CN107167673B - 一种可探测电荷变化特征的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可探测电荷变化特征的传感器，包括电荷获取模块、电荷变化处理模块和需求信息提取模块。其中，电荷获取模块包括探测极板和超高阻抗电路，电荷变化处理模块包括微分电路，需求信息提取模块包括陷波器和滤波器；探测极板用于感应目标电荷；超高阻抗电路将探测极板上感应的目标电荷转换成电压信号并输入给微分电路；微分电路对电压信号进行处理，生成可以表征目标电荷特征的电压信号，再输入给陷波器；陷波器和滤波器对信号进行噪声滤除和放大滤波处理，最后输出需求信号。本发明的传感器具有高灵敏度、结构简单、成本低等显著优点，即可实现自身电荷变化的固定目标探测，亦可实现带有固定电荷量的移动目标探测。

Description

一种可探测电荷变化特征的传感器

技术领域

本发明涉及一种可探测电荷变化特征的电荷传感器。

背景技术

电荷传感器广泛应用于工业生产、科学研究以及日常生活中。在航空航天领域射线强度的检测，核电子领域中电荷量的测量，生物医学领域中生化反应速率的监测中都用到电荷传感器，甚至我们每天使用的电子产品，如手机等，也利用电荷传感器来检测电池的带电量。

在探测电荷的传感器中，目前主要有谐振式传感器、电荷积分放大器、电荷灵敏前置放大器、基于比较器的静态电荷感应器等。谐振式传感器主要应用于微机电领域，可以探测电荷量的大小，但由于这是一种机械结构的传感器，装置复杂、容易老化与损坏。电荷积分放大器可测量固定量值的电荷，也可以通过输出电压峰值的变化感应出电荷量的变化，但其不能实现非接触式的电荷变化探测。电荷灵敏前置放大器既可以完全采用高性能集成运放，也可由结型场效应管与高性能集成运放构成，具有噪声低、响应好等优点，但这种传感器基于密勒电容机理，极低频截止频率难以实现，且增益随着输入电容变化而变化，实现困难、成本昂贵，一般用于固定目标的自身电荷变化探测。基于比较器的静态电荷感应器，其基于运放的高输入阻抗能够实现人体静电荷量检测，但由于采用的是一种比较器电路，并不适用于电荷变化实时检测。

发明内容

针对以上现有技术中存在的不足，本发明的目的是提出一种可探测电荷变化特征的传感器，不仅适用于固定目标的自身电荷变化实时检测，亦适用运动目标固定电荷量检测。

为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：

一种可探测电荷变化特征的传感器，包括电荷获取模块、电荷变化处理模块和需求信息提取模块，其中，电荷获取模块包括探测极板和超高阻抗电路，电荷变化处理模块包括微分电路，需求信息提取模块包括陷波器和滤波器；所述探测极板用于感应目标电荷；所述超高阻抗电路将探测极板上感应的目标电荷转换成电压信号并输入给微分电路；所述微分电路对电压信号进行处理，生成可以表征目标电荷特征的电压信号，再输入给陷波器；所述陷波器和滤波器对信号进行噪声滤除和放大滤波处理，最后输出需求信号。

进一步地，所述超高阻抗电路的输入电容不超过10pF，输入阻抗达到百GΩ量级。

进一步地，所述微分电路的过零频率点不超过1Hz。

进一步地，所述滤波器为低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器中的一种或多种。

本发明提出了一种可探测电荷变化特征的传感器，其显著特征在于基于超高阻抗传感器和微分电路，能够实现电荷变化特征的探测，具有高灵敏度、结构简单、成本低等显著优点。该电荷传感器即可实现自身电荷变化的固定目标探测，亦可实现带有固定电荷量的移动目标探测，应用范围广。

附图说明

图1为本发明可探测电荷变化特征的传感器结构框图；

图2为本发明实施例中移动目标电荷变化特征探测的电路图；

图3为本发明实施例中低通滤波器的输出信号实际波形图。

具体实施方式

本发明可探测电荷变化特征的传感器包括电荷获取模块、电荷变化处理模块和需求信息提取模块，分别用于探测目标电荷、给出电荷变化特征和提取需求信息，其结构框图如附图1所示，具体描述如下：

(1)电荷获取模块：包括探测极板和超高阻抗电路，其中探测极板用于感应目标电荷，超高阻抗电路用于将极板上感应的目标电荷转换成电压信号，超高阻抗电路的输入电容不超过10pF，输入阻抗达到百GΩ量级。

