一种基于液晶光学特性的静电测量装置及方法

技术领域

本发明属于静电测量技术领域，涉及一种基于液晶光学特性的静电测量装置及方法。

背景技术

目前检测静电的方法主要分为接触式和非接触式。接触式的静电检测方法不适用于绝缘物体静电电位的准确测量，加入电压后会影响原来的电位分布。而非接触式的静电检测方法通常基于电学理论进行设计，现有的非接触式静电仪如日本MH型静电仪和美国的263型静电仪，无法解决因机械工作的频率限制仪器对瞬变静电电位信号响应，在高电压测量上有着明显失真，且两者的测量结果会由于响应时间及输入阻抗而产生一定的偏差。另外现有的静电电压测试设备一般体积较大，质量也较重，不利于携带。

发明内容

针对上述传统静电检测方法中，接触式静电检测易受影响和非接触式静电检测在高压测量时失真导致的精度低，以及传统静电电压测试设备不利于携带等问题，本发明基于液晶光学特性，提出一种静电测量装置及方法，能够用于人体静电测量，具有体积小、轻薄、便于携带、成本低、精度高的特点。

本发明提出的静电测量装置的技术方案为：

一种基于液晶光学特性的静电测量装置，包括从上至下依次设置的光源、液晶盒和图像采集处理模块，所述光源发出的光照射在所述液晶盒上表面，所述图像采集处理模块采集所述光源发出的光经过所述液晶盒后的图像；

所述液晶盒包括从上至下依次设置的N个上基板和一个下基板，N为正整数；所述下基板和每个所述上基板有且只有一面涂有透明导电膜，且N个所述上基板涂有透明导电膜的一面朝下，所述下基板涂有透明导电膜的一面朝上；将所述下基板与设置在最下面的所述上基板重合区域的四周进行封接，并在重合区域内部注入液晶；每相邻两个所述上基板构成一个电容共N-1个电容，所述下基板与设置在最下面的所述上基板构成一个电容，N个电容串联；

在所述下基板不与所述上基板重合的区域设置一个电极导线端并通过导线接地；在N个所述上基板不与所述下基板重合的区域分别设置N个电极导线端并分别通过导线连接到N个档位的测试端，所述上基板设置位置越靠上，其连接的测试端的测量范围越大，在实际测量时根据需要将静电接到对应档位的测试端；

所述图像采集处理模块用于提取采集到图像的灰度数据，并根据灰度数据判断测试端连接静电的电压大小。

具体的，所述下基板与设置在最下面的所述上基板重合区域全部涂有透明导电膜；N个所述上基板尺寸相同且重叠设置，所述上基板涂有透明导电膜区域的形状包括但不限于十字形状、H字形状。

具体的，所述上基板和所述下基板的材料包括但不限于玻璃、石英，所述透明导电膜的材料包括但不限于氧化铟锡。

具体的，所述下基板与设置在最下面的所述上基板重合区域内部注入的液晶分子混合排列，靠近所述上基板的液晶分子平行于所述上基板排列，靠近所述下基板的液晶分子垂直于所述下基板排列。

本发明的另一目的，就是基于本发明提出的静电测量装置，提出对应的静电测量方法，其技术方案如下：

一种基于液晶光学特性的静电测量方法，包括如下步骤：

步骤一、设置静电测量装置，所述静电测量装置包括从上至下依次设置的光源、液晶盒和图像采集处理模块，所述光源发出的光照射在所述液晶盒上表面，所述图像采集处理模块采集所述光源发出的光经过所述液晶盒后的图像；所述液晶盒包括从上至下依次设置的N个上基板和一个下基板，N为正整数；所述下基板和每个所述上基板有且只有一面涂有透明导电膜，且N个所述上基板涂有透明导电膜的一面朝下，所述下基板涂有透明导电膜的一面朝上；将所述下基板与设置在最下面的所述上基板重合区域的四周进行封接，并在重合区域内部注入液晶；每相邻两个所述上基板构成一个电容，所述下基板与设置在最下面的所述上基板构成一个电容，共N个串联的电容；在所述下基板不与所述上基板重合的区域设置一个电极导线端并通过导线接地；在N个所述上基板不与所述下基板重合的区域分别设置N个电极导线端并分别通过导线连接到N个档位的测试端；

步骤二、任意选择一个上基板作为标定上基板，将多个额定电压连接到所述标定上基板的测试端，并由图像采集处理模块采集每个额定电压对应的图像后提取出所述标定上基板的图像灰度数据；将每个额定电压对应的所述标定上基板的图像灰度数据进行绘图获得标定曲线，所述标定曲线的线性区域对应的电压范围即为所述标定上基板的工作范围，建立所述标定上基板工作范围内各个电压与对应的图像灰度数据的比对表作为标定比对表；

