CN103837750B - 一种电场传感器温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场传感器温度漂移及时间漂移的实时差分补偿方法，包括：(1)所述电场传感器包括至少一个电场测量单元和至少一个电场参比单元，所述参比单元用于对所述电场传感器的温度漂移和时间漂移进行补偿；(2)补偿主要是通过对所述电场测量单元的输出信号与所述电场参比单元的输出信号进行差分，计算所述电场传感器的差分输出；(3)根据所述电场传感器的差分输出及其校准参数，推算被测电场的大小。本发明的目的是为解决电场传感器实际应用中温度引起的温度漂移和时间漂移这一关键问题，提供一种有效的、使用方便的漂移实时补偿方法。
Description
技术领域
本发明涉及电场检测领域，尤其涉及一种电场传感器温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法。
背景技术
电场监测具有十分重要的意义。根据大气电场变化的特征规律，采用电场传感器监测空间区域内或者设备周围的电场强度，在航空航天、国防、智能电网、气象和工业生产等领域具有非常重要的应用。借助电场传感器对近地面和空中大气静电场变化的监测，可以获取准确的气象信息，从而为导弹和卫星等飞行器的发射升空提供重要的安全保障，也可进行雷电预警、森林防火、地震预报等。
随着微纳米加工技术和集成技术的快速发展，研制体积小、功耗低、易于批量化生产的新型电场传感器成为电场探测技术领域中一个引人关注的方向。基于微纳米技术的微型电场传感器具有成本低、体积小、功耗低、可实现批量生产、易于集成化、工作频带宽，以及电场探测的空间分辨率高等突出优点，逐渐成为电场探测中具有重要发展潜力的器件之一，得到国际上越来越多研究者的关注。
然而，在实际应用中，电场传感器有时会因长期稳定性差以及温度漂移问题而受到限制。特别对于基于微纳米技术的微型电场传感器来说，传感器敏感结构主要采用半导体材料，由于半导体材料对温度的敏感性，温度漂移及时间漂移问题是决定其特性好坏的关键性指标之一。在传感器温度漂移补偿方法方面，有多种方法，包括建立补偿模型，进行软件补偿等。但由于传感器的输出随温度变化并没有很好的重复性，而且存在不规律的零点时间漂移，难于实现有效的实时补偿。对此，本发明提出了一种差分实时补偿方法，传感器采用了电场测量单元和参比单元，可实现电场传感器温度漂移及时间漂移的有效补偿，从而保证了电场的实时、准确测量。
发明内容
本发明旨在提供一种有效的、使用方便的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法。该方法能够解决电场传感器实际应用中温度引起的温度漂移和时间漂移这一关键问题，实现实时、准确地检测待测电场，对于电场传感器的实际应用具有非常重要的意义。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其中所述电场传感器包括至少一个电场测量单元1和至少一个参比单元2，所述参比单元2用于对所述电场传感器的温度漂移和时间漂移进行补偿；所述方法具体包括：通过对所述电场测量单元1的输出信号与所述参比单元2的输出信号进行差分，计算所述电场传感器的差分输出；根据所述电场传感器的差分输出及其校准参数，推算被测电场的大小。
常规的补偿方法难于有效补偿传感器的无确定性规律的温度漂移及时间漂移。本发明中，由于电场敏感芯片具有同样的加工参数，电场检测单元与参比单元的温度特性和时间漂移特性具有很好的一致性，因此通过上述差分补偿方法，可以有效抑制传感器的温度漂移和时间漂移，从而提高电场探测的准确性和可靠性。
附图说明
图1为本发明采用实时差分补偿方法的电场传感器结构示意图；
图2为本发明提出的实时差分补偿方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体说明本发明的具体实施例，其核心是采用电场测量单元和参比单元并对其信号进行处理，实际应用中可以采用不同的实施方案。
参见图1，本发明所例举的采用实时差分补偿方法的电场传感器结构主要包括电场测量单元1、参比单元2、基板3和基板4，其布置方式可以为：将电场测量单元1和参比单元2置于基板3的同一侧面上或相对的两个侧面上，也可以将电场测量单元1和参比单元2分别置于基板3及基板4上的方向相对的侧面上或者方向相同的侧面上。其中，电场测量单元和参比单元都各自包括一个或多个采用同样的加工参数制备的电场敏感芯片，且电场测量单元中至少有一个电场敏感芯片不被电场屏蔽。基板可以是一块或者多块组成。存在多块基板时，相互之间可以通过焊接、螺栓连接或者支撑结构固定等多种方式进行安装。所述电场传感器为直流电场传感器或交流电场传感器。所述电场敏感芯片可以是基于不同检测原理的电场敏感元件；所述电场敏感芯片可以是封装的或裸露的电场敏感元件。
参见图2，本发明所述的电场传感器的温度漂移和时间漂移实时差分补偿方法步骤为：
步骤1.施加一定大小的外电场E0(一般为E0＝0，V/m)，首先测量在温度T0时，电场测量单元1和参比单元2的初始输出值，分别表示为V1，T0，V2，T0。
步骤2.继续保持施加的电场不变，测量在一定的温度范围内不同温度值(T1，T2……T)下电场测量单元1的输出值V1，T1、V1，T2......V1，T和参比单元2的输出值V2，T1、V2，T2......V2，T。
