CN117084463A - 一种基于分层电极电容测量的电子烟及其油量检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分层电极电容测量的电子烟及其油量检测传感器，其中传感器包括电容数字转换电路(CDC)、处理模块、开关阵列、电极感应组件。所述电极感应组件包括分层设置的第一圈电极组、第二圈电极组，每圈电极组包含设置于电子烟储油容器的环绕形成一圈的至少三个电极，每圈中各电极环绕形成的平面称为断层扫描面，第一圈电极组、第二圈电极组的布置方式配置为在所述电子烟倾斜情况下使得容器内等于低位预警油量的烟油的油液面能够与这两圈电极组的断层扫描面均形成交集，CDC通过开关阵列耦合各个电极，处理模块用于依据各圈电极组中电极的自电容或者是自电容与互电容输出储油容器中烟油的油量信息。

Description

一种基于分层电极电容测量的电子烟及其油量检测传感器

技术领域

本发明涉及电子烟的油量检测，尤其涉及基于分层电极的电容式电子烟油量检测传感器。

背景技术

电子烟的储油容器常见为圆柱体或矩形体，由于需要达到几十个毫秒内产生大量可吸入烟雾的目的，雾化芯使用加热丝而抛弃超声波，加热丝基本设于容器内底部，容器顶部为出气口，倒置不能使用，由于使用加热丝方案，需要额外关注烟油耗尽时的干烧现象，一旦干烧除损坏雾化芯外，将产生大量有害气体损害用户健康，因此电子烟领域有对烟油的油量进行监测的需求，需要在油量快完时执行提示。

专利文献202222715106.2公开了利用测光通量的方式测量烟油量的技术方案，通过检测经过储油腔后返回的光线，计算并对比光通量数据的变化来获取雾化芯的油量；该技术需要的配置发光、收光等硬件，成本较大且不易于空间布置，另一方面，由于环境亮暗变化对检测的干扰，该技术在准确识别上存在相当大的挑战。

现有成熟技术的电容数字转换电路(CDC)，例如DAI7142、ADI7147，采用Δ-∑调制方式通过多次对被测电容进行充放电并于参考电容比较的方法(参见：US PatentNumber：5,134,401)直接将被测电容值转换成数字值，可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，容易满足测量系统对电容测量灵敏度的要求，同时还具有对杂散电容免疫的特性，特别是，这些芯片的设计具有多个通道，使得电路设计简单方便，从而有效降低成本和安装难度。

相比于测光通量的技术，在电子烟油量检测方面，电容检测技术由于电极的易于布置性，具有结构、成本等优势。

专利文献202021711532.3通过在倾斜时使烟油容纳仓内的烟油都可同时接触到至少一个侧壁感应电极和至少一个底面感应电极，检测烟油耗尽或快要耗尽的情况，其检测原理依赖于侧壁感应电极和底面感应电极同时接触烟油时，和不同时接触烟油时，即底部跟侧壁两电极之间通、断时，两者之间电压、电流、电容、电感等电参数的不同进行判断，只能检测烟油容纳仓内有无烟油，无法检测油量的多少，而往往等到测得容纳仓内的油量耗尽时再进行保护如切断电源，雾化芯基本已经开始干烧产生有害气体。

专利文献201590001289.7，201580000257.X，公开了利用电容测量烟油含量的技术方案，要点是，在储油腔内设置两个电极，可以是片状平行版电容，也可以是嵌套环形电容，烟油介于两个电极之间，用互电容值反应烟油量的变化。202022615173.8公开了在油舱底部设置一个自电容电极测量油藏内油量的技术方案，要点是，电极可以设在有舱内与油液接触，也可以设在油舱底壳外与油液非接触，还可以有两个油舱，分别有两个电极测量各自的油液量。但一般而言，电容电极构成的自电容以及电极间构成的互电容，除了受容器内烟油体量的影响外，还会受烟油的分布、液面角度等的影响，上述的电容检测方案中，无法排除烟油的分布、液面角度等的干扰，存在：(1)烟油粘稠，如果出现挂壁现象将导致测不准的问题；(2)电子烟放置角度随机，油液面与油舱的相对角度随机导致测不准的问题；(3)烟油特别是自配烟油成分和含量变化多端，介电常数、电阻率、透光率都会随之变化，导致测不准的问题。