步骤三、根据N个串联电容的分压关系确定N个所述上基板之间的电压关系，并根据N个所述上基板之间的电压关系将所述标定上基板的工作范围进行放大或缩小，获得每个所述上基板的工作范围；

步骤四、根据待测试的静电选择对应工作范围的上基板作为测试上基板，将待测试的静电接到所述测试上基板的测试端，获得所述图像采集处理模块此时采集的图像并提取其中的图像灰度数据后以所述标定比对表为基准判断静电电压的大小。

具体的，所述步骤四中提取所述图像采集处理模块采集图像中标定上基板的图像灰度数据，将所述标定上基板的图像灰度数据与所述标定比对表进行比对获得对应的电压结果，再将比对获得的电压结果根据测试上基板和标定上基板之间的电压关系进行放大或缩小，获得静电测量的最终电压结果。

具体的，所述步骤四中提取所述图像采集处理模块采集图像中测试上基板的图像灰度数据，再根据测试上基板和标定上基板之间的电压关系将所述标定比对表进行放大或缩小，获得测试上基板的比对表后与测试上基板的图像灰度数据进行比对所获得对应的电压结果就是静电测量的最终电压结果。

具体的，令所述下基板与设置在最下面的所述上基板构成的电容为第一电容，从下至上每相邻两个所述上基板构成的N-1个电容分别为第二电容至第N电容，N个串联电容的分压关系为U

具体的，选取设置在最下面的所述上基板作为所述标定上基板，选取从下至上设置的第i个上极板作为所述测试上基板，则将所述标定上基板的工作范围和所述标定比对表放大

具体的，定义构成电容的两个基板上透明导电膜重合的区域为第一区域，其余区域为第二区域，电荷存在于所述第一区域内；计算所述第一区域内图像的平均灰度值G1和第二区域内图像的平均灰度值G2，令

本发明的工作原理是：

人体静电以电荷的形式分布在人体表面，当人体与未带电电容器的一端接触时会形成电势差，进而使得电荷转移到电容器与人体接触的一个基板上，最终形成相对稳定的电荷分布。而电容器的另一基板接地，两基板之间会形成电场。

液晶分子在外加电场的作用下，其分子取向会发生改变，从而改变对光的透过效果，本发明基于这一特点，提出利用液晶的光学特性来对静电进行测量，将液晶封装之后，两端做成电容器，一端接地，而另一端引出作为测试端，当人体与测试端接触时就会形成电场，从而改变液晶分子的取向；随后用图像传感器采集光源透过液晶的图像，并读取图像的灰度值，就可以计算得到电场存在区域与不存在区域的灰度比值，从而判断电压的大小。

本发明的有益效果为：本发明基于液晶光学特性设计了静电测量装置，利用液晶分子在不同外加电场的作用下对光的透过效果不同来判断静电大小，具有精度高且不易受外界影响的效果；另外本发明提出多层基板级联构成串联电容以实现分压，能够适用于高电压测量，且能够提供多个电压范围的档位；实施例中给出十字形等对于人体静电响应灵敏的透明导电膜形状，进一步提高了测量精度；而且本发明的测量装置结构简单、体积小，便于携带。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。

图1是本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置中液晶盒在实施例中的一种实现结构示意图。

图2是本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置中液晶盒的上基板的一种透明导电膜分布图。

图3是本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置中液晶盒的下基板的一种透明导电膜分布图。

图4是本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置在实施例中液晶盒的一种剖面图。

图5是本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置在实施例中液晶盒的一种分层俯视图。

图6是应用本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置及方法进行测量前，对标定上基板进行标定时所绘制的曲线图。

图7是应用本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置及方法进行测量前的标定流程图。

图8本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置的系统结构示意图。

图9是应用本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置及方法进行测量时处理图像数据的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图8所示，本发明提出的一种基于液晶光学特性的静电测量装置包括从上至下依次设置的光源、液晶盒和图像采集处理模块，光源可以采用普通光源，优选设置在液晶盒的正上方，使得光源发出的近平行光能够尽量垂直且保持相对比较近的距离入射到液晶盒上表面，且在使用过程中应尽量保持相同且明亮的照明，因为如果光源很暗或经常变化会影响图像辨识度和测量精度。图像采集处理模块用于采集光源发出的光经过液晶盒后的图像，并对采集的图像进行处理提取出包含电压信息的灰度数据。

