CN114740271A - 一种高灵敏度检测电容变化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种高灵敏度检测电容变化的方法，所述方法包括：电容式压力传感器用于产生与用户抽吸电子烟时的抽吸力对应的电容值，通过检测电路将电容式压力传感器变化的电容值转化为电压或者频率或者电流至控制芯片；其中，所述电容式压力传感器为MEMS电容式传感器，所述检测电路为差动脉宽调制电路或者调频电路或者运算放大器电路或者电荷放大电容电路或者开关电容电路。本发明所述的高灵敏度检测电容变化的方法，方法设计合理，电容式压力传感器作为电子烟咪头的感测模块，检测用户抽吸电子烟时的抽吸力引起的电容变化，通过对检测电路的设计，解决了电容输出不易测量和读取导致的灵敏度低的问题，避免误触发、漏检，提升用户使用的舒适性，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于电容检测技术领域，具体涉及一种高灵敏度检测电容变化的方法。
背景技术
电子烟是一种模仿卷烟的电子产品，有着与卷烟一样的外观、烟雾、味道和感觉。目前，很多电子烟是通过使用加热电路对具有烟草气味的烟油进行加热雾化，来模拟用户所吸食的传统香烟，其工作原理为：电子烟中的气流传感器在感应到用户的吸气时，在用户吸气时长内持续触发气流传感开关接通电子烟中的加热电路，加热电路被接通后对烟油进行雾化。
现有技术中的电子烟的电子烟咪头多是采样单电容形式的传感器，并配合控制芯片进行电容检测，由于单电容的灵敏度和线性度均比较差，现有电子烟咪头仅能产生吸烟和不吸烟这两个信号，因此，则无法产生类似抽真烟的体验，对用户吸气的灵敏度检测较差，容易影响用户的正常使用。因此，需要研发一种高灵敏度检测电容变化的方法，检测用户吸气时的吸力造成的引起的电容变化，避免误触发、漏检等提升用户使用的舒适性。
中国专利申请号为CN201810291694.7公开了一种电子烟状态检测装置、方法及电子烟，目的是通过实施该发明，不需要在加热腔中增加新的检测元件，只需通过检测加热单元的电容值即可得到电子烟的状态信息，设备简单，同时提高用户使用体验，还需要对检测电容变化的灵敏性进一步的提高。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种高灵敏度检测电容变化的方法，方法设计合理，电容式压力传感器作为电子烟咪头的感测模块，检测用户抽吸电子烟时的抽吸力引起的电容变化，通过对检测电路的设计，解决了电容输出不易测量和读取导致的灵敏度低的问题，避免误触发、漏检，提升用户使用的舒适性，应用前景广泛。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高灵敏度检测电容变化的方法，包括如下步骤：所述方法包括：电容式压力传感器用于产生与用户抽吸电子烟时的抽吸力对应的电容值，通过检测电路将电容式压力传感器变化的电容值转化为电压或者频率或者电流至控制芯片；其中，所述电容式压力传感器为MEMS电容式传感器，所述检测电路为差动脉宽调制电路或者调频电路或者运算放大器电路或者电荷放大电容电路或者开关电容电路。
本发明所述的高灵敏度检测电容变化的方法，方法设计合理，电容式压力传感器作为电子烟咪头的感测模块，检测用户抽吸电子烟时的抽吸力引起的电容变化，由于电容输出不易测量和读取，本发明通过将电容式压力传感器变化的电容值转化为易测量的电压或者频率或者电流输出，提高了检测精度、灵敏性，电压或者电流或者频率输出至控制芯片，由控制芯片根据电压或者电流或者频率的模拟信号对与控制芯片相连的响应装置等进行实时控制，以使响应装置等产生与抽吸力对应的实时响应，可以根据电容差输出更多的档位信息，避免误触发、漏检，提升用户使用的舒适性。
所述电容式压力传感器采用MEMS电容式传感器相比于其它的传感器体积微型化，更加智能化，高效化和灵敏化。
进一步的，上述的高灵敏度检测电容变化的方法，当电容式压力传感器为差动式MEMS电容式传感器，所述检测电路为差动脉宽调制电路，通过差动脉宽调制电路将差动式MEMS电容式传感器的电容的变化转变为直流电压输出。
