CN117871940B - 一种自适应静电传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应静电传感器装置，属于电变量测量技术领域。本发明包括一个探测电极、一个跨阻放大器、多个放大器、一个ADC模块和一个MCU模块；探测电极、跨阻放大器、多个放大器顺序级联，跨阻放大器和每个放大器的输出均输入所述ADC模块，ADC模块的输出连接MCU模块，所述MCU模块根据静电信号参考电压输出静电电压，静电信号参考电压小于所述ADC模块可采样值的最大值。本发明能够同时满足大量程、高灵敏度和适应于高速交会场景的设计要求，避免静电传感器丢失有效信号，进而避免了由此带来的探测错误的风险。
Description
技术领域
本发明属电变量测量技术领域，具体涉及一种自适应静电传感器装置。
背景技术
静电探测方法是一种适用于对运动的带电目标进行非接触式探测的方法。静电探测方法的实现依赖静电传感器装置。静电传感器是用于进行静电电荷电压测量的装置。
在一次典型的目标探测过程中，运动的带电目标与静电传感器之间的距离由远及近再由近及远。静电传感器采集到的目标和静电传感器交会过程中的静电信号的峰值和目标的带电量、目标相对于静电传感器的速度、目标和静电传感器的最小距离等因素相关。目标的带电量越大、目标相对于静电传感器的速度越高、目标和静电传感器的最小距离越小，交会过程中静电传感器采集到的静电信号越强。为了使静电传感器能够适用于不同的交会条件，需要使得静电传感器有满足不同交会条件的大量程。
静电传感器探测运动的带电目标，探测距离越远使得静电传感器越早发现目标，越有利于实现对目标的探测。为了满足探测距离远的需求，需要使静电传感器对带电目标在远距离条件下产生的小信号有足够的灵敏度。
为了同时满足大量程和高灵敏度的需求，常用的技术手段是使用自动增益控制放大器。自动增益控制放大器是在输入信号幅值变化范围很大的情况下，将输出信号幅值锁定在一个设定电平，或者很小的一个范围内，从而为后级电路提供一个稳定的、最优的输入。但是自动增益控制放大器在调整增益后需要经过建立时间才能达到稳定输出。当目标和静电传感器在高速交会过程中，静电信号峰值大，时间短，自动增益控制会使得静电传感器丢失增益调整过程中的有效信号，不完整的静电信号导致目标探测错误的风险。
发明内容
本发明旨在针对现有技术中存在的技术问题，提供了一种自适应静电传感器装置，能够同时满足大量程、高灵敏度和适应于高速交会场景的设计要求，避免静电传感器丢失有效信号，进而避免了由此带来的探测错误的风险。
本发明提供了一种自适应静电传感器装置，包括一个探测电极、一个跨阻放大器、多个放大器、一个ADC模块和一个MCU模块；
所述探测电极、所述跨阻放大器、多个放大器顺序级联，所述跨阻放大器和每个放大器的输出均输入所述ADC模块，所述ADC模块的输出连接MCU模块，所述MCU模块根据静电信号参考电压输出静电电压，静电信号参考电压小于所述ADC模块可采样值的最大值。
优选地，多个所述放大器输出的静电信号同时被所述ADC模块采集。
优选地，多个所述放大器的增益相同。
优选地，多个所述放大器的增益均为10。
优选地，所述放大器为3个。
优选地，所述MCU模块根据静电信号参考电压V REF输出静电电压V OUT具体为：
；
其中，
V 0为探测电极产生的感应电流通过跨阻放大器产生的静电信号的电压；
V 1、V 2和V 3分别为跨阻放大器输出的静电信号通过每个放大器后输出的静电信号的电压。
优选地，多个所述放大器的增益不同。
优选地，所述放大器为3个。
优选地，所述MCU模块根据静电信号参考电压V REF输出静电电压V OUT具体为：
=/>
其中，
V 0为探测电极产生的感应电流通过跨阻放大器产生的静电信号的电压；
V 1、V 2和V 3分别为跨阻放大器输出的静电信号通过每个放大器后输出的静电信号的电压；
M1、M2和M3分别各级联放大器的增益。
优选地，当放大器个数N大于3时，分别判断跨阻放大器及各级联放大器的输出静电电压与静电信号参考电压V REF的关系，当所有放大器的输出静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为跨阻放大器输出的静电电压V 0；当与跨阻放大器连接的第一个放大器输出的静电电压小于等于静电信号参考电压V REF而其余放大器的静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为第一个放大器输出的静电电压V 1除以第一个放大器的增益；当与第一个放大器连接的第二个放大器输出的静电电压小于等于静电信号参考电压V REF而其余后续放大器（此时第一放大器输出的静电电压一定小于静电信号参考电压V REF）的静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为第二个放大器输出的静电电压V 1除以第一个放大器的增益与第二个放大器的增益的乘积；以此类推，当最后一个放大器输出的静电电压V N小于等于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为最后一个放大器输出的静电电压V N除以所有级联的放大器的增益乘积。
