CN102088875B

CN102088875B - 流量传感器系统

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Publication number: CN102088875B
Application number: CN2009801262899A
Authority: CN
Inventors: J-M·弗利克
Original assignee: Philip Morris Products SA
Current assignee: Philip Morris Products SA
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: HUE027071T2; RU2011104185A; PL2299855T3; MX2011000318A; EP2299855B1; KR20110025186A; CA2729305A1; BRPI0915630B1; WO2010003480A1; DK2299855T3; AU2009267544B2; NZ589885A; AU2009267544A1; EG25966A; CA2729305C; UA100068C2; EP2299855A1; ZA201008868B; TW201007628A; CN102088875A

Abstract

本发明提供了一种用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统。所述传感器系统包括包含感测电阻器和电压输出的感测电路。所述感测电阻器被设置成基于电阻的变化来检测流体流动。所述感测电路被设置成使得感测电阻器的电阻变化引起电压输出的变化。所述传感器系统还包括被设置成向感测电路提供脉冲驱动信号以便对感测电路供电的信号发生器。所述感测电路在脉冲驱动信号为高时被供电，而在脉冲驱动信号为低时不被供电。所述传感器系统被设置成在其中未预期或检测到抽吸且其中脉冲驱动信号具有第一频率的第一模式下和其中预期或检测到抽吸且其中脉冲驱动信号具有大于第一频率的第二频率的第二模式下操作。

Description

流量传感器系统

本发明涉及一种流量传感器系统。特别地但非排他性地，本发明涉及一种用于烟雾发生系统的流量传感器。本发明可特别地用作用于吸烟系统(例如电加热吸烟系统)的流量传感器系统。

例如US-A-5060671、US-A-5388594、US-A-5505214、US-A-5591368、WO-A-2004/043175、EP-A-0358002、EP-A-0295122、EP-A-1618803、EP-A-1736065和WO-A-2007/131449的多个现有技术文献公开了具有许多优点的电动操作吸烟系统。一个优点是其显著减少侧流烟气，同时允许吸烟者选择性地中止以及重新开始吸烟。

现有技术的烟雾发生系统可以包括烟雾形成基体、用于将该基体加热以形成烟雾的一个或多个加热元件、以及向所述一个或多个加热元件供电的电源。现有技术的烟雾发生系统可以向加热器提供能量脉冲以提供操作所期望的温度范围并释放针对每次抽吸的挥发性化合物。现有技术的许多烟雾发生系统包括用于感测烟雾发生系统中的流体流动(例如气流或烟雾流动)的流量传感器。该传感器可以在管理烟雾传送中起到重要作用。当流量传感器感测到表示由用户的一次抽吸引起的吸入的气流时，可以包括加热元件或任何类型的雾化器的烟雾化机构被激活以便提供针对该次抽吸的烟雾。流量传感器可以是无源(亦即，机械的)传感器或有源传感器。

无源传感器通常包括移位薄膜和电触点。由用户的吸入产生的气流使薄膜移位，使得其碰触电触点，这激活烟雾化机构。只要气流强到足以保持薄膜的移位，烟雾化机构将保持被激活。无源传感器的优点包括设计简化、由此产生的低成本、和能量消耗可忽略。有源传感器常常基于由流体流动引起的热损耗。此类有源传感器常常称为热风速计。该传感器包括被加热至高温的电阻器。当流动使电阻器冷却时，随之产生的对于给定功率的温度下降、或要保持给定温度的功率的增加指示气流速度。电阻器通常是基于硅微机电系统(MEMS)的电阻器。有源传感器的优点包括这样的事实，即热损耗与流速成比例，因此可以使用该传感器来提供关于抽吸特性的信息。另外，在运输和操作期间，传感器不那么受到机械震动的影响。

由于在现有技术的烟雾发生系统(包括上述那些)中提供的流量传感器确实具有许多缺点，所以本发明的目的是提供适合于烟雾发生系统的改进的流量传感器系统。

根据本发明的第一方面，提供一种用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统，该传感器系统被设置成在第一模式下和第二模式下操作，在第一模式下，未预期或检测到抽吸，而在第二模式下，预期或检测到抽吸，并且包括：感测电路，其包括感测电阻器和电压输出，所述感测电阻器被设置成基于电阻的变化来检测流体流动，所述感测电路被设置成使得所述感测电阻器的电阻变化引起所述电压输出的变化；以及信号发生器，其被设置成向所述感测电路提供脉冲驱动信号S₁以对所述感测电路供电，使得所述感测电路在脉冲驱动信号S₁为高时被供电且在脉冲驱动信号S₁为低时不被供电，其中，所述脉冲驱动信号S₁在第一模式下具有第一频率f₁，而在第二模式下具有大于第一频率f₁的第二频率f₂。

由于传感器系统包括被结合到感测电路中的感测电阻器，其具有作为差值电压的输出电压，所述灵敏度是高的，且可以检测到小的流量变化。脉冲驱动信号S₁的使用意味着感测电路不是被恒定地供电，而是仅在脉冲驱动信号S₁为高时、即在方波信号S₁是1而不是0时被供电。这显著地减少功率消耗。传感器系统可以是恒定激活的，这意味着不需要单独的通/断开关。可以选择频率f₁和f₂以提供适当的灵敏度和功率消耗。可以使用传感器系统来获得关于抽吸的定性和定量信息。

