CN103235195A - 一种非接触式静电探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触静电探测装置，包括静电传感器、电子开关和电信号处理单元；静电传感器包括感应电极和耦合电极，感应电极为一金属质静电信号接收面，耦合电极为一金属质电极，二者构成一个固定容值的电容；感应电极与电子开关电连接；电信号处理单元用于通过对电子开关的控制使得感应电极交替接地或悬浮，还用于对从耦合电极采集的交变信号进行后续处理转换为电场值。本发明具有无机械部件、耦合电容变化量大、灵敏度高、传感器设计灵活、易实现的特点；通过对静电传感器的选择，可以对微小区域静电或微弱静电进行实时、绝对测量。

Description

一种非接触式静电探测装置

技术领域

本发明涉及一种非接触式静电探测装置，属于检测技术领域。

背景技术

非接触式静电探测装置是进行静电场或静电检测的基本器件，广泛应用于人体静电、物体表面静电和空间静电场的检测中。目前所使用的非接触探测传感器都是变电容式的，包括旋叶式和振动电容式传感器，二者都有机械部件。

旋叶式传感器包括上下两个电极，上电极为图1所示间隔图形的旋转电极，旋转电极可绕中心轴平转，在转动过程中上下两电极之间的电容会发生变化，从而使得两电极之间间隔产生电信号，通过电信号的采集和转换可以获得静电场。但是，旋叶式传感器中旋转电极的机械转动频率很低，只有几百赫兹，因此探测灵敏度低，不能实现对快速变化静电电荷或静电场的实时探测。此外，在加工工艺的限制下，旋转电极的尺寸不能设计得太小，因此难以探测微小区域的静电或静电场；也不能设计的过大，那么电容变化量就会受到限制，而且大面积旋转电极的转动不稳定还会影响测量结果的稳定性。

振动电容式传感器也包括上下两个电极，上电极为平板形式，通过振荡方式改变两电极之间的距离可以实现两电极之间的电容变化，从而使得两电极之间间隔产生电信号，进而获得静电场。虽然振动电容式传感器的振荡频率比较高，但振动幅度比较小，因此在实际测量时电容变化量仍比较小，因此探测灵敏度也同样会受到很大限制，难以探测微小区域的静电或静电场。

这就对静电传感器及其静电探测方法提出了新的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种非接触式静电探测装置，具有无机械部件、耦合电容变化量大、灵敏度高、传感器设计灵活、易实现的特点；通过对静电传感器的选择，可以对微小区域静电或微弱静电进行实时、绝对测量。

为了达到上述目的，本发明的非接触式静电探测装置，包括静电传感器、电子开关和电信号处理单元；

所述静电传感器包括感应电极和耦合电极，感应电极为一金属质静电信号接收面，耦合电极为一金属质电极，二者静止，从而构成一个固定容值的电容；所述感应电极与电子开关电连接，电子开关和耦合电极均连接电信号处理单元；所述电信号处理单元用于通过电子开关的通断控制使得感应电极交替接地或悬浮，还用于从耦合电极采集静电传感器产生的电信号，并经过处理转换为电场值。

感应电极和耦合电极的形态设计比较灵活，可以是平板型，也可以是球形。

优选地，电信号处理单元使用采样电阻作为采样电路，那么耦合电极通过采样电阻接地。

本发明与现有技术相比较所具有的优点：

1、本发明是一种新原理静电探测技术，静电感应传感器由感应电极和耦合电极组成，感应电极和耦合电极固定不动，构成固定容值的电容，利用高速电子开关来控制静电感应传感器电容的变化，实现静电电压或静电场的绝对测量。

2、利用了高速电子开关，相比过去的旋叶式电极或振动电容静电传感器，本探测装置上没有机械部件，感应电极和耦合电极固定不动，因此系统稳定性也大大提高。

3、静电传感器电容设计灵活，可以是平板形或球形电容，感应电极尺寸可以小至微米量级，从而能够探测微区静电或电场；感应电极尺寸也可以大到几米以上的量级，由于电容变化量就是感应电极和耦合电极所形成的固定电容的大小，因此大面积的电极可以增大电容变化量，从而提高探测能力，灵敏度不受限制，能够实现对微弱静电场的探测。

