CN103091567A - 一种空间电荷密度测量的仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间电荷密度测量的仪器及方法，主要原理是将电荷以吸入一感应圆筒内，通过测量圆筒侧面的电势，计算出其中所含电荷的密度。该仪器包括空间电荷测量单元、多路信号处理单元和控制单元。空间测量单元主要为一个筒形结构，将含有空间电荷的气体通过风扇吸入圆筒中，根据物理学定律找出电势与电荷密度之间的对应关系；绝缘圆筒外壁放置有多个金属电极，电极与非接触式振动电容传感器相连，感应气体中电荷所产生的电势，通过计算求出气体的电荷密度。

Description

一种空间电荷密度测量的仪器及方法

技术领域

本发明涉及空间电荷测量技术领域，特别涉及一种能够实现对空间电荷密度进行测量的仪器及方法，该仪器是一种适用于对气体（如云雾或空气）中空间电荷的密度进行测量的仪器。

背景技术

空气在一定条件下可能会带电产生静电，云层在一定条件下会带电形成雷暴云，由于雷暴云与地面存在电势差，会向地面放电形成雷电。雷电威胁着人类的生命安全，常使建筑，电力，电子，通信和航空，航天等诸多部门遭受严重破坏，用大气电场仪来对雷电进行监测；静电作为一种近场自然灾害，静电的力学效应引起的吸附或排斥作用会给生产带来影响，静电的放电效应会引起电子元件的击穿损害和放电噪声导致计算机误动作。静电放电火花作为点火源所引起的突发性燃爆事件，会使生产设备破坏，造成人员伤亡。静电对人体电击时，放电电流通过人体内部，会对心脏、神经等部位造成伤害。

为了研究雷暴云电荷的发生过程，以及探测空气中静电电荷的存在及空间分布，需要借助一定的仪器完成，目前的静电测量仪器仅能对电荷特别是物体表面所带电荷进行测量，并且只能作定性测量，无法实现定量测量，本发明提供一种能够对空间电荷特别是气体中的静电电荷进行定量测量的方法和仪器。

发明内容

为了解决气体中静电电荷的空间分布的测量问题，本发明提供了一种空间电荷密度测量的仪器。该仪器可以测出气体中相对于绝缘圆筒四个点的电势，根据物理学定律,可以计算出气体中静电电荷的空间密度。

本发明另一目的是提供一种空间电荷密度的测量方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种空间电荷密度测量的仪器，其特征是：它包括空间电荷测量单元、多路信号处理单元和控制单元；

其中，空间电荷测量单元包括感应圆筒和非接触式振动电容传感器，该感应圆筒由绝缘圆筒与带有绝缘涂层的金属圆筒相套装形成的框架结构，金属圆筒通过绝缘支架套装并连接在绝缘圆筒外圈，两者之间密闭，不会有气体流过，绝缘圆筒的外壁上分别安装四块金属片，四块金属片分别与四个非接触式振动电容传感器的金属探头电连接，所述绝缘圆筒一端设置一风扇；

其中多路信号处理单元包括四路由可调增益放大电路，相敏检波和低通滤波电路组成的信号处理电路；

所述控制单元包括电源、微处理器及附属电路、传感器驱动电路、风扇驱动电路以及AD采样电路；

所述四个非接触式振动电容传感器的信号输出端分别接入多路信号处理单元中的一路，多路信号处理单元的输出经AD采样电路与微处理器相连；所述风扇经风扇驱动电路与微片理器相连。

所述四块金属片位于感应圆筒中的金属套筒与绝缘套筒之间，均匀固定或粘贴在绝缘套筒的外侧筒壁上。

所述非接触式振动电容传感器，包括一个定极片与金属探头，金属探头与定极片相连，用于感应空间电荷的电场，一个动极片与压电陶瓷通过一层绝缘层相连，定极片与动极片极片相互平行，距离较近，但相互绝缘，定、动极片与金属外壳固定在一起，压电陶瓷片受交流信号驱动，当压电陶瓷受到驱动信号驱动时，动极片随压电陶瓷一块振动，此时定极片保持不动。

该仪器还设有传感器信号调理单元，它包括放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路；放大电路的输入端连接到动极片上，输出端与低通滤波电路相连。

该仪器还设有温湿度传感器，该温湿度传感器与微处理器相连。

该仪器还包括液晶屏，该液晶屏与微处理器相连。

所述控制电路板还设有与上位机通信的接口电路。

微处理器及附属电路、传感器驱动电路、风扇驱动电路、信号采集电路以及多路信号处理单元都封装在屏蔽壳内。

一种空间电荷密度测量的方法，该方法包括以下步骤：

用微处理器驱动转速可控的风扇以10-500转/秒的速度转动，将带电云雾或气体吸入绝缘圆筒内，通过四个金属电极感应筒内电荷的电势，经由空间电荷测量单元测量，并经多路信号处理单元处理，送给控制单元，通过利用高斯定律以及电势和电场强度之间的对应关系得出电荷密度的计算公式：

