压的方波脉冲。示例触摸电压为20V。利用100mm²接触面积和500g力的接触压力将示例探测信号施加到活体对象。

图1中所示的对施加的探测信号的电流响应具有响应模式，该响应模式与当活体在升高的触摸电压下触摸接触表面时获得的上述电流响应的规则模式相同。

参照图1，响应电流在非常短的上升时间内从零非常快速地上升达到具有峰值电流幅度I_max的电流峰值，然后单调地下降到渐近稳态和最小电流值I_{steady_state}。响应电流的从零电流到峰值电流的上升几乎是瞬时的，或者几乎与探测信号的上升同步。在与探测脉冲达到触摸电压电平的时间的几乎同时，电流峰值出现。在达到电流峰值之后，响应电流的幅度最初非常快速地或急剧下降，然后缓慢下降以达到稳态电流。所述下降是单调的，即不是振荡的，并且下降部分具有凹形。快速上升表示电流涌入，并且响应电流的快速初始上升和快速初始下降协作以形成电流脉冲。响应电流的快速初始上升、快速初始下降以及随所述快速初始下降之后持续的缓慢下降协作以形成非对称电流脉冲。

测量表明，通过V_touch＝I_maxR₀的近似关系，峰值电流幅度I_max似乎与触摸电压的幅度V_touch有关，并且包括快速初始下降部分和随后缓慢下降部分二者的、响应电流的下降部分似乎类似于串联RC连接电路的下降或放电特性。

对额外的活体样本的进一步测量表明，通过V_touch＝I_maxR₀的近似关系，峰值电流幅度I_max与触摸电压的幅度V_touch有关，并且响应电流下降特性确实类似于串联连接的RC网络(其具有串联连接的电阻值R₀和电容值C₀)的下降特性或放电特性，并且所述电流下降特性可以由以下关系表示：i(t)＝I_max e^-t/τ，其中i(t)是在从电流峰值开始的时间t的响应电流的幅度，并且τ是等于R₀×C₀的时间常数。对于示例活体XCD，根据测量的电流峰值幅度I_max＝6.65mA和下降特性来估计电路参数，并且发现电路参数约为：R₀＝1.5(4)kΩ且C₀＝5.46nF。

在图2B1和图2B2中示出了使用上述参数和施加的探测条件的模拟响应。图2A1和图2A2中示出测得的时间响应。图2C1和图2C2中示出了使用图2A1和2A2的参数和探测条件并示出更多脉冲的模拟时间响应。模拟结果和实验结果似乎很吻合。图2C1的示例探测脉冲序列实际上是包括正和负探测电压电平的AC脉冲序列。结果，电响应包括正电流脉冲和负电流脉冲。正电流脉冲具有急剧上升沿，以达到正电流峰值，其后是下降曲线。负脉冲包括急剧下降沿以达到电流谷值或负峰值电流，其后是上升电流曲线。在本公开中，术语“上升到电流峰值”还意味着向负电流峰值的负方向上升，并且术语下降电流将意味着负电流脉冲的上升电流曲线，并且为了简洁，相关描述将在合适的情况下经作出必要的修改后适用而不失一般性。

额外样本活体的实验和模拟结果表明，当受到施加的阶跃探测电压时，活体似乎在电学上表现得像具有串联连接的电阻值R₀和电容值C₀的串联连接的RC网络。本文中，电阻R₀和电容C₀分别称为初始电阻和初始电容。

应注意，初始电阻R₀的值近似等于人体的内部电阻R_i的值，并且初始电容C₀的值接近于串联的皮肤电容C_p1和C_p2的值。

应注意，当阶跃电压脉冲的上升时间足够短以使得皮肤电容C_p1和C_p2具有非常低的阻抗来旁路皮肤电阻的电阻影响时，触摸电压的幅度与峰值电流的幅度之间的线性关系，即V_touch≈I_maxR₀成立，但上升时间不应太短，否则会使得与内部电阻R_i并联的内部电容元件C_i的阻抗太低而提供对内部电阻R_i的显着或明显的旁路电流路径。

