CN103727840B - 一种电子制动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子制动装置及方法，其中电子制动装置包括电源和两个用于与目标体电接触的电极，还包括与电源和电极电连接的同步信号电路；其中，同步信号电路在同一时间产生两种电信号，并将两种电信号在输出端相互叠加，使叠加后的每个电信号幅值为之前所述两种电信号幅值之和；以及将叠加后的电信号通过两个电极在目标体上形成回路，以导致目标肌肉强烈收缩而产生制动。这样通过采用两个电路取代一个电路而分别产生一个电信号，以减小电路中使用的主要元器件如电容器、晶体管等的体积、容量要求和对输入电压和电流强度的耐受性等，并且可有效降低整个同步信号电路的负荷，从而提高电路效能，并降低电路成本。

Description

一种电子制动装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电子制动装置，更具体地说，涉及一种可施放高压电流使活体目标失去行动能力并对其进行捕获的电子制动装置及方法。

背景技术

近年来，电击式装置作为一种非致命性武器在很多国家和地区已被广泛使用，并且显示出与其它传统致命性武器相比许多不可替代的明显优势。目前存在的类似装置主要分三类：第一类是常见的接触式电击器，一般其头部装有一对分开大约数厘米的输出电极。使用时需在近距离将所述电极紧抵目标体部，依靠高压电弧击穿衣物和皮肤之间的隔离空气间隙从而通过目标形成回路而起作用。这类装置由于电极之间涉及的机体组织面积很少从而一般很难达到真正制服目标的效果。另外一类装置除了具有一个与前一类装置原理基本相似的主体部分以外还包括一个发射部分。其发射部分通常包括一个弹匣装置，使用时能够将弹匣内的一对接触电极以一个角度发射至远距离目标。所述接触电极与主体电能输出以导线相连接，当电极接触到目标时，主体的电路部分释放一连串高压电子脉冲作用于目标的神经肌肉系统。由于这一类装置的两个电极在目标体上的落点间距更大，覆盖机体组织更广泛，因而可以导致肌肉产生广泛性强直性收缩从而使目标暂时丧失自主活动的能力。还有一种所谓的无线电击装置，其主要特征是将上述电击装置的整个主体和发射部分在结构和功能上合二为一，依靠其它辅助装置将其整体发射到远处目标。它的作用也同样依靠其输出电极和目标相接触以使电流通过目标机体形成一个回路而起作用。

上述装置的原型是由美国航天局科学家JohnCover与70年代发明的。在其美国专利文件3,803,463中描述了这样一种装置，其首先使用一个电池组合将电压升至几千伏特并将能量储存在电容器内，通过一个放电间隙控制其充放电及脉冲频率并经过一个升压变压器输出电压高达数万伏，每个脉冲能量从0,01焦耳到0,5焦耳不等的高压脉冲。在实际应用过程中发现，该装置输出的电子脉冲所释放的电能并不足以对目标产生满意的制动效果。2001年11月公布的美国专利6,636,412中描述了一种电路原理基于上述发明的类似装置，与前者相比，该发明的主要特征是大幅度提高了每个高压脉冲输出的能量，由前者的峰值电流大约3安培（A）和功率大约7瓦特（W）左右提升到了大约17安培（A）和功率大约26瓦特（W）。其结果使得该装置对目标的制服作用达到了满意的效果，但同时也相应增加了其使用的危险性。

上述两种装置由于电路设计本身的原因以及电子元器件性能的局限性，使得由高压瞬间放电所产生的每个脉冲持续时间一般只有约5-30微秒左右。因此，美国专利6,636,412中描述的电路主要通过提高每个脉冲在单位时间内的输出功率来获得较高的能量，这使得此装置需要使用容量及体积较大的电容器，如0,88-1,0微法，以及耐压性能很高的电子元器件以保证电路系统的可靠运行。

上述发明描述的电路所产生的电压可达20至50千伏甚至更高。这种高电压脉冲被用来击穿在电路的接触电极和目标体之间可能存在的空气间隙并使气体电离化，其作用是建立一个电路通道以便使电流能够持续通过已被离子化的空气载体将电能传递到目标从而发挥作用。高电压本身对制服目标并不起实质性的作用，因为是否能够导致目标肌肉收缩以及收缩程度的大小主要取决于每个脉冲单位时间内电流强度的大小。

