CN102411095B - 一种有源静电电场探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有源静电电场探头。所述探头包括前端探头和电荷传感器，所述前端探头包括感应金属片(1)，所述感应金属片(1)下方设置有环形的压电薄膜(2)，该压电薄膜(2)通过相应的环形导电环(3)经电阻(14)与第一转接头(9)连接；所述感应金属片(1)上加有静电电压，并通过导引电极(4)经电阻(14)与第二转接头(17)连接。本发明的有源静电电场探头，其测量精度仅依赖于感应金属片电荷分辨率，其精度得到进一步提高；测量反应时间仅依赖于感应金属片受到电场作用时间，因此测量反应快；而且其结构简单，成本低廉，适用于真空转接环境。
Description
技术领域
本发明涉及表面电场测定领域，具体地，本发明涉及一种有源静电电场探头。
背景技术
目前，存在非接触性地测定对象物表面所带静电电场的静电测定装置。这种静电装置采用如下原理：将探头靠近对象物，因静电感应探头前端金属片带有感应电荷；对探头内线圈供电，使其产生反向电场，作用于探头前端金属片；利用振荡器产生高频电流信号，使探头内线圈产生的电场快速变化；监测探头前端金属片电荷，当探头前端金属片感应电荷为零时，探头内线圈产生的电场与待测外部电场相持平；记录此时探头内线圈电流信号大小，经仪器标定得到探头内线圈产生的感应电场大小，即为待测电场的测量结果。
在上述静电装置的测量中，测量精度不仅依赖于高频电流信号的精度，也依赖于探头前端金属片感应电荷的测量精度；而且探头测量的反应时间依赖于高频电流信号的频率。若在真空条件下使用上述静电装置，探头上高频电流信号需要经过真空壁转接到外部仪器，真空转接成本高且容易引起信号失真，进而导致测量结果不准确。因此上述静电装置不适合于真空条件下直接使用。
上述静电装置包含感应线圈、高频电流电路、探头电荷测量电路，信号处理系统，以及数据读取和运算系统等。测量结果需专用电路模块才能实现实时存储，因此装置的体积比较大而且成本高。而且探头内线圈电流变换期间具有较高电压，探头对外界有放电风险，测量期间探头必须用绝缘材料固定且人体不可触摸探头。
此外，在申请号为200820108672.4的专利中公开了一种无源非接触式表面电位探头，所述的探头靠近对象物表面时，在感应电极上产生感应电荷，通过感应电荷与对象物表面电位之间的关系，从而得到对象物表面的电位，因此，这种探头主要应用于电位的测定，并不能直接应用于电场的测定，因为其测量结果为电位值，需要两点不同位置电位测量结果除以两点间距离才能得到平均电场值。
发明内容
本发明的目的在于为了克服上述问题提供了一种有源静电电场探头。
根据本发明的有源静电电场探头，所述探头包括前端探头和电荷传感器，所述前端探头包括感应金属片1，所述感应金属片1下方设置有环形的压电薄膜2，该压电薄膜2通过相应的环形导电环3经电阻14与第一转接头9连接；所述感应金属片1上加有静电电压，并通过导引电极4经电阻14与第二转接头17连接。
根据本发明的有源静电电场探头，所述电荷传感器采用2132型传感器，但在本发明中电荷传感器不仅仅局限于2132型，采用其他型号也能实现该功能，区别在于电荷分辨率与量程不同，所述电荷传感器通过同轴电缆与第一转接头9连接。
本发明的探测装置包括前端探头、可调电源和电荷传感器，其中可调电源和电荷传感器为市场上可购买的商业产品。
本发明的静电电场探头，包括前端探头，参考电极5，电阻14，导线7，和第一转接头9以及第二转接头17，其中
前端探头包含感应金属片1、压电薄膜2、导引电极4和导电环3，所述感应金属片1由绝缘盖10固定于探头的前端，通过绝缘盖10的前端螺纹11旋紧固定。
所述导引电极4紧贴在感应金属片背面提供静电电位，并通过电阻14与第二转接头17连通，由带静电电位的感应金属片1靠近对象物感应电场斥力，压电薄膜2在感应金属片1斥力下产生感应电荷，导电环收集感应电荷；
参考电极5为一金属块，处于探头中间；参考电极5通过金属杆6连接到导线上，再经导线、电阻14连接到转接头内部电极15上，进而与第一转接头9连通。
电阻14连接导电环3和第一转接头9、导引电极4和第二转接头17，对电路起保护作用；其中所述第二转接头17和第一转接头9固定在绝缘块12上，绝缘块12通过尾段螺纹18固定。
导线将导引电极连接到电阻上后将电阻连接到第一转接头9的一极，第一转接头9的第二根导线连接参考电极；第三根根导线将导电环连接到电阻上后再连接到第二转接头17的一极，第二转接头17的第二根导线连接到参考电极；
第二转接头17和第一转接头9均为标准BNC接头，在探头外为同轴电缆线插头。
本发明的探头内参考电极无需供电，经转接头连接电缆线后作为电缆线阴极接入电荷传感器和可调电源；导引电极经转接头接入可调电源，根据待测电场方向调整电位极性和电位大小；导电环与转接头连通作为电缆线阳极接入电荷传感器。
本发明中使用的电荷传感器可以经USB插口接入计算机，由计算机上相应软件处理测量结果。
本发明的探测方法原理是使用电荷传感器测量导电环上感应电荷的大小，输入计算机，经相应软件处理得到对象物表面电场的测量结果，同时在计算机上实现对测量结果的实时存储。
本发明提供的有源静电电场探头，在测量期间，使用计算机直接与探测装置相连，探测装置小巧方便，测量数据可以实现实时存储。