(2)电荷变化处理模块：包括微分电路，其过零频率点不超过1Hz，用于给出步骤(1)获得的电荷信号变化特征，对于自身电荷变化的固定目标探测，给出自身电荷变化细节特征，对于带有固定电荷量的移动目标探测，给出运动速度、距离等相关电荷变化特征。

(3)需求信息提取模块：包括陷波器以及低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器中的一种或多种，用于对步骤(2)获得的信号进行噪声滤除、放大滤波处理，提取需求信号。

为使本发明所提传感器更加清楚，将人体看作带有固定电荷量的移动目标，结合附图2详细描述其电荷量、运动距离和运动速度产生的相关电荷变化特征检测结果：

(1)等效成固定带电荷量的人体距探测极板2m处正常走动，速度约1.5m/s，其速度方向平行于电荷获取模块的探测极板，极板采用普通PCB板，尺寸为5cm×3cm。在电荷获取模块的探测极板上感应出电荷，电荷获取模块中超高阻抗电路的输入电容C1一端接在运算放大器A1的反向输入端，另一端接地，且其值不超过10pF，输入阻抗达到百GΩ量级，通过超高阻抗电路将电荷转化成相应的电压信号。

(2)电荷变化处理模块中采用微分电路对高阻抗电路的电压信号进行处理，生成可以表征探测电荷特征的电压信号。在本实施例中，微分电路的电阻R2与电容C3串联，一端接入运算放大器A2的反向输入端，一端接运算放大器A1的输出，电阻R3并联接在运算放大器A2的反向输入端与输出端之间。微分电路的过零频率点不超过1Hz。微分电路的输出信号将会得到关于人体的带电荷量、与极板之间距离以及运动速度的特征信息。

(3)需求信息提取模块中采用陷波器主要是为了去除存在的50Hz工频干扰。在本实施例中，陷波器的电阻R4与电阻R5串联，一端接入运算放大器A3的同相输入端，另一端接运算放大器A2的输出端，并且电阻R4与R5之间接入电容C6，电容C6的另一端接地；电容C4与电容C5串联，一端接入运算放大器A3的同相输入端，另一端接运算放大器A2的输出端，并且电容C4与C5之间接入电阻R6，电阻R6的另一端接地。陷波器的带宽为47.7-52.6Hz，在50Hz处的增益为-46.6dB。

(4)需求信息提取模块中采用的低通、带通或者高通滤波器可以根据探测对象合理确定频带宽度，消除其它频带内噪声干扰，并且放大有用信号。在本实施例中采用低通滤波器，低通滤波器的电阻R7一端接运算放大器A4的反向输入端，一端接运算放大器A3的输出端，电阻R8和电容C7并联接在运算放大器A4的反向输入端与输出端之间。其截止频率是16Hz，能很大程度上去除16Hz以上噪声信号，并且放大有用信号。

(5)本实施例需求信息提取模块中低通滤波器的输出信号实际波形如附图3输出信号所示，该输出波形是用采集到的输出信号数据通过Matlab绘制得到。该波形具有一定的对称性，峰峰值为1.52V，波峰与波谷时间差为0.23s。波形特征与探测目标的人体有关，人体带电量越多，信号幅值越大；人体运动速度越大，信号越窄；人体距极板越远，信号越宽。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替换均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (3)

1.一种可探测电荷变化特征的传感器，包括电荷获取模块、电荷变化处理模块和需求信息提取模块，其特征在于，电荷获取模块包括探测极板和超高阻抗电路，电荷变化处理模块包括微分电路，需求信息提取模块包括陷波器和滤波器；所述探测极板用于感应目标电荷；所述超高阻抗电路的输入电容不超过10pF，输入阻抗达到百GΩ量级，将探测极板上感应的目标电荷转换成电压信号并输入给微分电路；所述微分电路对电压信号进行处理，生成可以表征目标电荷特征的电压信号，再输入给陷波器；所述陷波器和滤波器对信号进行噪声滤除和放大滤波处理，最后输出需求信号。

2.根据权利要求1所述的一种可探测电荷变化特征的传感器，其特征在于，所述微分电路的过零频率点不超过1Hz。

3.根据权利要求1所述的一种可探测电荷变化特征的传感器，其特征在于，所述滤波器为低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器中的一种或多种。

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