CN1035176A - 扰动电场传感器 - Google Patents

Abstract

一种扰动电场传感器，包括由电解质层所覆盖的 任意形状的导体所组成的采样装置，和由采用高输入 阻抗电子元器件作输入电路，及保护电路和放大电路 所组成的传感装置两个部分；可广泛地应用于多种检 测仪器和仪表，以检测运动物体运动时的有关参量， 如“流量”，速度等，还可用于各种报警，自动控制及监 控电场变化，指示电场分布等，具有结构简单，经济实 用，无电磁，噪音污染，微功耗等特点。

Description

本发明的扰动电场传感器，是一种新型的传感器件，它可以广泛地应用于多种检测仪器和仪表。

在我们周围的空域内，自然分布着一定强度的电场，在无自然或人为干扰源存在的情况下，电场的分布趋于某一相对稳定状态，可称为“准静态”或“暂稳态”。

在有扰动源存在的情况下，原电场的“平衡”将遭到破坏，场的分布由原有的“暂稳态”发生突变，並向新的分布过渡，到达新的“暂稳态”处于此新旧两个“暂稳态”之间的电场称为“扰动场”。

“扰动场”可以产生扰动信息，但此种信息不易为人们所直接觉察，因而长期以来，人们未能将电场扰动时发出的信息加以利用。

本发明的目的是提供一种经济，简便，实用的装置，以获得电场的扰动信息，並通过它检测引起此信息变化原因的有关物理;另一个目的是充实现有各类传感器件所组成的“传感器家族”的成员。

附图说明书：

附图（1）：“扰动电场传感器”框图;

（1-1）为“采样装置”;（1-2）为“传感装置”;（1-3）为“传感装置”的输入电路，（1-4）为“传感装置”的保护电路，（1-5）为“传感装置”的放大电路。

附图（2）A，单套管，密封式“采样装置”示意图;

（2-1）套管，（2-2）导线，（2-3）导线的铜线部分，

（2），B，密封示意图：（2-4）填料，（2-5）铜套帽，（2-6）焊锡，

附图（3）由塑料膜，板所复盖的金属橱，箱作“采样装置”示意图，

附图（4）由分立电子元件组成的“传感装置”电路图;

附图（5）“传感装置”的厚膜电路，

附图（6）A，“传感装置”的集成电路，

（6）B，集成电路的外形示意图，

以下结合附图对本发明内容作详细描述。

参见图1，本发明提供的扰动电场传感器，主要包括由电解质层所复盖的任意形状的导体所组成的“采样装置”（1-1）;和由保护电路（1-4），放大电路（1-5）及采用了高输入阻抗电子元器件的输入电路（1-3）所组成的“传感装置”（1-2）两个部分。

在“采样装置”中，电解质对维持电场扰动信息的存在时间及增加其强度方面，有暂记忆和累积作用。在电解质复盖的导体附近，若有物体相对于此导体发生相对运动，或对于该导体有直接的接触，摩擦，挤压等，都将引起该处电场的扰动，在导体上出现扰动信息，此信息表现为电压脉冲，当物体作重覆性相对运动时，电压脉冲也重覆出现，二者成一一对应关系。因此，为电解质层所复盖的导体，可以作为本发明的“采样装置”，电解质的种类，以塑料，有机玻璃等为佳。

“采样装置”（1-1）可采用普通聚氯乙烯塑料导线;或在此种导线外加有一层或多层，密封的或未密封的塑料或橡皮套管，其线径大小不限，长度及股数不限;也可以采用单层或多层，密封或未密封的任意种类的塑料膜，有机玻璃板等所复盖的各种形状的导体，如导线，导体板，导体网，喷塑导电层，以及金属橱，箱，盒等。其面积或体积不限，厚度长度及形状不限。

“采样装置”可以直接或通过导线与“传感装置”的输入电路输入端连接。

本发明“传感装置”（1-2）的功能应满足：有较高的灵敏度;一定的放大和抗干扰能力;能自行保护和输出信号幅度可调。其输入电路（1-3）采用具有高输入阻抗（R_sr＞10⁷Ω）的电子元器件（如结型或MOS型场效应管等）担任，电路设置上，可以不设置栅偏电路。其保护电路（1-4）由二极管;三极管改接的二极管;或二极管与输入电路输入端限流电阻组成，用以保护高输入阻抗电子元器件在电场扰动信息过强时免遭损坏。其放大电路（1-5）可以采用多级射极跟随器;互补式放大电路或运算放大器等，用以进一步提高电路的增益和负载能力。