近年来国外的科学研究表明，此类装置所产生的高压电流可能是通过影响活体目标中枢神经系统的传出神经（EfferentNerve），进而激活脊髓α-运动神经元和肌肉α-运动神经末稍（Alphamotorneurons）从而引发躯体肌肉的强直性收缩而达到控制目的；研究同时显示，激活α-运动神经的电流阈值与脉冲刺激持续时间成反比，即脉冲持续时间越短则激活α运动神经所需电流阈值越高，反之则越低（下图）。从图中可以看出，由于上述装置的电路产生的每个高压脉冲的持续时间只有约为5-30微秒，因此需要输出很高的峰值电流才能达到激活α-运动神经的目的。这使得上述装置电路需要消耗相当大的功率，其电路系统也因此需要装配与之功率输出相对应的较大而笨重的电池组合以满足要求。

美国专利6,999,295揭示了一种电子制动装置，其基本电路模式是在两个不同的时段分别单独运行的电路。与前述两种装置不同的是其电路部分采用了较复杂的电子芯片程序化控制以及信号转换技术，在两个不同的时段分别切换和运行一个高压电路和一个低压电路。其基本特征是：在第1时段首先由一个开关控制装置激活一个高压电路并输出一个非常短暂的高压信号以形成一个脉冲的前半部分，此时低压电路处于关闭状况；然后所述控制装置关闭所述高压电路同时激活所述低压电路，使其在第2时段输出一个持续时间较第1时段显著延长的低压信号以形成脉冲的后半部分。其产生的每个脉冲包括两个不同的波段成分，既分别由在第一时段产生的一个持续时间约为0.5-1.5微秒之间的短暂高压波段，以及紧随其后的在第二时段产生的一个持续时间约为20-200微秒之间的低压波段融合而成。在每个脉冲信号形成之后，即第二时段结束时，在第三时段由一个程序化控制装置切断所述高压电路和低压电路的电源供应并在预先设定的时间内维持这种断电状况直到下一个脉冲开始以形成一个脉冲周期。

上述装置产生的高压脉冲导致空气电离化的基本原理是使气体分子产生一部分自由电子，这些自由电子随之迅速从周围的中性气体分子中捕获正电子从而使更多的气体分子负离子化从而形成离子流。根据国外资料报道，这一过程通常需要1微秒至100微秒，并且受多种环境因素如温度，湿度，空气质量甚至空气流动性等的影响。如上所述，在美国专利6,999,295中描述的电路在第一时段输出的高压脉冲波段持续时间非常短暂，仅为0,5-1,5微秒，这除了要求其控制系统对电路的调控具有相当高的精准度之外，如此短暂的高压放电时间可能会因上述环境因素的存在而对接触电极和目标体之间的空气间隙电离化过程产生负面影响。

在上述美国专利6,999,295中描述的电路中，所述高压信号和低压信号由所述电路在不同时段单独产生，其各自的幅值大小与所述电路在该时段的负荷以及功率输入相对应。所述电路还包含针对其电路结构不同部位的多层次信号转换和调控机制，通过反复关闭和开启不同电路部分以及电路的供电系统以实现在不同时段对脉冲及其周期频率的调控。这种电路结构相对复杂，调控机制相对繁琐，对环境的耐受性较差，成本也会相应提高。

在上述所有已知技术所采用的电路中，其输出的每个电信号或者是由一个单独的电路所产生，如美国专利3,803,463和6,636,412，或者是由两个不同电路在不同时段单独产生后融合而成，如美国专利6,999,295。这使得相关电路必须在运行时单独承受全部输入负荷以及正反向电压的冲击，对相关电子元器件的耐受性要求也相对较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种结构相对简单、效能相对提高、而成本相对降低的电子制动装置。

本发明的另一目的在于，提供一种结构相对简单、效能相对提高、而成本相对降低的电子制动方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

构造一种电子制动装置，包括电源和两个用于与目标体电接触的电极，还包括与所述电源和电极电连接的同步信号电路；其中，所述同步信号电路在同一时间产生两种电信号，并将所述两种电信号在输出端相互叠加，以及将叠加后的电信号通过两个所述电极在所述目标体上形成回路，以导致目标肌肉强烈收缩而产生制动。