进一步的，上述的高灵敏度检测电容变化的方法，所述差动脉宽调制电路的连接方式如下：比较器一A1的同相输入端、反相输入端分别连接参考电压Ur、差动式MEMS电容式传感器的差动电容一C1的一端，差动电容一C1的另一端接地，比较器一A1的输出端与双稳态触发器的输入端一、输出端一Q1分别连接比较器一A1的输出端、比较器一A1与差动电容一C1的连接点F；比较器二A2的同相输入端、反相输入端分别连接参考电压Ur、差动式MEMS电容式传感器的差动电容二C2的一端，差动电容二C2的另一端接地，双稳态触发器的输入端二、输出端二Q2分别连接比较器二A2的输出端、比较器二A2与差动电容二C2的连接点G，双稳态触发器的输出端一Q1与差动电容一C1之间连接有电阻一R1，并且将二极管一VD1并联在电阻一R1的两端；双稳态触发器的输出端二Q2与差动电容二C2之间连接电阻二R2，并且将二极管二VD2并联在电阻二R2的两端；双稳态触发器的输出端一Q1、输出端二Q2分别连接一导线作为引出端，两个引出端之间的电压即为输出直流电压U0，U0= （C1- C2/ C1+C2）Ur。
进一步的，上述的高灵敏度检测电容变化的方法，所述检测电路还包括低通滤波电路，低通滤波电路采用低通滤波器，通过差动脉宽调制电路获得的直流电压输出经低通滤波器低通滤波后输出至控制芯片。
当差动式MEMS电容式传感器的电容发生变化时，会导致差动脉宽调制电路的输出脉冲的宽度发生改变，根据公式可得，输出的直流电压与差动式MEMS电容式传感器的两个电容差成正比，输出的直流电压利用低通滤波器的低通滤波功能得到相应被测信号的直流部分。所述差动脉宽调制电路线性度良好，抗噪性能好，对外界干扰反应小。
进一步的，上述的高灵敏度检测电容变化的方法，所述电容式压力传感器为高线性MEMS电容式压力传感器，所述检测电路为调频电路，通过调频电路将高线性MEMS电容式压力传感器的电容Cs的变化转变为频率输出。
进一步的，上述的高灵敏度检测电容变化的方法，所述调频电路的连接方式如下：所述调频电路包括2个振荡转换模块，振荡转换模块C-f1和振荡转换模块C-f2，振荡转换模块C-f1和振荡转换模块C-f2采用相同的张弛振荡器结构作为振荡发生器，并且保持一致，由同一个恒流源提供恒定的基准电流；电容Cs的一端与振荡转换模块C-f1的一端连接，电容Cs的另一端接地，振荡转换模块C-f2的一端与具有恒定电容值的参考电容Cr连接，参考电容Cr的另一端接地，振荡转换模块C-f1的另一端和振荡转换模块C-f2的另一端均与恒流源连接，振荡转换模块C-f1的输出端、振荡转换模块C-f2输出端分别连接一导线作为引出端，两个引出端对应的两个输出频率进行相减，得到差频fout，即输出频率f和参考频率fref的差值。
高线性MEMS电容式压力传感器的测量范围是100kpa-800kpa,其电容的输出范围是4～20pF，所述调频电路的设计是将高线性MEMS电容式压力传感器作为振荡器的一部分，当用户抽吸电子烟时的抽吸力引起高线性MEMS电容式压力传感器电容量发生变化，高线性MEMS电容式压力传感器的电容发生变化时，振荡频率也相应的发生变化，由同一个恒流源提供恒定的基准电流，并且振荡转换模块C-f1和振荡转换模块C-f2采用相同的张弛振荡器结构作为振荡发生器，具有更强的抗干扰能力，波形不宜衰减，且更易采用控制芯片来测量输出频率，输出线性度高，反应灵敏。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果： 本发明所述的高灵敏度检测电容变化的方法，方法设计合理，电容式压力传感器作为电子烟咪头的感测模块，检测用户抽吸电子烟时的抽吸力引起的电容变化，由于电容输出不易测量和读取，本发明通过将电容式压力传感器变化的电容值转化为易测量的电压或者频率或者电流输出，通过对检测电路的设计，提高了检测精度、灵敏性；由控制芯片根据电压或者电流或者频率的模拟信号对与控制芯片相连的响应装置等进行实时控制，以使响应装置等产生与抽吸力对应的实时响应，可以根据电容差输出更多的档位信息，避免误触发、漏检，提升用户使用的舒适性。
附图说明
图1为本发明所述高灵敏度检测电容变化的方法的整体构架图；
图2为本发明所述高灵敏度检测电容变化的方法的差动脉宽调制电路图；
图3为本发明所述高灵敏度检测电容变化的方法的调频电路图；
图中：电容式压力传感器1、检测电路2、控制芯片3、比较器一A1、比较器二A2、参考电压Ur、差动电容一C1、差动电容二C2、输出端一Q1、输出端二Q2、比较器一A1与差动电容一C1的连接点F、比较器二A2与差动电容二C2的连接点G、电阻一R1、二极管一VD1、电阻二R2、二极管二VD2、振荡转换模块C-f1、振荡转换模块C-f2、电容Cs、参考电容Cr。
具体实施方式
下面将实施例1、实施例2、实施例3结合附图1-3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所述，所述高灵敏度检测电容变化的方法，电容式压力传感器1用于产生与用户抽吸电子烟时的抽吸力对应的电容值，通过检测电路2将电容式压力传感器1变化的电容值转化为电压或者频率或者电流至控制芯片3；其中，所述电容式压力传感器1为MEMS电容式传感器，所述检测电路2为差动脉宽调制电路或者调频电路或者运算放大器电路或者电荷放大电容电路或者开关电容电路。