用于提供脉冲驱动信号的信号发生器优选地包括微控制器，在微控制器的一个输出上提供脉冲信号。如果信号发生器包括微控制器，则优选地将微控制器编程为控制f₁和f₂的值。在其它实施例中，用于提供脉冲驱动信号的信号发生器可以是任何类型的可编程电子电路。

优选地，所述流量传感器系统还包括被设置成提供预定值电流通过感测电路的电流源，其中，脉冲驱动信号S₁被提供给电流源。所述预定值电流源允许在恒定电流下使用感测电路中的感测电阻器，这提供了具有最低功率消耗的操作方法。由于经由脉冲驱动信号S₁来对电流源供电，所以电流源不是被恒定地供电，而是仅在脉冲信号为高时被供电，这进一步减少了功率消耗。电流源降低感测电路的电压输出对感测电阻器的电阻的依赖性的非线性。在优选实施例中，电流源是温度补偿电流源。这是有利的，因为如果环境温度改变，则这消除了感测电路的电压输出的任何变化。在一个实施例中，电流源包括电压源、采用反射镜结构(mirror construction)的两个晶体管、和输入电阻器。

优选地，所述流量传感器还包括被设置成将感测电路的电压输出放大的差动放大器。这是有利的，因为感测电路的输出可能只有几毫伏。差动放大器优选地具有低功率消耗和高增益。

优选地，所述差动放大器可以在脉冲驱动信号S₁为低时被禁用且可以在脉冲驱动信号S₁为高时被启用。这进一步减少功率消耗。优选地，差动放大器输出在感测电路的电压输出值的一定范围内与感测电路的电压输出成比例，并且在感测电路的电压输出小于或大于该范围时饱和。也就是说，当感测电路的电压输出小于该范围时，差动放大器输出具有恒定值；当感测电路的电压输出大于该范围时，差动放大器输出具有恒定值；并且当感测电路的电压输出在该范围内时，在感测电路的输出与差动放大器的输出之间存在线性关系。

优选地，所述传感器系统在已经检测到指示抽吸的感测电路的电压输出变化之后在第二模式下操作预定时间段，并在所有其它时间在第一模式下操作。因此，当检测到抽吸时或在另一时间，脉冲驱动信号S₁从第一频率f₁变成较高的第二频率f₂。这意味着当传感器在第一模式下操作时，到抽吸的最大时间是1/f₁秒。可以将f₁选择为在第一模式下提供功率消耗与灵敏度之间的适当平衡。如果在传感器在第二模式下操作时检测到抽吸，则到抽吸的最大时间是1/f₂秒。可以将f₂选择为在第二模式下提供功率消耗与灵敏度之间的适当平衡。在一个实施例中，第一频率f₁是3Hz，而第二频率f₂是22Hz。

优选地，对于特定用户，在检测到抽吸之后传感器在第二模式下操作的预定时间段等于抽吸之间的平均时间。另外，所述预定时间可以是自适应的，使得其基于抽吸之间的先前时间的运动平均值而被连续地调整。另选地，所述预定时间段可以具有固定值。

如果用于提供脉冲驱动信号S₁的装置包括微控制器，则优选地，感测电路的电压输出被提供给微控制器的输入。这可以经由差动放大器实现。然后，在一个实施例中，当到微控制器的输入指示已经检测到抽吸时，微控制器能够将其输出上的脉冲驱动信号S₁从第一频率f₁变成第二频率f₂。

优选地，为烟雾发生系统中的其它组件提供信号S₂，信号S₂在感测电路的电压输出指示检测到抽吸时是高的，并且信号S₂在感测电路的电压输出指示未检测到抽吸时是低的。如果用于提供脉冲驱动信号S₁的装置包括微控制器，则优选地，在微控制器的另一输出上提供信号S₂。优选地，感测电路的电压输出被提供给微控制器的输入。然后，当微控制器的输入指示检测到抽吸时，微控制器被设置成输出高信号S₂，并且当到微控制器的输入指示未检测到抽吸时，微控制器被设置成输出低信号S₂。烟雾发生系统中的其它组件可以包括但不限于烟雾化机构(其可以是汽化机构、汽化引擎、雾化机构或雾化引擎)、雾化器、加热元件、和抽吸指示器。

流量传感器系统还可以包括用于调整传感器系统的灵敏度的装置，所述用于调整灵敏度的装置包括以下各项中的一个或多个：感测电路中的可变电阻器；自调整偏移电路；以及用于向感测电路提供脉冲校准信号S_C的信号发生器。

可变电阻器是可调整的，从而改变传感器系统的灵敏度。优选地，感测电阻器具有一定范围的工作电阻(该范围具有固定量值)，且对可变电阻器的调整改变感测电阻器的工作电阻的范围的位置，即工作电阻的范围的低点。这在不存在抽吸的情况下又影响感测电路的电压输出，这影响系统的灵敏度。在优选实施例中，调整可变电阻器，使得感测电阻器的工作电阻范围具有在零点或刚好在零点以下的低点。这提供最好的灵敏度。

可以使用自调整偏移电路来改变传感器系统的灵敏度。可以通过将微控制器的输出连接到差动放大器的非反向输入并将差动放大器的输出连接到微控制器的输入来形成偏移电路。微控制器可以监视差动放大器的输出V_OUT并向非反向输入提供电压直至V_OUT＝0为止。