其中ρ表示空间电荷密度，ε₀表示气体的介电常数，V是多路信号处理单元测得的电势值，R是绝缘圆筒的半径；

若四路信号测得电势值不同，V为四路电势值的平均值。

为了实现测量设计了绝缘圆筒和金属圆筒的框架模型，在绝缘圆筒外壁放置四块金属片并分别与四个非接触式振动电容传感器相连，用微处理器驱动转速可控的风扇缓慢转动，将带电气体或云雾以较缓慢的速度吸入绝缘圆筒内，这时用依次给四个传感器传送同样的正弦波信号使其起振，利用逆压电效应使感应到的电荷转换成交流信号，在通过信号调理电路并进行AD采样得到测量结果V。四个传感器感应到的四路信号通过四个通道进行调理和采集能够获得到四个电势值，若四路信号测得电势值不同取其平均值，通过分析这四个电势值的关系研究带电水雾空间电荷密度。

本发明具有如下优点：

1、采用绝缘圆筒和金属圆筒的框架模型，把无形的云雾或气体固定成圆筒状，可以根据物理学定律找出电势与电荷密度之间的对应关系；且绝缘圆筒外壁放置的金属片与非接触式振动电容传感器相连，不仅可以感应一团水雾中的电荷，还能感应空气中的静电，解决了抽象物体表面或内部空间电荷密度测量的问题。

2、信号处理电路采用了同步信号进行相敏检波，检波过程中就可以区分信号的极性，方便了后续采集和分析工作。采用双极性的AD芯片简化了采集电路。

3、相敏检波和低通滤波得到的信号，经过直流放大后直接接到传感器的外壳上，使传感器外壳与所测空间电荷的电场电位差为零，既消除了传感器的引入对原电场的影响，也起到了保护传感器的作用。

附图说明

图1 是本发明空间电荷密度测量仪器的结构框图。

图2 是感应圆筒的结构图。

图3 是非接触式振动电容传感器外形结构图。

图4 是非接触式振动电容传感器内部结构图。

图5 是测量控制电路原理框图。

图中：1-感应圆筒；11-带有绝缘涂层的金属圆筒；12-绝缘圆筒；13-绝缘支架；14-金属片；15-导线；16-绝缘支架；2-非接触式振动电容传感器；21-金属外壳；22-绝缘层；23-定金属极片；24-动金属极片；25-金属探头；26-绝缘层；27-压电陶瓷；28-引线；3-多路信号处理单元；4-控制单元；5-风扇。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

如图1、图5所示，本发明的空间电荷密度测量的仪器，它包括空间电荷测量单元、多路信号处理单元3和控制单元4。

其中，空间电荷测量单元包括非接触式振动电容传感器2和感应圆筒1，该感应圆筒1由绝缘圆筒12与带有绝缘涂层的金属圆筒11相套装形成的框架结构，金属圆筒11通过绝缘支架（13，16）套装并连接在绝缘圆筒12外圈，绝缘圆筒12的外壁上分别安装四块金属片14，四块金属片14分别与四个非接触式振动电容传感器2的金属探头25电连接，所述绝缘圆筒12一端设置一风扇5。四块金属片14分别位于绝缘圆筒12横截面的任意两条垂直直径上。

其中多路信号处理单元3包括四路由可调增益放大电路，相敏检波和低通滤波电路组成的信号处理电路；

所述控制单元4包括电源、微处理器及附属电路、传感器驱动电路、风扇驱动电路以及AD采样电路；

所述四个非接触式振动电容传感器2的信号输出端分别接入多路信号处理单元3中的一路，多路信号处理单元3的输出经AD采样电路与微处理器相连；所述风扇5经风扇驱动电路与微片理器相连。

该仪器还设有传感器信号调理单元，它包括放大电路和低通滤波电路；放大电路的输入端连接到动极片上，输出端与低通滤波电路相连。

如图2所示，空间电荷测量单元的绝缘圆筒12和带有绝缘涂层的金属圆筒11的框架包括直径大约5cm左右的绝缘圆筒12，绝缘圆筒12的一端放置一个与它匹配的风扇5，且风扇5的风速可控，四块金属片14放置在绝缘圆筒12筒壁外侧、绝缘圆筒12横截面任意两条垂直直径上；直径大约10cm左右的金属圆筒11放置在绝缘圆筒12外侧起屏蔽作用，用绝缘支架13把绝缘圆筒12和金属圆筒11固定在一起，并且两个筒同轴，绝缘圆筒12和金属圆筒11长度相同，大约在30cm左右，两者之间密闭，不会有气体流过。

如图3所示，非接触式振动电容传感器2包括一个定金属极片23与金属探头25直接相连用来感应空间电荷，一个动金属极片24与压电陶瓷27通过一层绝缘层26相连用来产生微弱的交流信号，两块极片之间距离较近但绝缘，且平行放置与金属外壳21固定在一起。四块金属片14分别与四个非接触式振动电容传感器2的金属探头25相连，非接触式振动电容传感器2利用逆压电效应将电能转换成动能，使与之相连的电容传感器的动金属极片24振动，改变电容器两极板之间的极距，使电容器感应到的电荷转换成微弱的交流信号。动、定金属极片之间的距离为d₀，两块极片分别通过一层绝缘层26与筒状金属外壳21相连。当金属探头25感应到的空间电荷传到定金属极片23上，两块极片之间就形成了电场，动金属极片23在压电陶瓷27逆压电效应的驱使下开始振动，这样通过极距的变化就产生了微弱的交流信号，且d₀越小，动金属极片24振动耦合到的微弱交流信号的强度就越大。