液晶盒的设计是本发明的一个要点，本发明所设计的液晶盒包括从上至下依次设置的N个上基板和一个下基板，下基板和每个上基板有且只有一面涂有透明导电膜，其中上基板和下基板的材料包括但不限于玻璃、石英，透明导电膜的材料包括但不限于氧化铟锡。每个基板上所涂的透明导电膜的形状可以任意选择，包括但不限于十字形状、H字形状等，经过实验仿真后发现，十字形状的透明导电膜对于人体静电的响应比较灵敏，因此基板所涂透明导电膜的形状优选为十字形状。电荷存在于构成电容的两个基板上透明导电膜重合的区域，因此可以将下基板与设置在最下面的上基板重合区域全部涂上透明导电膜，以便于进行图像处理。N个上基板所涂的透明导电膜形状可以相同也可以不同，为了区分不同基板，可以在上基板的不同区域刻蚀不一样的图案。

将每个上基板涂有透明导电膜的一面朝下，下基板涂有透明导电膜的一面朝上；将下基板与设置在最下面的上基板重合区域的四周进行封接，并在重合区域内部注入液晶，这样每相邻两个上基板就构成了一个电容，N个上基板共N-1个电容，另外下基板与设置在最下面的上基板也构成一个电容，一个有N个电容串联。N为正整数，若N＝1，则只有一个上基板与下基板构成一个电容，不构成串联结构，这样测试范围有限，为了获得更大的测试范围，本发明提出多级基板构成多个电容串联分压的方式，这样当待测电压高于最下面的电容的饱和电压时，上面的基板可以起到分压的作用，使得加载在液晶层上的电压工作在线性区域，即小于饱和电压。

基于液晶盒的光学特性，将其上下基板分别用引线引出，选择上基板中的一个基板作为测试端的输入接口，进行测量时通过人体的直接接触导入人体的电荷；下基板接地，这样能够实现对液晶分子形成外加电场，改变其取向，进而会影响最终的成像。具体设置方式为：在下基板不与上基板重合的区域设置一个电极导线端并通过导线接地；在N个上基板不与下基板重合的区域分别设置N个电极导线端并分别通过导线连接到N个档位的测试端，上基板设置位置越靠上，其连接的测试端的测量范围就越大，在实际测量时根据需要将静电接到对应档位的测试端，如果需要测量高电压，就选择测量范围大的档位，如果仅需测量低电压，就选择测量范围小的档位。

如图1所示的实施例中设置了两个上基板，当然还可以根据需要设置更多的上基板，使得串联的电容更多，增大测量电压的范围。如图1所示，上基板1与下基板构成第一电容，上基板2与上基板1构成第二电容，第一电容和第二电容构成了串联电路，根据串联电路分压知识，有：

故有：

其中U

又由于

其中ε

上基板1与下基板中间是液晶，相对介电常数ε

在注入液晶时，由于器件的局限性，沿面排列的液晶盒的阈值电压一般为0.6V，饱和电压为5V，对于实际使用有着很大的不便。因此本发明还提出了优化液晶盒模式的解决方案，一方面对基板上所涂的透明导电膜的形状进行优化，选择对静电响应比较灵敏的形状进行设置；另一方面通过将液晶分子混合排列实现阈值电压为零，混合排列的方式包括靠近上基板的液晶分子平行于上基板排列，靠近下基板的液晶分子垂直于下基板排列。

设置好测量装置之后，需要先进行标定才能进行静电测量，由于各基板的分压关系是恒定的，因此任意选取一个上基板进行标定即可。如图7所示，首先选择一个上基板作为标定上基板，随后将多个额定电压连接到标定上基板的测试端，每次连接额定电压后图像采集处理模块都进行一次采集，获得每个额定电压对应的图像并提取出标定上基板的图像灰度数据，将每个额定电压对应的标定上基板的图像灰度数据进行绘图获得标定曲线，标定曲线线性区域对应的电压范围即为标定上基板的工作范围，最后建立标定上基板工作范围内各个电压与对应的图像灰度数据的比对表作为标定比对表，作为在实际测量时判断静电大小的标准。

下面给出获取标定上基板的图像灰度数据的一种具体实现方法：对图像采集处理模块采集的图像进行灰度化处理，并运用直方图统计法，进行图像分割，令标定上基板的透明导电膜和与标定上基板相邻且位于下方的基板的透明导电膜重合的区域为第一区域，其他区域为第二区域，电荷存在于第一区域内，第一区域的图形为有电压图形；第二区域内没有电荷，第二区域的图形为零电压图形。为了便于说明，选择图1结构实施例中上基板1为标定上基板，令上基板1的透明导电膜为十字形，下基板与上基板1重合区域全部涂有透明导电膜，透明导电膜采用ITO(氧化铟锡)，由于上基板1的电压相比上基板2的电压为低电平，因此上基板1的ITO区域的图像是低电压图形，上基板1没有ITO的区域的图像为零电压图形。随后计算两个区域的平均灰度值G1、G2，令