脉冲校准信号S_C可用来调整传感器系统的灵敏度。优选地，对于校准信号S_C的每个脉冲，调整脉冲驱动信号S₁的每个脉冲的宽度。此调整优选地被设置成改变其中可以检测到指示抽吸的感测电路的电压输出变化的信号S₁的每个脉冲的比例。可以将脉冲校准信号S_C设置成每当在脉冲驱动信号S₁的第x个脉冲处具有脉冲，其在第一频率或第二频率下工作。x是任何适当的值，例如1000。另选地，可以将脉冲校准信号S_C设置成每当脉冲驱动信号S₁从第一频率切换到第二频率时或在其它适当时间具有脉冲。如果用于提供脉冲驱动信号S₁的装置包括微控制器，则优选地，在微控制器的输出上提供脉冲校准信号S_C。

感测电阻器可以是基于硅MEMS的电阻器。在另一实施例中，感测电阻器可以形成基于硅MEMS的传感器的一部分。该传感器还可以包括参考电阻器。

感测电路可以包括具有第一支路和第二支路的惠斯通电桥，并且其中，电压输出是跨第一支路的电压与跨第二支路的电压之间的差。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于接纳烟雾形成基体的烟雾发生系统，该系统包括根据本发明的第一方面的用于感测指示抽吸的烟雾发生系统中的流体流动的流量传感器系统。

所述烟雾发生系统可以是电加热的烟雾发生系统。该烟雾发生系统可以是吸烟系统。优选地，该系统是便携式的。优选地，该系统包括用于接纳烟雾形成基体并被设计成由用户握住的壳体。

所述烟雾形成基体可以包括包含烟草的材料，其包括在加热时从基体释放的挥发性烟草香味化合物。所述烟雾形成基体还包括烟雾形成器。所述烟雾形成基体可以是固定基体、液体基体、气体基体、或固体、液体和气体中的两个或更多个的组合。

如果烟雾形成基体是液体基体，则烟雾发生系统可以包括与液体基体源接触的烟雾化机构。该烟雾化机构可以包括用于将基体加热以形成烟雾的至少一个加热元件；其中，所述加热元件可以在烟雾发生系统感测到指示抽吸的流体流动时被激活。另选地，加热元件可以与烟雾化机构分开但与之连通。所述至少一个加热元件可以包括单个加热元件或多于一个的加热元件。该加热元件可以采用任何适当的形式以便最有效地将烟雾形成基体加热。所述加热元件优选地包括电阻性材料。

所述烟雾化机构可以包括诸如压电元件的一个或多个机电元件。所述烟雾化机构可以包括使用静电、电磁或气动效应的元件。所述烟雾发生系统可以包括冷凝室。

在操作期间，所述基体可以被完全包含在所述烟雾发生系统内。在这种情况下，用户可以在所述烟雾发生系统的管嘴上抽吸。另选地，在操作期间，所述基体可以被部分地包含在烟雾发生系统中。在这种情况下，基体可以形成单独物件的一部分且用户可以直接在该单独物件上抽吸。

所述烟雾发生系统可以包括电源。该电源可以是锂离子电池或其变体中的一个，例如锂离子聚合物电池、或镍金属氢化物电池、镍镉电池、超级电容器、或燃料电池。在另选实施例中，所述烟雾发生系统可以包括可由外部充电部分充电并被设置成提供预定抽吸次数的功率的电路。

根据本发明的第三方面，提供了一种用来驱动用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统的方法，所述传感器系统被设置成在第一模式下和第二模式下操作，在第一模式下，未预期或检测到抽吸，而在第二模式下，预期或检测到抽吸，所述方法包括以下步骤：向感测电路供用于对感测电路供电的脉冲驱动信号S₁，使得感测电路在脉冲驱动信号S₁为高时被供电且在脉冲驱动信号S₁为低时不被供电，所述感测电路包括感测电阻器和电压输出，所述感测电阻器被设置成基于感测电阻器的电阻变化来检测流体流动，所述感测电路被设置成使得所述感测电阻器的电阻变化引起电压输出的变化；以及在第一和第二操作模式之间切换所述传感器系统，其中，脉冲驱动信号S₁在第一模式下具有第一频率f₁，而在第二模式下具有大于第一频率f₁的第二频率f₂。

用脉冲驱动信号S₁来驱动流量传感器系统意味着感测电路不被连续地供电，而是仅在S₁为高时被供电。这显著地减少功率消耗，同时可以针对适当的灵敏度选择f₁和f₂。

在一个实施例中，在第一和第二操作模式之间切换传感器系统包括在检测到抽吸时将传感器系统从其中脉冲驱动信号S₁具有第一频率f₁的第一模式切换到其中脉冲驱动信号S₁具有第二频率f₂的第二模式。由感测电路的电压输出的变压来检测所述抽吸。另选地，或附加地，在第一和第二操作模式之间切换传感器系统包括基于用户习惯在预期发生抽吸时将传感器系统从其中脉冲驱动信号S₁具有第一频率f₁的第一模式切换到其中脉冲驱动信号S₁具有第二频率f₂的第二模式。可以基于用户习惯来预测预期发生抽吸的时间。例如，在前一次抽吸后的预定时间段和一天中的预定时间中的一个或多个，可以将传感器系统从第一模式切换到第二模式。对于用户来说，所述预定时间段可以是抽吸之间的平均时间，并且其可以是自适应的，使得其基于抽吸之间的时间的运动平均值而被连续地调整。另选地，所述预定时间段可以具有固定值。这是有利的，因为如果传感器系统在抽吸之前在第二模式下操作，则响应时间将短得多。