本发明所述的电子制动装置，其中，所述同步信号电路是一个单元电路，或者是一个至少包括两个电路部分的并行电路。

本发明所述的电子制动装置，其中，所述叠加后的电信号幅值为所述两种电信号的幅值之和。

本发明所述的电子制动装置，其中，所述叠加后的电信号通过所述目标体的负载电压峰值为500～5000伏特，电流峰值为1～10安培，电荷容量为50～500微库仑。

本发明所述的电子制动装置，其中，所述负载是所述目标体。

本发明所述的电子制动装置，其中，所述两种电信号是具有相同或不同特征的电信号。

本发明所述的电子制动装置，其中，所述叠加后的电信号的频率为每秒5～50个周期，所述叠加后的电信号的持续时间为50～500微秒。

本发明还提供了一种电子制动方法，其中，包括步骤：

提供用于与目标体电接触的两个电极；

在同一时间产生两种电信号，并将两种电信号相叠加；

将叠加后的电信号通过两个所述电极在所述目标体上形成回路，以导致目标肌肉强烈收缩而产生制动。

本发明所述的电子制动方法，其中，所述方法还包括步骤：

以每秒5～50个周期的频率重复所述叠加后的电信号。

本发明所述的电子制动方法，其中，所述方法还包括步骤：

采用一个推进装置将所述第一电极和第二电极发射至远距离目标。

本发明的有益效果在于：通过采用同步信号电路在同一时间产生两种电信号，并将两种电信号在输出端相互叠加后通过两个电极在目标体上形成回路，以打达到使得目标肌肉强烈收缩而产生制动，其中叠加后的每个电信号幅值为之前所述两种电信号幅值之和。这样叠加后的电信号可达到更高的电流峰值和电压峰值，且采用两个电路取代一个电路而分别产生一个电信号，以减小电路中使用的主要元器件如电容器、晶体管等的体积、容量要求和对输入电压和电流强度的耐受性等，并且可有效降低整个同步信号电路的负荷，从而提高电路效能，并降低电路成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明较佳实施例的包括一个单元电路的同步信号电路原理示意图；

图2是本发明较佳实施例的包括两个电路部分的并行电路的同步信号电路原理示意图；

图3是本发明另一实施例的包括一个单元电路的同步信号电路原理示意图；

图4是本发明较佳实施例的同步信号电路产生的高电压脉冲信号示意图一；

图5是本发明较佳实施例的同步信号电路产生的低电压信号示意图一；

图6是本发明较佳实施例的同步信号电路产生的高电压脉冲信号示意图二；

图7是本发明较佳实施例的同步信号电路产生的低电压信号示意图二；

图8是本发明较佳实施例的同步信号电路产生的高电压脉冲信号与低电压信号叠加后的电信号示意图。

具体实施方式

本发明较佳实施例的电子制动装置包括电源和两个用于与目标体电接触的电极，还包括与电源和电极电连接的同步信号电路。其中，同步信号电路在同一时间产生两种电信号，并将两种电信号在输出端相互叠加，以及将叠加后的电信号通过两个电极在目标体上形成回路，以导致目标肌肉强烈收缩而产生制动。这样可采用两个电路取代一个电路而分别产生一个电信号，以减小电路中使用的主要元器件如电容器、晶体管等的体积、容量要求和对输入电压和电流强度的耐受性等，并且可有效降低整个同步信号电路的负荷，从而提高电路效能，并降低电路成本。

上述实施例中，在同步信号电路的输出端叠加后的电信号幅值为两种电信号的幅值之和。叠加后的电信号通过目标体的负载电压峰值为500～5000伏特，电流峰值为1～10安培，电荷容量为50～500微库仑。其中，负载是目标体；目标体的阻抗为400～1200欧姆。叠加后的电信号的频率为每秒5～50个周期，叠加后的电信号的持续时间为50～500微秒。与采用单独运行的电路在不同时段产生的波段相融合所形成的融合波相比，本实施例中的同步信号电路的输出端叠加后的电信号可达到更高的电流峰值、电压峰值。