优选地，所述ADC模块采集的信号通过SPI通信接口传输到所述MCU模块。
优选地，所述探测电极处于待检测带电目标产生的电场中，带电目标运动，探测电极上产生变化的感应电荷，进而产生感应电流。
与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：
1、本发明的自适应静电传感器装置为了满足大量程和高灵敏度的需求，将探测电极产生的感应电流经过跨阻放大器后，与多个级联放大器连接，并将跨阻放大器和多个级联放大器的输出同时由ADC模块进行采集后输出到MCU模块，根据静电信号参考电压输出静电电压，该装置不采用自动增益控制放大器，期间不会丢失静电有效信号，避免了由此带来的探测错误的风险。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的自适应静电传感器装置示意图，3个放大器增益相同，每个放大器增益均为10；
图2为本发明的一个实施例的自适应静电传感器装置示意图，3个放大器增益不同，各放大器增益分别为M1、M2和M3；
图3为本发明的一个实施例的自适应静电传感器装置示意图，多个放大器（N个，N大于3），各放大器增益分别为M1/M2......MN。
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，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的自适应静电传感器装置进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种自适应静电传感器装置，包括一个探测电极、一个跨阻放大器、多个放大器、一个ADC模块和一个MCU模块；
所述探测电极、所述跨阻放大器、多个放大器顺序级联，所述跨阻放大器和每个放大器的输出均输入所述ADC模块，所述ADC模块的输出连接MCU模块，所述MCU模块根据静电信号参考电压输出静电电压，静电信号参考电压小于所述ADC模块可采样值的最大值。
在本发明的某些具体实施例中，多个所述放大器输出的静电信号同时被所述ADC模块采集。
在本发明的某些具体实施例中，多个所述放大器的增益相同。
在本发明的某些具体实施例中，多个所述放大器的增益均为10。
在本发明的某些具体实施例中，所述放大器为3个。
在本发明的某些具体实施例中，所述MCU模块根据静电信号参考电压V REF输出静电电压V OUT具体为：
；
其中，
V 0为探测电极产生的感应电流通过跨阻放大器产生的静电信号的电压；
V 1、V 2和V 3分别为跨阻放大器输出的静电信号通过每个放大器后输出的静电信号的电压。
如图2所示，在本发明的某些具体实施例中，多个所述放大器的增益不同。
在本发明的某些具体实施例中，所述MCU模块根据静电信号参考电压V REF输出静电电压V OUT具体为：
=/>
其中，
V 0为探测电极产生的感应电流通过跨阻放大器产生的静电信号的电压；
V 1、V 2和V 3分别为跨阻放大器输出的静电信号通过每个放大器后输出的静电信号的电压；
M1、M2和M3分别各级联放大器的增益。
如图3所示，在本发明的某些具体实施例中，当放大器个数大于3时，分别判断跨阻放大器及各级联放大器的输出静电电压与静电信号参考电压V REF的关系，当所有放大器的输出静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为跨阻放大器输出的静电电压V 0；当与跨阻放大器连接的第一个放大器输出的静电电压小于等于静电信号参考电压V REF而其余放大器的静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为第一个放大器输出的静电电压V 1除以第一个放大器的增益；当与第一个放大器连接的第二个放大器输出的静电电压小于等于静电信号参考电压V REF而其余后续放大器（此时第一放大器输出的静电电压一定小于静电信号参考电压V REF）的静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为第二个放大器输出的静电电压V 1除以第一个放大器的增益与第二个放大器的增益的乘积；以此类推，当最后一个放大器输出的静电电压V N小于等于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为最后一个放大器输出的静电电压V N除以所有级联的放大器的增益乘积。
