一种振膜式电场传感方法

1.本发明属于传感器领域，具体涉及一种振膜式电场传感方法。


背景技术：

2.在过去的几十年里，电场传感方法被提出、开发并用于一系列工业过程、机械系统和临床环境的连续监测和测量。在航空航天领域，航天部门会在航天器发射前对空间电场进行实时监测，将大气场强视为航天器成功发射的重要条件之一，以避免可能发生的自然雷击或诱发雷击，造成严重损失；在石油石化及粉体工业领域，当通过气动输送固体颗粒时，气动管道中的固体颗粒由于摩擦电效应而带电，电场传感器很好地利用它来测量气动输送固体的特性；在机械系统中，轴承之间的磨损会产生大量带电的磨粒，这将改变系统的总静电荷量，向外界发出电场信号，因此系统性能的退化可以通过静电感应进行监测；在海洋资源开发领域中，由于海水中电流的存在以及海水自身电阻的存在，海水中会产生与之相应的电压，采用海洋电场传感器捕获电场可以有效的用来勘察海洋资源；在人类活动领域，人体由于摩擦而携带大量的静电信号，因此可利用人体所带静电来实现对肢体运动的探测，进而实现一种新型的人机交互；在电力系统中，传感器可根据高压设备在空间激发电场的特性，来完成对电力系统安稳运行的实时监测等，对电网的安稳运行有重要的意义。
3.根据工作原理的不同，电场传感方法大体上可以划分为机械式和光学式两种。机械式电场传感器主要有场磨式、mems以及球形电场传感器等。场磨式电场传感器主要用于测量直流电场，实现方式相较mems电场传感器更加容易，其优点是加工技术成熟、测量范围宽、精度较高，但是存在结构复杂、接地电刷易磨损、成本高等缺点。mems电场传感器虽然尺寸很小，但是这类传感器存在空间耦合干扰大，对外界信号的抗干扰能力差，极易被灰尘所干扰，干扰后电场测量值漂移，且价格昂贵。球形电场传感器只能满足工频电场的测量，无法用来测量交流电场。对于光学电场传感器，温度和电荷漂移对测试值影响严重。且光学材料价格昂贵和对被测现场操作要求高，同时无法满足用于现有电力行业中直流电场测量的需求。因此，需要提出一种新的电场传感方法结构，其自身体积较小、方便携带、不易受灰尘影响、抗干扰能力强、环境适应力高并且加工方法简单、易于规模化生产。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有电场传感方法的一些缺点，公开了一种振膜式电场传感方法，通过振动方式，避免了场磨式传感器旋转运动接地电刷易磨损问题；相比mems电场传感器，通过放大屏蔽电极、感应电极及驱动组件尺寸到厘米量级，增强了抵抗尘埃污染能力，避免了空气尘埃对mems组件的损坏，解决了mems电场传感器mems芯片无法抵抗尘埃污染，裸芯片无法直接在室外环境使用，而封装后封装材料又带来自身电荷积累或泄放，导致mems电场传感器长期准确性下降的问题；通过设计一级振子驱动频率和二级振子振动频率不一样的结构，解决了振动式电场传感方法驱动信号对电场测量信号带来干扰的问题。
5.公开的一种振膜式电场传感方法主要包括：传感器底座、振子组件、感应电极、传
感器连接件、屏蔽电极、传感器上盖五个关键部位。所述的传感器底座上设有两个圆形小孔，用来穿过屏蔽线，两个螺纹孔，用来固定振子组件。且传感器底座内外皆有螺纹，外螺纹用来和传感器连接层连接，内螺纹用来固定到其他设备。所述的振子组件包括：振子底座、圆形磁铁、电磁线圈、一级振子弹片、二级振子弹簧、感应电极六个关键部位。所述的一级振子弹片自身下方为圆形薄环，外侧缠绕电磁线圈，内侧直径大于圆形磁铁，通过螺栓固定在振子底座上时，圆形磁铁处于其内部，上方为二级振子弹簧和感应电极。所述的感应电极上方采用圆形铝薄膜，下方采用铝骨架构成，圆形铝薄膜平整铺设在铝骨架上方，使得感应电极在有较小的质量下有着较好的刚度。所述的传感器连接件内外均有螺纹，内螺纹用来和传感器底座连接，外螺纹用来和传感器上盖连接。所述的屏蔽电极上有均匀分布的圆孔，电场线可穿过圆孔到达感应电极。所述的传感器上盖内有螺纹分布，可与传感器连接件进行连接，通过挤压使屏蔽电极固定，且上面开孔将屏蔽电极暴露。