优选地，所述方法包括在已检测到指示抽吸的感测电路的电压输出变化之后在第二频率f₂下提供脉冲驱动信号S₁预定时间段，并在所有其它时间在第一频率f₁下提供脉冲驱动信号S₁。

优选地，所述方法还包括向烟雾发生系统中的其它组件提供信号S₂的步骤，信号S₂在感测电路的电压输出指示检测到抽吸时是高的，并且信号S₂在感测电路的电压输出指示未检测到抽吸时是低的。可以使用信号S₂来激活：烟雾化机构、雾化器、加热元件和抽吸指示器中的一个或多个。

所述方法还可以包括调整传感器系统的灵敏度的步骤，包括以下各项中的一个或多个：周期性地调整感测电路中的可变电阻器的电阻；提供自调整偏移电路；以及向感测电路提供脉冲校准信号S_C。

该方法还可以包括根据由感测电路检测到的抽吸的特性向用户传送烟雾的步骤。关于本发明的一方面描述的特征也可以适用于本发明的另一方面。

将参照附图仅以示例的方式进一步描述本发明，在附图中：

图1示出根据本发明的传感器系统的示例性实施例；

图2a示出图1的信号GP2；

图2b示出在不存在抽吸的情况下的图1的信号V_OUT；

图2c示出检测到抽吸时的图1的信号V_OUT；

图3示出采用惠斯通电桥形式的图1的感测电路的另选设置；

图4示出可以如何建立弛豫设定点；以及

图5示出图1的传感器系统的一种操作方法。

供在本发明的传感器系统中使用的适当传感器可以包括硅衬底、衬底上的氮化硅薄膜、以及该薄膜上的两个铂加热元件。这两个加热元件是电阻器，一个同时充当致动器和传感器，另一个充当参考。此类传感器是有利的，因为其提供快速的传感器响应。当然，可以使用其它适当传感器。在操作期间，存在由于被附近流体流动冷却而引起的感测电阻器的电阻变化。此电阻变化是由于热量损耗而引起的。

可以在恒温下使用该感测电阻器，在这种情况下，测量要求增加的加热功率并提供对流体流动的指示。另选地，可以在恒定加热功率下使用所述感测传感器，在这种情况下，降低的温度提供对流体流动的指示。另选地，如下文将参考图1和3所描述的，可以将感测电阻器与恒定电流一起使用，在这种情况下，感测电路的均衡的变化提供对流体流动的指示。

图1示出根据本发明的传感器系统的示例性实施例。图1的传感器系统101包括感测电路103、电流反射镜(current mirror)105形式的预定值电流源、差动放大器107、以及微控制器109和驱动晶体管111形式的用于提供脉冲驱动信号S₁的信号发生器。

图1的传感器系统101包括感测电路103。感测电路103包括在左侧支路中的电阻器R₁、R₄和可变电阻器R_V及在右侧支路中的电阻器R₂、R₃和感测电阻器R_S。感测电阻器R_S是如上所述的传感器的感测电阻器或另一适当类型的传感器。如下文将进一步描述的，R_V是可调电阻且可以用于建立弛豫设定点(例如，当在系统中不存在气流时)。另选地，可以使用自调整偏移电路来建立弛豫设定点。在本实施例中，微控制器的输出被连接到差动放大器(图1未示出)的非反向输入，且差动放大器的V_OUT可以被连接到微控制器的输入。可以使用微控制器来监视差动放大器的输出V_OUT并在差动放大器的非反向输入上注入电压直至V_OUT＝0为止。

测量电压V_DIFF是差分测量结果(在本示例性情况下，是右侧支路B中的V₂与左侧支路A中的V₁之间的差)。当感测电路103处于均衡状态时，左侧支路中的电阻的比等于右侧支路中的电阻的比

这导致V_DIFF＝V₂-V₁等于零。一旦R_S被流体流动冷却，则存在R_S的电阻变化，这导致右侧支路B的电压变化和V_DIFF的非零值。

对于图1的感测电路103而言，可以容易地示出：

V_{DIFF} = V_{2} - V_{1} = Vs (\frac{R_{2}}{R_{S} + R_{3} + R_{2}} - \frac{R_{v} + R_{4}}{R_{v} + R_{4} + R_{1}}) - - - (1)

如果R_v+R₄＝R₁且R_s+R₃＝R₂，则

V_{DIFF} = V_{2} - V_{1} = Vs (\frac{1}{2} - \frac{1}{2}) = 0

差分测量结果V_DIFF提供对引起R_S的电阻变化的流体流动的指示。由于V_DIFF是差分测量结果，所以即使对于流体流动的小变化和因此产生的电阻的小变化而言，也可以进行非常准确的测量。该结构允许记录信息，诸如抽吸量和强度。注意，根据等式(1)，V_DIFF与感测电阻R_S不成线性关系。

在图1的实施例中，预定值电流源采用电流反射镜105的形式，其包括反射镜结构中的两个晶体管T₁和T₂、加电阻器R_REF。T₂处的电流I_M必须等于T₁处的I_REF(其也是通过感测电路103的电流)。并且：V_S＝R_REFI_REF+V_BE

因此：

I_{M} = I_{REF} = \frac{V_{0} - V_{BE}}{R_{REF}} - - - (2)