步骤3.确定差分补偿系数k，对电场测量单元1的输出和参比单元2的输出随温度变化进行曲线拟合，建立两者之间的函数表达式。
计算对应在不同温度点的差分补偿系数k为电场测量单元1的信号输出变化量除以参比单元2的信号输出变化量，其中所述的输出变化量为步骤2所述的不同温度值的输出值与步骤1所述的初始输出值的差值。如果电场测量单元1的输出和参比单元2的输出随温度变化趋势一致性好，则所述的差值取最大值、平均值、最小二乘拟合值、残差最小的值中的一个，或者取所述最大值、平均值、最小二乘拟合值、残差最小的值中的一个乘以一个预定系数后得到的值，其中所述预定系数为与温度相关的函数计算得到的或者为一设定的常数等。如果电场测量单元1的输出和参比单元2的输出随温度的变化趋势一致性较差，表示变化趋势的变化率不相同，则通常情况下对补偿系数实行分段计算的方式。
步骤4.计算电场传感器的实时差分输出，具体为将电场测量单元1的输出信号与参比单元2的输出信号进行差分，即电场测量单元1的输出减去参比单元2的输出与差分补偿系数k的乘积，并采用相应的算法进行信号的后续处理。
步骤5.将电场传感器至于电场标定设备中，按程序要求进行校准，确定电场校准参数。根据电场传感器的差分输出及其校准参数，实时、准确地推算出被测电场大小。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，所述电场传感器包括至少一个电场测量单元(1)和至少一个参比单元(2)，所述参比单元(2)用于对所述电场传感器的温度漂移和时间漂移进行补偿；其特征在于：
通过对所述电场测量单元(1)的输出信号与所述参比单元(2)的输出信号进行差分，计算所述电场传感器的差分输出；
根据所述电场传感器的差分输出及其校准参数，推算被测电场的大小；
其中，所述电场测量单元(1)和所述参比单元(2)都各自包括一个或多个电场敏感芯片，其中所述电场测量单元(1)至少有一个电场敏感芯片不被电场屏蔽。
2.根据权利要求1所述的电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其特征在于，所述计算所述电场传感器的差分输出的过程如下：
步骤1、首先测量在初始温度T0时，所述电场测量单元(1)和所述参比单元(2)的初始输出值，分别表示为V1，T0，V2，T0；
步骤2、测量在一定的温度范围内不同温度值(T1，T2……T)下所述电场测量单元(1)的输出值V1，T1、V1，T2……V1，T和所述参比单元(2)的输出值V2，T1、V2，T2……V2，T；
步骤3、确定差分补偿系数k；
步骤4、计算电场传感器的实时差分输出。
3.根据权利要求2所述的电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其特征在于，
所述步骤3中确定差分补偿系数k的计算方式为：所述电场测量单元(1)的信号输出变化量除以所述参比单元(2)的信号输出变化量，其中所述的信号输出变化量为步骤2所述的不同温度值的输出值与步骤1所述的初始输出值的差值。
4.根据权利要求3所述的电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其特征在于，如果所述电场测量单元(1)的输出值和所述 参比单元(2)的输出值随温度变化趋势一致性好，则所述的差值取最大值、平均值、最小二乘拟合值、残差最小的值中的一个，或者取所述最大值、平均值、最小二乘拟合值、残差最小的值中的一个乘以一个预定系数后得到的值，其中所述预定系数为与温度相关的函数计算得到的或者为一设定的常数；如果上述两者的变化趋势一致性差，则差分补偿系数k实行分段计算的方式。
5.根据权利要求2所述的电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其特征在于，
所述步骤4中所述电场传感器实时差分输出如下计算：
所述电场测量单元(1)的输出减去所述参比单元(2)的输出与差分补偿系数的乘积，并采用相应的算法进行信号处理。
6.根据权利要求1所述的电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其特征在于，所述电场传感器为直流电场传感器或交流电场传感器。
7.根据权利要求1所述的电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其特征在于，所述电场测量单元(1)中的电场敏感芯片、所述参比单元(2)中的电场敏感芯片均可以是基于不同检测原理的电场敏感芯片；且所述的电场敏感芯片可以是封装的或裸露的电场敏感芯片。
8.根据权利要求1所述的电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其特征在于，所述电场传感器还包括一个或多个基板。
9.根据权利要求1所述的电场传感器的温度漂移及时间漂移实时差分补偿方法，其特征在于：所述电场传感器还包括基板，所述电场测量单元(1)和所述参比单元(2)分别置于基板的同一侧面上或相对两个侧面上；
或者所述电场传感器还包括第一基板(3)和第二基板(4)，所述电场测量单元(1)和所述参比单元(2)分别置于第一基板(3)和第二基板(4)方向相对或相同的两个侧面上。
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