在获得每个上基板的工作范围后，根据待测试的静电选择对应工作范围的上基板作为测试上基板，若不确定待测静电应该选择哪个档位，可以先接到大电压范围的档位进行测试。测试时，将待测试的静电接到测试上基板的测试端，获得图像采集处理模块此时采集的图像并提取其中的图像灰度数据后以标定比对表为基准即可判断静电电压的大小。测量时对采集图像的处理方式可以包括以下两种。

第一种处理方式：将图像采集处理模块采集的图像进行处理获得其中的标定上基板的图像灰度数据，将标定上基板的图像灰度数据与标定比对表进行比对获得对应的电压结果，再将比对获得的电压结果根据测试上基板和标定上基板之间的电压关系进行放大或缩小，获得静电测量的最终电压结果。

第二种处理方式：将图像采集处理模块采集的图像进行处理获取其中的测试上基板的图像灰度数据，再根据测试上基板和标定上基板之间的电压关系将标定比对表进行放大或缩小获得测试上基板的比对表，将测试上基板的图像灰度数据与测试上基板的比对表进行比对，此时获得的电压结果就是静电测量的最终电压结果。

以设置两个上基板为例，如图5所示是本实施例中液晶盒的三个基板的分层示意图，本实施例中采用玻璃板作为基板，透明导电膜采用ITO，且上基板1和上基板2尺寸设置相同，以上基板尺寸为15mm×13mm为例进行说明。如图4所示，将上基板1和上基板2重叠放置，下基板与上基板部分重合，使得所有的上基板在长度方向留有含有ITO的3mm×15mm电极导线端，上基板也留有电极导线端。本实施例中ITO玻璃的参数为15mm×13mm×0.4mm，由

将上基板1和下基板拼接起来，含有ITO的两端贴近，重合的地方大小为15mm×10mm，上基板1的电极导线端和下基板的电极导线端不在重合部分，然后用紫外胶在下基板将要重合区域的四个角点上封接胶(紫外胶)，并使用15μm的间隔子作为重合区域的间隙，最后将液晶盒里注入编号为TEB300的液晶，如图4所示，这样就得到一种测量电压范围在0v-1.6v的液晶静电测量器件，可以实现低电压测量。由于单层结构测量范围较小，为了测量更大范围的电压。在上基板1重叠加入上基板2(如图4所示)，重叠加入上基板2后就可得到更大的测量范围，即U＝U1+U2(U1为第一层分压，U2为第二层分压)，通过实验测得U＝10U1(这与上述分析和计算相符合)，即两层的分压之和是一层的十倍，两层上基板的测量范围就变为一层的10倍，且上基板的层数越多，测量范围越大。

系统使用前先进行标定，即选定一个标定上基板(无透明电极ITO、或有透明电极ITO但上下电极间的压差为0)后加上一系列额定电压并得到对应的电压下的图像，记录一系列额定电压之下第一区域和第二区域的灰度比值，绘图之后得到了阈值电压和饱和电压，此范围内作为工作范围；记录下这些电压与灰度比值的对应关系，保存下来作为标定比对表。可以通过低压标定得到标定比对表，然后在测量时根据标定上基板的图像提取灰度数据与标定比对表进行比对再根据分压关系进行放大实现高压测量；也可以进行低压标定后先根据分压关系进行放大获得测量上基板的比对表，然后在测量时根据测量上基板的图像提取灰度数据与测量上基板的比对表进行比对，实现高压测量。

实际测量时，图像采集处理模块利用图像传感器得到最终成像的图片并传输到数据处理器中，数据处理器对传输过来的图像进行实时处理并转化为灰度图像，并将灰度图像分割得到零电压图形、上基板1的ITO区域低电压图形、上基板2的ITO区域高电压图形，由高电压图形的灰度判断当前的电压范围，若高电压图形与零电压区域图像的灰度比值处在线性工作区域，则可判断当前处于高电压工作区，否则处于低电压工作区；之后将灰度比值与此前获得的比对表进行比对，并显示最终结果。

综上所述，本发明提出的静电测量装置及方法，基于液晶器件的光学特性，通过识别平行光照射下的液晶盒在加入静电前后图像不同区域的灰度比值的计算，结合对应关系，最终实现了对人体静电的测量。实施例中给出了一些液晶盒的设置方法和图像处理方法，但本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围之内。