本發(fā)明涉及一種基于變?nèi)荻O管的靜電場測量方法和測量系統(tǒng)，屬于靜電場測量。

背景技術(shù)：

1、目前，靜電場測量技術(shù)在許多領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。靜電場測量廣泛應(yīng)用的主流傳感器有光學(xué)式電場傳感器，振動(dòng)電容式電場傳感器和場磨式傳感器。然而，現(xiàn)有的靜電場測量方法和儀器存在諸多局限。例如，基于kerr效應(yīng)或pockels效應(yīng)的光學(xué)式測量儀器往往存在復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)，電學(xué)式的振動(dòng)電容電場傳感器和場磨式電場儀器面臨需要進(jìn)行可靠接地且存在機(jī)械結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生機(jī)械故障的問題。這些設(shè)備通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴，限制了它們在實(shí)際應(yīng)用中的普及。

2、基于變?nèi)荻O管的靜電場傳感器為測量靜電場提供了新的可能性。利用變?nèi)荻O管體積小，結(jié)構(gòu)簡單，電壓控制電容變化的特性，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于變?nèi)荻O管的靜電場測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對靜電場的精確測量，具有靈敏度高、測量范圍大、結(jié)構(gòu)簡單且易于小型化適合多點(diǎn)布置的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效克服上述幾種方法中存在的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于變?nèi)荻O管的靜電場測量方法和系統(tǒng)，以解決上述關(guān)于場磨式靜電場傳感器、振動(dòng)電容式電場傳感器存在可動(dòng)機(jī)械部件和光學(xué)式電場傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格昂貴等問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，提供如下技術(shù)方案：一種基于變?nèi)荻O管的靜電場測量系統(tǒng)，包括靜電場傳感器、電容測量回路、交流驅(qū)動(dòng)模塊、電壓測量模塊以及電源模塊；

3、所述靜電場傳感器由一對金屬導(dǎo)體制成的感應(yīng)極板、絕緣介質(zhì)和變?nèi)荻O管構(gòu)成，感應(yīng)極板通過導(dǎo)線分別連接到變?nèi)荻O管的陰極和陽極，形成靜電場傳感器端口，靜電場通過感應(yīng)極板產(chǎn)生電位差，作用于變?nèi)荻O管的兩端，引起電容變化；

4、所述電容測量回路包括變?nèi)荻O管、標(biāo)準(zhǔn)電容器、采樣電阻和交流驅(qū)動(dòng)模塊，主要功能是測量變?nèi)荻O管的電容變化、并將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；

5、所述交流驅(qū)動(dòng)模塊用于為測量回路提供恒定幅值和頻率的電壓激勵(lì)信號；

6、所述電壓測量模塊通過采樣電阻上的電壓降獲取電容的變化信號，并對信號進(jìn)行放大、濾波、檢波、采樣保持和數(shù)模轉(zhuǎn)換處理并通過處理器將測量得到的電容變化轉(zhuǎn)換為靜電場的場強(qiáng)值，并通過通信接口輸出結(jié)果；

7、所述電源模塊用于為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能，確保各個(gè)功能模塊的正常運(yùn)行。

8、本發(fā)明的另一目的在于提供：一種基于變?nèi)荻O管的靜電場測量方法，采用上述系統(tǒng)，經(jīng)過以下步驟：

9、通過靜電場傳感器將待測電場轉(zhuǎn)換為變?nèi)荻O管的電容值，再通過電容測量回路測量變?nèi)荻O管的電容，使用采樣電阻將電容測量回路的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過電壓測量模塊測得電路的輸出電壓值，通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測得場強(qiáng)和輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)測量系統(tǒng)的輸出電壓和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測得場強(qiáng)和輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系，即測得靜電場的值。

10、本發(fā)明原理如下：

11、(1)安裝與定位：靜電場傳感器放置在待測靜電場中，確保感應(yīng)極板的法線方向平行于外部靜電場的場強(qiáng)方向；此時(shí)，靜電場將在兩極板之間感應(yīng)出電位差，該電位差施加到變?nèi)荻O管的兩端，引發(fā)二極管電容的變化；

12、(2)施加激勵(lì)信號：通過交流驅(qū)動(dòng)模塊為電容測量回路施加一個(gè)恒定頻率和幅值的交流信號，該信號通常為正弦波信號，用于驅(qū)動(dòng)電容測量回路工作；

13、信號的作用：在外界靜電場的影響下，感應(yīng)電位差作為反向偏壓施加到變?nèi)荻O管兩端，使其結(jié)電容發(fā)生變化。此時(shí)，施加的交流信號與靜電場感應(yīng)電壓共同作用，導(dǎo)致電容測量回路中的電流發(fā)生變化；