发明内容

本发明要在使用电容检测的前提下，基于电极分层设计达到对电子烟储油容器内油量的准确测量。

为此，提供一种基于分层电极电容测量的电子烟油量检测传感器，包括电容数字转换电路、处理模块、开关阵列、电极感应组件；所述电极感应组件包括分层设置的第一圈电极组、第二圈电极组，每圈电极组包含设置于电子烟储油容器的环绕形成一圈的至少三个电极，每圈中各电极环绕形成的平面称为断层扫描面；所述第一圈电极组、第二圈电极组的布置方式配置为在所述电子烟倾斜情况下使得容器内等于低位预警油量的烟油的油液面能够与这两圈电极组的断层扫描面均形成交集，所述电极用于电容式地感应所述烟油的液位；所述电容数字转换电路通过开关阵列耦合各个电极；所述处理模块，耦合所述电容数字转换电路，用于依据各圈电极组中电极的测量值输出储油容器中烟油的油量信息，所述测量值配置为电极的自电容，或者是自电容与互电容。

本发明结构上在电子烟储油容器设置分层的至少两圈电极组，传感器布置方式便捷，易于使用，方法上通过各圈电极组中电极的自电容或者自电容与互电容的组合来反映容器中的油量，能够实现油量的准确测量。

优选地，第一圈电极组、第二圈电极组的布置方式进一步配置为在电子烟正立情况下，使低位预警油量对应的烟油的油液面淹没至第一圈电极组中各电极的下边缘以及第二圈电极组中各电极的上边缘。本发明中，所述的淹没应当被理解为烟油对应于电极的法向投影覆盖电极。

考虑到烟油的主要成分是甘油、丙二醇、水以及香料、尼古丁等添加剂。这些物质中，甘油和丙二醇是最主要的成分，其中甘油的导电性极低，充当稀释和增加烟雾的作用，而丙二醇也只是具有微弱的导电性，因而烟油基本绝缘。本发明中，电极可以设置与烟油直接接触，如将电极设于电子烟储油容器内部。更有选地，为避免直接接触带来的污染问题，同时利于烟油成分和含量的自由度搭配，电极设置得在电子烟储油容器上通过绝缘层与油烟进行隔离，实现非接触电容式感应。对于非接触方案而言，进一步的，可以设置电极位于电子烟储油容器的内部，绝缘层配置为包括包覆电极外表面的绝缘膜，例如悬挂或架在储油容器内不与容器内壁接触；或者，考虑到安装便捷性，可以设置位于电子烟储油容器的侧壁外侧，如设置在电子烟储油容器外侧壁上或设置在电子烟储油容器外侧的烟杆上(容器安置于烟杆内，安装后烟杆上的电极对准容器)，此时，绝缘层配置为包括电子烟储油容器的侧壁，甚至在布置于烟杆时还包括烟杆与容器之间的空气；或者，考虑到储油容器外侧壁另有他用以及电极安置的牢固性、稳定性，优选可以将电极通过注塑或者夹层工艺设置于电子烟储油容器的侧壁内部，形成绝缘-电极-绝缘三层结构，此时以电极与油烟之间具有电子烟储油容器的侧壁作为绝缘层或部分绝缘层。

本发明中，所述处理模块依据烟油烟油对各圈电极组中电极的淹没情况输出油量信息的方式，进一步包括：如果测量到至少一圈电极组存在全部电极具有自电容，说明烟油的油液面完全淹没过该圈，则所述处理模块依据该圈所处电子烟储油容器的位置以及电子烟储油容器的形状，确定电子烟储油容器中的油量；否则如果测量到第一圈电极组、第二圈电极组中均存在部分电极具有自电容，说明烟油的油液面与这两圈的断层扫描面均形成交集，则所述电容数字转换电路通过开关阵列将相应圈电极组中的每个电极依次作为激励来获取该电极与该圈其他电极之间的互电容；所述处理模块依据所获取的所述互电容，确定烟油的油液面在相应断层扫描面上的分布位置进而确定所述油液面的倾斜角度，然后依据所述倾斜角度、分布位置以及事先输入的电子烟储油容器的形状，确定电子烟储油容器中的油量；如果均不是上述两种情况，说明烟油的含量低于低位报警阈值，则所述处理模块进行油量低位预警。上述中，CDC通过对双层电极中每个电极依次作为激励来扫描与相应圈中其他电极的互电容，达到互电容断层扫描，实现对断层截面的多相分布测量，再由油液面在两个断层扫描面上的分布位置，利用两线成面确定油液面的倾斜角度，可实现各个角度都可以测到油液，改善烟油的分布、液面角度、烟油成分改变(由于烟油的介电常数与空气差异巨大，即便用户自行在烟油中添加其他口味的添加剂，自配后的烟油的介电常数也与空气存在足够差异，不影响互电容断层扫描)等对测量的干扰，达到精准测量目的。

