自适应可触摸等离子体装置及其控制方法与流程

1.本技术涉及杀菌消毒设备技术领域，特别是涉及一种自适应可触摸等离子体装置及其控制方法。


背景技术：

2.等离子体是物质的第四态，凭借体系中含有的大量高能电子、离子、激发态原子、自由基等活性成分，被认为是一种新型的分子活化手段。大量研究和应用表明，大气压低温等离子体在空气中产生的紫外光、热辐照等活性物质，不仅可以有效地破坏微生物的细胞结构导致其凋亡，还能诱导血管内皮细胞中生长因子的表达，促进伤口表皮再生、肉芽组织增生和胶原沉淀，在杀菌消毒、止血凝血和促进伤口愈合等方面表现出积极的作用。另一方面，大气压低温等离子体对于细菌和正常组织细胞具有良好的选择性，可以通过优化调控等离子体的参数，既能灭活有害细菌，又保证健康细胞组织安全。
3.然而，等离子体接触人体的不同部位，空气环境差异和人体的接触情况等会影响等离子放电和人体阻抗值。如何确保人体接触等离子体的安全性，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对空气环境差异和人体的接触情况等会影响等离子放电和人体阻抗值的问题，提供一种自适应可触摸等离子体装置及其控制方法，能有效确保人体接触等离子体的安全性。
5.一种自适应可触摸等离子体装置，包括电源装置、等离子体发生装置和自适应控制装置，所述等离子体发生装置连接所述电源装置和所述自适应控制装置；
6.所述电源装置用于输出电压至所述等离子体发生装置，所述自适应控制装置用于采集所述等离子体发生装置的人体接触电流，根据所述人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节所述电源装置的输出电压，以使所述等离子体发生装置的人体接触电流处于安全阀值范围内。
7.在其中一个实施例中，所述等离子体发生装置包括介质层、高压电极层和低压电极层，所述高压电极层和所述低压电极层分别设置于所述介质层两侧，所述高压电极层连接所述电源装置，所述低压电极层连接所述自适应控制装置。
8.在其中一个实施例中，所述介质层为陶瓷、石英或聚四氟乙烯材质的介质层。
9.在其中一个实施例中，所述介质层的厚度为50μm
‑
150μm。
10.在其中一个实施例中，所述高压电极层和所述低压电极层均为金属薄膜层。
11.在其中一个实施例中，所述金属薄膜层的厚度为10μm
‑
50μm。
12.在其中一个实施例中，所述自适应控制装置包括控制器和测量网络电路，所述控制器连接所述电源装置和所述测量网络电路，所述测量网络电路连接所述等离子体发生装置。
13.在其中一个实施例中，所述测量网络电路为人体阻抗网络电路，所述人体阻抗网
络电路和所述人体安全电流阀值为针对dbd(dielectric barrier discharge，介质阻挡放电)放电模型，通过对国标人体阻抗模型进行数值仿真和试验结果优化得到。
14.在其中一个实施例中，所述电源装置为脉冲或高频交流交变电源。
15.一种自适应可触摸等离子体装置的控制方法，基于上述的自适应可触摸等离子体装置实现，该方法包括：采集等离子体发生装置的人体接触电流，根据人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节电源装置的输出电压，以使等离子体发生装置的人体接触电流处于安全阀值范围内。
16.上述自适应可触摸等离子体装置及其控制方法，采集等离子体发生装置的人体接触电流，根据人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节电源装置的输出电压，以使等离子体发生装置的人体接触电流处于安全阀值范围内，有效确保人体接触等离子体的安全性。
附图说明
17.图1为一实施例中自适应可触摸等离子体装置的结构框图；
18.图2为一实施例中自适应可触摸等离子体装置的结构原理图；
19.图3为一实施例中dbd放电电压波形示意图；
20.图4为一实施例中人体阻抗网络的电压示意图。
具体实施方式
21.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
23.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
24.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语包括相关所列项目的任何及所有组合。
