CN100473994C - 感应电极式三维电场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种感应电极式三维电场传感器，包括两个传感器转子，轴向Z方向电场感应电极、径向X方向电场感应电极和径向Y方向感应电极，三个方向感应电极均为静止单元。在同一驱动单元的作用下，转动上下两个传感器转子，并对轴向和径向共三个方向的感应电极产生交替性屏蔽作用，从而输出感应电流，测量三维电场。

Description

感应电极式三维电场传感器
技术领域
本发明涉及传感器，特别涉及三维电场传感器。
背景技术
电场的探测不仅在航天航空活动中意义重大，而且对超净实验室、炼油厂、贮油站、炸药厂、壁纸厂、矿山开采、森林防火等地面上易引起静电和易受静电及雷电危害的场所也有着广泛的应用。目前的电场传感器的测量方向限制在一维方向或者二维方向，但由于该检测方向与电场强度的方向无法保证一致，因此只能检测电场强度三维矢量某一个方向或者两个方向分量的大小，与实际电场强度矢量不完全一致，可能产生较大的误差。
发明内容
本发明提出一种三维电场传感器，采用轴向Z方向感应电极和径向X、Y方向感应电极来分别检测三个方向的电场强度。由于电场感应电极包含了三维方向，因此在测量电场时，无论电场方向相对电场传感器探测方向如何变化，所采集的信号都能反映电场的大小。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种感应电极式三维电场传感器，包括轴向Z方向电场测量单元、径向X、Y两个方向电场测量单元、驱动单元以及电路单元，其有两个传感器转子，其中，轴向电场测量单元，由转子和轴向感应电极构成；径向电场测量单元，由转子和径向X方向的感应电极构成径向X方向电场测量单元；由转子和径向Y方向感应电极构成径向Y方向电场测量单元；轴向电场测量单元和径向两个方向电场测量单元共用同一个驱动单元的转动部分，驱动两传感器转子同速转动。
所述的传感器，其还包括壳体、端盖，其中，一中空的圆柱形壳体，壳体两端面上各接一中空的圆柱形端盖，两端盖形状、大小相同，与壳体呈台阶状；在壳体两端面和上端盖顶面、下端盖底面上，位于共同的中心轴线上各有一孔，一主轴穿过这四孔设置，主轴与这四孔动接触，其两端等距伸出两端盖；
下端盖固定设置于壳体下端面上，在下端盖的容室内，设有驱动单元，驱动单元为一微型电机，其转子中心孔固接于主轴上，微型电机转子转动时带动主轴旋转；
于上端盖外周圆外壁上，在径向相对的两段四分之一圆弧面上固接有径向Y方向感应电极，两感应电极为片状；于下端盖外周圆外壁上，在径向相对的两段四分之一圆弧面上固接有径向X方向感应电极，两感应电极为片状；Y方向成对设置的感应电极的连线，与X方向成对设置的感应电极的连线相互垂直；
在上端盖顶面上方、下端盖底面下方，各有一轴向Z方向感应电极，两感应电极呈圆十字形叶片状，与两端盖有一间隙，中心分别固接于上端盖顶面、下端盖底面上；
主轴的两端分别固接有传感器转子，两传感器转子为片状，且与上端盖顶面和下端盖底面间有一间隙；在两传感器转子的圆周缘上，在径向相对的两段四分之一圆弧上有成直角相交的弧形折边，该弧形折边向下或向上延伸，遮盖过四个感应电极，且与上端盖和下端盖侧面间有一间隙；两传感器转子的圆面上设有圆十字形叶片状的孔，该孔与轴向感应电极相适配。
所述的传感器，其所述两轴向Z方向感应电极，形状、大小相同；径向X方向和Y方向的四个感应电极，形状、大小相同。
所述的传感器，其所述两个传感器转子，形状、大小相同。
所述的传感器，其所述微型电机转子转动时带动主轴旋转，使主轴两端的两个传感器转子同步旋转，该轴向分布的两个传感器转子，同时对两个轴向电场感应电极和四个径向电场感应电极进行不同步的交替性屏蔽。
附图说明
图1是本发明感应电极式三维电场传感器各部件的连接框图；
图2是本发明感应电极式三维电场传感器的结构示意图；
图3是本发明感应电极式三维电场传感器的轴向、径向电场测量单元原理示意图；
图4是本发明感应电极式三维电场传感器的立体外观图。
具体实施方式
本发明感应电极式三维电场传感器见图2，图3，图4所示。本发明感应电极式三维电场传感器有一中空的圆柱形壳体9，壳体9两端面上各接一中空的圆柱形端盖11a、11b，端盖11a、11b形状、大小相同，与壳体9呈台阶状。在壳体9两端面和上端盖11a顶面、下端盖11b底面上，位于共同的中心轴线上各有一孔，一主轴10穿过这四孔设置，主轴10与这四孔动接触，其两端等距伸出端盖11a、11b。
下端盖11b固定设置于壳体9下端面上，在下端盖11b的容室内，设有驱动单元8，驱动单元8为一微型电机，其转子中心孔固接于主轴10上，微型电机转子转动时带动主轴10旋转。
于上端盖11a外周圆外壁上，在径向相对的两段四分之一圆弧面上固接有径向X方向感应电极6、7，感应电极6、7为片状。于下端盖11b外周圆外壁上，在径向相对的两段四分之一圆弧面上固接有径向Y方向感应电极5、5a，感应电极5、5a为片状。感应电极5、5a和感应电极6、7的形状、大小相同。成对设置的感应电极5、5a的连线，与成对设置的感应电极6、7的连线相互垂直，成X、Y方向相交。
在上端盖11a顶面上方、下端盖11b底面下方，各有一轴向Z方向感应电极3、4，感应电极3、4呈圆十字形叶片状，与端盖11a、11b有一间隙，中心分别固接于上端盖11a顶面、下端盖11b底面上。感应电极3、4的形状、大小相同。
主轴10的两端分别固接有传感器转子1、2，传感器转子1、2的形状、大小相同，为片状，且与上端盖11a顶面和下端盖11b底面间有一间隙。在传感器转子1、2的圆周缘上，在径向相对的两段四分之一圆弧上有成直角相交的弧形折边，该弧形折边向下或向上延伸，遮盖过感应电极5、5a和感应电极6、7，且与上端盖11a和下端盖11b侧面间有一间隙。传感器转子1、2的圆面上设有圆十字形叶片状的孔，该孔与轴向感应电极3、4相适配。
本发明由同一驱动单元8来控制转动结构，通过三个方向感应电极分别检测轴向Z方向、径向X方向和Y方向的电场，并输出信号到电路单元，各部件按常规电连接，如图1所示。
见图2、图3，轴向电场测量单元，由传感器转子1、2和轴向感应电极3、4构成。径向电场测量单元，由传感器转子1、2和径向X方向的感应电极6、7构成径向X方向电场测量单元；由传感器转子1、2和径向Y方向感应电极5、5a构成径向Y方向电场测量单元。两个传感器转子1和2通过同一个驱动单元8同速转动。
传感器转子1、2在轴向方向均有叶片状的孔，在径向方向也有两个1/4圆弧面折边，如图3所示。在空间电场轴向分量的作用下，当传感器转子1或2挡住(屏蔽)轴向感应电极3或4时，轴向感应电极3或4上感应电荷量最少，随着传感器转子1或2的转动，轴向感应电极3或4上的感应电荷量发生周期性变化，形成电流，通过此电流检测轴向电场强度。在空间电场径向X方向分量的作用下，当传感器转子2挡住(屏蔽)径向X方向感应电极6、7时，该感应电极6、7上的感应电荷量最少，随着传感器转子2的转动，径向X方向感应电极6、7上的感应电荷量发生周期性变化，形成电流，通过此电流检测径向X方向电场强度。在空间电场径向Y方向分量的作用下，当传感器转子1挡住(屏蔽)径向Y方向感应电极5、5a时，该感应电极5、5a上的感应电荷量最少，随着传感器转子1的转动，径向Y方向感应电极5、5a上的感应电荷发生周期性变化，形成电流，通过此电流检测径向Y方向电场强度。
由于边缘效应，电场的轴向Z方向、径向X方向和Y方向的分量会发生相互耦合，电场三个方向的分量会相互产生一定的影响，因此根据标定结果，选取合理的校准系数进行修正。

