一種可探測電荷變化特征的傳感器的制作方法

本發明涉及一種可探測電荷變化特征的電荷傳感器。

背景技術：

電荷傳感器廣泛應用于工業生產、科學研究以及日常生活中。在航空航天領域射線強度的檢測，核電子領域中電荷量的測量，生物醫學領域中生化反應速率的監測中都用到電荷傳感器，甚至我們每天使用的電子產品，如手機等，也利用電荷傳感器來檢測電池的帶電量。

在探測電荷的傳感器中，目前主要有諧振式傳感器、電荷積分放大器、電荷靈敏前置放大器、基于比較器的靜態電荷感應器等。諧振式傳感器主要應用于微機電領域，可以探測電荷量的大小，但由于這是一種機械結構的傳感器，裝置復雜、容易老化與損壞。電荷積分放大器可測量固定量值的電荷，也可以通過輸出電壓峰值的變化感應出電荷量的變化，但其不能實現非接觸式的電荷變化探測。電荷靈敏前置放大器既可以完全采用高性能集成運放，也可由結型場效應管與高性能集成運放構成，具有噪聲低、響應好等優點，但這種傳感器基于密勒電容機理，極低頻截止頻率難以實現，且增益隨著輸入電容變化而變化，實現困難、成本昂貴，一般用于固定目標的自身電荷變化探測。基于比較器的靜態電荷感應器，其基于運放的高輸入阻抗能夠實現人體靜電荷量檢測，但由于采用的是一種比較器電路，并不適用于電荷變化實時檢測。

技術實現要素：

針對以上現有技術中存在的不足，本發明的目的是提出一種可探測電荷變化特征的傳感器，不僅適用于固定目標的自身電荷變化實時檢測，亦適用運動目標固定電荷量檢測。

為實現上述發明目的，本發明提出的技術方案為：

一種可探測電荷變化特征的傳感器，包括電荷獲取模塊、電荷變化處理模塊和需求信息提取模塊，其中，電荷獲取模塊包括探測極板和超高阻抗電路，電荷變化處理模塊包括微分電路，需求信息提取模塊包括陷波器和濾波器；所述探測極板用于感應目標電荷；所述超高阻抗電路將探測極板上感應的目標電荷轉換成電壓信號并輸入給微分電路；所述微分電路對電壓信號進行處理，生成可以表征目標電荷特征的電壓信號，再輸入給陷波器；所述陷波器和濾波器對信號進行噪聲濾除和放大濾波處理，最后輸出需求信號。

進一步地，所述超高阻抗電路的輸入電容不超過10pf，輸入阻抗達到百gω量級。

進一步地，所述微分電路的過零頻率點不超過1hz。

進一步地，所述濾波器為低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器中的一種或多種。

本發明提出了一種可探測電荷變化特征的傳感器，其顯著特征在于基于超高阻抗傳感器和微分電路，能夠實現電荷變化特征的探測，具有高靈敏度、結構簡單、成本低等顯著優點。該電荷傳感器即可實現自身電荷變化的固定目標探測，亦可實現帶有固定電荷量的移動目標探測，應用范圍廣。

附圖說明

圖1為本發明可探測電荷變化特征的傳感器結構框圖；

圖2為本發明實施例中移動目標電荷變化特征探測的電路圖；

圖3為本發明實施例中低通濾波器的輸出信號實際波形圖。

具體實施方式

本發明可探測電荷變化特征的傳感器包括電荷獲取模塊、電荷變化處理模塊和需求信息提取模塊，分別用于探測目標電荷、給出電荷變化特征和提取需求信息，其結構框圖如附圖1所示，具體描述如下：

(1)電荷獲取模塊：包括探測極板和超高阻抗電路，其中探測極板用于感應目標電荷，超高阻抗電路用于將極板上感應的目標電荷轉換成電壓信號，超高阻抗電路的輸入電容不超過10pf，輸入阻抗達到百gω量級。

(2)電荷變化處理模塊：包括微分電路，其過零頻率點不超過1hz，用于給出步驟(1)獲得的電荷信號變化特征，對于自身電荷變化的固定目標探測，給出自身電荷變化細節特征，對于帶有固定電荷量的移動目標探測，給出運動速度、距離等相關電荷變化特征。