为进一步提升测试准确性，避免在用户吸烟等烟油体积变动时刻进行检测带来的影响，处理模块被配置为在电子烟储油容器中的烟油处于稳态时获取的电容来输出油量信息，其中当相邻至少两次在同一电极上获取的电容相同时，判定电子烟储油容器中的烟油处于稳态；或者，当相邻至少两次测量所计算出的油量信息相同时，判定电子烟储油容器中的烟油处于稳态。当稳态时例如常见为电子烟放置不动时检测到油量低于低位报警阈值，结合电子烟本身配置(常态下低功耗模式运行，在用户需要吸烟时利用负压作为开关接通雾化芯电源)，可以设置稳态检测，待到用户吸烟时即检测到负压使开关导通时进行油量提示，如声和/或光提示，达到节省功耗目的。

还提供一种电子烟，包括如上述的电子烟油量检测传感器。

附图说明

图1示出了一种基于分层电极电容测量的电子烟油量检测传感器组成示意图；

图2示出了电子烟倾斜情况下与两圈电极组均形成交集示意图；

图3-1示出了电极布置在容器内部与烟油直接接触示意图；

图3-2示出了电极布置在容器内部与烟油通过绝缘层隔离示意图；

图3-3示出了电极布置在容器内壁与烟油接触和通过绝缘层隔离示意图；

图3-4示出了电极布置在容器侧壁内部示意图；

图3-5示出了电极布置在容器侧壁外部示意图；

图3-6示出了电极布置在电子烟烟杆内壁示意图；

图4示出了烟油与两圈电极组均形成交集示意图；

图5示出了烟油未与两圈电极组均形成交集示意图；

图6示出了增加提示装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于分层电极电容测量的电子烟油量检测传感器，包括电容数字转换电路100、处理模块200、开关阵列300、电极感应组件400

如图2所示，电极感应组件包括分层设置的第一圈电极组410、第二圈电极组420，第一圈电极组410包含电极401、402、403，第二圈电极组420包含电极404、405、406。电子烟倾斜情况下容器500内等于低位预警油量的烟油600的油液面能够与电极组410、420均形成交集。

如图3-1所示，电极401、402可以设置于电子烟储油容器500内部与烟油600直接接触。如图3-2所示，为避免电极401、402直接接触烟油600，带来污染问题，同时利于烟油成分和含量的自由度搭配，电极401、402通过绝缘层700与油烟600进行隔离。如图3-3所示，电极401、402可以设置于电子烟储油容器500内壁，电极401、402与烟油600直接接触。或者电极401、402通过绝缘层700与油烟600进行隔离。如图3-4所示，电极401、402可以设置于电子烟储油容器500的侧壁内部，通过侧壁来实现电极401、402与烟油600的隔离。如图3-5所示，电极401、402可以设置于电子烟储油容器500的侧壁外部，通过侧壁来实现电极401、402与烟油600的隔离。如图3-6所示，电极401、402可以设置于电子烟烟杆800的内壁。

如图4所示，电容数字转换电路100通过开关阵列300耦合第一圈电极组410和第二圈电机组420，当电子烟倾斜的情况下，烟油600的油液面能够与电极组410、420均形成交集。第一圈电极组410中，在一个检测周期内，模拟开关K4、K5闭合，检测测量电极401、402之间的互电容；模拟开关K4、K6闭合，检测测量电极401、403之间的互电容；模拟开关K5、K6闭合，检测测量电极402、403之间的互电容。处理模块200通过电容数字转换电路100获取的所述互电容，确定烟油600在第一圈电极组410中的断层扫描图像。第二圈电极组420中，在一个检测周期内，模拟开关K1、K2闭合，检测测量电极404、405之间的互电容；模拟开关K1、K3闭合，检测测量电极404、406之间的互电容；模拟开关K2、K3闭合，检测测量电极4055、406之间的互电容。处理模块200通过电容数字转换电路100获取的所述互电容，确定烟油600在第二圈电极组420中的断层扫描图像。因为烟油容器500的外形数据已知，通过第一圈电极组410和第二圈电极组420的断层扫描图像，可以确定烟油600液面的倾斜角度，然后依据倾斜角度、电极组分布位置以及事先输入的电子烟储油容器500的形状，确定电子烟储油容器500中的油量。

