本發(fā)明涉及一種可探測(cè)電荷變化特征的電荷傳感器。

背景技術(shù)：

電荷傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究以及日常生活中。在航空航天領(lǐng)域射線強(qiáng)度的檢測(cè)，核電子領(lǐng)域中電荷量的測(cè)量，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中生化反應(yīng)速率的監(jiān)測(cè)中都用到電荷傳感器，甚至我們每天使用的電子產(chǎn)品，如手機(jī)等，也利用電荷傳感器來(lái)檢測(cè)電池的帶電量。

在探測(cè)電荷的傳感器中，目前主要有諧振式傳感器、電荷積分放大器、電荷靈敏前置放大器、基于比較器的靜態(tài)電荷感應(yīng)器等。諧振式傳感器主要應(yīng)用于微機(jī)電領(lǐng)域，可以探測(cè)電荷量的大小，但由于這是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳感器，裝置復(fù)雜、容易老化與損壞。電荷積分放大器可測(cè)量固定量值的電荷，也可以通過輸出電壓峰值的變化感應(yīng)出電荷量的變化，但其不能實(shí)現(xiàn)非接觸式的電荷變化探測(cè)。電荷靈敏前置放大器既可以完全采用高性能集成運(yùn)放，也可由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管與高性能集成運(yùn)放構(gòu)成，具有噪聲低、響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，但這種傳感器基于密勒電容機(jī)理，極低頻截止頻率難以實(shí)現(xiàn)，且增益隨著輸入電容變化而變化，實(shí)現(xiàn)困難、成本昂貴，一般用于固定目標(biāo)的自身電荷變化探測(cè)?；诒容^器的靜態(tài)電荷感應(yīng)器，其基于運(yùn)放的高輸入阻抗能夠?qū)崿F(xiàn)人體靜電荷量檢測(cè)，但由于采用的是一種比較器電路，并不適用于電荷變化實(shí)時(shí)檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的是提出一種可探測(cè)電荷變化特征的傳感器，不僅適用于固定目標(biāo)的自身電荷變化實(shí)時(shí)檢測(cè)，亦適用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)固定電荷量檢測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種可探測(cè)電荷變化特征的傳感器，包括電荷獲取模塊、電荷變化處理模塊和需求信息提取模塊，其中，電荷獲取模塊包括探測(cè)極板和超高阻抗電路，電荷變化處理模塊包括微分電路，需求信息提取模塊包括陷波器和濾波器；所述探測(cè)極板用于感應(yīng)目標(biāo)電荷；所述超高阻抗電路將探測(cè)極板上感應(yīng)的目標(biāo)電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸入給微分電路；所述微分電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，生成可以表征目標(biāo)電荷特征的電壓信號(hào)，再輸入給陷波器；所述陷波器和濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除和放大濾波處理，最后輸出需求信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述超高阻抗電路的輸入電容不超過10pf，輸入阻抗達(dá)到百gω量級(jí)。

進(jìn)一步地，所述微分電路的過零頻率點(diǎn)不超過1hz。

進(jìn)一步地，所述濾波器為低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器中的一種或多種。

本發(fā)明提出了一種可探測(cè)電荷變化特征的傳感器，其顯著特征在于基于超高阻抗傳感器和微分電路，能夠?qū)崿F(xiàn)電荷變化特征的探測(cè)，具有高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)。該電荷傳感器即可實(shí)現(xiàn)自身電荷變化的固定目標(biāo)探測(cè)，亦可實(shí)現(xiàn)帶有固定電荷量的移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，應(yīng)用范圍廣。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明可探測(cè)電荷變化特征的傳感器結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中移動(dòng)目標(biāo)電荷變化特征探測(cè)的電路圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中低通濾波器的輸出信號(hào)實(shí)際波形圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可探測(cè)電荷變化特征的傳感器包括電荷獲取模塊、電荷變化處理模塊和需求信息提取模塊，分別用于探測(cè)目標(biāo)電荷、給出電荷變化特征和提取需求信息，其結(jié)構(gòu)框圖如附圖1所示，具體描述如下：

(1)電荷獲取模塊：包括探測(cè)極板和超高阻抗電路，其中探測(cè)極板用于感應(yīng)目標(biāo)電荷，超高阻抗電路用于將極板上感應(yīng)的目標(biāo)電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，超高阻抗電路的輸入電容不超過10pf，輸入阻抗達(dá)到百gω量級(jí)。

(2)電荷變化處理模塊：包括微分電路，其過零頻率點(diǎn)不超過1hz，用于給出步驟(1)獲得的電荷信號(hào)變化特征，對(duì)于自身電荷變化的固定目標(biāo)探測(cè)，給出自身電荷變化細(xì)節(jié)特征，對(duì)于帶有固定電荷量的移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)，給出運(yùn)動(dòng)速度、距離等相關(guān)電荷變化特征。