该仪器还设有气压、温度和湿度测量传感器，用于测量环境的气压、温度和湿度，它们均与微处理器相连，可用于对测量结果进行校正，提高测量精度。

该仪器还包括液晶屏，该液晶屏与微处理器相连。控制单元4设有与上位机通信的接口电路。控制单元4的微处理器及附属电路、传感器驱动电路、风扇驱动电路、信号采集电路以及多路信号处理单元3都封装在屏蔽壳内。

本发明利用上述仪器进空间电荷密度测量的具体步骤如下：

用微处理器驱动转速可控的风扇以10-500转/秒的速度转动，将带电云雾或气体吸入绝缘圆筒12内，经由空间电荷测量单元测量，并经多路信号处理单元3处理，送给控制单元4，通过利用高斯定律以及电势和电场强度之间的对应关系得出电荷密度的计算公式：

其中ρ表示待测云雾或气体中静电电荷的密度，ε₀是常数表示云雾或气体的介电常数，V表示通过测量电路得的电势值，R是绝缘圆筒12的半径，通过上式可以计算出气体中所含静电电荷的空间密度；为了提高测量精度可以通过气压测量和风扇转速校正测量到的空间气体中的电荷密度。

V若四路信号测得电势值不同，通过求平均值求出带电气体的空位电荷的平均密度。

本发明的控制过程：

首先用微处理器MCU发出占空比约为50﹪的PWM，通过滤波电路获取单一的正弦波信号，通过多路信号处理电路选取驱动的传感器，这样使得每个传感器都获取同样驱动信号。驱动信号就驱动传感器动极片振动产生微弱的交流信号，通过高输入阻抗的运放放大使得信号的损耗最小。放大后的信号一路通过过零比较器变成方波用于相敏检波的同步信号。通过相敏检波和低通滤波得到直流信号，一路经过二级直流放大连接到传感器的外壳上起到保护作用，另一路经过AD采集，将数据传输给MCU显示、存储和传输。

Claims (8)

1.一种空间电荷密度测量的仪器，其特征是：它包括空间电荷测量单元、多路信号处理单元和控制单元；

其中，空间电荷测量单元包括感应圆筒和非接触式振动电容传感器，该感应圆筒由绝缘圆筒与带有绝缘涂层的金属圆筒相套装形成的框架结构，金属圆筒通过绝缘支架套装并连接在绝缘圆筒外圈，绝缘圆筒的外壁上分别安装四块金属片，四块金属片分别与四个非接触式振动电容传感器的金属探头电连接，所述绝缘圆筒一端设置一风扇；

其中多路信号处理单元包括四路由可调增益放大电路，相敏检波和低通滤波电路组成的信号处理电路；

所述控制单元包括电源、微处理器及附属电路、传感器驱动电路、风扇驱动电路以及AD采样电路；

所述四个非接触式振动电容传感器的信号输出端分别接入多路信号处理单元中的一路，多路信号处理单元的输出经AD采样电路与微处理器相连；所述风扇经风扇驱动电路与微处理器相连。

2.根据权利要求1空间电荷密度测量的仪器，其特征是：所述四块金属片位于感应圆筒中的金属套筒与绝缘套筒之间，均匀固定或粘贴在绝缘套筒的外侧筒壁上。

3.根据权利要求1所述的空间电荷密度测量的仪器，其特征是：所述非接触式振动电容传感器包括一个定极片与金属探头直接相连，一个动极片与压电陶瓷通过一层绝缘层相连，且平行放置与金属外壳固定在一起。

4.根据权利要求3空间电荷密度测量的仪器，其特征是：该仪器还设有传感器信号调理单元，它包括放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路；放大电路的输入端连接到动极片上，输出端与低通滤波电路相连。

5.根据权利要求1或4所述的空间电荷密度测量的仪器，其特征是：该仪器还设有还设有气压、温度和湿度测量传感器，它们均与微处理器相连。

6.根据权利要求1或4所述的空间电荷密度测量的仪器，其特征是：该仪器还包括液晶屏，该液晶屏与微处理器相连。

7.根据权利要求1或4所述的空间电荷密度测量的仪器，其特征是：所述控制电路板还设有与上位机通信的接口电路。

8.利用权利要求1所述仪器进行空间电荷密度测量的方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

用微处理器驱动转速可控的风扇以10-500转/秒的速度转动，将带电云雾或气体吸入感应圆筒内，经由空间电荷测量单元测量，并经多路信号处理单元处理，送给控制单元，根据高斯定理以及电势和电场强度之间的对应关系可以得到电荷密度的计算公式：

其中ρ表示空间电荷密度，ε₀表示气体的介电常数，V是多路信号处理单元测得的电势值，R是绝缘圆筒的半径；

若四路信号测得电势值不同，V为四路电势值的平均值。

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