由电流反射镜来补偿感测电路中的非线性(参见以上等式(1)和(2))。这是有利的，因为在以这种方式来补偿非线性的系统中，发现非线性比由电压变化补偿的系统中的非线性小两倍。因此，图1的实施例中的电流反射镜105降低系统的非线性。

电流反射镜105可以具有任何适当结构。可以将电流反射镜放置在感测电路103的高压侧而不是如图1所示的感测电路与地之间。可以将任何适当的晶体管类型用于T₁和T₂，包括PNP晶体管、NPN晶体管和CMOS晶体管。还可以有用于电流源的另选设置。传感器系统必须在合理的温度范围内正确地操作，并且电流反射镜105补偿任何温度变化。还可获得其它温度补偿电流源。如果外部温度改变，则感测电路的输出电压V_DIFF将受到影响，这可能引起不准确的操作或测量。T₁和T₂应具有相同的电特性并被紧密地设置在一起，并在类似的封装中以便使其之间的任何温差最小化。

另一方面，参考电流反射镜105的特定设置，如果在T₁与T₂之间存在温差，则由于两个晶体管跨其基极-发射极结具有相同的电位(V_BE)，所以V_BE保持恒定。这意味着如果两个晶体管处于不同的温度，则通过T₁的电流不同于通过T₂的电流，以便保持V_BE。另一方面，如果外部温度改变而相等地影响T₁和T₂，则通过两个晶体管的电流相等地改变，从而保持V_BE恒定。

传感器系统101还在感测电路103的输出处包括差动放大器107，以便将通常仅仅几毫伏的输出电压V_DIFF放大。在图1中，使用有美国马萨诸塞州的Analog Devices公司制造的AD623放大器。此类放大器使用小于0.5mA并具有高达1000的增益。然而，可以用任何适当的差动放大器替代。放大器107被连接到电源电压V_S，并且放大器的增益由电阻器R_G根据下式来设置：

V_{OUT} = {1 + \frac{100000}{R_{G}}} V_{DIFF} - - - (3)

因此，对于≈1000的增益而言，R_G被设置为100Ω。

等式(3)仅在V_DIFF的特定范围上适用。在此范围的任一侧，放大器将饱和。在一个示例中，如果V_DIFF＝0V，则V_OUT＝1.5V。如果V_DIFF＜-1.5mV，则V_OUT在0V饱和。如果V_DIFF＞+1.5mV，则V_OUT在3V饱和。在-1.5mV＜V_DIFF＜+1.5mV的范围内，等式(3)适用，即，该关系与等于增益的梯度成线性关系，如果R_G被设置为100Ω，则所述增益约为1000。

传感器系统101还包括微控制器109和驱动晶体管111。在一个实施例中，微控制器具有输入GP0以及输出GP2和GP4。在图1中，感测电路103和电路反射镜105是最高功率消耗装置。为了减少功率消耗，感测电路103和电流反射镜105未被连续地供电，而是由来自微控制器109的脉冲驱动信号S1来驱动。脉冲电流I_REF经由驱动晶体管111依照微控制器109的输出GP2上的信号S₁而提供给电流反射镜105和感测电路103。驱动晶体管111起到开关的作用，在GP2信号为高时导通。由微控制器109控制脉冲的宽度和频率。在本实施例中，输出V_OUT被连接到微控制器的输入GP0以便使差动放大器输出数字化。观察输出GP0，并可以相应地调整GP2处的脉冲信号的宽度和频率。在图1的实施例中，微控制器109是由美国亚利桑那州的Microchip Technology公司制造的PIC12f675系列基于CMOS Flash的8位微控制器。该微控制器具有电源端口、接地端口和六个输入/输出(I/O)端口GP0至GP5，包括四个模数转换端口。其可以在3V下运行。当然，可以使用任何适当的微控制器。

图2a示出在微控制器输出GP2的方波信号(信号S1)的一个脉冲。图2b示出在不存在抽吸的情况下GP2信号如何影响V_OUT处的信号。图2a示出针对GP2的电压相对于时间的图。图2b示出针对V_OUT的电压相对于时间的图。图2a和2b的图不按比例绘制。图2a中的GP2处的信号的每个脉冲被分成图2a中的标记为f、g和h的三个阶段。下面将讨论这些阶段。图2b中的V_OUT处的信号被分成图2b中的标记为a、b、c、d和e的五个阶段。

在阶段a中，GP2信号是0V。这是在脉冲之前。因此，没有电流提供给感测电路103。感测电阻器R_S不具有从中流过的电流，因此其处于环境温度。感测电路103的输出V_DIFF是0V，如上文所讨论的，这产生1.5V的输出V_OUT。

在阶段b中，GP2信号是3V。现在向感测电路103提供电流，这意味着R_S的温度开始增加。感测电路103的输出V_DIFF增加至大于1.5mV，这意味着放大器输出V_OUT在3V处饱和。

在阶段c中，R_S的温度继续上升，并且这开始减小感测电路103的输出。V_DIFF落到1.5mV的饱和水平以下，使得从放大器输出V_OUT获得线性响应。因此，V_OUT随着R_S温度的上升而与V_DIFF线性地减小。

在阶段d中，R_S的温度已经充分地上升，使得V_DIFF小于-1.5mV且放大器输出V_OUT再次饱和，这次是在0V。

在阶段e中，GP2上的脉冲已结束，因此GP2的电压再次处于0V。不再向感测电路103提供电流，这意味着输出V_DIFF是0V，这产生1.5V的输出V_OUT，就像在阶段a中一样。R_S在下一个脉冲之前温度降低。