当施加的阶跃电压的上升时间足够短以使皮肤电阻器R_pi被皮肤电容器C_pi的可忽略的低阻抗旁路或基本上旁路，但又不会太短而通过内部电容C_i引起对内部电阻R_i的旁路，在接触瞬间，人体的初始阻抗主要是初始电阻R₀，其基本上等于人体的内部电阻R_i。当在上述条件下时，皮肤阻抗Z_p1和Z_p2变得非常低并且可以忽略不计，从而基本上旁路了皮肤电阻，并且内部阻抗的阻抗值主要或基本上是内部阻抗R_i的阻抗值，这是因为由于上升时间不够短，因而当与内部电阻R_i的阻抗值相比时，内部电容C_i的阻抗仍然非常高，使得内部电容C_i没有明显或显着地旁路内部电阻R_i。研究表明，当受到所施加的10V正弦AC的探测电压时，活体的总体阻抗接近大约10kHz至20kHz左右的渐近值，皮肤电容C_pi似乎在10kHz到20kHz左右具有3dB截止频率f_H(来源：英国标准文件PD6519-1：1995，图6)。因此，根据以下关系：f_H≈0.35/t_r，具有低于17.5μs的10％-90％上升时间t_r的阶跃探测信号应满足要求。在实验中，所施加的探测信号具有100ns和200ns之间的从零电压或基准电压到触摸电压电平的上升时间。通常，零至触摸电压电平上升时间等于或低于10μs或5μs就足够了。另一方面，由于内部电容C_i为若干pF的幅度，大于若干纳秒(ns)的上升时间应足以满足要求。

在10V方波脉冲探测信号和各种探测频率以及100mm²和10mm²接触面积的情况下，样本活体XCD的测得的示例初始电阻R₀和初始电容C₀列出如下：

表1(100mm²接触面积)

表2(10mm²接触面积)

响应于阶跃电压接触而流入人体的涌入电流的幅度在达到电流峰值之后下降。涌入电流最初非常快速、急剧或陡峭下降，然后以显着降低的下降速率下降，以达到渐近或稳态电流值。通过V_touch＝I_{steady_state}R_T的近似关系，稳态电流被认为与触摸电压V_touch的幅度有关，其中R_T是串联连接的电阻之和并且其等于R_p1+R_i+R_p2。

涌入电流的下降遵循串联RC电路的放电特性。

为了促进电力的安全使用并减轻触电的风险，公开了一种在向接触表面供电之前或在向接触表面供电期间确定在电接触表面处是否存在活体接触的方法。除非上下文另有要求，否则本文中的接触表面意味着电接触表面或导电接触表面。

对形成池的多个样本活的人体的实验表明，活的人体具有以下范围内的示例电响应特性：

上述最大值和最小值定义了内部电阻范围的限制，并且可以用作根据本公开的用于表征人体接触的、活体的电响应特性的参数范围。

研究和实验表明，当受到具有阶跃或方形探测脉冲的探测信号时，活体的典型电响应模式是活体的特性或代表，并且在本文中用于确定在接触表面处是否存在活体接触。

从研究和实验发现，当受到阶跃探测信号时，可以参考活体的响应信号的一个或多个时域特性来确定在接触表面处是否存在活体接触：

-响应信号是电流脉冲的形式。

-响应电流脉冲具有单个电流峰值。

-响应电流脉冲具有单个电流尖峰，所述尖峰是突出的且主要的。

-单个电流尖峰的尖峰幅度与峰值电流幅度相比是很大的(例如，其幅度为峰值电流幅度的：大于15％或更多、20％或更多或更少、25％或更多或更少、30％或更多或更少、35％或更多或更少、40％或更多或更少，或由上述值的组合形成的一个范围或任意个范围)。