(3)需求信息提取模塊：包括陷波器以及低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器中的一種或多種，用于對(duì)步驟(2)獲得的信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除、放大濾波處理，提取需求信號(hào)。

為使本發(fā)明所提傳感器更加清楚，將人體看作帶有固定電荷量的移動(dòng)目標(biāo)，結(jié)合附圖2詳細(xì)描述其電荷量、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生的相關(guān)電荷變化特征檢測(cè)結(jié)果：

(1)等效成固定帶電荷量的人體距探測(cè)極板2m處正常走動(dòng)，速度約1.5m/s，其速度方向平行于電荷獲取模塊的探測(cè)極板，極板采用普通pcb板，尺寸為5cm×3cm。在電荷獲取模塊的探測(cè)極板上感應(yīng)出電荷，電荷獲取模塊中超高阻抗電路的輸入電容c1一端接在運(yùn)算放大器a1的反向輸入端，另一端接地，且其值不超過10pf，輸入阻抗達(dá)到百gω量級(jí)，通過超高阻抗電路將電荷轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓信號(hào)。

(2)電荷變化處理模塊中采用微分電路對(duì)高阻抗電路的電壓信號(hào)進(jìn)行處理，生成可以表征探測(cè)電荷特征的電壓信號(hào)。在本實(shí)施例中，微分電路的電阻r2與電容c3串聯(lián)，一端接入運(yùn)算放大器a2的反向輸入端，一端接運(yùn)算放大器a1的輸出，電阻r3并聯(lián)接在運(yùn)算放大器a2的反向輸入端與輸出端之間。微分電路的過零頻率點(diǎn)不超過1hz。微分電路的輸出信號(hào)將會(huì)得到關(guān)于人體的帶電荷量、與極板之間距離以及運(yùn)動(dòng)速度的特征信息。

(3)需求信息提取模塊中采用陷波器主要是為了去除存在的50hz工頻干擾。在本實(shí)施例中，陷波器的電阻r4與電阻r5串聯(lián)，一端接入運(yùn)算放大器a3的同相輸入端，另一端接運(yùn)算放大器a2的輸出端，并且電阻r4與r5之間接入電容c6，電容c6的另一端接地；電容c4與電容c5串聯(lián)，一端接入運(yùn)算放大器a3的同相輸入端，另一端接運(yùn)算放大器a2的輸出端，并且電容c4與c5之間接入電阻r6，電阻r6的另一端接地。陷波器的帶寬為47.7-52.6hz，在50hz處的增益為-46.6db。

(4)需求信息提取模塊中采用的低通、帶通或者高通濾波器可以根據(jù)探測(cè)對(duì)象合理確定頻帶寬度，消除其它頻帶內(nèi)噪聲干擾，并且放大有用信號(hào)。在本實(shí)施例中采用低通濾波器，低通濾波器的電阻r7一端接運(yùn)算放大器a4的反向輸入端，一端接運(yùn)算放大器a3的輸出端，電阻r8和電容c7并聯(lián)接在運(yùn)算放大器a4的反向輸入端與輸出端之間。其截止頻率是16hz，能很大程度上去除16hz以上噪聲信號(hào)，并且放大有用信號(hào)。

(5)本實(shí)施例需求信息提取模塊中低通濾波器的輸出信號(hào)實(shí)際波形如附圖3輸出信號(hào)所示，該輸出波形是用采集到的輸出信號(hào)數(shù)據(jù)通過matlab繪制得到。該波形具有一定的對(duì)稱性，峰峰值為1.52v，波峰與波谷時(shí)間差為0.23s。波形特征與探測(cè)目標(biāo)的人體有關(guān)，人體帶電量越多，信號(hào)幅值越大；人體運(yùn)動(dòng)速度越大，信號(hào)越窄；人體距極板越遠(yuǎn)，信號(hào)越寬。

需要說(shuō)明的是上述實(shí)施例，并非用來(lái)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上所作出的等同變換或替換均落入本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種可探測(cè)電荷變化特征的傳感器，包括電荷獲取模塊、電荷變化處理模塊和需求信息提取模塊。其中，電荷獲取模塊包括探測(cè)極板和超高阻抗電路，電荷變化處理模塊包括微分電路，需求信息提取模塊包括陷波器和濾波器；探測(cè)極板用于感應(yīng)目標(biāo)電荷；超高阻抗電路將探測(cè)極板上感應(yīng)的目標(biāo)電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸入給微分電路；微分電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，生成可以表征目標(biāo)電荷特征的電壓信號(hào)，再輸入給陷波器；陷波器和濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除和放大濾波處理，最后輸出需求信號(hào)。本發(fā)明的傳感器具有高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)自身電荷變化的固定目標(biāo)探測(cè)，亦可實(shí)現(xiàn)帶有固定電荷量的移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：張麗敏;王剛;王舒凡;閆鋒
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.10
技術(shù)公布日：2017.09.15