在此系统中，可以在V_OUT的阶段c期间、即在差动放大器的线性响应期间检测抽吸。在常规设置中，感测电路103被设置为使得当传感器加热器电阻在零流量下达到恒定温度时达到其平衡V_DIFF＝0。在恒定电流的情况下，这意味着向传感器提供足够长的电流使得传感器加热器电阻达到平衡温度。这意味着传感器的高功率消耗。在本发明的该实施例中，通过设置脉冲、使得加热器电阻不能或刚刚能够达到其平衡温度来减少功率消耗。

图2c示出在检测到抽吸时V_OUT处的信号。图2c示出针对V_OUT的电压相对于时间的图。同样，图2c的图形不按比例绘制。当进行抽吸时，所产生的流体流动促使V_OUT斜坡(阶段c)向右移动。斜坡的移位量与流速成比例。随着斜坡向右移位，这最终提供与图2a所示的GP2驱动信号相同形式的V_OUT信号。这在图2c中示出。GP2信号在阶段c斜坡开始之前或在阶段c斜坡开始同时变成零。紧挨在GP2脉冲结束之前检测到抽吸。如果V_OUT信号被数字化(经由GP0)，则如果其值在阈值之上，则认为检测到抽吸。因此，重要的是在没有任何流体流动的情况下并且在测量之前，V_OUT是0V。

图3示出采用包括感测电阻器R_S的四分之一惠斯通电桥结构303形式的感测电路103的另选设置。惠斯通电桥的四个边分别包括电阻器R₁、R_V(在左支路A′中)、R₂和(R₃+R_S)(在右支路B′中)。同样地，R_V是可调电阻且被用于建立惠斯通电桥的设定点。该电桥设置是有利的，因为其允许检测传感器电阻的小的变化。另外，此设置减少了由于环境温度变化而引起的变化。

图4示出可以如何使用可变电阻RV或自调整偏移电路来建立感测电路103或惠斯通电桥303的弛豫设定点并调整传感器系统的灵敏度。如参考图2b的阶段b、c和d所述的，传感器电阻R_S在被上电时上升至由微控制器109所生成的信号GP2的脉冲宽度所确定的值。可以使用R_V或自调整偏移电路来确定R_S中的这种变化在什么电压水平发生，并且这在图4中例示。

在温度变化的情况下，以范围401在图4中示出R_S可以采用的值的范围。R_V调整和使用自调整偏移电路的影响是使范围401沿着对角线移动，如箭头403所指示的。弛豫设定点是设置R_S的电压变化的点。R_S的范围401沿着图4中的对角线的移动对应于图2b中的V_OUT的阶段c的斜坡从左到右的移动。当范围401在图4中的零处或刚好在零以下开始时(这对应于图2b中V_OUT阶段c斜坡位于GP2脉冲结束时或紧挨在其之前)，实现最好的灵敏度。

图5示出图1的设置的操作方法的一个实施例。图5的上三分之一示出针对GP2(信号S1)的电压相对于时间的图。图5的中间三分之一示出针对V_OUT(对应于GP0)的电压相对于时间的图。图5的下三分之一示出针对微控制器输出V_CTRL(对应于GP4上的信号S₂)的电压相对于时间的图。图5中的图不按比例绘制。如前文所讨论的，为了使功率消耗最小化，用GP2处的脉冲驱动信号S1对感测电路103或惠斯通电桥303和电流反射镜105供电。在图2a中示出GP2的一个方形脉冲。图5的左侧示出在第一模式下操作的信号。图5的右侧示出在第二模式下操作的信号。

图5的左侧示出未检测到抽吸且信号在第一模式下操作时的操作方法。在本实施例中，在信号在第一模式下操作时的脉冲频率是3Hz，即约每330ms一个脉冲。此频率提供了灵敏度与功率消耗之间的良好折衷。在该实施例中，GP2的脉冲宽度是12.1ms。相应地，电压V_OUT具有在图5的左侧所示的形式。请注意，图5的左侧的下半部分中的V_OUT的每个脉冲具有图2b所示的形状，但是脉冲形状在图5中仅仅是示意性地示出的。在图5的左侧中，未检测到抽吸，因此脉冲形状与图2b所示的类似，而不是图2c所示的类似。

图5的右侧示出检测到抽吸且信号在第二模式下操作时的操作方法。在时间501处检测到抽吸。如在图5的右侧的中间三分之一中可以看到的，检测到抽吸，因为V_OUT脉冲的下半部分(阶段c斜坡的底部)具有较高的值。这对应于使阶段c中的斜坡向右移动的流体流动，使得斜坡在到达阶段d之前被返回到0V的GP2信号切断。当在时间501处检测到抽吸时，对输入GP0的检测将GP4输出信号S₂从0切换到1，使得V_CTRL开启，如图5的右侧的下三分之一所示。对输入GP0的检测还引起GP2的脉冲频率的变化且系统开始在第二模式下操作。当然，还可以使用GP4信号变化来控制其它电路，例如烟雾化机构、雾化器、加热元件和抽吸指示器。现在，在该实施例中，处于第二模式下的GP2的脉冲频率是22Hz，亦约每45ms的一个脉冲，如图5的右侧的上三分之一中所示。注意，脉冲宽度仍与在第一模式下相同，即，在该实施例中为12.1ms。注意V_OUT信号的下部遵循标记为503的虚曲线。此曲线是抽吸分布，因为V_OUT的斜坡向右移动的量与流速成比例。随着V_OUT信号的下部的增加，流速从零增加至其最大值，并且随着V_OUT信号的下部从其最大值减小至零，流速从最大值减小至零。