(3)需求信息提取模塊：包括陷波器以及低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器中的一種或多種，用于對步驟(2)獲得的信號進行噪聲濾除、放大濾波處理，提取需求信號。

為使本發明所提傳感器更加清楚，將人體看作帶有固定電荷量的移動目標，結合附圖2詳細描述其電荷量、運動距離和運動速度產生的相關電荷變化特征檢測結果：

(1)等效成固定帶電荷量的人體距探測極板2m處正常走動，速度約1.5m/s，其速度方向平行于電荷獲取模塊的探測極板，極板采用普通pcb板，尺寸為5cm×3cm。在電荷獲取模塊的探測極板上感應出電荷，電荷獲取模塊中超高阻抗電路的輸入電容c1一端接在運算放大器a1的反向輸入端，另一端接地，且其值不超過10pf，輸入阻抗達到百gω量級，通過超高阻抗電路將電荷轉化成相應的電壓信號。

(2)電荷變化處理模塊中采用微分電路對高阻抗電路的電壓信號進行處理，生成可以表征探測電荷特征的電壓信號。在本實施例中，微分電路的電阻r2與電容c3串聯，一端接入運算放大器a2的反向輸入端，一端接運算放大器a1的輸出，電阻r3并聯接在運算放大器a2的反向輸入端與輸出端之間。微分電路的過零頻率點不超過1hz。微分電路的輸出信號將會得到關于人體的帶電荷量、與極板之間距離以及運動速度的特征信息。

(3)需求信息提取模塊中采用陷波器主要是為了去除存在的50hz工頻干擾。在本實施例中，陷波器的電阻r4與電阻r5串聯，一端接入運算放大器a3的同相輸入端，另一端接運算放大器a2的輸出端，并且電阻r4與r5之間接入電容c6，電容c6的另一端接地；電容c4與電容c5串聯，一端接入運算放大器a3的同相輸入端，另一端接運算放大器a2的輸出端，并且電容c4與c5之間接入電阻r6，電阻r6的另一端接地。陷波器的帶寬為47.7-52.6hz，在50hz處的增益為-46.6db。

(4)需求信息提取模塊中采用的低通、帶通或者高通濾波器可以根據探測對象合理確定頻帶寬度，消除其它頻帶內噪聲干擾，并且放大有用信號。在本實施例中采用低通濾波器，低通濾波器的電阻r7一端接運算放大器a4的反向輸入端，一端接運算放大器a3的輸出端，電阻r8和電容c7并聯接在運算放大器a4的反向輸入端與輸出端之間。其截止頻率是16hz，能很大程度上去除16hz以上噪聲信號，并且放大有用信號。

(5)本實施例需求信息提取模塊中低通濾波器的輸出信號實際波形如附圖3輸出信號所示，該輸出波形是用采集到的輸出信號數據通過matlab繪制得到。該波形具有一定的對稱性，峰峰值為1.52v，波峰與波谷時間差為0.23s。波形特征與探測目標的人體有關，人體帶電量越多，信號幅值越大；人體運動速度越大，信號越窄；人體距極板越遠，信號越寬。

需要說明的是上述實施例，并非用來限定本發明的保護范圍，在上述技術方案的基礎上所作出的等同變換或替換均落入本發明權利要求所保護的范圍。

技術特征：

技術總結
本發明提出了一種可探測電荷變化特征的傳感器，包括電荷獲取模塊、電荷變化處理模塊和需求信息提取模塊。其中，電荷獲取模塊包括探測極板和超高阻抗電路，電荷變化處理模塊包括微分電路，需求信息提取模塊包括陷波器和濾波器；探測極板用于感應目標電荷；超高阻抗電路將探測極板上感應的目標電荷轉換成電壓信號并輸入給微分電路；微分電路對電壓信號進行處理，生成可以表征目標電荷特征的電壓信號，再輸入給陷波器；陷波器和濾波器對信號進行噪聲濾除和放大濾波處理，最后輸出需求信號。本發明的傳感器具有高靈敏度、結構簡單、成本低等顯著優點，即可實現自身電荷變化的固定目標探測，亦可實現帶有固定電荷量的移動目標探測。

技術研發人員：張麗敏;王剛;王舒凡;閆鋒
受保護的技術使用者：南京大學
技術研發日：2017.05.10
技術公布日：2017.09.15