因此，本发明的测量精度仅依赖于电荷传感器的电荷分辨率，其精度得到进一步提高；测量反应时间仅依赖于感应金属片受到电场作用时间，因此测量反应快；而且其结构简单，成本低廉，适用于真空转接环境。
本发明具有以下优点
1、探头内部参考电极不需供电，探头前端采用静电供电，可以用各种材料固定。
2、探头内部电路结构简单，探头外有两个同轴电缆插头，适用于真空环境等各种需转接的场合。
3、探测装置仅包含探头、可调电源和电荷传感器，小巧方便，成本低廉。
4、探测装置与计算机相连，可以直接处理和实时存储测量结果。
附图说明
图1为本发明的探头内部结构图；
图2为本发明的探测方法原理图；
图3为本发明的比例系数修正图。
1、感应金属片 2、压电薄膜 3、导电环
4、导引电极 5、参考电极 6、金属杆
7、导线 9、第一转接头 10、绝缘盖
11、前端螺纹 12、绝缘块 13、探头金属壳
14、电阻 15、转接头内部电极
17、第二转接头 18、尾端螺纹
具体实施方式
下面参照附图对本发明的有源静电探头及探测方法作进一步详细描述。电荷传感器可以采用美国PASCO公司的2132型传感器，当然也可以采用其它具有数据传输功能的电荷传感器。
图1为无源非接触式探头的内部结构图，导引电极4根据电场极性对感应金属片1施加稳定的相同极性静电电压，感应金属片1在电场中受到斥力作用挤压压电薄膜2产生感应电荷。导电环3靠近压电薄膜2收集其产生的感应电荷。感应金属片1通过绝缘盖10从前端螺纹11旋紧固定。
导引电极4接上导线经过电阻14连通到转接头内部电极15上。参考电极5固定在探头内绝缘块12中，透过金属杆6连接到导线7上，再经导线连接到转接头内部电极15上。
第二转接头17和第一转接头9固定在绝缘块12上，绝缘块12通过尾段螺纹18固定。
用探头探测对象物时，导引电极4向感应金属片1提供偏压，使感应金属片1在电场中受到电场斥力挤压压电薄膜2，压电薄膜2受挤压在背部产生感应电荷。此时导电环3由于紧贴着压电薄膜2背面，导电环3上具有固定比例的感应电荷。由于参考电极5受到探头金属壳13的屏蔽作用，不产生感应电荷。因此参考电极5与导电环3上存在电荷差量。
导电环3与参考电极5经电阻接入第一转接头9，第一转接头9连接同轴电缆，同轴电缆另一端连接电荷传感器。探头内电阻对电荷传感器起保护作用。
如图2所示，可调电源经同轴电缆连接第二转接头17，可以给导引电极4提供静电电压；电荷传感器经同轴电缆连接第一转接头9并且直接探测到导电环3与参考电极5间的电荷差量。电荷差量大小在电荷传感器内转为数字信号经USB接口输入计算机中，由计算机上配套软件实时记录。探测装置的调零功能在计算机软件上实现。
固定探头与对象物距离和感应金属片1的电位，当对象物表面电场越大，感应金属片1受到斥力约大，压电薄膜2在导电环3上的感应电荷越多，感应电荷量与对象物表面电场的大小呈线性关系。若增加感应金属片1电位，感应电荷量呈线性增加，如图3所示。感应电荷量与对象物表面电场大小的比例系数依赖于感应金属片上静电电压，因此在该实施方案中，必须先根据电场极性调整感应金属片上电压极性，使感应金属片受到电场斥力作用，对不同电位的比例系数进行标定，制定比例系数修正表后进行测量。
获得比例系数修正表后，通过计算机编程对实时记录的电荷差量转化为对象表面电场，实现对象物表面电场测量结果的实时记录和存储。
在上述实施方式中，对象物表面电场的测量精度和量程取决于电荷传感器的电荷分辨率和量程。可以通过更换不同型号的电荷传感器来实现探测装置精度和量程的改变。
Claims (7)
1.一种有源静电电场探头，所述探头包括前端探头和电荷传感器，所述前端探头包括感应金属片（1），其特征在于，
所述感应金属片（1）下方设置有环形的压电薄膜（2），该压电薄膜（2）通过相应的环形导电环（3）经电阻（14）与第一转接头（9）连接；
所述感应金属片（1）上加有静电电压，并通过导引电极（4）经电阻（14）与第二转接头（17）连接；
所述静电电压的极性与电场极性相同。
2.根据权利要求1所述的有源静电电场探头，其特征在于，所述电荷传感器通过同轴电缆与第一转接头（9）连接。
3.根据权利要求1所述的有源静电电场探头，其特征在于，所述前端探头还包括参考电极（5），所述参考电极（5）设置于探头上部的绝缘块（12）中，通过电阻（14）与第一转接头（9）连通。
4.根据权利要求1所述的有源静电电场探头，其特征在于，所述感应金属片（1）由绝缘盖（10）固定于探头的前端，所述导引电极（4）设置于感应金属片（1）下面中心处通过电阻（14）与第二转接头（17）连通。
5.根据权利要求3所述的有源静电电场探头，其特征在于，所述的参考电极（5）通过金属杆（6）连接到导线上，再经导线分别连接到第一转接头（9）的转接头内部电极（15）和第二转接头（17）的转接头内部电极（15）上。
6.根据权利要求1所述的有源静电电场探头，其特征在于，所述第二转接头（17）和第一转接头（9）固定在绝缘块（12）上，绝缘块（12）通过尾段螺纹（18）固定。
7.根据权利要求1所述的有源静电电场探头，其特征在于，所述感应金属片（1）通过绝缘盖（10）的前端螺纹（11）旋紧固定。
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