在该实施例中，已经适当地校准了系统；这可以从曲线503看到，其仅仅接近于但不超过V_OUT的高值。这等效于图4中的在零处或刚好在零以下开始的R_S 401和位于GP2脉冲结束时或刚好在其结束之前的V_OUT阶段c斜坡的范围。可以通过如上文参考图4所讨论的R_V或偏移电路的变化或通过下文将讨论的另选校准方法来实现此校准。

在时间505，当在V_OUT处未再次检测到变化时，输出V_CTRL返回到0V。在时间501处检测到抽吸之后，GP2脉冲保持在22Hz的第二频率持续预定的时间段直至其返回到3Hz的第一频率时的时间507为止。此时间段501至507可以是预置的或基于用户习惯的。例如，该时间段可以对应于两次抽吸之间的平均时间段。

因此，在第一模式期间，当GP2脉冲频率是3Hz时，在最坏的情况下，第一次抽吸的时间约为330ms。如果在第二模式期间进行抽吸，那么当GP2脉冲频率是22Hz时，最大响应时间快得多，并且在最坏的情况下，到抽吸的时间约为45ms。

可以记录表示抽吸的V_OUT信号，并且可以将其用来确定各种数据。例如，可以根据V_OUT信号记录用于抽吸的平均总时间。这是图5中的时间501至505。此外，可以使用曲线503的斜坡来计算用户进行一次吸入的力或强度。此外，可以根据跨越时间501至505的抽吸分布503来确定抽吸的量。此外，可以根据V_OUT信号记录抽吸之间的平均时间(但请注意，为了简单起见，在图5中仅示出了一次抽吸)。

此信息可以被馈送到微控制器中，并且这允许操作中的大量的灵活性。例如，根据所记录的抽吸之间的时间，微控制器可以依照用户的习惯来修改GP2保持在高频的时间段(501至507)。作为另一示例，微控制器可以基于用户的习惯在预期下一次抽吸时的时间自动地从低频GP2脉冲切换到高频GP2脉冲。这将减少响应时间，即到抽吸的时间。作为另一示例，可以记录用户进行一次吸入的力，并将其用于管理例如致动器、烟雾化机构或加热元件处的烟雾传送以适应用户。

可以用微控制器软件来实现图5所示的操作方法。首先，软件对微控制器上电并对微控制器进行初始化。接下来，软件执行电子稳定。一旦已经完成这些过程，则可以使用微控制器在GP2上生成脉冲并读取V_OUT处的响应。如果V_OUT不大于0.1V，则未检测到抽吸，在这种情况下GP2信号S₁被设置为处于第一脉冲频率，在这种情况下为3Hz。微控制器继续以第一脉冲频率生成脉冲，并在V_OUT处读取响应直至检测到抽吸为止。

如果V_OUT大于0.1V，则检测到抽吸，在这种情况下开始倒数计时器。这对应于图5中的时间501。到GP4(S₂)的微控制器输出V_CTRL被设置为高且GP2信号被设置在第二脉冲频率，在这种情况下为22Hz。微控制器在GP2上在第二频率下生成脉冲并在V_OUT处读取响应。如果V_OUT大于0.1V，则仍检测到抽吸，在这种情况下，仍以第二频率发出GP2脉冲S₁，并且到GP4(S₂)的微控制器输出V_CTRL保持为高。

如果V_OUT不大于0.1V，则不再检测到抽吸。这对应于图5中的时间505。在这种情况下，V_CTRL被设置为低。然后，如果倒数计时器是非零的，则GP2脉冲应保持在高频下的时间段尚未期满，即尚未到达图5中的时间507。在这种情况下，GP2脉冲信号S₁保持在高频下。

如果倒数计时器是零，则GP2脉冲应保持在高频下的时间段期满，即已经到达图5中的时间507。在这种情况下，GP2脉冲信号S₁返回到第一低频。

如上文所讨论的，可以通过调整R_V或向差动放大器的非反向输入中注入电压直至放大器V_OUT的输出为0V来设置系统的灵敏度。另一种方式是使用校准信号S_C。可以周期性地、例如在GP2上的信号S₁的每x个脉冲(例如1000个脉冲)、或每当GP2信号从第二模式(22Hz)变成第一模式(3Hz)时生成校准信号S_C上的脉冲。再一次参考图2a，使用校准脉冲来保持针对阶段d的恒定时间段(即当V_OUT是0V时)。如果使用校准脉冲，则GP2的脉冲宽度不再是固定的，而是可变的。如图2a所示，GP2脉冲被划分成三个阶段f、g和h。在校准期间，在具有固定持续时间(在一个实施例中为6ms)的阶段f中，GP2信号保持在处于3V的高，而无论V_OUT信号如何。在阶段g中，监视V_OUT信号，并且只要V_OUT保持大于0V(在阶段b或c中也是如此-参见图2b)，GP2信号就保持在处于3V的高。一旦V_OUT信号达到0V(阶段d-参见图2b)，则记录该时间并将与V_OUT的阶段d相对应的GP2的阶段h的时间段设置在固定持续时间(在一个实施例中为300μs)。在校准期间，在该实施例中，如果V_OUT在14ms的总脉冲时间(f+g+h)之后未达到0V，则认为检测到抽吸。