当电压或者电流或者频率输出至控制芯片3，由控制芯片3根据电压或者电流或者频率的模拟信号对与控制芯片3相连的响应装置等进行实时控制，以使响应装置等产生与抽吸力对应的实时响应，可以根据电容差输出更多的档位信息，避免误触发、漏检，提升用户使用的舒适性。
实施例2
如图1、2所示，所述高灵敏度检测电容变化的方法，电容式压力传感器1用于产生与用户抽吸电子烟时的抽吸力对应的电容值，电容式压力传感器1为差动式MEMS电容式传感器，检测电路2为差动脉宽调制电路，通过差动脉宽调制电路将差动式MEMS电容式传感器的电容的变化转变为直流电压输出。
当电压输出至控制芯片3，由控制芯片3根据电压的模拟信号对与控制芯片3相连的响应装置等进行实时控制，以使响应装置等产生与抽吸力对应的实时响应，可以根据电容差输出更多的档位信息，避免误触发、漏检，提升用户使用的舒适性。
其中，所述差动脉宽调制电路的连接方式如下：比较器一A1的同相输入端、反相输入端分别连接参考电压Ur、差动式MEMS电容式传感器的差动电容一C1的一端，差动电容一C1的另一端接地，比较器一A1的输出端与双稳态触发器的输入端一、输出端一Q1分别连接比较器一A1的输出端、比较器一A1与差动电容一C1的连接点F；比较器二A2的同相输入端、反相输入端分别连接参考电压Ur、差动式MEMS电容式传感器的差动电容二C2的一端，差动电容二C2的另一端接地，双稳态触发器的输入端二、输出端二Q2分别连接比较器二A2的输出端、比较器二A2与差动电容二C2的连接点G，双稳态触发器的输出端一Q1与差动电容一C1之间连接有电阻一R1，并且将二极管一VD1并联在电阻一R1的两端；双稳态触发器的输出端二Q2与差动电容二C2之间连接电阻二R2，并且将二极管二VD2并联在电阻二R2的两端；双稳态触发器的输出端一Q1、输出端二Q2分别连接一导线作为引出端，两个引出端之间的电压即为输出直流电压U0，U0= （C1- C2/ C1+C2）Ur。
进一步的，所述检测电路还包括低通滤波电路，低通滤波电路采用低通滤波器，通过差动脉宽调制电路获得的直流电压输出经低通滤波器低通滤波后输出至控制芯片。
当差动式MEMS电容式传感器的电容发生变化时，会导致差动脉宽调制电路的输出脉冲的宽度发生改变，根据公式可得，输出的直流电压与差动式MEMS电容式传感器的两个电容差成正比，输出的直流电压利用低通滤波器的低通滤波功能得到相应被测信号的直流部分。所述差动脉宽调制电路线性度良好，抗噪性能好，对外界干扰反应小。
实施例3
如图1、3所示，所述高灵敏度检测电容变化的方法，电容式压力传感器1用于产生与用户抽吸电子烟时的抽吸力对应的电容值，电容式压力传感器1为高线性MEMS电容式压力传感器，所述检测电路2为调频电路，通过调频电路将高线性MEMS电容式压力传感器的电容Cs的变化转变为频率输出。
当频率输出至控制芯片3，由控制芯片3根据频率的模拟信号对与控制芯片3相连的响应装置等进行实时控制，以使响应装置等产生与抽吸力对应的实时响应，可以根据电容差输出更多的档位信息，避免误触发、漏检，提升用户使用的舒适性。
其中，所述调频电路的连接方式如下：所述调频电路包括2个振荡转换模块，振荡转换模块C-f1和振荡转换模块C-f2，振荡转换模块C-f1和振荡转换模块C-f2采用相同的张弛振荡器结构作为振荡发生器，并且保持一致，由同一个恒流源提供恒定的基准电流；电容Cs的一端与振荡转换模块C-f1的一端连接，电容Cs的另一端接地，振荡转换模块C-f2的一端与具有恒定电容值的参考电容Cr连接，参考电容Cr的另一端接地，振荡转换模块C-f1的另一端和振荡转换模块C-f2的另一端均与恒流源连接，振荡转换模块C-f1的输出端、振荡转换模块C-f2输出端分别连接一导线作为引出端，两个引出端对应的两个输出频率进行相减，得到差频fout，即输出频率f和参考频率fref的差值。
高线性MEMS电容式压力传感器的测量范围是100kpa-800kpa,其电容的输出范围是4～20pF，所述调频电路的设计是将高线性MEMS电容式压力传感器作为振荡器的一部分，当用户抽吸电子烟时的抽吸力引起高线性MEMS电容式压力传感器电容量发生变化，高线性MEMS电容式压力传感器的电容发生变化时，振荡频率也相应的发生变化，由同一个恒流源提供恒定的基准电流，并且振荡转换模块C-f1和振荡转换模块C-f2采用相同的张弛振荡器结构作为振荡发生器，具有更强的抗干扰能力，波形不宜衰减，且更易采用控制芯片来测量输出频率，输出线性度高，反应灵敏。
根据下述公式：
