电子烟、烟弹及其陶瓷雾化芯控制装置的制作方法

本发明涉及电子烟的防干烧检测，尤其涉及一种使用自电容方式进行防干烧和/或油量检测的电子烟、烟弹及其陶瓷雾化芯控制装置。

背景技术：

1、电子烟由于需要达到几十个毫秒内产生大量可吸入烟雾的目的，雾化芯使用加热方案而抛弃超声波，对于使用加热方案，需要额外关注烟油耗尽时的干烧现象，一旦干烧，除容易损坏雾化芯外，将产生大量有害气体损害用户健康，因此电子烟领域有对防干烧进行监测的需求，需要在要干烧时强制关闭。

2、电子烟烟弹的加热方案分两类，一类是采用吸油棉搭配加热丝的方案，其中吸油棉用来承载烟油，加热丝直接接触吸油棉；另一类是陶瓷芯方案。陶瓷芯方案目前市场倾向有上升趋势。对于陶瓷芯方案，烟弹结构基本包括具有内置于储油仓(即烟弹)的雾化管、位于雾化管内的陶瓷雾化芯、开设于雾化管上的导油孔，其中陶瓷雾化芯包括顶部的陶瓷及底部的加热器，陶瓷通过其多孔结构作为贮油、导油的载体，对于陶瓷方案，加热器可以是金属加热丝也可以是红外管。无论吸油棉搭配加热丝的方案亦或是陶瓷芯方案，目前的现有技术对于防干烧检测采用的是测电阻或测温的方式，其中测温方式原理是当电子烟的烟弹中存在烟油时，烟油经导油孔被贮油物吸附到浸润加热丝/红外管等加热器上，使其工作温度稳定，而当加热器上没有烟油或少量时，加热器温度上升，因此可以通过检测温度的办法来检测干烧；测电阻基本只用于加热丝，原理是加热丝的温度与其电阻值正相关，温度的上升导致电阻值上升。

3、测温方案基本采用光学传感器或热敏电阻检测，例如专利文献202210366597.6采用热敏电阻检测电热丝刚上电和上电之后的温度，通过温升斜率的变化检测干烧。对于测温方案，受限于检测器件与加热丝/红外管之间存在间隔造成影响精度，以及检测器件在雾化管的小空间中不好布置，市场反响不高。

4、测电阻方案，例如专利文献cn202021778856.9通过设置电流源对电热丝进行加热检测，在发现电阻异常时断开加热开关，防护电热丝干烧的发生；专利文献cn202310315399.1通过阻值可变模块，在加热过程中检测发热模块的阻值变化，在加热后的发热模块的阻值大于设定阈值时进行防干烧保护等等。主要存在的问题是：电子烟的烟油为配合个人口味，目前发展到允许用户自配烟油成分，例如允许通过添加物质改变烟油口感，并由此演变出较大商机；但自配也造成了对测电阻方式的阻碍，原因在于允许自配后烟油成分和含量变化多端，造成不同烟油电阻率各不相同，进而对电阻检测的结果造成干扰，导致电阻检测精度下滑，同时也无法用于测红外管的干烧。

技术实现思路

1、本发明要针对陶瓷芯方案做到用自电容监控干烧，同时配合cdc电路对杂散分布电容免疫的特长、尤其利用电容检测方式对电阻影响的淡化作用，达到既允许烟油自配又能拥有较高的检测精度。

2、为此，提出一种电子烟烟弹的陶瓷雾化芯控制装置，所述烟弹具有用于存储烟油的储油仓、用于雾化烟油的陶瓷雾化芯以及用于引导烟油至陶瓷雾化芯的导油通道；所述陶瓷雾化芯控制装置包括电容数字转换电路、处理模块、交流接地电极、检测电极、电容c1；所述交流接地电极设置于所述陶瓷雾化芯，并配置为在交流激励下等效接地；所述检测电极配置为经由与所述交流接地电极构建的自电容来感知所述陶瓷的介电常数的变化，所述电容数字转换电路经电容c1耦合至检测电极以获取其自电容，所述电容c1的容值配置在10-20pf之间；所述处理模块耦合电容数字转换电路，用于依据所述自电容输出防干烧信号和/或所述储油仓内烟油的油量信息。