上述实施例中，同步信号电路所产生的两种电信号可以是相互具有相同或相似特征的电信号，也可以是相互具有不同特征的两种电信号。如果两种电信号具有相同或相似特征，则可以采用两个构造大体相同的电路实现，且两个电路的输出均应用到变压器的初级绕组；如果两种电信号具有不同特征，则采用两个构造及元器件性能不同的电路部分的电路构造以及各元器件性能不同来实现。

在较优选的实施例中，同步信号电路所产生的两种电信号是具有不同特征的电信号。

进一步地，同步信号电路所产生的两种电信号包括一个周期性电信号和一个节段性电信号。其中，周期性电信号限定叠加后的电信号发生的频率，节段性电信号限定叠加后的电信号的持续时间。

更进一步地，周期性电信号包括一个高压电信号，节段性电信号包括一个低压电信号。

本发明上述各实施例中所描述的同步信号电路可以通过多种形式和方法完成。例如，同步信号电路可以是如图1和图3所示的一个单元电路，或者是如图2所示的一个至少包括两个电路部分的并行电路。但是需要指出的是，上述同步信号电路并不限于下面各实施例中所描述的图1-图3中所示的电路结构，也可以根据其原理进行设计，得到不同的电路实施例。

如图1所示，并行电路包括第一电路部分20和第二电路部分30。其中，第一电路部分20和第二电路部分30的输入端同时连接至电源10，第一电路部分20的输出端连接变压器40的初级绕组，变压器40的次级绕组的两个终端与两个电极电连接；第二电路部分30的输出端通过变压器40的次级绕组与第一电路部分20共用两个电极。

具体地，上述实施例中的第一电路部分20包括第一二极管21、第一电容22（电容器1）和脉冲开关23，第一二极管21的正极连接电源10，第一二极管21的负极连接脉冲开关23的一端，脉冲开关23的另一端连接变压器40的初级绕组，第一电容22（电容器1）一端连接在第一二极管21负极，第一电容22（电容器1）另一端接地；第二电路部份包括第二二极管31、第三二极管、第二电容32（电容器2）、触发开关35和同步控制33器，第二二极管31的正极连接电源10，第二二极管31的负极连接触发开关35的一端，触发开关35的另一端通过第三二极管连接变压器40的次级绕组，同步控制33器输入端连接变压器40的初级绕组，同步控制33器输出端连接触发开关35的控制端，第二电容32（电容器2）一端连接在第二二极管31负极，第二电容32（电容器2）另一端接地。

图1中，第一电路部分20和第二电路部分30在同一时间同时运行并同时各自产生一个电信号的并行同步信号电路，同步信号的发生是通过一个同步信号控制器接受来自第一电路部分20的电信号，并激活第二电路部分30的一个触发开关35实现的，当然也可以应用其它方式实现，如通过分别或同时调控上述两个电路或其各自的开关等实现信号同步目的。

具体地，电路运行时，电池通过电流转换装置产生几百至数千伏的高压电源10同时向第一电容22（电容器1）和第二电容32（电容器2）充电。第一电容22（电容器1）充电达到一定电压阈值时，经过一个脉冲控制开关或一个放电间隙产生大约50000伏左右的高压脉冲信号，如图4或图6所示，其电流通过升压变压器40传导至电路的一对输出电极，并进一步通过目标负载形成电流回路；第二电路部份的同步控制33器接受来自第一电路部分20的脉冲信号，并激活触发开关35，使第一电路部分20产生一个与第二电路部分30同步的低压电信号，如图5或图7所示，两个电信号在电路终端产生叠加效应后输出，并通过共用的两个电极接触或贴近到目标体相互分开的两点上，以通过目标体传递叠加后的电信号以引发目标体强烈的不自主肌肉收缩从而达到制动作用，叠加后的电信号如图8所示。其中，图4、图5、图6、图7和图8中，坐标轴横轴表示时间（T），纵轴表示电压输出。