-响应电流几乎立即跟随探测信号以形成电流尖峰，电流尖峰之后是扩口的(flaring)响应电流部分，所述扩口的响应电流部分较慢地改变，以达到稳定状态电流。

-响应电流脉冲在时域中是非对称的。

-非对称电流脉冲急剧或迅速上升到电流峰值，在初始时段从电流峰值迅速下降，然后在快速下降的初始时段后的后续时段内缓慢下降以达到稳态电流。

-响应电流脉冲具有峰值电流幅度(代表初始电阻或内部电阻的值)，其在与活体内部电阻的典型范围对应的范围内。

-响应电流脉冲从电流峰值下降，并且所述下降遵循放电串联RC网络的下降特性。

-响应电流脉冲的下降时间在可预测范围或典型范围内。

-响应电流脉冲在随后的下降时段之后达到非零稳态电流。

-响应电流脉冲是非零交叉。

-响应电流单调且非振荡地下降，以达到非零稳态电流。

-响应电流单调且非振荡地上升，以达到电流峰值。

-响应电流具有下降时间(例如从峰值到稳态电流的90％的下降)，其在可预测范围内或典型范围内。

-稳态电流小于峰值电流幅度的10％。

-响应电流的下降时间实质上长于上升时间，也就是说，响应电流的上升时间实质上短于下降时间。例如，下降时间是上升时间的10倍、20倍、30倍或更多。

探测信号可以包括单个探测脉冲或形成探测脉冲序列的多个探测脉冲。在探测信号包括多个探测脉冲的情况下，可以对多个探测脉冲的响应进行比较，以便于使用多于一个结果进行确定。

探测信号是具有无危害性的幅度和无危害性的信号持续时间的无危害性的信号。

例如，探测脉冲是阶跃脉冲或方形脉冲，其具有小于50V的无危害性的探测信号幅度。示例探测信号具有10V或更高的探测电压幅度，以确保较宽的动态检测范围。

可以选择响应特性并将其组合使用以形成一组判断标准，以便于确定在接触表面处是否存在活体接触。

图3中描绘了帮助确定在接触表面处是否存在活体接触的示例检测装置。检测装置包括通过高速开关Q2连接到+24V电压源的测试端口。测试端口包括两个金属触点，其相隔5mm，每个金属触点的尺寸为5mm×1.5mm，面积为7.5mm²。两个金属触点协作以形成裸露的导电接触表面。当将电压施加到直接连接到开关Q2的金属触点时，接触表面成为升高电压的接触表面。高速开关Q2(IRFL9014)是N沟道MOSFET。一个测试端口连接到MOSFET开关，而另一个测试端口连接到电流感测电阻器。电流电阻器具有连接到测试端口的第一端子和接地的第二端子。示例电流电阻器是25欧姆的电阻器。电流感测电阻器的第一端子连接到运算放大器Max4012，并且运算放大器的输出连接到采样保持器件AD783的阵列。采样保持器件的输出连接到微处理器的输入端口。

采样保持器件阵列被布置成在不同时间(点1到6)捕获电流感测电阻器的电流感测端处的信号电平。在此示例中，各种信号采集时间由74HC14十六进制反相施密特(Schmitt)触发器阵列的RC网络设置，并且参数列出如下。

在操作期间，以16MHz操作的微处理器产生到检测装置的输入端子μP D1的检测信号。检测信号是检测脉冲序列的形式，并且每个检测脉冲是阶跃或方形探测脉冲，其具有适于检测如本文所述的可能的活体接触的电属性。示例探测脉冲的信号周期为16ms，触摸电压电平(或升高的电压电平)为24V，持续时间为1.5ms，从零到触摸电压的上升时间约为100ns-200ns，零电压或基电平持续时间为1ms，如图4A所示。

当活体通过他/她的身体部位(例如手指)闭合测试端口时，探测脉冲将经由MOSFET开关传输到所述身体部位，并且所述活体对检测信号的电流响应将通过采样保持器件传输到微处理器。

检测装置的信号收集时间分布在若干个显着区域，以便于在不同时间收集响应电流数据，如图3A2所示。例如，点1根据经验设置在电流峰值时间，点2设置在快速初始下降区域，点3设置在随后缓慢下降区域，点5设置在稳态电流区域，并且点4设置在点3和点5之间的时间，例如，大约在点3和点5的中间(mid-way)。

示例检测装置具有3.83V的最大输出电压，并且可在高增益模式或低增益模式下操作。当处于高增益模式时，3.83V的最大输出电压对应于6.667mA的峰值电流。当处于高增益模式时，3.83V的最大输出电压对应于11.73mA的峰值电流。

在示例检测操作中，微处理器将所述检测装置设置为在高增益模式下操作。然后微处理器将检测信号发送到检测装置的输入端，并首先检测并确定峰值电流幅度，然后确定下一个判断步骤，以便提供关于测试端口处是否存在可能的人体接触的信息或判断，所述测试端口是裸露的接触表面。