在本发明的某些具体实施例中，所述ADC模块采集的信号通过SPI通信接口传输到所述MCU模块。
在本发明的某些具体实施例中，所述探测电极处于待检测带电目标产生的电场中，带电目标运动，探测电极上产生变化的感应电荷，进而产生感应电流。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自适应静电传感器装置，其特征在于，包括一个探测电极、一个跨阻放大器、多个放大器、一个ADC模块和一个MCU模块；
所述探测电极、所述跨阻放大器、多个放大器顺序级联，所述跨阻放大器和每个放大器的输出均输入所述ADC模块，所述ADC模块的输出连接MCU模块，所述MCU模块根据静电信号参考电压输出静电电压，静电信号参考电压小于所述ADC模块可采样值的最大值；所述多个放大器至少为3个；
所述MCU模块分别判断跨阻放大器及各级联放大器的输出静电电压与静电信号参考电压V REF的关系：
当所有放大器的输出静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为跨阻放大器输出的静电电压V 0；
当与跨阻放大器连接的第一个放大器输出的静电电压小于等于静电信号参考电压V REF而其余放大器的静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为第一个放大器输出的静电电压V 1除以第一个放大器的增益；
当与第一个放大器连接的第二个放大器输出的静电电压小于等于静电信号参考电压V REF而其余后续放大器的静电电压均大于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为第二个放大器输出的静电电压V 1除以第一个放大器的增益与第二个放大器的增益的乘积；
以此类推，当最后一个放大器输出的静电电压V N小于等于静电信号参考电压V REF时，MCU模块输出的静电电压为最后一个放大器输出的静电电压V N除以所有级联的放大器的增益乘积。
2.根据权利要求1所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，多个所述放大器输出的静电信号同时被所述ADC模块采集。
3.根据权利要求2所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，多个所述放大器的增益相同。
4.根据权利要求3所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，多个所述放大器的增益均为10。
5.根据权利要求4所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，所述放大器为3个。
6.根据权利要求5所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，所述MCU模块根据静电信号参考电压V REF输出静电电压V OUT具体为：
；
其中，
V 0为探测电极产生的感应电流通过跨阻放大器产生的静电信号的电压；
V 1、V 2和V 3分别为跨阻放大器输出的静电信号通过每个放大器后输出的静电信号的电压。
7.根据权利要求2所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，多个所述放大器的增益不同。
8.根据权利要求7所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，所述放大器为3个，所述MCU模块根据静电信号参考电压V REF输出静电电压V OUT具体为：
=/>
其中，
V 0为探测电极产生的感应电流通过跨阻放大器产生的静电信号的电压；
V 1、V 2和V 3分别为跨阻放大器输出的静电信号通过每个放大器后输出的静电信号的电压；
M1、M2和M3分别各级联放大器的增益。
9.根据权利要求2所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，所述ADC模块采集的信号通过SPI通信接口传输到所述MCU模块。
10.根据权利要求1所述的自适应静电传感器装置，其特征在于，所述探测电极处于待检测带电目标产生的电场中，带电目标运动，探测电极上产生变化的感应电荷，进而产生感应电流。
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