如图2所示，单元电路包括第一二极管21、第二二极管31、第三二极管、第四二极管41、第一电容22（电容器1）、第二电容32（电容器2）、脉冲开关23、同步控制33器和触发开关35。其中，第一二极管21的正极连接电源10，第一二极管21的负极连接脉冲开关23的一端，脉冲开关23的另一端连接变压器40的初级绕组，第一电容22（电容器1）一端连接在第一二极管21负极，第一电容22（电容器1）另一端接地；第二二极管31的正极连接第一二极管21的负极，第二二极管31的负极连接触发开关35的一端，触发开关35的另一端通过第三二极管连接变压器40的次级绕组，同步控制33器输入端连接变压器40的初级绕组，同步控制33器输出端连接触发开关35的控制端，第二电容32（电容器2）一端连接在第二二极管31负极，第二电容32（电容器2）另一端接地；第四二极管41的负极连接变压器40的次级绕组，第四二极管41的正极接地。

与图1中不同的是，图2中的第二电路部分30输入端不是直接与电源10连接，而是与第一二极管21的负极连接。这样可以使得通过第二电容32（电容器2）的电压不会高于第一电路部分20中脉冲开关23的阈值电压，即通过调整脉冲开关23来限定供电电源10对第二电路部份的输入。

另外，图2中，在变压器40的次级线圈上反向串联了至少一个整流二极管，即第四二极管41。在电路运行时，变压器40次级线圈的感应电动势通过第四二极管41产生一个负向电压与主电路（即第一电路部分20）的正向电压相叠加，同时通过第四二极管41的感应电流整流为直流成分后由次级线圈输出。

上述各实施例中，触发开关35可以是三极管，也可以用可控硅或者场效应管，或者是其它具有类似功能的装置。优选地，如图2所示，触发开关35为第一三极管，第一三极管的基极连接同步控制33器的输出端，第一三极管的集电极连接第二二极管31的负极，第一三极管的发射极连接第三二极管的正极。

其中，上述各实施例中，变压器40是一个升压变压器，可以是如图1和图2所示的具有一个次级绕组，也可以是如图3所示的具有两个次级绕组。其能够在同步信号电路的输出端产生范围在30～100千伏的开路峰值电压，以作用于目标体。

上述实施例的图1、图2和图3中，第一电容22（电容器1）和第二电容32（电容器2）以通用方式连接在电路中，为简化起见，图中未显示其接地及回路部分。

优选地，如图2所示，前述电源10为高压电源，在高压电源前端，还连接有指示灯激光器60、延时控制50和扳机开关70。延时控制50的作用是在同步信号电路持续输出电信号到达一个预定时间时，如3-5秒钟，自动断开以终止电信号的输出。这个功能与装置上的扳机开关70相对应，可通过扣动扳机开关70以继续放电。

优选地，所述脉冲开关23可以视情况选择种类，如可以是一个传统的金属放电间隙、放电管开关，或是其它具有同样功能的装置。

更优选地，前述电源10为高压电源10，在高压电源10前端，还连接有一个独立电源10（电源2）。高压电源10是一个在此类电路中常用DC-DC或DC-AC电流转换器，可以通过一个如6-12伏特的蓄电池产生电压幅值为100-3000伏的高频直流或交流电，并在同步信号电路运行时，通过变压器40在同步信号电路输出端产生至少35千伏的高压，并在同步信号电路运行时，高压电源10向并行电路或单元电路持续不间断供电。

更优选地，上述同步信号电路还可以包括一个电源10和电池电量指示机构（未图示），以及一个用于瞄准的瞄准机构（未图示）。关闭图2中所示的电源10与保险开关即激活前述指示机构和瞄准机构。

本发明的另一实施例中，还提供了一种电子制动方法，该方法包括步骤：提供用于与目标体电接触的两个电极；在同一时间产生两种电信号，并将两种电信号相叠加；将叠加后的电信号通过两个电极在目标体上形成回路，以导致目标肌肉强烈收缩而产生制动。可通过一同步信号电路在同一时间产生两种电信号，且可以有多种方法实现该同步信号电路，具体参见前述电子制动装置的各实施例，在此不再赘述。这样可采用两个电路取代一个电路而分别产生一个电信号，以减小电路中使用的主要元器件如电容器、晶体管等的体积、容量要求和对输入电压和电流强度的耐受性等，并且可有效降低整个同步信号电路的负荷，从而提高电路效能，并降低电路成本。