参照图3B1和3B2，其是描绘示例检测装置的示例操作流程的流程图。

在示例第一场景中，如果点1处的输出信号电平小于1V，则微处理器将继续确定：收集时间点1处的信号电平是否等于或高于0.45V、收集时间点2处的信号电平是否大于0.06V、收集时间点3处的信号电平是否在0.4V和0.07V之间(表示快速下降)、以及收集时间点4处的信号电平是否大于0.02V(非零)。如果均满足上述条件，则微处理器将确定在测试端口处可能存在人体接触。

在示例第二场景中，如果点1处的输出信号电平在1V和2V之间，则微处理器将继续确定在收集时间点3处的信号电平是否小于0.8V(表示在3μs内超过50％的下降)、以及收集时间点4处的信号电平是否大于0.5V(非零)。如果均满足上述条件，则微处理器将确定在测试端口处可能存在人体接触。

在示例第三场景中，如果点1处的输出信号电平在2V和3.81V之间，则微处理器将继续确定在收集时间点3处的信号电平是否大于1.4V(表示在3μs内约50％的下降)、以及在收集时间点4处的信号电平是否大于0.8V(非零)。如果均满足上述条件，则微处理器将确定在测试端口处可能存在人体接触。

在示例第四场景中，如果点1处的输出信号电平大于3.83V，则微处理器将检测装置切换到低增益模式并继续确定收集时间点2处的信号电平是否小于2V、收集时间点3处的信号电平是否在0.7V和0.2V之间(表示快速下降)、收集时间点4处的信号电平是否在0.1V和0.01V之间、以及收集时间点5处的信号电平是否小于0.05V。如果均满足上述条件，则微处理器将确定在测试端口处可能存在人体接触。

在示例第五场景中，如果点1处的输出信号电平大于3.83V，则微处理器将检测装置切换到低增益模式并继续确定在收集时间点2处的信号电平是否大于2V、收集时间点3处的信号电平是否在1.7V和0.32V之间、收集时间点4处的信号电平是否在0.01V和0.4V之间、以及收集时间点5处的信号电平是否小于0.25V。如果均满足上述条件，则微处理器将确定在测试端口处可能存在人体接触。

在示例第六场景中，如果点1处的输出信号电平大于3.83V，则微处理器将检测装置切换到低增益模式并继续确定收集时间点2处的信号电平是否大于3.83V、收集时间点3处的信号电平是否小于3.79V、收集时间点4处的信号电平是否小于2.0V、以及收集时间点5处的信号电平是否小于1.9V。如果均满足上述条件，则微处理器将确定在测试端口处可能存在人体接触。

在示例第七场景中，如果点1处的输出信号电平大于3.83V，则微处理器将检测装置切换到低增益模式并继续确定收集时间点2处的信号电平是否大于3.83V、收集时间点3处的信号电平是否大于3.83V、收集时间点4处的信号电平是否大于0.85V、以及收集时间点5处的信号电平是否在0.1V和1.9V之间。如果均满足上述条件，则微处理器将确定在测试端口处可能存在人体接触。

在图3C1至3C7中列出了有助于通过检测装置来确定在接触表面处是否存在活体接触的判断标准和相关范围。判断标准和范围被设置为在检测时间窗口中定义警报区域，使得当一组检测到的响应信号落入警报区域内时，活体将被视为与通电的(live)接触表面直接电接触，并且检测装置将被设置在警报状态以防止供电。在多个信号收集时间收集检测到的响应信号，这些信号收集时间在检测时间窗口中顺序分布，如图3A2所示。信号收集时间分布在已知在其处活体的响应信号携带有显着或显性特性的定时位置。例如，数据收集点1将位于电流峰值处，数据收集点2将位于接近电流峰值并且在具有最快速度的电流下降的区域中，数据收集点3将位于电流下降速率慢于区域2但快于区域4的区域，数据收集点4位于非常缓慢下降的区域，并且数据收集点5位于稳态电流区域。

通常，对数据收集时间进行选择，以提供关于响应信号的下降特性的信息。例如，在数据收集点1和2处收集的信号幅度可以有助于确定电响应是否具有电流尖峰和/或尖峰的尖锐度；在数据收集点1、2和3或点2、3、4处收集的信号幅度可以有助于确定在点1和2之间是否存在较快的下降以及在点2和3之间是否存在较慢的下降速率；在数据收集点3、4和5处收集的信号幅度可以有助于确定是否存在过零点；在数据点1和5处收集的信号幅度有助于确定峰值电流幅度和稳定电流及其比率，以确定脉冲的形状等。当然，可以使用更多的数据收集点来提供更全面的来自接触表面的电响应的时域电流和时间特性，以便于更准确的确定。

