CN101949980A - 一种振簧式电场测量仪 - Google Patents

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梁轶瑞
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Abstract

本发明公开了一种振簧式电场测量仪，包括探头、滤波二次放大电路、振动信号发生器、数字采集器、电瓶，所述装置的振动信号发生器产生一定频率一定振幅的振动信号送给探头，滤波二次放大电路对探头返回的测量信号进行放大并传入数字采集器，所述探头内有传感装置，该传感装置主要分为三部分，即双感应极板、激振器、信号处理电路、双感应极板包括内极板和外极板，探头外部设有前后屏蔽罩。本发明的振簧式电场测控仪具有体积小、抗干扰强、高精度和高准确度、高稳定性的单向电场测量探头，适合野外和风洞风沙流环境或者粉尘环境的电场空间分布的测量。

Description

一种振簧式电场测量仪
技术领域
本发明涉及一种电场测量仪，特别涉及一种振簧式电场测量仪。
背景技术
目前国内外在对风沙电场测量时均采用的是大气电场测量仪。这是一种被广泛用于无风环境下的电场测量的仪器。它由2组形状相似、数量相同并相互连接在一起的导电叶片分别构成定子，即：感应片和转子。暴露在电场中的定子叶片上会感应出电荷。这种旋转式大气电场测量仪在用于风沙电场测量时存在如下问题：1)体积较大(探头直径和长度一般在10cm以上)，影响风沙流的流场。2)转子转速在风沙场特别是风场的影响下不稳定，影响风沙电场测量数据的准确性。
除了旋转式大气电场测量仪外，还有另一类与电信号测量相关的装置，如：振动电容式静电测量仪和开尔文探针(Kelvin Probe)等。这类仪器的测量主要是利用动态电容技术，让带电物体表面与固定在仪器探头顶部并在受驱动后振动的一个金属极板构成一个电容器。振动电容式静电测量仪是无法直接用于风沙电场的测量的。这是因为：1)该仪器的量程范围远小于场强在20-200kV/m风沙电场。当给定的外加电场强度超过20KV/m时，由此静电计给出的电场值与实际值有较大偏差。2)风沙流环境会直接影响该仪器的测量精度。这是由于暴露在测量环境中的振动极板在受到外部风场或冲击沙粒碰撞的影响后，导致振动频率和振幅变化，进而影响测量数据的准确性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的缺陷，提出一种振簧式电场测量仪。以实现具有体积小、抗干扰强、高精度和高准确度、高稳定性的单向电场测量探头，适合野外和风洞风沙流环境或者粉尘环境的电场分布的测量仪。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，设计一种双极板式的振簧结构。将被驱动产生振动的极板隐藏在探头内部，以最大程度的减小外部环境对极板振动的影响，保证在任何环境下都可以正常工作；由探头表面的平行于振动极板的金属片去感应环境电场的电荷，并与振动极板构成一个电容器；当振动极板振动改变两平行极板间的距离进行周期性的充电和放电后，通过采集交变电流信号处理系统，换算出环境电场。根据本发明的另一方面通过独特设计的探头屏蔽技术，屏蔽掉探头外部侧向电场的干扰影响，实现以往电场测量探头所不能实现的单向测量。
本发明与现有技术相比其优点在于具有体积小、抗干扰强、高精度和高准确度、高稳定性的单向电场测量探头，连同所研制的校准系统、信号处理和信号放大电路以及自动采集和分析实验数据的计算机管理系统，结合尽可能降低对风沙流场干扰的多探头空间分布的优化设计，能够对风沙或者粉尘环境中电场的大小及方向进行准确且实时的测量。
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明振簧式电场测量仪中探头结构示意图；
图2是本发明振簧式电场测量仪的结构示意图。
附图中所示图标为：
1-前端屏蔽罩；2-后端屏蔽罩；3-外极板；4-内极板；5-激振器；6-激振器控制及信号采集放大电路；7-数字采集器连线；8-激振器内极板绝缘连接器；9-前端屏蔽罩固定螺栓；10-内极板信号线；11-激振器供电及控制信号线；12-返回信号线；13-电瓶；14-振动信号发生器；15-滤波二次电路；16-数字采集器；17-探头。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
电场测量探头主要部件分为前端屏蔽罩1和后端传感装置两部分。前端屏蔽罩1由不锈钢管制成，其内径设计为略大于后端屏蔽罩2外径，因此前段屏蔽罩1刚好可以套接在后端屏蔽罩2外部，可以沿后端屏蔽罩滑动，并可以通过前段屏蔽罩固定螺栓9固定于后端屏蔽罩2上。前端屏蔽罩1和后端屏蔽罩2同时接地，其作用是屏蔽横向电场而保留轴向电场。后端传感装置主要分为三部分，即双感应极板、激振器5、信号处理电路。内外极4板由导电性能良好的金属薄板制成，外极板3固定于后端屏蔽罩2的顶部并与之绝缘，内极板4固定于激振器5之上，两极板形成平行板电容器。激振器5固定于后端屏蔽罩2上，通过激振器5的振动带动内极板4振动。信号处理电路具有对激振器5发出稳定的驱动信号和滤波放大内极板返回信号的作用。由信号处理电路返回的电信号通过连线传送给后端的数字采集器保存。
当接通电瓶13打开电源时，振动信号发生器14产生一个一定频率一定振幅的振动激励信号，振动器依照此信号带动内极板4一起振动。外极板3的表面在电场作用下表面产生一定量的感应电荷，内极板4表面在外极板3的作用下会产生等量的异性电荷。当内极板4发生振动时，由两极板建立的平行板电容器的电容值会随着两极板间距离的不断变化而改变，引起内极板4向后端电路释放或吸纳电荷，电荷的转移产生一个周期性变化的电压信号，通过后端电路的滤波和放大可以采集到此返回信号。此返回信号传送给测量仪的滤波二次放大电路15，从滤波二次放大电路15中送出稳定的直流电压信号。直流电压信号被送入数字采集器16进行自动存储。待测量结束后从数字采集器中取出保存的电压信号，通过校准时给出的电场和探头17返回电压对应关系转换成实际的电场测量值，测量完成。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种振簧式电场测量仪，包括探头、滤波二次放大电路、振动信号发生器、数字采集器与电瓶，所述装置的振动信号发生器产生振动信号，并传送至探头，所述探头获得测量信号，并反馈至滤波二次放大电路，所述滤波二次放大电路对探头返回的测量信号进行放大，并传输至数字采集器，在所述探头内部设有传感装置；其特征在于：所述传感装置包括双感应极板、激振器与信号处理电路，所述双感应极板包括内极板和外极板，两极板形成平行板电容器，信号处理电路返回激振器发出的稳定驱动信号和滤波放大内极板的信号并通过连线传送至后端的数字采集器保存。
2.根据权利要求1所述的振簧式电场测量仪，其特征在于：所述探头包括前端屏蔽罩和后端屏蔽罩，前端屏蔽罩和后端屏蔽罩采用螺栓连接，前端屏蔽罩和后端屏蔽罩都接地。
3.根据权利要求2所述的振簧式电场测量仪，其特征在于：所述外极板固定于后端屏蔽罩的顶部并与之绝缘，内极板固定于激振器之上。
4.根据权利要求2所述的振簧式电场测量仪，其特征在于：所述前端屏蔽罩的内径设计为大于后端屏蔽罩外径。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的振簧式电场测量仪，其特征在于：所述前端屏蔽罩由不锈钢管制成。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的振簧式电场测量仪，其特征在于：所述内外极板由导电性能良好的金属薄板制成。
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