25.在一个实施例中，提供了一种自适应可触摸等离子体装置，如图1所示，包括电源装置100、等离子体发生装置200和自适应控制装置300，等离子体发生装置200连接电源装置100和自适应控制装置300；电源装置100用于输出电压至等离子体发生装置200，自适应控制装置300用于采集等离子体发生装置200的人体接触电流，根据人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节电源装置100的输出电压，以使等离子体发生装置200的人体接触电流处于安全阀值范围内。
26.具体地，电源装置100可以是高压电源，输出高压交流电至等离子体发生装置200，自适应控制装置300采集等离子体发生装置200的人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比。电源装置100的具体类型并不唯一，可以是脉冲或高频交流交变电源，输出峰值10
‑
25kv的高压，输出频率为5k
‑
30khz。本实施例中，电源装置100为可调高频臭氧电源，具体采用200w可调高频臭氧电源供电。
27.人体安全电流阀值的具体取值也并不唯一，可根据实际情况设置，人体安全电流阀值是指一个范围，与频率相关，环境因子例如相对湿度、温度，影响结果均会在频率上体现。可将小于或等于人体安全电流阀值的范围作为安全阀值范围，自适应控制装置300在采集的人体接触电流大于人体安全电流阀值时，对电源装置100的输出电压进行幅值和频率调节，让等离子体发生装置200的人体接触电流小于或等于人体安全电流阀值，从而使等离子体发生装置200的人体接触电流处于安全阀值范围内。
28.上述自适应可触摸等离子体装置，电源装置100输出电压至等离子体发生装置200，自适应控制装置300采集等离子体发生装置200的人体接触电流，根据人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节电源装置100的输出电压，以使等离子体发生装置200的人体接触电流处于安全阀值范围内，有效确保人体接触等离子体的安全性。
29.在一个实施例中，等离子体发生装置200包括介质层、高压电极层和低压电极层，高压电极层和低压电极层分别设置于介质层两侧，高压电极层连接电源装置100，低压电极层连接自适应控制装置300。介质层的材质并不唯一，可以是陶瓷、石英或聚四氟乙烯材质。介质层的厚度可以是50μm
‑
150μm。本实施例中，采用100μm厚的陶瓷圆片作为介质层。高压电极层和低压电极层的结构以及材质也并不唯一，高压电极层和低压电极层可以采用金属薄膜层，厚度可以是10μm
‑
50μm。本实施例中，采用铜箔作为高压电极层和低压电极层。
30.在一个实施例中，自适应控制装置300包括控制器和测量网络电路，控制器连接电源装置100和测量网络电路，测量网络电路连接等离子体发生装置200。其中，控制器可采用mcu(micro control unit，中文为微控制单元)。测量网络电路对触摸体感知电流进行检测，通过对电学信号采集并转换为电学信号，将电学信号传入mcu。mcu的控制端读取测量网络电路提供的电学信号，经频率因数补偿后与人体安全电流阀值做比较，最后根据实际接触电流变化调节高压电源输出参数，以使人体接触电流始终处于安全阀值范围内。其中，频率因数补偿可降低环境因子例如相对湿度、温度对信号采集的影响。
31.测量网络电路的结构同样并不唯一，在一个实施例中，测量网络电路为人体阻抗网络电路，人体阻抗网络电路和人体安全电流阀值为针对dbd放电模型，通过对国标人体阻抗模型进行数值仿真和试验结果优化得到。具体如图2所示，dbd放电模型210的高压侧连接高压电源bat，dbd放电模型210的低压侧连接人体阻抗网络电路310的测量端子a，人体阻抗网络电路310的测量端子b接地。人体阻抗网络电路310包括电阻r
s
、电阻r
b
、电阻r1、电容c
s
和电容c1，电阻r
s
与电容c
s
并联后一端连接测量端子a，另一端连接电阻r
b
的第一端和电阻r1的第一端，电阻r
b
的第二端连接测量端子b，电容c1的两端分别连接电阻r1的第二端和电阻r
b
的第二端。其中，电阻r
s
的阻值为1500ω，电阻r
b
的阻值为500ω，电阻r1的阻值为10000ω，电容c
s
的电容值为0.22μf，电容c1的电容值为0.022μf。mcu接收人体阻抗网络电路310输出的电压u2，计算得到人体接触电流＝u2/500(峰值)。
32.在一个实施例中，还提供了一种自适应可触摸等离子体装置的控制方法，基于上述的自适应可触摸等离子体装置实现，该方法包括：采集等离子体发生装置的人体接触电流，根据人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节电源装置的输出电压，以使等离子体发生装置的人体接触电流处于安全阀值范围内。