6.所述的电场传感方法在测量直流电场时，驱动电路对振子组件施加周期性信号，一级振子弹片和二级振子弹簧产生振动，感应电极也随之振动，屏蔽电极与感应电极之间的距离周期性变化，屏蔽电极对感应电极的屏蔽效果也周期性变化。在静电感应的原理下，感应电极产生周期性变化的电流信号，其输出电流大小正比于待测电场强度大小，通过后续电路对此信号处理即可得到待测电场大小。所述的二级振子弹簧自身可用作感应电极信号输出线，在产生振动的同时可将传感器所测量得到的电流信号输出到后级电路。
7.所述的振子组件在测量直流电场过程中，振子组件振动时动力学方程为：
[0008][0009]
该方程的特征方程与特征根分别为：
[0010][0011][0012]
其中x表示振子位移，表示振子系统的固有频率，表示振子系统的相对阻尼系数，k表示振子刚度，m表示振子质量。
[0013]
整个振子组件的两个振子系统均工作在ζ＜1情况下，即欠阻尼系统，其振动解为：
[0014][0015]
其中x0为初始条件下的位移，为初始条件下的速度。振子系统振动频率为：
[0016][0017]
自由振动周期为：
[0018][0019]
所述的电场传感方法振子组件中的两个振子系统的不同点为一级振子弹片系统阻尼比相对二级振子弹簧系统阻尼比要更大，在通过对一级振子弹片上的电磁线圈施加高电平持续时间相对整个周期较小的脉冲信号时，由于一级振子弹片自身阻尼比较大，其将在周期内做振幅剧烈衰减的自由振动，而二级振子弹簧和感应电极则由于自身阻尼比较小，会做振幅衰减缓慢的自由振动，进而导致感应电极的振动频率与振子组件的驱动频率
不同，再通过滤波电路滤除驱动频率的信号，提取感应电极和二级振子振动频率的信号，从而实现了感应电极对振子组件驱动信号的屏蔽。
[0020]
所述的电场传感方法在测量交流电场时，停止驱动电路工作。由于外界电场周期性变化，在静电感应的原理下感应电极产生周期性变化的电流信号，其输出电流大小正比于待测电场强度的大小，通过后续电路对此信号处理得到待测电场大小。如果所测电场测量信号较小，则可通过取下屏蔽电极的方式，去掉传感器对电场信号的屏蔽作用，放大落在感应电极上方的电场信号大小，改变传感器的测量量程的方式来完成测量。
[0021]
有益效果：
[0022]
从上述技术方案可以看出，本公开提供的一种振膜式电场传感方法，具有以下有益效果：
[0023]
既可测量直流电场也可测量交流电场，且在测量交流电场时有两种模式和量程；
[0024]
通过在一级振子弹片上方添加二级振子弹簧的方法，实现了感应电极的振动频率和振子组件驱动频率不一致的结果，解决了振动式电场传感器驱动信号对电场测量信号带来干扰的问题；
[0025]
采用电磁线圈驱动作为感应电极振动方式，具有省空间、高效率、产寿命、轻量化的特点；
[0026]
该电场传感方法的结构简单且体积较小，适用于普通机械加工，易于组装、集成、批量化和规模化生产。
附图说明
[0027]
图1是本发明所述的振膜式电场传感方法的结构示意图；
[0028]
图2是本发明所述的振膜式电场传感方法的传感器底座示意图；
[0029]
图3是本发明所述的振膜式电场传感方法的振子组件示意图；
[0030]
图4是本发明所述的振膜式电场传感方法的感应电极示意图；
[0031]
图5是本发明所述的振膜式电场传感方法的屏蔽电极示意图；
[0032]
图6是本发明所述的振膜式电场传感方法的工作原理示意图；
[0033]
图7是本发明所述的振膜式电场传感方法的具体实施例图；
[0034]
图8是本发明所述的振膜式电场传感方法的测量系统示意图；
[0035]
图中标记：1-传感器底座，11-圆形小孔，12-螺纹孔，2-振子组件，21-振子底座，22-圆形磁铁，23-电磁线圈，24-一级振子弹片，25-二级振子弹簧，26-感应电极，261-圆形铝薄膜，262-铝骨架，3-传感器连接件，4-屏蔽电极，41-圆孔，5-传感器上盖，6-电场线。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
[0037]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位
