CN102169143A - 振动屏蔽式电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种振动屏蔽式电场传感器，它包括弹性部件、柔性铰链和压电叠堆、底座，以及成对设置的屏蔽电极与感应电极；所述柔性铰链X方向一端固定在底座上，感应电极绝缘地固定在底座上；压电叠堆两端固装于柔性铰链X方向的两侧内壁上，屏蔽电极设置于柔性铰链Y方向外端，并通过弹性部件压紧在柔性铰链Y方向外表面上，屏蔽电极接地且置于成对设置的感应电极上方。它采用压电材料电致伸缩的原理，产生机械运动，机械运动通过柔性铰链进行放大，推动接地的屏蔽电极作周期性地往复运动，感应电电极上感应电荷出现周期性的变化，其感应电荷与电场成正比，电荷的变化形成电流，经后续电路放大处理，得到其和电场的关系。
Description
技术领域
本发明属电学领域，涉及到传感器技术和静电场的测量。
背景技术
在工业生产中，静电有一定的危害，静电的监测是关系到产品质量、生产安全的一项重要的工作，在气象上，大气静电场又是雷暴、闪电监测的关键特征参数，在地震预警，石油矿山等行业静电监测也都是一项重要工作。目前，对静电场的监测主要采用感应式静电测试仪和场磨式静电测试仪，感应式静电测试仪有规定的测试距离的限制，并且存在电荷泄漏；场磨式电场仪不受距离限制也无电荷泄漏，但驱动电机影响其长时间连续工作，不稳定、功耗较大。
发明内容
本发明根据目前的技术状况，提供一种振动屏蔽式电场传感器，该电场传感器不需电机驱动，功耗小，可直接测量电场。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种振动屏蔽式电场传感器，其特性在于：它包括弹性部件、柔性铰链和压电叠堆、底座，以及成对设置的屏蔽电极与感应电极；所述柔性铰链X方向一端固定在底座上，感应电极绝缘地固定在底座上；
压电叠堆两端固装于柔性铰链X方向的两侧内壁上，屏蔽电极设置于柔性铰链Y方向外端，并通过弹性部件压紧在柔性铰链Y方向外表面上，屏蔽电极接地且置于成对设置的感应电极上方。
成对设置的屏蔽电极和感应电极设置一对或二对，二对时分别设置于柔性铰链Y方向的两侧。
感应电极与屏蔽电极均采用形状相同的E形结构。
成对的感应电极与屏蔽电极二者错位或正对设置。以实现不同的屏蔽面积。
弹性部件采用为压簧或U形弹簧结构，弹性部件一端固定，另一端连接屏蔽电极。弹性部件一端固定连接压紧螺母，另一端固定连接屏蔽电极。
柔性铰链外形呈椭圆形，X方向对应长轴，Y方向对应长轴。柔性铰链可采用单轴结构。
屏蔽电极、压紧螺母和感应电极都为金属材质；柔性铰链由弹簧钢、45钢、或铍青铜制成；压电叠堆由多层具有压电效应的材料堆叠而成。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、本发明可直接测量电场，测量时不需要确定与带电体距离。
2、不需要场磨式电场仪中的驱动电机，故功耗小，体积小，基本无机械磨损。
本发明采用压电材料电致伸缩的原理，产生机械运动，机械运动通过柔性铰链进行放大，推动接地的屏蔽电极作周期性地往复运动，感应电电极上感应电荷出现周期性的变化，其感应电荷与电场成正比，电荷的变化形成电流，经后续电路放大处理，确定其和电场的关系。
附图说明
图1震荡屏蔽式静电传感器结构原理平面示意图；
图2 柔性铰链放大机构工作原理示意图。
图中：1-压紧螺母；2-屏蔽电极；3-柔性铰链；4-压电叠堆；5-感应电极；6-U形弹簧。
具体实施方式
下面以图1为例，说明压电式静电传感器结构原理。在图1中，传感器在XOY平面内水平放置。传感器由屏蔽电极2、压紧螺母1、柔性铰链3、压电叠堆4、底座、感应电极5、U型弹簧6部分构成。屏蔽电极2、压紧螺母1、感应电极5都由金属构成，U型弹簧6、柔性铰链由弹簧钢，45钢，或铍青铜等弹性材料制成，压电叠堆4由多层具有压电效应的材料堆叠而成。柔性铰链3采用单轴结构，切口形式采用椭圆形结构，其输出位移较大，最大应力适中。
在图1中，屏蔽电极2和感应电极5设置两对，均采用E形电极，两对沿Y方向分别置于柔性铰链3的两侧。（设置一对也可，但设置两对更佳，可减小误差）。压电叠堆4置于柔性铰链中间，与柔性铰链3内侧左右两端（X方向）固定，并在压紧螺母1的作用下，将屏蔽电极2与柔性铰链3上、下方向压紧。屏蔽电极2接地，屏蔽电极2下方是感应电极5，感应电极5绝缘地固定在底座上。屏蔽电极2可以在感应电极2上方往复移动，以遮挡感应电极5。