上述实施例的电子制动方法中，在同步信号电路的输出端叠加后的电信号幅值为两种电信号的幅值之和。叠加后的电信号通过目标体的负载电压峰值为500～5000伏特，电流峰值为1～10安培，电荷容量为50～500微库仑。其中，负载是目标体；目标体的阻抗为400～1200欧姆。叠加后的电信号的频率为每秒5～50个周期，叠加后的电信号的持续时间为50～500微秒。

进一步地，上述方法还包括步骤：以每秒5～50个周期的频率重复叠加后的电信号。可以通过在同步信号电路中增加延时控制及扳机开关等实现，具体参见前述电子制动装置的实施例，在此不再赘述。

更进一步地，上述方法还包括步骤：采用一个推进装置将第一电极和第二电极发射至远距离目标。即，上述同步电路模式的电子制动装置及电子制动方法中，可以采取近距离使用方法将两个电极紧抵目标体部，依靠高压电弧击穿目标体体表物体之间的隔离空气间隙，从而通过目标体形成回路而起作用；也可以使用一个单独的推进装置将两个电极发射到一个远距离目标体，使电信号通过两个电极在所述目标体上形成回路，导致目标肌肉的强烈收缩而产生制动。如为后者，其形式可以是使两个电极与推进装置的电路输出端以导线相连接，并通过推进装置在发射过程中将电极延伸至远处的目标体；也可以是将具有本发明基本原理的电子制动装置整体微缩化并通过所述单独的发射装置将其发射至一个远距离目标。

综上，本发明通过采用同步信号电路在同一时间产生两种电信号，并将两种电信号在输出端相互叠加后通过两个电极在目标体上形成回路，以打达到使得目标肌肉强烈收缩而产生制动。这样可采用两个电路取代一个电路而分别产生一个电信号，以减小电路中使用的主要元器件如电容器、晶体管等的体积、容量要求和对输入电压和电流强度的耐受性等，并且可有效降低整个同步信号电路的负荷，从而提高电路效能，并降低电路成本。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种电子制动装置，包括电源和两个用于与目标体电接触的电极以及与所述电源和电极电连接的一个同步信号电路，所述同步信号电路包括第一电路部分和第二电路部分，其特征在于，所述同步信号电路还包括一个同步控制器；其中，所述同步控制器接受来自第一电路部分的电信号，并激活第二电路部分以使两个电路部分在同一时间产生两种电信号，并将所述两种电信号在输出端相互叠加，以及将叠加后的电信号通过两个所述电极在所述目标体上形成回路，以导致目标肌肉强烈收缩而产生制动。

2.根据权利要求1所述的电子制动装置，其特征在于，所述同步信号电路是一个单元电路，或者是一个至少包括两个电路部分的并行电路。

3.根据权利要求2所述的电子制动装置，其特征在于，所述叠加后的电信号幅值为所述两种电信号的幅值之和。

4.根据权利要求3所述的电子制动装置，其特征在于，所述叠加后的电信号通过所述目标体的负载电压峰值为500～5000伏特，电流峰值为1～10安培，电荷容量为50～500微库仑。

5.根据权利要求4所述的电子制动装置，其特征在于，所述负载是所述目标体。

6.根据权利要求5所述的电子制动装置，其特征在于，所述两种电信号是具有相同或不同特征的电信号。

7.根据权利要求6所述的电子制动装置，其特征在于，所述叠加后的电信号的频率为每秒5～50个周期，所述叠加后的电信号的持续时间为50～500微秒。

8.一种基于权利要求1所述的电子制动装置的电子制动方法，其特征在于，包括步骤：

提供用于与目标体电接触的两个电极；

同步控制器接受来自第一电路部分的电信号，并激活第二电路部分以使两个电路部分在同一时间产生两种电信号，并将两种电信号相叠加；

将叠加后的电信号通过两个所述电极在所述目标体上形成回路，以导致目标肌肉强烈收缩而产生制动。

9.根据权利要求8所述的电子制动方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

以每秒5～50个周期的频率重复所述叠加后的电信号。

10.根据权利要求8所述的电子制动方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：

采用一个推进装置将所述两个电极发射至远距离目标。