33.具体地，通过自适应控制装置采集等离子体发生装置的人体接触电流，根据人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节电源装置的输出电压。人体安全电流阀值与频率相关，环境因子例如相对湿度、温度，影响结果均会在频率上体现。可将小于或等于人体安全电流阀值的范围作为安全阀值范围，自适应控制装置在采集的人体接触电流大于人体安全电流阀值时，对电源装置的输出电压进行幅值和频率调节，让等离子体发生装置的人体接触电流小于或等于人体安全电流阀值，从而使等离子体发生装置的人体接触电流处于安全阀值范围内。
34.电源装置可以是高压电源，输出高压交流电至等离子体发生装置，自适应控制装置采集等离子体发生装置的人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比。电源装置的具体类型并不唯一，可以是脉冲或高频交流交变电源，输出峰值10
‑
25kv的高压，输出频率为5k
‑
30khz。本实施例中，电源装置为可调高频臭氧电源，具体采用200w可调高频臭氧电源供电。
35.在一个实施例中，等离子体发生装置包括介质层、高压电极层和低压电极层，高压电极层和低压电极层分别设置于介质层两侧，高压电极层连接电源装置，低压电极层连接自适应控制装置。介质层的材质并不唯一，可以是陶瓷、石英或聚四氟乙烯材质。介质层的厚度可以是50μm
‑
150μm。本实施例中，采用100μm厚的陶瓷圆片作为介质层。高压电极层和低压电极层的结构以及材质也并不唯一，高压电极层和低压电极层可以采用金属薄膜层，厚度可以是10μm
‑
50μm。本实施例中，采用铜箔作为高压电极层和低压电极层。
36.在一个实施例中，自适应控制装置包括控制器和测量网络电路，控制器连接电源装置和测量网络电路，测量网络电路连接等离子体发生装置。其中，控制器可采用mcu。测量网络电路对触摸体感知电流进行检测，通过对电学信号采集并转换为电学信号，将电学信号传入mcu。mcu的控制端读取测量网络电路提供的电学信号，经频率因数补偿后与人体安全电流阀值做比较，最后根据实际接触电流变化调节高压电源输出参数，以使人体接触电流始终处于安全阀值范围内。其中，频率因数补偿可降低环境因子例如相对湿度、温度对信号采集的影响。
37.测量网络电路的结构同样并不唯一，在一个实施例中，测量网络电路为人体阻抗网络电路，人体阻抗网络电路和人体安全电流阀值为针对dbd放电模型，通过对国标人体阻抗模型进行数值仿真和试验结果优化得到。具体如图2所示，dbd放电模型的高压侧连接高压电源bat，dbd放电模型的低压侧连接人体阻抗网络电路的测量端子a，人体阻抗网络电路的测量端子b接地。人体阻抗网络电路310包括电阻r
s
、电阻r
b
、电阻r1、电容c
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和电容c1，电阻r
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与电容c
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并联后一端连接测量端子a，另一端连接电阻r
b
的第一端和电阻r1的第一端，电阻r
b
的第二端连接测量端子b，电容c1的两端分别连接电阻r1的第二端和电阻r
b
的第二端。其中，电阻r
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的阻值为1500ω，电阻r
b
的阻值为500ω，电阻r1的阻值为10000ω，电容c
s
的电容值为0.22μf，电容c1的电容值为0.022μf。mcu接收人体阻抗网络电路310输出的电压u2，计算得到人体接触电流＝u2/500(峰值)。
38.上述自适应可触摸等离子体装置的控制方法，采集等离子体发生装置的人体接触电流，根据人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节电源装置的输出电压，以使等离子体发生装置的人体接触电流处于安全阀值范围内，有效确保人体接触等离子体的安全性。
39.为便于更好地理解上述自适应可触摸等离子体装置，下面结合具体实施例进行详细解释说明。
40.针对高频交流介质阻挡放电作用于人体的电学安全问题，将《gb/t12113
‑