3、本发明的结构方案中，自电容/互电容检测的激励信号为交流信号，陶瓷雾化芯上的交流接地电极在交流激励下等效变成交流接地，由于等效交流接地，互电容无法实现，因此采用自电容检测方案。在自电容检测中，由于烟油尤其是自配后的烟油虽然阻抗极大，但并非完全绝缘，导致了自电容检测信号中的电阻成分比重大而电容成分比重小，造成自电容难以获得较好检测结果，为解决这一问题，本发明通过cdc串联容值10-20pf之间的电容c1耦合至用于感知陶瓷的介电常数的检测电极，利用电容c1隔离直流成分从而降低信号中电阻比重，使得能够得到合适自电容信号。

4、进而，通过利用烟油在从有到无的变化过程中所检测到的自电容随用户对电子烟的抽烟动作的变化情况，就能判断是否需要防干烧响应；更甚至的，利用有油时烟油与自电容正相关的特点，还能达到在干烧警报前利用自电容反映储油仓内烟油的油量信息，实现既测防干烧，又测油量，相当于同一结构多用。其中油量的检测用于显示/提醒，防干烧用于强制关闭。

5、并且，基于电容数字转换电路(cdc)，例如adi7142、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，还可以将对电容的测量灵敏度提高到1ff级别，满足测量系统对电容测量灵敏度的要求，同时获得对杂散电容免疫的特性；再者，利用电容检测对电阻信号的淡化作用，使得油烟自配与防干扰检测两者均能兼顾，并且检测结果较为准确。

6、作为一种改进方案，所述陶瓷雾化芯的加热装置选用加热丝，加热丝配置为在电子开关的导通下能够构建自电子烟中的供电线路到地的直流导通回路，加热丝复用为所述交流接地电极。此改进方案中，利用了陶瓷雾化芯加热丝方案中已有的加热丝复用作为电极。其中，由于加热丝在电子开关的导通下能够构建自电子烟中的供电线路到地的直流导通回路，换言之，加热丝一端耦合至地，另一端经电子开关耦合至供电线路，或者加热丝一端耦合至供电线路，另一端经电子开关耦合至地，而自电容检测的激励信号为交流信号，加之电子开关因其结电容存在在交流下会等效短路，因此，加热丝在交流激励下就等效变成交流接地，因此形成了上述的交流接地电极。电子烟中加热丝的供电线路供应直流信号，电子开关导通才能形成回路使加热丝工作，电子开关断开则停止工作，而交流直流互不影响，因此可以发现，选用加热丝复用作为自电容检测的交流接地电极时，无论电子开关导通还是截止，都能实现自电容检测，且检测并不影响加热丝的本身工作，同时，也利用了电子烟原有的加热丝作为检测的一部分，达到成本、易于布置性。

7、作为另一种改进方案，所述陶瓷雾化芯的加热装置也可以采用红外管，此时，交流接地电极可以是电镀在陶瓷上的一层金属，金属直接引线接地设置或者经由电子开关接地。直接接地和经由电子开关接地在交流激励下均等效接地，且由于交流接地电极是另设于陶瓷上的电极，无需使用到红外管的供电线路，因此也不会干扰红外管的直流供电工作。

8、作为另一种改进方案，所述烟弹还设有内置于储油仓的雾化管，所述陶瓷雾化芯位于雾化管内，所述导油通道引导储油仓内烟油进入所述雾化管。检测电极的实现可以是在雾化管附近加装一电极，例如在陶瓷雾化芯与雾化管之间，或雾化管远离加热丝的一侧，但优选地，可以将雾化管配置为全部或部分为导电体，以导电体复用作为检测电极，尽可能利用原有结构，达到易于布置、成本控制目的。其中将雾化管全部作为导电体是最为优选方案，例如将雾化管直接作为金属材质，一方面加工简单，另一方面金属也能提供较好刚性起到对内保护作用。

9、作为另一种改进方案，考虑到烟弹与电子烟的可插拔配合结构特点，以及线路寄生电容带来的影响，检测电极与电容数字转换电路之间的导线长度配置为小于3cm，兼顾布置性、插播连接的可靠性以及检测的准确性。