4、电子开关的速度快，可以实现对快速变化静电电荷或静电场的实时探测。

附图说明

图1为现有技术中旋叶式传感器的旋转电极结构示意图。

图2是本发明的结构示意图；

其中：11-感应电极、12-耦合电极、2-电子开关、31-采样电阻、3-电信号处理单元。

图3（a）和图3（b）为两种球形感应电极和耦合电极的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图2所示，本发明的非接触式静电探测装置，包括静电传感器1、电子开关2和电信号处理单元3。

静电传感器1包括感应电极11和耦合电极12。感应电极11为一金属质静电信号接收面，耦合电极12为一金属质电极，二者静止不动，构成一个固定容值的电容。在实际应用中，不特别限定感应电极11和耦合电极12的尺寸、结构形式、距离等，只要二者构成电容的容值固定即可。

本实施例中，感应电极11和耦合电极12采用平板型，如图2所示，两电极均由金属圆形铝片制成。为了方便计算容值，感应电极11和耦合电极12平行设置。本实施例中，金属铝片厚1mm，直径1cm，间隔0.5mm，其中金属铝片的直径和间隔会影响到容值。

在另一实施例中，感应电极11和耦合电极12还可以采用球形，如图3（a）所示，感应电极11采用空心金属球，其可以360度感应/接收待测的静电场，耦合电极12采用空心或实心金属球。为了方便计算容值，两金属球同心设置。或者如图3（b）所示，感应电极11采用球面，耦合电极12采用空心或实心金属球或球面。上述几种实施方式均属于球面电极。

感应电极11与电子开关2电连接，电子开关2连接电信号处理单元3。电信号处理单元3用于通过控制电子开关2的通断使得感应电极11交替接地或悬浮。本实施例中，电子开关2的开/关脉宽选择3微秒，其只要大于电子开关上升沿宽度即可。

电信号处理单元3与耦合电极12相连，从耦合电极12采集静电传感器产生的电信号，并经过处理转换为电场值。电场值经过转换还可以得到被测对象的电荷值。

本实施例中，采用电信号处理单元3采用采样电阻采集静电传感器1产生交变电流信号。那么，电信号处理单元3包括采样电阻31、电子开关驱动电路、信号放大电路、滤波电路、整流电路和单片机电路。其中，耦合电极12通过采样电阻31接地；电子开关驱动电路与电子开关3电连接，用于通过电子开关2的通断控制使得感应电极11交替接地或悬浮；信号放大电路的输入端与采样电阻31电连接，信号放大电路的输出端经过滤波电路连接整流电路，整流电路和电子开关驱动电路的控制信号输入端均与单片机电路的I/O端口连接。单片机电路通过实现电子开关驱动电路对电子开关进行控制，还负责信号处理。这种采用采样电阻的实现方式简单，所需器件少。本实施例中，采样电阻31的电阻值为1兆欧。

本装置的工作流程为：

启动系统，电信号处理单元3控制电子开关2通断，使感应电极11交替接地或悬浮，耦合电极12上交替出现“0”电位和感应电位，在采样电阻31上形成一个交变电信号，该信号通过电信号处理单元3中的放大、滤波和整流电路后，变成一个0～5伏的电信号，经过转换，得到电场值，还可以进一步得到电荷值，显示于电信号处理单元3的液晶屏上。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (4)

1.一种非接触式静电探测装置，包括静电传感器（1）、电子开关（2）和电信号处理单元（3），其特征是：所述静电传感器（1）包括感应电极（11）和耦合电极（12），感应电极（11）为一金属质静电信号接收面，耦合电极（12）为一金属质电极，二者构成一个固定容值的电容；所述感应电极（11）与电子开关（2）电连接，电子开关（2）和耦合电极（12）均连接电信号处理单元（3）；所述电信号处理单元（3）用于通过控制电子开关（2）的通断使得感应电极（11）交替接地或悬浮，还用于从耦合电极（12）采集静电传感器（1）产生的电信号，并经过处理转换为电场值。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述感应电极（11）和耦合电极（12）均为平板型。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述感应电极（11）和耦合电极（12）均为球形。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电信号处理单元（3）采用采样电阻（31）作为电信号采集部件，耦合电极（12）通过采样电阻（31）接地。

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