一种基于驻极体效应的移动带电体的方向探测装置及其探测方法与流程

本发明属于非接触式带电体移动方向探测技术领域，具体涉及一种基于驻极体效应的移动带电体的方向探测装置及方法。

背景技术：

目前探测带电体运动主要有以下典型方法：利用至少一个照相机、图像处理单元，由照相机的摄像来探测被测物体的移动，并将此移动输入到个人计算机(或上位机)内的控制部；或者在被测物体上布置加速度传感器等设备，用其监测物体的运动。

但是，在利用照相机和图像处理的方法中，硬件或软件的成本高，并且，需要预先准备用于获取照相机视频图像的特定的空间，对使用场地有限制。另外，在利用加速度传感器的方法中，需要直接移动硬件，在移动硬件主体的情况下，有可能因为振动对设备造成影响；此外，即使是在使用加速度传感器内置的小型输入装置等情况下，也需要将其嵌入被测物体中。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于驻极体效应的移动带电体的方向探测方法和装置，能够利用驻极体效应实现移动带电体的方向探测。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于驻极体效应的移动带电体的方向探测装置，包括驻极体静电探测头、滤波电路、放大电路、微控制器、显示装置，所述驻极体静电探测头连接所述滤波电路，所述滤波电路连接所述放大电路，所述放大电路连接所述微控制器，所述微控制器连接所述显示装置。

进一步地，所述驻极体静电探测头包括驻极体薄膜和金属基底，其中驻极体薄膜贴覆在金属基底表面。

进一步地，所述驻极体薄膜为特氟龙teflon，派瑞林parylene的聚合物派，二氧化硅，以及氮化硅的无机压电驻极体材料中的一种，其极化方式采用射线或电晕极化。

进一步地，所述驻极体静电探测头为多个，形成驻极体静电探测头阵列。

进一步地，所述驻极体静电探测头阵列中所包含的驻极体静电探测头的数目n≥4，至少保证上下左右各一个探测头。

一种采用上述装置的基于驻极体效应的移动带电体的方向探测方法，包括以下步骤：

1)使带电物体经过驻极体静电探测头，在驻极体静电探测头中产生感应电信号；

2)经过滤波电路将噪音及其他干扰产生的电信号滤掉；

3)通过放大电路将得到的滤波后的信号放大传递给微控制器，

4)微控制器通过模数转换获得该电信号的数字量后通过逻辑判断得到移动带电体的移动方向，并控制显示装置输出判断结果。

进一步地，所述驻极体静电探测头为多个，形成驻极体静电探测头阵列，通过所述驻极体静电探测头阵列获得带电体运动的方向。

进一步地，所述微控制器通过模数转换芯片将感应电压波形进行量化、编码，然后将不同的金属基底产生的感应电压送到微控制器不同的管脚；微控制器接收到各个管脚电压后，将从第一个不为0的数据开始记录，直到最后一个不为0的数据，然后比较同一时刻各个金属基底产生的感应电压的大小，并将其顺序排列；然后由感应电压的大小以及矢量叠加得到带电体的运动方向以及距离驻极体静电探测头阵列的距离。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的基于驻极体效应的移动带电体的方向探测装置及方法，具有高灵敏度、高集成度、体积微小、能够实现自激励、可以输出数字信号的优点，可广泛用于带电物体移动方向的探测。

附图说明

图1为驻极体静电探测头的结构示意图。

图2为基于驻极体效应的移动带电体的方向探测机理及装置的一个实施例示意图。

图3为驻极体静电探测头按照径向排列形成驻极体静电探测头阵列的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本发明的基于驻极体效应的移动带电体的方向探测装置包括：前端驻极体静电探测头、放大电路、滤波电路、微控制器、显示装置。其中前端驻极体静电探测头如图1所示，包括：驻极体薄膜和金属基底；微控制器采用单片机；显示装置采用led屏幕。前端驻极体静电探测头与滤波电路电连接，驻极体静电探测头为多个，形成驻极体静电探测头阵列，驻极体静电探测头阵列输出的微弱信号首先通过滤波电路，将噪音及其他干扰产生的信号滤掉之后进入放大电路，经过放大电路放大后进入微控制器，微控制器通过模数转换芯片将得到的模拟信号转换为数字信号后对其进行逻辑判断并控制显示装置输出判断结果。

前端驻极体静电探测头包括：驻极体薄膜和金属基底。其中金属基底使用金属材料；驻极体薄膜可以使用特氟龙teflon，派瑞林parylene的聚合物派，以及二氧化硅sio2，氮化硅si3n4的无机压电驻极体材料中的一种。极化方式可采用射线或电晕极化。驻极体薄膜紧贴在金属基底的上表面。当带电体靠近或远离驻极体静电探测头时，根据驻极体效应，金属基底产生感应电荷及静电场电势。探测过程中，使用驻极体效应，因此不需要外加激励电源。

驻极体静电探测头阵列中所包含的驻极体静电探测头的数目n≥4，当n＝4时，在上下左右方向各放置一个，且为正交排列，以确保能够全方位的探测带电体移动方向。

当带电物体经过前端驻极体静电探测头阵列时，所有探测头均会产生感应电压，物体与探测头之间的距离与探测头产生的感应电压成反比。该感应电压通过滤波、放大后进入模数转换芯片，模数转换芯片将感应电压波形进行量化、编码后将不同的金属基底产生的感应电压送到微控制器不同的管脚。微控制器接收到各个管脚电压后，将从第一个不为0的数据开始记录，直到最后一个不为0的数据，然后比较同一时刻各个金属基底产生的感应电压的大小，并将其顺序排列。由于感应电压与带电体与驻极体静电探测头之间的距离成正比，微控制器将得到的感应电压按照接收的时刻分组，每组感应电压由大到小顺序排列并记录产生最大感应电压vmax的驻极体静电探测头的标号nx，将所有的nx按照时刻排列，即为带电体的运动方向，将相同时刻的感应电压由大到小顺序排列并记录对应的驻极体静电探测头的标号，即可确定带电体的空间位置，综合以上两条信息即可得到带电体的三维矢量运动信息。由感应电压的大小以及矢量叠加可以得到带电体的运动方向以及距离驻极体静电探测头阵列的距离。

图2给出了一个具体实施例，本实施例的基于驻极体效应的移动带电体的方向探测装置包括：驻极体静电探测头阵列、滤波电路、放大电路、微控制器、显示装置。其中驻极体静电探测头阵列包括4个驻极体静电探测头，分别布置于上下左右方位，成中心对称型，探测头之间相互电绝缘，驻极体静电探测头均与滤波电路进行电连接；滤波电路与放大电路，放大电路与微控制器，微控制器与显示装置均为电连接。

当被测带电物体从某位置向某方向运动时，基于驻极体效应，4个驻极体静电探测头分别输出感应电压，该感应电压与被测物体与静电探测头之间的间距成反比，该感应电压经过滤波和放大后被微控制器以数字的方式接收并且进行逻辑判断，之后通过显示装置输出逻辑判断结果即该带电物体的运动方向。

本发明中，驻极体静电探测头也可以按照径向排列形成驻极体静电探测头阵列，如图3所示，其中s1～s8为驻极体静电探测头。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。