通常，可以参考响应信号的时域特性来设计检测标准和范围，以确定在负载侧的接触表面处是否存在指示活体接触的匹配。

在具有与从电流峰值到稳态电流的下降时间相当的时间范围的检测时间窗口中分布的相对少量的数据收集点便于迅速确定，这是因为仅需要相对较少的计算步骤。通常，检测时间窗口的时间范围是从平均活体的电流峰值到稳态电流的下降时间的两倍以上。在大多数实际应用中，具有从平均活体的电流峰值到稳态电流的下降时间的2到10倍之间的时间范围的检测时间窗口应该提供绰绰有余的安全裕度。

在用于检测在接触表面处是否存在活体接触的检测装置具有更强大和复杂的控制器的情况下，例如，处理器速度快于2GHz的微处理器，可以在检测窗口内收集更多的电流响应数据(例如数百或数千个数据)而不失一般性。

当检测装置由高速微处理器操作时，所收集的数据可以通过模板匹配、脉冲形状匹配、曲线拟合、深度学习或其他匹配方法或算法与参考响应匹配，而不失一般性。

图4中描绘了利用典型活体的响应信号的多个时域响应特性组合的检测装置。检测装置包括过零检测器、稳态电流测量电路和峰值电流测量电路。在使用中，检测装置由控制器操作，并且控制器、***电路和检测装置形成负载检测设备。

在操作中，控制器操作***电路以将探测信号发送到负载检测设备的输出，然后从输出接收电响应。控制器可以是微处理器，并且***电路的输出可以连接到裸露的导电表面。接收到的电响应被馈送到检测装置。然后，峰值电流测量电路将操作以测量峰值电流幅度，然后稳态电流测量电路将操作以测量稳态电流，然后过零检测器将操作以确定是否存在响应电流的过零。微处理器将参考测量结果和确定的结果来确定在负载检测设备的输出处是否存在活体接触。

例如，控制器将参考测量结果和以下确定的结果进行确定：i)峰值电流是否在与活体的初始电阻或内部电阻的范围对应的峰值电流范围内，ii)响应电流是否过零，以及iii)稳态电流幅度和峰值电流幅度之间的比率是否是活体的所述比率。

在示例应用中，探测信号具有24V的峰峰电压。将与2.4kΩ和240Ω之间的电阻值范围对应的10mA和100mA之间的峰值电流设置警报标志。将小于峰值电流幅度的规定百分比(比如10％)(其表示可能的电流尖峰)的稳态电流设置警报标志。将未检测到响应电流的过零点(其表示电阻性负载)设置警报标志。当所有判断标准的标志被设置为警告标志时，负载检测设备将设置进入与接触表面处可能检测到活体对应的警报模式。当负载检测设备处于警报模式时，控制器可以操作为发送警报信号，以防止供电或进行其他适当的补救措施而不失一般性。

在图4A1、4A2、4B1、4B2、4C1和4C2中示出了用于实现包括图4的检测装置的负载检测设备的示例电路装置。

参考图4A1和4A2，微处理器将探测信号发送到电路输入端“OFF LINE OFF”以输出到电阻器R58。R58处的探测信号将出现在两个暴露的接触端子处，所述两个暴露的接触端子包括检测端子HUMAN2和与检测端子HUMAN2相邻并且连接到Q10和Q12二者的另一个暴露的检测端子。检测端子HUMAN 2连接到图4B1和4B2的用于峰值电流幅度测量的采样保持电路。检测端子HUMAN 2连接到图4C1和4C2的过零检测电路。

在操作中，探测信号将出现在包括检测端子HUMAN2的检测端子处。直到导电负载连接检测端子为止，没有电流通过包括检测端子HUMAN2的检测端子。当检测端子通过导电负载连接时，探测信号被施加到导电负载，并且来自负载的响应信号被检测装置收集。然后控制器将操作以确定是否在所有检测电路中设置警报标志，并且如果是，则将负载检测设备设置为警报模式。