置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0038]
在本发明的第一实施方式中，如图1——图7所示，提供一种振膜式电场传感方法结构，其包括传感器底座(1)、振子组件(2)、传感器连接件(3)、屏蔽电极(4)、传感器上盖(5)5个关键部位。传感器底座上设有两个圆形小孔(11)，用来穿过屏蔽线，两个螺纹孔(12)，用来固定振子组件。且传感器底座内外皆有螺纹，外螺纹用来和传感器连接层连接，内螺纹用来固定到其他设备。振子组件直径为26mm，包括振子底座(21)、圆形磁铁(22)、电磁线圈(23)、一级振子弹片(24)、二级振子弹簧(25)、感应电极(26)六个关键部位。一级振子弹片自身下方为圆形薄环，外侧缠绕电磁线圈，内侧直径大于圆形磁铁，通过螺栓固定在振子底座上时，圆形磁铁处于其内部，上方为二级振子弹簧和感应电极。感应电极直径为26mm，上方采用圆形铝薄膜(261)，下方采用铝骨架构成(262)，铝膜平整铺设在铝骨架上方，使得感应电极质量较轻刚度较好。传感器连接件内外均有螺纹，内螺纹用来和传感器底座连接，外螺纹用来和传感器上盖连接。屏蔽电极上有均匀分布的圆孔(41)，其直径为36mm，圆孔直径为0.75mm，电场线可穿过圆孔到达感应电极。传感器上盖内有螺纹分布，可与传感器连接件进行连接，通过挤压使屏蔽电极固定，且上面开孔将屏蔽电极暴露。
[0039]
在本实施例中，屏蔽电极的孔径大小与感应电极的振幅大小一致，感应电极初始状况下与屏蔽电极的距离为感应电极振幅的二分之一。感应电极、一级振子弹片以及二级振子弹簧之间相互采用胶水连接。二级振子弹簧可用作导线将感应电极测量信号输出，后接特细铁氟龙绝缘屏蔽线从传感器底座的圆形小孔伸出连接到后续测量电路。振子组件的电磁线圈通过采用rf1.13射频同轴线缆从传感器底座的圆形小孔伸出连接到驱动电路。
[0040]
本实施例的原理如图5所示，在电场中有着平行放置的两块导体极板，即屏蔽电极和感应电极，两极板之间的距离为d。其中，感应电极接测量电路，屏蔽电极接地。屏蔽电极上存在着均匀分布的半径为r的圆孔。当两极板之间的距离d相对较远时，由于屏蔽电极为导体接地平板，它对外界电场的存在有着很强的屏蔽作用，因此只有位于圆孔中心及其附近处的电场才有机会穿过圆孔到达感应电极。此时，感应电极附近的电场强度很小，因此产生的感应电荷也会很少。当两极板之间的距离d相对较近时，如图右侧所示情况，屏蔽电极对于外界电场的屏蔽作用将大大减小。此时，不仅仅只有圆孔中心极其附近处的电场会有机会穿过圆孔到达感应电极，其孔径内边缘处的电场也存在穿过圆孔到达感应电极的机会。因此感应电极在此位置的电场强度较之前位置大大增强，将会产生大量感应电荷。如果感应电极与屏蔽电极间的距离d会周期性产生变化，即感应电极相对于屏蔽电极在垂直方向上做周期性振动，则感应电极上的感应电荷也会随之发生周期性变化，后续测量电路中就会产生周期性变化的电流信号。通过对此电流信号的测量，就可以计算出外直流电场e的强度。在测量交流电场信号时，则不需要振动，感应电极上的感应电荷总量就会随着工频电场的变化不断发生变化，产生感应电流。
[0041]
在本实施例中，测量直流电场时，驱动电路对振子组件施加周期性信号，一级振子弹片和二级振子弹簧产生振动，感应电极也随之振动，屏蔽电极与感应电极之间的距离周期性变化，屏蔽电极对感应电极的屏蔽效果也周期性变化。在静电感应的原理下，感应电极产生周期性变化的电流信号，其输出电流大小正比于待测电场强度大小。随后通过i-v转换
电路将感应电极产生的电流信号转换为电压信号，再通过放大电路和滤波电路对此电压信号进行放大和滤波，最后再通过使用单片机控制模数转换电路来采集此电压信号，得到所要测量的电场大小。
[0042]
在本实施例测量直流电场这一过程中，驱动电路将对一级振子弹片上的电磁线圈施加高电平持续时间相对整个周期较小的脉冲信号，由于一级振子弹片自身阻尼比较大，其将在周期内做振幅剧烈衰减的自由振动，而二级振子弹簧和感应电极则由于自身阻尼比较小，会做振幅衰减缓慢的自由振动，进而导致感应电极的振动频率与振子组件的驱动频率不同，再通过滤波电路滤除驱动频率的信号，提取二级振子振动频率的信号，从而实现了感应电极对振子组件驱动信号的屏蔽。