可得，温度漂移、电源电压波动、阈值电压差异、工艺波动是对电容-频率转化特性影响较大的几种非理想因素，本发明所述调频电路已经通过上述的差频结构将最重要的一项滤去。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高灵敏度检测电容变化的方法，其特征在于，所述方法包括：电容式压力传感器（1）用于产生与用户抽吸电子烟时的抽吸力对应的电容值，通过检测电路（2）将电容式压力传感器（1）变化的电容值转化为电压或者频率或者电流至控制芯片（3）；其中，所述电容式压力传感器（1）为MEMS电容式传感器，所述检测电路（2）为差动脉宽调制电路或者调频电路或者运算放大器电路或者电荷放大电容电路或者开关电容电路。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度检测电容变化的方法，其特征在于，当电容式压力传感器（1）为差动式MEMS电容式传感器，所述检测电路（2）为差动脉宽调制电路，通过差动脉宽调制电路将差动式MEMS电容式传感器的电容的变化转变为直流电压输出。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度检测电容变化的方法，其特征在于，所述差动脉宽调制电路的连接方式如下：比较器一A1的同相输入端、反相输入端分别连接参考电压Ur、差动式MEMS电容式传感器的差动电容一C1的一端，差动电容一C1的另一端接地，比较器一A1的输出端与双稳态触发器的输入端一、输出端一Q1分别连接比较器一A1的输出端、比较器一A1与差动电容一C1的连接点F；比较器二A2的同相输入端、反相输入端分别连接参考电压Ur、差动式MEMS电容式传感器的差动电容二C2的一端，差动电容二C2的另一端接地，双稳态触发器的输入端二、输出端二Q2分别连接比较器二A2的输出端、比较器二A2与差动电容二C2的连接点G，双稳态触发器的输出端一Q1与差动电容一C1之间连接有电阻一R1，并且将二极管一VD1并联在电阻一R1的两端；双稳态触发器的输出端二Q2与差动电容二C2之间连接电阻二R2，并且将二极管二VD2并联在电阻二R2的两端；双稳态触发器的输出端一Q1、输出端二Q2分别连接一导线作为引出端，两个引出端之间的电压即为输出直流电压U0，U0= （C1- C2/ C1+C2）Ur。
4.根据权利要求3述的高灵敏度检测电容变化的方法，其特征在于，所述检测电路（2）还包括低通滤波电路，低通滤波电路采用低通滤波器，通过差动脉宽调制电路获得的直流电压输出经低通滤波器低通滤波后输出至控制芯片（3）。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度检测电容变化的方法，其特征在于，所述电容式压力传感器（1）为高线性MEMS电容式压力传感器，所述检测电路（2）为调频电路，通过调频电路将高线性MEMS电容式压力传感器的电容Cs的变化转变为频率输出。
6.根据权利要求5所述的高灵敏度检测电容变化的方法，其特征在于，所述调频电路的连接方式如下：所述调频电路包括2个振荡转换模块，振荡转换模块C-f1和振荡转换模块C-f2，振荡转换模块C-f1和振荡转换模块C-f2采用相同的张弛振荡器结构作为振荡发生器，并且保持一致，由同一个恒流源提供恒定的基准电流；电容Cs的一端与振荡转换模块C-f1的一端连接，电容Cs的另一端接地，振荡转换模块C-f2的一端与具有恒定电容值的参考电容Cr连接，参考电容Cr的另一端接地，振荡转换模块C-f1的另一端和振荡转换模块C-f2的另一端均与恒流源连接，振荡转换模块C-f1的输出端、振荡转换模块C-f2输出端分别连接一导线作为引出端，两个引出端对应的两个输出频率进行相减，得到差频fout，即输出频率f和参考频率fref的差值。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024114017A1 (zh) * | 2022-11-28 | 2024-06-06 | 深圳麦克韦尔科技有限公司 | 电子雾化设备及抽吸动作的判断方法和装置 |
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2022
- 2022-03-16 CN CN202210259307.8A patent/CN114740271A/zh not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024114017A1 (zh) * | 2022-11-28 | 2024-06-06 | 深圳麦克韦尔科技有限公司 | 电子雾化设备及抽吸动作的判断方法和装置 |
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