图5中示出了合并有本公开的活体检测的示例电力开关设备。电力开关设备100是电力安全设备并且包括控制器和电力连接电路。电力连接电路定义了连接源侧和负载侧的可切换电源连接路径。电力连接电路可切换以在第一操作状态或开启状态或第二操作状态或关闭状态下操作。当处于开启状态时，源侧和负载侧之间的阻抗非常低，以允许操作电流流过电力连接电路而损耗最小。当处于关闭状态时，源侧和负载侧之间的阻抗非常高，以阻止通过电力连接电路的操作电流的流动。控制器被提供和布置为促进安全的电气操作并减轻负载侧的潜在有害电气条件，例如对用户的触电。

为了促进安全操作，控制器被布置为首先确定在负载侧是否存在真实或合理的活体接触可能性，例如人体或动物体电接触，并且如果确定的结果是在负载侧没有直接的活体接触的可能性(意味着没有真实或合理的可能性)，则控制器被布置为将电力连接电路从关闭状态切换到开启状态。

示例电力开关设备100包括开关电路110、负载监控装置120、探测信号源130、控制装置140、电力连接电路和电源电路160，如图5所示。

电力开关设备100包括用于连接到电源的第一装置侧(或源侧S)和用于连接到电负载的第二装置侧(或负载侧L)。电力连接电路包括连接到第一装置侧S的第一电流传导部分P1、连接到第二装置侧L的第二电流传导部分P2、以及位于第一电流传导部分P1和第二电流传导部分P2中间的电力开关装置SW1。电力开关装置SW1可在非常低阻抗的第一操作状态和非常高阻抗的第二操作状态之间切换。当电力开关装置SW1处于极低阻抗的第一操作状态(或“开启状态”)时，在第一装置侧S和第二装置侧L之间建立非常低阻抗的电流传导路径，以促进在第一装置侧S和第二装置侧L之间的操作电流的流动。当处于该开启状态时，第一装置侧S和第二装置侧L操作地连接以进行负载操作，并且操作负载电流将流过电力开关设备100。当电力开关装置SW1处于非常高阻抗的第二操作状态(或“关闭状态”)时，在第一装置侧S和第二装置侧L之间存在非常高的阻抗。当处于该关闭状态时，第一装置侧S和第二装置侧L在操作上断开，将阻止第一装置侧S和第二装置侧L之间的操作负载电流的流动。在该关闭状态期间，在电力开关设备100上存在电流流动的情况下，电流将受到电力开关设备SW1的非常高的关闭状态阻抗的限制，并且电流将被限制为非操作负载电流，非操作负载电流可以忽略不计和/或低于安全限度。本文的操作负载电流意味着为针对特定或指定负载的预期或指定的幅度的电流。对于电负载，操作负载电流可以是负载的额定电流或额定操作电流。在本文中，术语“开启状态(ON state)”可与术语“开启状态(ON-state)”、“开启状态(on state)”、“开启状态(on-state)”、“闭合状态(closed state)”互换使用，并且术语“关闭状态(OFF state)”可与术语“关闭状态(OFF-state)”、“关闭状态(off state)”、“关闭状态(off-state)”或“开路状态(open state)”互换使用。

探测信号源130用于生成探测信号。探测信号源130可操作为产生探测信号，并通过探测信号开关SW2连接到负载侧L。探测信号开关SW2可在低阻抗开启状态和高阻抗关闭状态之间切换。当探测信号开关SW2闭合时，探测信号开关SW2处于开启状态，并且由探测信号源产生的探测信号将流向负载侧L。当探测信号开关SW2开路时，探测信号开关SW2处于关闭状态，并且由探测信号源产生的探测信号将不会流向负载侧L。

负载监控装置120包括如本文所述的活体检测装置，其被布置为收集来自负载侧L的响应电信号，特别是响应信号。检测电路可包括信号处理电路，例如整形电路、放大电路、滤波电路和其他有用的电路，以处理从负载侧L收集的电信号，以供随后输出。在一些实施例中，检测电路可以包括判断电路，以在从信号处理电路接收到信号时提供判断输出或多个判断输出。在一些实施例中，检测电路包括用于在负载侧收集响应信号的装置。响应信号是响应于探测信号而产生的响应信号。

在典型应用中，电力安全设备连接到供电设备或电源，其中第一装置侧S连接到诸如AC输电干线等供电设备，并且第二装置侧L连接到负载，如图6中所描绘的。因此，在本文中，第一装置侧S也方便地称为“源侧”，并且第二装置侧L称为“负载侧”。负载可以是任何电动设备、电器或工具。在一些示例中，电力安全设备可以由独立于源侧供电设备的电源来操作。