本发明“扰动电场传感器”工作原理的具体描述如下：设有物体相对于本传感器的“采样装置”发生相对运动（包括相互接触）时，该物体即为一扰动源，它将引起“采样装置”附近空域内的电场分布发生突变，这一突变由“采样装置”中的电解质层以相应的电荷分布突变的形式加以暂记忆和累积，並导致了电解质层所复盖的导体上产生暂态的静电感应过程，使导体上形成暂态的电位突变，这就是“采样装置”上出现的场的扰动信息，此信息通常为电压脉冲。

由于“传感装置”的输入电路输入控制端与“采样装置”的导线部分直接相连，故导线上出现的电压脉冲作为输入信号加到了输入级的输入回路，因而直接控制了输入级工作电流的变化，並由输入级设置的负载电阻转变为电压信号再送给放大电路进行再放大，由放大级输出的信号已具有一定的负载能力，可以推动一些小型的执行机构，或作为其他仪器，仪表的输入信号。

在输入电路的输入控制端电位不超过允许值时，保护电路不起明显作用，当输入控制端电位超过允许值时，保护二极管导通，使输入端的采样信号箝位到安全电平，从而保护了高输入阻抗电子元器件免受损坏。

实施例1：

“采样装置”见附图（2），A，其中（2-1）为塑料套管，（2-2）为普通聚氯乙烯塑料导线，（2-3）为导线的铜线部分，套管两端可用加温加压法粘合密封，一端留有引出铜线（2-3），为了加固並使密封可靠，在（2-3）端可加铜套帽如附图（2，B），铜线穿过铜套帽顶部小孔，並用焊锡焊牢，再焊上连接插头，以便与“传感装置”相连接。铜套帽与套管（2-1）之间，可充以填料（如漆或脱脂棉屑拌真空脂等）以保证密封可靠，密封应在湿度＜65%的条件下进行为佳。

“传感装置”见附图（4），图中电路由分立电子元件组成。T₁，R₁，R₅，W₁，W₂组成输入电路，T₁采用结型场效应管，其R_GS＞10⁸Ω，在电路设置上，可不设栅偏电路，任栅，源电压U_GS“浮动”。R₁，R₅为限流，保护电阻，W₂可调整“浮动”工作点的变化范围，W₁可调整灵敏度及抗干扰能力。D₁为保护电路用以保证T₁管栅极对源极的栅源电压U_GS≤O，满足T₁管的使用要求，同时避免其损坏。T₂，T₃，T₄及R₂，R₃，R₄组成放大电路，它是由复合管组成的多级射极跟随器，用以完成“阻抗变换”並进行电流和功率放大。R₂，R₄起限流作用，R₂同时为T₃的射极电阻，图中接点⑤可直接与“采样装置”的连接插头相连，接点①接+6伏，②，③均作可输出及捡查之用，接点④接地。本实施例的传感器已在“车辆流量自动记录仪”中应用。

实施例2：

“采样装置”见附图（3），其中（3-1）为金属箱橱，（3-2）为塑料膜;（3-3）为绝缘垫（涂蜡木材，或硬橡胶及环氧树脂板等均可）;（3-4）为引出导线（接“传感装置”输入端）;（3-5）为导线与与金属橱的连接螺丝。

“传感装置”见附图（5），它是一个厚膜电路，电路中R₁、R₂，T₁，D₂组成输入电路，T₁仍采用结型场效应管，R₂为保护电阻，R₁可外接并联电位器，用D₂代替了实施例1中的R₅、W₂，以避免大型电子元件（电位器）的使用，同时使“浮动”的工作点尽可能在无电场扰动信息时靠近T₁管转移特性曲线的U_GS≈O点，以提高灵敏度。保护电路仍由D₁担任，以保证U_GS≤O，放大电路采用两级互补式放大电路，由T₂，T₃，T₄，T₅，T₆及R₃，R₄，R₅，W₂组成，它具有较高的输入阻抗和较大的放大和负载能力，图（5）中接点①，⑧接+6伏，接点⑤，⑥作输出，④接地，②与③可外接电位器，⑦为输入端可直接与“采样装置”的引出线连接。

实施例3：

见附图（6），A，它是与“传感装置”对应的集成电路，可与实施例1或2中的“采样装置”一起组成“扰动电场传感器”，图中输入电路由T₁，R₁，D₂和外接电位器W（图中未画出，W跨接在③，⑩两脚），组成。T₁为MOS场效应管，其R_GS＞10¹⁸Ω，R₁为限流保护电阻，D₂与实施例2中所述的作用相同。