[0043]
在本实施例中，测量交流电场时，停止驱动电路工作，感应电极不产生振动。由于外界电场周期性变化，在静电感应的原理下感应电极产生周期性变化的电流信号，其输出电流大小正比于待测电场强度的大小，通过后续电路对此信号处理得到待测电场大小。如果所测电场测量信号较小，则可通过取下屏蔽电极的方式，去掉传感器对电场信号的屏蔽作用，放大落在感应电极上方的电场信号大小，改变传感器的测量量程的方式来完成测量。

技术特征：
1.一种振膜式电场传感方法，其特征在于，包括：传感器底座(1)、振子组件(2)、传感器连接件(3)、屏蔽电极(4)、传感器上盖(5)5个关键部位；所述振子组件(2)包括：振子底座(21)、圆形磁铁(22)、电磁线圈(23)、一级振子弹片(24)、二级振子弹簧(25)、感应电极(26)六个关键部位；所述传感器底座(1)内外皆有螺纹，外螺纹用来和连接层连接，内螺纹用来固定到其他设备；所述传感器连接件(3)内外均有螺纹，内螺纹用来和传感器底座(1)连接，外螺纹用来和传感器上盖(5)连接；所述传感器上盖(5)内有螺纹分布，可与传感器连接件(4)进行连接，通过挤压使屏蔽电极(4)固定，且上面开孔将屏蔽电极(4)暴露。2.如权利要求1所述振膜式电场传感方法，其特征在于，所述传感器底座(1)上设有两个圆形小孔(11)，用来穿过屏蔽线，两个螺纹孔(12)，用来固定振子组件(2)，且传感器底座(1)内外皆有螺纹，外螺纹用来和传感器连接层(3)连接，内螺纹用来固定到其他设备。3.如权利要求1所述振膜式电场传感方法，其特征在于，所述一级振子弹片(24)自身下方为圆形薄环，外侧缠绕电磁线圈(23)，内侧直径大于圆形磁铁(22)，通过螺栓固定在振子底座(21)上时，圆形磁铁(22)处于圆形薄环内部，上方为二级振子弹簧(25)和感应电极(26)。4.如权利要求3所述振膜式电场传感方法，其特征在于，所述振子组件(2)在测量直流电场时会受到周期性脉冲驱动信号产生垂直振动，一级振子弹片(2)自身阻尼比较大，其将在周期内做振幅剧烈衰减的自由振动，二级振子弹簧(25)和感应电极(26)自身阻尼比较小，会做振幅衰减缓慢的自由振动。5.如权利要求4所述振膜式电场传感方法，其特征在于，所述感应电极(26)的振动频率与振子组件(2)的驱动频率不同，通过滤波电路滤除驱动频率的信号，提取感应电极(26)振动频率的信号，可实现了感应电极(26)对振子组件(2)驱动信号的隔离。6.如权利要求4所述振膜式电场传感器装置，其特征在于，所述感应电极(26)包括：圆形铝薄膜(261)和铝骨架(262)两个部分。7.如权利要求3所述振膜式电场传感方法，其特征在于，所述的二级振子弹簧(25)自身可用作感应电极(26)信号输出线，在振动的同时将传感器测量信号输出到后级电路。8.如权利要求1所述振膜式电场传感方法，其特征在于，屏蔽电极(4)上有均匀分布的圆孔(51)，电场线可穿过圆孔到达感应电极(3)。9.如权利要求1所述振膜式电场传感方法，其特征在于，所述的电场传感方法即可测量直流电场也可测量交流电场，在测量交流电场时，有两种测量方式和量程。

技术总结
本发明公开了一种振膜式电场传感方法，包括：传感器底座、振子组件、传感器连接件、屏蔽电极、传感器上盖五个部分，其中振子组件由振子底座、圆形磁铁、电磁线圈、一级振子弹片、二级振子弹簧、感应电极六个部位构成，屏蔽电极上存在均匀分布的圆孔，通过传感器连接件和传感器上盖使其固定于感应电极上方。感应电极在振子组件受到驱动后上下振动，与屏蔽电极间的距离不断变化，产生与电场正比的电流信号，由于双振子存在，导致振动频率与驱动频率不一致，解决了驱动信号对电场测量信号带来的干扰问题。该电场传感方法既可测量直流电场也可测量交流电场，结构简单、体积较小，可隔绝振子驱动信号带来的影响。动信号带来的影响。动信号带来的影响。


技术研发人员：郎需强 唐凯 梁英俊
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/6