10、关于烟油在从有到无的变化过程中所检测到的自电容随用户对电子烟的抽烟动作的变化情况，以及有油时烟油与自电容关联特性，下述进行说明。

11、对于有油时烟油与自电容关联特性，我们发现在烟油充足时，烟油的体积与自电容之间呈现正相关关系，利用这个规律，可以通过自电容反映烟油的体积，从而实现对油量的检测。籍此，作为另一种改进方案，可以在处理模块中进一步配置油量检测方法包括：在尚未触发防干烧报警之前，监测检测电极的自电容值；依据自电容与烟油量正相关的规律计算储油仓内烟油的油量信息。

12、考虑到油烟晃动对上述正相关特性的影响，进一步地，配置对自电容值的获取时机进一步配置为在烟油处于稳态时，通过稳态避免油烟晃动来获取更为准确的检测结果，其中优选地，当相邻至少两次获取的自电容值相同时，判定烟油处于稳态；或者当相邻至少两次测量所计算出的油量信息相同时，判定烟油处于稳态。该方案中，对于稳态的判定也利用电极实现，最大限度地避免增加成本以及保留烟弹的传统结构设计。或者，不依赖在稳态时进行自电容值的采集，而是通过软件将波动滤除得到稳态值。

13、更进一步地，可以设置显示装置对检测出的油量进行显示，如通过跑马灯或lcd显示等方式。以及，设置处理模块在自电容值小于第四阈值(如对应于储油仓油量低位预警线)时执行低油量响应操作，其中低油量响应操作包括但不局限于产生如光/声/震动等的提醒。在防干烧检测与油量检测并存的考虑在于经济性vs安全性，部分用户群体出于经济性考虑可能会无视提醒继续吸烟，此时就需防干烧作为最后防线进行强制关断。

14、对于烟油在从有到无的变化过程中所检测到的自电容随用户对电子烟的抽烟动作的变化情况，即用户吸烟的动态对烟油变化引起的自电容变化的影响，我们发现加热对介电的影响较大，以及烟油对加热装置的温度变化也存在影响。具体地，当加热装置有烟油浸润时，加热过程由于需同步加热加热装置以及烟油，温度上升的速率会稍平缓，自电容曲线平缓上升；而在停止加热后，由于烟油对加热装置的加速冷却，自电容曲线回落得快。而当加热装置没有烟油浸润时，加热过程只加热加热装置，自电容曲线上升较快；在停止加热后，由于失去烟油的加速冷却，自电容曲线回落变慢。此外，我们还发现当加热装置在吸烟前后都有烟油浸润时，即非最后一口时，吸烟动作前后的自电容波谷值的差异不大；而在最后一口时，吸烟动作前后的自电容波谷值将产生较大差异，具体吸烟后的自电容波谷值将明显低于吸烟前。基于上述这些规律，作为另一种改进方案，可以配置处理模块对干烧的判断方式进一步包括：获取检测电极上随用户吸烟动作而变化的自电容曲线；依据所述自电容曲线随吸烟动作发生的变化速率和/或吸烟动作前后的自电容波谷值的差值，输出所述防干烧信号。其中或的方案可以分别基于各自特点实现独立判断，和的方案更优选，可以利用两者进行综合判断、相互校验，达到准确性的进一步提升。

15、具体判断时，控制处理模块在自电容曲线满足第一条件时输出防干烧信号，所述第一条件进一步配置为至少包括以下的一者或多者的组合：从所述吸烟动作开始后的自电容上升斜率大于第一阈值；从所述吸烟动作停止后的自电容下降斜率小于第二阈值；吸烟动作前后的自电容波谷值的差值大于第三阈值。

16、进一步地，控制所述处理模块在输出所述防干烧信号时断开陶瓷雾化芯的供电，例如，对于电热丝方案通过电子开关断开直流导通回路，便捷实现强制停止加热。

17、还提供一种烟弹，包括上述的陶瓷雾化芯控制装置。

18、还提供一种电子烟，包括上述的烟弹。