保护电路由D₁与R₆担任，可使输入脉冲信号箝位到安全电平。放大电路由T₂，T₃，T₄，T₅，R₂，R₄，R₅，D₃组成，它兼有实施例1，2中所述放大级的特点，即T₂，T₃，T₄R₂R₄组成多级射极跟随器，T₄T₅R₃R₄R₅构成互补式放大电路。D₃为隔离二极管。此外设有备用整形电路，由图中T₆，T₇，T₈，T₉及外接电阻R_S与R_f（图中未画出）组成。

①，⑧脚均可接+6伏，①，③脚外接电位器，⑦脚为输入端与“采样装置”连接，⑩，⑨，⑥均可作为输出。⑩、④脚外接电阻R_S，④，⑨脚外接R_f，若不用整形备用电路时，④脚接⑧脚，⑩脚为本“扰动电场传感器”的输出端。

本发明的扰动电场传感器不限于上述实施例。

本发明的“扰动电场传感器”尚处在深化和开发阶段，仅以当前实践情况看，它与现有各类传感器件（如光电，电磁，压阻，红外等）相较而言，有其独自的特点和生命力。（1）其结构简单，经济，无需复杂设备及大的投资。（2）取材容易，所用的都是一般电子元件，市上都有出售，有的更是家备电气材料或生活用品。（3）容易复制，容易推广，容易掌握。具有一般电子线路知识的人均可掌握，自制和使用。（4）有较高的灵敏度和较高的经济效益，（例如应用本发明制成的“车辆流量自动记录仪”，记录误差＜3%，体积仅为同类产品的几十分之一，售价仅为1/10，便于安装，携带，和多处设点）。（5）无电磁，噪声等污染。（6）微功耗。（7）可以广泛应用于多种捡测仪器和仪表;以捡测运动物体（包括人体）运动时的有关参量（如“流量”，速度，转速等），也可作为多种形式报警之用，（如防盗报警，风暴报警等）及进行自动控制（如开关灯，开关门，作接近开关等）。还可以作为监控电场变化及指示电场分布之用，（如查电缆断头及作电场场强超极限报警等）。

Claims (10)

1、一种“扰动电场传感器”，其特征是包括由电解质层复盖的任意形状的导体所组成的“采样装置”(1-1)，和由采用高输入阻抗电子元器件作输入电路(1-3)，及保护电路(1-4)，和放大电路(1-5)所组成的“传感装置”(1-2)两个部分。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征是所述“采样装置”（1-1）为普通聚氯乙烯塑料导线，或在该导线外再加套管。

3、根据权利要求2所述的传感器，其特征是所述套管为密封套管，在湿度＜65%的条件下密封为佳。

4、根据权利要求1所述的传感器，其特征是所述“采样装置”（1-1）为塑料膜，板所复盖的各种形状的导体，可以是导线，导体板，导体网，喷塑导电层，及金属橱箱。

5、根据权利要求1所述的传感器，其特征是所述高输入阻抗电子放大元器件为结型或MOS型场效应管，输入阻抗R_GS＞10⁷Ω。

6、根据权利要求1所述的传感器，其特征是所述保护电路由二极管、三极管改接成的二极管，或二极管与栅极外接保护电阻组成，以保证采样信号箝位到安全电平，使场效应管免遭损坏。

7、根据权利要求1所述的传感器，其特征是所述的放大电路采用多级射极跟随器;或互补或放大电路;或运算放大器。

8、根据权利要求1所述的传感器，其特征是所述“传感装置”（1-2）为分立电子元件组成。其电路为：由场效应管T₁，电子元件R₁，W₁，R₂，W₂组成输入电路;由二极管D₁组成保护电路;由电子元件T₂，T₃，R₂，R₃，R₄，T₄组成放大电路。

9、根据权利要求1所述的传感器、其特征是所述“传感装置”（1-2）为厚膜电路，或复合组件，其电路为：由场效应管T₁，电子元件R₁，R₂外接电位器和D₂组成输入电路，由二极管D₁组成保护电路，由电子元件T₂，T₃，T₄，T₅及W₂，R₃，R₄，组成放大电路。

10、根据权利要求1所述的传感器，其特征是所述“传感装置”（1-2）为集成电路，其电路为：由场效应管T₁，电子元件D₂，R₁外接电位器组成输入电路，二极管D₁，电阻R₆组成保护电路，由电子元件T₂T₃T₄T₅R₂R₃R₄R₅D₃组成放大电路，由T₆T₇T₈T₉及外接电阻R_S，R_f组成备用整形电路。