如图5所示，如果电子烟储油容器500中的烟油600在倾斜的情况下无法与电极组410、420均形成交集，说明烟油600的含量低于低位报警阈值，则所述处理模块200进行油量低位预警。

如图6所示，提示装置900耦合处理模块200，通过声和/或光进行油量提示。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种基于分层电极电容测量的电子烟油量检测传感器，其特征在于：

包括电容数字转换电路、处理模块、开关阵列、电极感应组件；

所述电极感应组件包括分层设置的第一圈电极组、第二圈电极组，每圈电极组包含设置于电子烟储油容器的环绕形成一圈的至少三个电极，每圈中各电极环绕形成的平面称为断层扫描面；

所述第一圈电极组、第二圈电极组的布置方式配置为在所述电子烟倾斜情况下使得容器内等于低位预警油量的烟油的油液面能够与这两圈电极组的断层扫描面均形成交集，所述电极用于电容式地感应所述烟油的液位；

所述电容数字转换电路通过开关阵列耦合各个电极；

所述处理模块，耦合所述电容数字转换电路，用于依据各圈电极组中电极的测量值输出储油容器中烟油的油量信息，所述测量值配置为电极的自电容，或者是自电容与互电容。

2.根据权利要求1所述的电子烟油量检测传感器，其特征在于，所述第一圈电极组、第二圈电极组的布置方式进一步配置为：

在电子烟正立情况下，使低位预警油量对应的烟油的油液面淹没至第一圈电极组中各电极的下边缘以及第二圈电极组中各电极的上边缘。

3.根据权利要求1所述的电子烟油量检测传感器，其特征在于：所述电极设于所述电子烟储油容器内部与所述油烟接触。

4.根据权利要求1所述的电子烟油量检测传感器，其特征在于：所述电极设于所述电子烟储油容器，并通过绝缘层与所述油烟接触。

5.根据权利要求4所述的电子烟油量检测传感器，其特征在于：

所述电极被配置在电子烟储油容器的内部，所述绝缘层被配置为包括包覆电极外表面的绝缘膜；或者

所述电极被配置在电子烟储油容器的侧壁外侧，所述绝缘层被配置为包括电子烟储油容器的侧壁；或者

所述电极被配置在电子烟储油容器的侧壁内部，所述绝缘层被配置为包括电极与烟油之间的电子烟储油容器的侧壁。

6.根据权利要求1所述的电子烟油量检测传感器，其特征在于，所述处理模块依据烟油对各圈电极组中电极的淹没情况输出油量信息的方式，进一步包括：

如果测量到至少一圈电极组存在全部电极具有自电容，则所述处理模块依据该圈所处电子烟储油容器的位置以及电子烟储油容器的形状，确定电子烟储油容器中的油量；

否则如果测量到第一圈电极组、第二圈电极组中均存在部分电极具有自电容，则所述电容数字转换电路通过开关阵列将相应圈电极组中的每个电极依次作为激励来获取该电极与该圈其他电极之间的互电容；所述处理模块依据所获取的所述互电容，确定烟油的油液面在相应断层扫描面上的分布位置进而确定所述油液面的倾斜角度，然后依据所述倾斜角度、分布位置以及事先输入的电子烟储油容器的形状，确定电子烟储油容器中的油量；

否则所述处理模块进行油量低位预警。

7.根据权利要求6所述的电子烟油量检测传感器，其特征在于：

所述处理模块，被配置为在电子烟储油容器中的烟油处于稳态时获取的电容来输出油量信息。

8.根据权利要求7所述的电子烟油量检测传感器，其特征在于：

当相邻至少两次在同一电极上获取的电容相同时，判定电子烟储油容器中的烟油处于稳态；或者

当相邻至少两次测量所计算出的油量信息相同时，判定电子烟储油容器中的烟油处于稳态。

9.一种电子烟，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的电子烟油量检测传感器。