在使用中，电力安全设备初始被置为待机模式。随后，当发现或确定负载侧L上的条件对应于安全操作条件时，电力安全设备将被设置为电力操作模式。本文中安全操作的条件包括人体或动物体与负载侧没有直接身体接触的条件。这也是对于人类使用者、人类旁观者或接近的动物安全的条件，使得在负载操作期间没有真正的风险或者用户遇到导致触电的伤害(例如心室颤动)的风险很小。

当处于待机模式时，不允许在时间上和电流上超过安全阈值的电流从源侧S穿过电源安全设备流到负载侧L。为此，当处于待机模式时，电源开关装置SW1被设置为关闭状态，并且仅在确定负载侧的安全操作条件符合要求(satisfactory)之后才被切换到操作模式。当处于电力操作模式时，将允许超过安全阈值时间和安全阈值电流的正常操作电流从源侧S通过电力安全设备流到负载侧L。为了便于该操作以允许操作电流的流动，当在电力操作模式中时，电力开关装置SW1被设置为开启状态。

在典型配置或示例配置中，每当电力安全设备连接到有源电源时，电力安全设备被设置为待机模式，并且将保持待机模式，直到被致动以在操作模式中操作为止。

在典型配置或示例配置中，在每次使用或完成电力操作的周期(cycle)之后，电力安全设备被重置为待机模式。电力操作的周期意味着操作电流已经流过电力安全设备达最小的操作持续时间，并且之后是没有操作电流超过预定阈值暂停时段的时段。示例阈值暂停时段可以被设置为若干秒或若干分钟。

当处于待机模式时，控制装置140将以预电力操作模式操作。在预电力操作模式期间，监控并评估负载侧L电气条件以确定负载侧是否处于安全运行条件。当处于该预电力操作模式时，控制装置140将操作以从负载侧收集电信号并确定所收集的电信号是否代表负载侧的安全电气条件。预电力操作在本文中也称为预致动模式或监控模式。

在示例监控模式操作中，控制装置140将操作以将收集的电信号相对于参考电信号或参考电参数进行比较，以确定负载侧的电属性是否对应于安全操作的电属性。本文中的安全电气条件或安全操作的电属性包括在人类用户和负载侧之间没有低阻抗路径的条件，一旦负载侧连接到源侧，低阻抗路径就会引起有害的触电。

在示例操作或典型的监控操作中，电力开关装置SW1在关闭状态，探测信号开关SW2在开启状态，并且由探测信号源产生的探测信号将作为探测信号传输到负载侧，并且将作为参考信号传输到控制装置140。在评估所收集的探测信号时并且在与参考信号进行比较或相对于参考信号进行比较时，控制装置140将能够确定负载侧的电属性是否对应于安全操作的电属性。

在示例监控模式操作流程中，如图5A所描绘的，控制装置140处于初始状态或复位状态，并且操作以使得发送探测信号到负载侧。然后，控制装置140操作以评估从负载侧收集的响应信号，并通过参考响应信号和/或探测信号来确定负载侧是否处于安全操作条件。如果负载侧对于操作是安全的，则控制装置140将继续以在下一控制模式中操作。下一控制模式可以是电力操作模式、进一步检查的模式和/或进一步评估的模式。如果负载侧对于操作不安全，则控制装置140将返回到负载侧不具有操作供电的初始状态或复位状态。

虽然电源电路160连接到源侧S以获得在使用时用于操作的输电干线供电，但是电源安全设备可以是DC操作的，例如，通过电池操作。在电力安全设备是DC操作的情况下，电源电路可以包括DC-DC转换器和/或DC-AC转换器。在一些应用中，电力安全设备可以电池和输电干线双重操作而不失一般性。

图5B作为示例描绘了合并图4的负载检测设备的示例电力开关设备100。

以上仅是便于确定负载侧的活体存在的示例说明。当然可以使用本文公开的活体的典型响应电流的其他特性特征而不失一般性。

尽管已经利用本文的示例描述了各种观察和现象的示例应用和使用，但是应当理解，其他应用和使用是可能的而不失一般性，并且示例应用和使用旨在提供非限制性示例。