在正常操作模式下，GP2的总脉冲宽度是f+g+h。现在将在校准期间所记录的时间g用于总脉冲宽度的计算。校准系统以设置灵敏度的这种方法出于以下原因是非常有利的。首先，可以用固定电阻来代替可调电阻R_V。其次，每当脉冲校准信号S_C具有脉冲时发生自动校准。这意味着由于系统本身将自动地调整至最佳灵敏度，因此不需要在制造期间或在维护期间手动地调整系统中的任何组件。在本实施例中所选的从6ms至14ms的时间窗大到足以允许环境温度和各种电子组件的响应的任何变化，但是可以选择任何适当的时间窗。

Claims

1.一种用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统，该传感器系统被设置成在其中未预期或检测到抽吸的第一模式下和其中预期或检测到抽吸的第二模式下操作，并包括：

感测电路，其包括感测电阻器和电压输出，所述感测电阻器被设置成基于电阻的变化来检测指示抽吸的流体流动，所述感测电路被设置成使得感测电阻器的电阻变化引起电压输出的变化；以及

信号发生器，其被设置成向所述感测电路提供脉冲驱动信号S₁以便对所述感测电路供电，使得所述感测电路在脉冲驱动信号S₁为高时被脉冲驱动信号S₁供电，而在脉冲驱动信号S₁为低时不被供电，其中，脉冲驱动信号S₁在第一模式下具有第一频率f₁，并在第二模式下具有大于第一频率f₁的第二频率f₂，并且其中，所述信号发生器被设置成在所述感测电路预期或检测到抽吸时从第一模式切换到第二模式。

2.根据权利要求1所述的流量传感器系统，还包括被设置成提供预定值电流通过所述感测电路的电流源，其中，脉冲驱动信号S₁被提供给该电流源。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的流量传感器系统，还包括被设置成将所述感测电路的电压输出放大的差动放大器。

4.根据权利要求3所述的流量传感器系统，其中，差动放大器输出在所述感测电路的电压输出值的一定范围内与感测电路的电压输出成比例，并且在感测电路的电压输出小于或大于该范围时饱和。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的流量传感器系统，还包括用于调整所述传感器系统的灵敏度的装置，所述用于调整灵敏度的装置包括以下各项中的一个或多个：

所述感测电路中的可变电阻器；

自调整偏移电路；以及

信号发生器，其用于向所述感测电路提供脉冲校准信号S_C。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的流量传感器系统，其中，所述感测电路包括具有第一支路和第二支路的惠斯通电桥，并且其中，所述电压输出是跨第一支路的电压与跨第二支路的电压之间的差。

7.一种用于接纳烟雾形成基体的烟雾发生系统，该系统包括根据权利要求1-6中任一项的用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统。

8.根据权利要求7所述的烟雾发生系统，还包括：

至少一个加热元件，其用于对所述基体进行加热以形成烟雾；

其中，所述流量传感器系统被设置成当所述流量传感器系统感测到指示抽吸的流体流动时激活加热元件。

9.一种用来驱动用于在烟雾发生系统中感测指示抽吸的流体流动的流量传感器系统的方法，该传感器系统被设置成在其中未预期或检测到抽吸的第一模式下和其中预期或检测到抽吸的第二模式下操作，所述方法包括以下步骤：

向感测电路提供脉冲驱动信号S₁以便对所述感测电路供电，使得所述感测电路在脉冲驱动信号S₁为高时被脉冲驱动信号S₁供电而在脉冲驱动信号S₁为低时不被供电，所述感测电路包括感测电阻器和电压输出，所述感测电阻器被设置成基于所述感测电阻器的电阻变化来检测指示抽吸的流体流动，所述感测电路被设置成使得所述感测电阻器的电阻变化引起电压输出的变化；以及

在第一和第二操作模式之间切换所述传感器系统，其中，脉冲驱动信号S₁在第一模式下具有第一频率f₁，而当所述感测电路预期或检测到抽吸时在第二模式下具有大于第一频率f₁的第二频率f₂。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在第一和第二操作模式之间切换传感器系统的步骤包括在检测到抽吸时将传感器系统从其中脉冲驱动信号S₁具有第一频率f₁的第一模式切换到其中脉冲驱动信号S₁具有第二频率f₂的第二模式。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，在第一和第二操作模式之间切换传感器系统的步骤包括基于用户习惯在预期发生抽吸时将传感器系统从其中脉冲驱动信号S₁具有第一频率f₁的第一模式切换到其中脉冲驱动信号S₁具有第二频率f₂的第二模式。

12.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，还包括向烟雾发生系统中的其它组件提供信号S₂的步骤，信号S₂在感测电路的电压输出指示检测到抽吸时是高的，并且信号S₂在感测电路的电压输出指示未检测到抽吸时是低的。

13.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，还包括调整所述传感器系统的灵敏度的步骤，包括以下各项中的一个或多个：

周期性地调整所述感测电路中的可变电阻器的电阻；

提供自调整偏移电路；以及

向所述感测电路提供脉冲校准信号S_C。

14.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，还包括根据由所述感测电路所检测到的抽吸的特性向用户传送烟雾。