14、(3)電容測量回路的工作：

15、電流信號的獲?。航涣骷?lì)信號通過變?nèi)荻O管、標(biāo)準(zhǔn)電容器和采樣電阻工作，生成回路電流。隨著靜電場場強(qiáng)的變化，變?nèi)荻O管的電容會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，導(dǎo)致回路中的電流信號隨之改變。采樣電阻將該電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號的大小與變?nèi)荻O管的電容變化直接相關(guān)。

16、(4)信號處理與測量：

17、電壓測量模塊的作用：電壓測量模塊通過檢測采樣電阻上的電壓降，獲取反映變?nèi)荻O管電容變化的電壓信號，間接測量電場。

18、信號處理步驟：

19、信號放大：首先對微弱的電壓信號進(jìn)行放大，確保測量精度。

20、濾波：濾除信號中的噪聲，確保有效信號的穩(wěn)定性。

21、檢波與采樣保持：將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，并在特定時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行采樣保持，以捕獲并穩(wěn)定電容變化所產(chǎn)生的信號。

22、模數(shù)轉(zhuǎn)換：將處理后的模擬信號通過adc(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送至處理器進(jìn)行進(jìn)一步分析。

23、(5)場強(qiáng)與電容變化的標(biāo)定：

24、標(biāo)定過程：為了獲得精確的測量結(jié)果，需要進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。通過在已知場強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)靜電場中，對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。不同的場強(qiáng)下，傳感器輸出不同的電容變化且電壓測量模塊采集到不同的電壓值。系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合出場強(qiáng)與采集電壓值的對應(yīng)關(guān)系曲線或公式。

25、重復(fù)校準(zhǔn)：通過對傳感器在不同靜電場場強(qiáng)下的采集電壓值進(jìn)行多次測量，獲得場強(qiáng)和電壓變化的多組數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性。

26、(6)靜電場測量與結(jié)果輸出：

27、測量過程：在實(shí)際測量時(shí)，傳感器放置在待測靜電場中，通過電壓測量模塊采集到的電壓值，并結(jié)合標(biāo)定曲線，將電壓值轉(zhuǎn)換為靜電場強(qiáng)度。

28、計(jì)算與輸出：處理器根據(jù)標(biāo)定的場強(qiáng)-電壓變化關(guān)系，將測量的電壓信號換算為當(dāng)前靜電場的場強(qiáng)值。結(jié)果可以通過顯示單元實(shí)時(shí)顯示，或通過通信接口輸出到外部系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的記錄或分析。

29、本發(fā)明具備的優(yōu)點(diǎn)及效果：本發(fā)明使用變?nèi)荻O管自身結(jié)電容隨反偏電壓變化的特性作為傳感原理，方法獨(dú)特傳感原理簡單。本發(fā)明的測量探頭由兩極板中間填充介質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定可靠，本發(fā)明通過加入標(biāo)準(zhǔn)電容器的方式增大了電路的輸入電容，減小了感應(yīng)極板的電位差，擴(kuò)大了該靜電場測量系統(tǒng)的測量范圍。該發(fā)明不含可動(dòng)的機(jī)械部件，克服了振動(dòng)電容式電場傳感器和場磨式電場傳感器存在機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生機(jī)械磨損存在機(jī)械故障的缺陷，對比光學(xué)式電場傳感器存在的復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行光電信號的轉(zhuǎn)換體積大的缺點(diǎn)，該方法電路結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，使用現(xiàn)存的變?nèi)荻O管作為傳感器件，成本低，易獲取，制成的測量系統(tǒng)體積小重量輕便于攜帶。

技術(shù)特征：

1.一種基于變?nèi)荻O管的靜電場測量系統(tǒng)，其特征在于：包括靜電場傳感器、電容測量回路、交流驅(qū)動(dòng)模塊、電壓測量模塊以及電源模塊；

2.一種基于變?nèi)荻O管的靜電場測量方法，采用上述權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于經(jīng)過以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于變?nèi)荻O管的靜電場測量方法及系統(tǒng)，包括靜電場傳感器、交流驅(qū)動(dòng)模塊、電容測量回路、電壓測量模塊以及電源模塊。靜電場傳感器將靜電場中的感應(yīng)電壓施加到變?nèi)荻O管兩端以此來改變變?nèi)荻O管電容，交流驅(qū)動(dòng)模塊提供穩(wěn)定的正弦波交流信號，驅(qū)動(dòng)整個(gè)電容測量回路。電容測量回路測量變?nèi)荻O管的電容變化，并將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。電壓測量模塊對該信號進(jìn)行放大、濾波、檢波和采樣保持處理，并通過處理器將電容變化轉(zhuǎn)換為靜電場強(qiáng)度。本發(fā)明通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定電容變化與靜電場強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對外部靜電場的精確測量。本發(fā)明具有高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化且成本低的優(yōu)點(diǎn)，適合通過多點(diǎn)安裝來實(shí)現(xiàn)大范圍靜電場監(jiān)測。

技術(shù)研發(fā)人員：劉文武,索春光
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9