2003接触电流和保护导体电流的测量方法》(后续简称国标)中人体阻抗网络和dbd放电模型相结合，等离子体接触人体的不同部位，空气环境差异和人体的接触情况等会影响等离子放电和人体阻抗值，自适应可触摸等离子体装置通过对电学信号采集，可自适应调整等离子感知电流阀值。同时也可为等离子体生物医学应用和医用等离子体源的开发提供指导。通过人体在不同环境初步评价国标中人体阻抗模型和安全限值的合理性及影响因素，并给出后续优化方向，还为低温等离子体作用于人体安全性评估提供参考。
41.自适应可触摸等离子体装置包括等离子体发生装置、高压电源和自适应控制装置。如图1所示，高压电源输出高压电至等离子体发生装置200，自适应控制装置300采集等离子体发生装置200的人体接触电流，根据人体接触电流与预设的人体安全电流阀值进行对比，并根据对比结果调节高压电源的输出电压，以使等离子体发生装置200的人体接触电流处于安全阀值范围内。其中，人体安全电流阀值与频率相关，环境因子例如相对湿度、温度，影响结果均会在频率上体现。可将小于或等于人体安全电流阀值的范围作为安全阀值范围，自适应控制装置300在采集的人体接触电流大于人体安全电流阀值时，对高压电源的输出电压进行幅值和频率调节，让等离子体发生装置200的人体接触电流小于或等于人体安全电流阀值，从而使等离子体发生装置200的人体接触电流处于安全阀值范围内。
42.等离子体发生装置200为单层介质阻挡放电结构，介质材料为陶瓷、石英或聚四氟乙烯等绝缘材料，介质厚度为50μm
‑
150μm，介质两侧附着金属薄层(10μm
‑
50μm)作为高压和低压电极。通过在电极上添加介质层，解决人体接触等离子体的安全性问题。高压和低压电极的结构以及材质也并不唯一，高压电极层和低压电极层具体可以采用金属薄膜，如采用铜箔作为高压电极层和低压电极层。
43.高压电源为脉冲或高频交流等交变电源，输出峰
‑
峰值10
‑
25kv高压，输出频率为5k
‑
30khz。自适应控制装置300分为接触电流的测量网络电路和控制器。控制器可采用mcu，测量网络电路对触摸体感知电流进行检测，通过对电学信号采集并转换为电学信号，将电学信号传入mcu。mcu的控制端读取测量网络电路提供的电学信号，经频率因数补偿后与人体安全电流阀值做比较，最后根据实际接触电流变化调节高压电源输出参数，以使人体接触电流始终处于安全阀值范围内，从而实现根据不同环境下人体阻抗不同可自适应调整感应电流在人体可接触范围内。
44.具体地，测量网络电路为人体阻抗网络电路，人体阻抗网络电路和人体安全电流阀值为针对dbd放电模型，通过对国标人体阻抗模型进行数值仿真和试验结果优化得到。如图2所示，dbd放电模型210的高压侧连接高压电源bat，dbd放电模型210的低压侧连接人体阻抗网络电路310的测量端子a，人体阻抗网络电路310的测量端子b接地。mcu接收人体阻抗网络电路310输出的电压u2，计算得到人体接触电流＝u2/500(峰值)。
45.高压电源采用200w可调高频臭氧电源供电，dbd装置是将100μm厚的陶瓷圆片作为介质，两边贴上铜箔作为高低压电极。人体阻抗网络的测量端子a接在地极侧，端子b接地，人体阻抗网络与dbd放电相结合的模型如图2所示。采用上述200w可调高频臭氧电源供电，人体的手掌接触100μm厚的陶瓷圆片介质时，测得dbd放电电压波形与人体阻抗网络的电压u2分别如图3和图4所示。可通过人体的等效阻抗，调整电源的幅值和频率，达到自适应调整感知电流。由于dbd装置正负电极不对称，图3和图4的测量结果显示，在5.9kv时人体阻抗模型加权接触电流为0.724ma。
46.本技术提供的自适应可触摸等离子体装置，将国标中人体阻抗网络和dbd放电模型相结合，并通过实验反复接触尝试的方法，摸索单一dbd反应器及特定条件下的可接触放电电压和电流，通过触摸体感知电流进行检测，通过对电学信号采集，转换为电学信号，并将反馈信号传入mcu，实现对电源自适应调节，确保人体触摸电流在人体安全阀值内。该自适应可触摸等离子体装置具有以下有益效果：
47.1.产生的等离子体源具有一定的安全性，与人体可直接接触。等离子体的强效灭菌特性，使得该装置有望应用于临床医疗，包括抗感染、创伤治疗、止血、皮肤病治疗、洁牙、肌肤美容等等。
48.2.通过人体在不同环境初步评价国标中人体阻抗模型和安全限值的合理性及影响因素，并给出后续优化方向。为低温等离子体作用于人体安全性评估提供参考。
49.3.通过触摸体感知电流进行检测，通过对电学信号采集，转换为电学信号，并将反馈信号传入mcu，实现对电源自适应调节，确保人体触摸电流在人体安全阀值内。
50.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
51.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。