在静电场中工作时，柔性铰链3x方向一端固定在底座上，交流信号电压加在压电叠堆上，压电叠堆产生x方向微小振动，该微小振动经柔性铰链放大后，推动屏蔽电极在y方向往复运动，由于屏蔽电极2接地，就造成对感应电极5的周期性屏蔽，使感应电极5上产生周期性的感应电荷，此感应电荷与电场成正比，并会形成电流，感应电极用屏蔽电缆接入电子电路，接入电路微弱电流经I-V变换，滤波，放大，相敏检波后得到与电场成正比的电压信号。
本发明的工作原理如下：
用一个固定的金属感应片（定片）和一个固定频率震动的接地动片，交替地使感应片在电场中被屏蔽和暴露，由静电感应原理，在感应片上就会产生变化的感应电荷，根据高斯定理，可以得到感应片上的感应电荷Q(t)的大小与外界待测电场强度E成正比。即：
其中ε为自由空间介电常数，一般近似取为真空介电常数ε0=8.85×10-12F/m。S（t）为感应片的表面积，E的方向指向振动片时为正。
使振动片匀速作往返运动，在一个周期T的时间内，感应片暴露的面积与时间t有如下的关系：
式中Sm为感应片的总面积
感应电荷的微分
即为感应电流：
则此感应电流等效于周期为T的方波，由于ε0，Sm，和T均为常数，故得到的电流是与静电场成正比的测量参数。
图2是椭圆形柔性铰链示意图，它对压电叠堆产生的微小放大过程如下：
压电叠堆在驱动电压作用下变化∆x，柔性铰链在y方向产生变化∆y,由于柔性铰链的边长L不变，且L2=y2+x2,两边取导数，
0=2ydy+2xdx
dy=-xdx/y=-dx/(y/x)
当α很小时，tanα=y/x=α
得到y方向随x方向变化规律：dy=-dx/α
一般α很小，例如5˚时，压电叠堆产生的微小位移被放大11.5倍。
Claims (9)
1.一种振动屏蔽式电场传感器，其特性在于：它包括弹性部件、柔性铰链（3）和压电叠堆（4）、底座，以及成对设置的屏蔽电极（2）与感应电极（5）；所述柔性铰链X方向一端固定在底座上，感应电极绝缘地固定在底座上；
所述压电叠堆（4）两端固装于柔性铰链（3）X方向的两侧内壁上，屏蔽电极（2）设置于柔性铰链（3）Y方向外端，并通过弹性部件压紧在柔性铰链（3）Y方向外表面上，屏蔽电极（2）接地且置于成对设置的感应电极（5）上方。
2.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于：所述成对设置的屏蔽电极（2）和感应电极（5）设置一对或二对，二对时分别设置于柔性铰链Y方向的两侧。
3.根据权利要求2所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于：所述感应电极（5）与屏蔽电极（2）采用形状相同的E形结构。
4.根据权利要求3所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于：所述成对的感应电极（5）与屏蔽电极（2）二者错位或正对设置。
5.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于：所述弹性部件采用为压簧或U形弹簧结构，弹性部件一端固定，另一端连接屏蔽电极（2）。
6.根据权利要求5所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于：所述弹性部件一端固定连接压紧螺母（1），另一端固定连接屏蔽电极（2）。
7.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于：所述柔性铰链（3）外形呈椭圆形，X方向对应长轴，Y方向对应长轴。
8.根据权利要求7所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于：所述屏蔽电极（2）、压紧螺母（1）和感应电极（5）都为金属材质；柔性铰链（3）由弹簧钢、45钢、或铍青铜制成；压电叠堆（4）由多层具有压电效应的材料堆叠而成。
9.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于：所述柔性铰链采用单轴结构。
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