Claims (4)

1.一种感应电极式三维电场传感器，包括轴向电场测量单元、径向X、Y两个方向电场测量单元、驱动单元以及电路单元，其特征在于，有两个传感器转子，其中，轴向电场测量单元，由传感器转子和轴向感应电极构成；径向电场测量单元，由传感器转子和径向X方向的感应电极构成径向X方向电场测量单元；由传感器转子和径向Y方向感应电极构成径向Y方向电场测量单元；轴向电场测量单元和径向两个方向电场测量单元共用同一个驱动单元的转动部分，驱动两传感器转子同速转动；
所述感应电极式三维电场传感器还包括壳体、端盖，其中，一中空的圆柱形壳体，壳体两端面上各接一中空的圆柱形端盖，两端盖形状、大小相同，与壳体呈台阶状；在壳体两端面和上端盖顶面、下端盖底面上，位于共同的中心轴线上各有一孔，一主轴穿过这四孔设置，主轴与这四孔动接触，其两端等距伸出两端盖；
下端盖固定设置于壳体下端面上，在下端盖的容室内，设有驱动单元，驱动单元为一微型电机，其转子中心孔固接于主轴上，微型电机转子转动时带动主轴旋转；
于上端盖外周圆外壁上，在径向相对的两段四分之一圆弧面上固接有径向Y方向感应电极，两感应电极为片状；于下端盖外周圆外壁上，在径向相对的两段四分之一圆弧面上固接有径向X方向感应电极，两感应电极为片状；Y方向成对设置的感应电极的几何图形的中心连线，与X方向成对设置的感应电极的几何图形的中心连线相互垂直；
在上端盖顶面上方、下端盖底面下方，各有一轴向感应电极，两感应电极呈圆十字形叶片状，与两端盖有一间隙，中心分别固接于上端盖顶面、下端盖底面上；
主轴的两端分别固接有传感器转子，两传感器转子为片状，且与上端盖顶面和下端盖底面间有一间隙；在两传感器转子的圆周缘上，在径向相对的两段四分之一圆弧上有成直角相交的弧形折边，该弧形折边向下或向上延伸，遮盖过径向X、径向Y的四个感应电极，且与上端盖和下端盖侧面间有一间隙；两传感器转子的圆面上设有圆十字形叶片状的孔，该孔与轴向感应电极相适配。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述两轴向感应电极，形状、大小相同；径向X方向和Y方向的四个感应电极，形状、大小相同。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述两个传感器转子，形状、大小相同。
4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述微型电机转子转动时带动主轴旋转，使主轴两端的两个传感器转子同步旋转，该轴向分布的两个传感器转子，同时对两个轴向电场感应电极和四个径向电场感应电极进行不同步的交替性屏蔽。
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