CN106125028B - 电场传感器动态测试标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电场传感器动态测试标定装置。该装置包括：屏蔽箱体；电场产生组件，固定于屏蔽箱体内，用于产生电场；运动控制组件，固定于屏蔽箱体内，实现待测电场传感器位置和姿态的调节；数据采集组件，与运动控制组件和待测电场传感器电性连接，用于采集关于待测电场传感器输出、待测传感器运动姿态的数据；以及分析控制系统，与运动控制组件、数据采集组件电性连接，用于待测传感器位置、姿态控制和数据处理分析。本发明可以对一维、三维、微型等多种结构的电场传感器进行自动化动态测试标定，具有多功能、高效、操作简便等特点，更好满足应用要求。

Description

电场传感器动态测试标定装置

技术领域

本发明设计传感器技术领域和仪器仪表领域，尤其涉及一种电场传感器动态测试标定装置。

背景技术

电场传感器是测量电场强度的仪器，在气象探测、航空航天、电力电子、智能电网、工业安全、国防、科学研究等领域具有非常重要的作用。

电场传感器动态测试标定装置为电场传感器的特性参数确定和性能评估提供了有效手段和依据，对电场传感器的应用和发展具有重要意义。电场传感器动态测试标定装置本身的性能和精度直接影响电场传感器的实际探测和创新研究。

目前国际上并没有统一的电场传感器检测标准，一般采用在两块平行金属板上加载稳定电压产生均匀电场，而后利用该均匀电场对电场传感器进行标定。然而现有测试设备一般仅能进行一维电场测试标定，不能连续完成三维方向的测试标定；无法调控测试设备内部的温度、湿度、气压、空间电荷等环境参数，不能考察温度、湿度、气压、空间电荷等因素对电场传感器性能的影响，因而不能对电场传感器在不同领域应用环境下的性能进行研究、测试和标定；不能对空间电荷效应进行动态实验，难以对电场传感器表面电荷积累进行机理研究与分析，不利于探索电场传感器抗静电干扰、抑制表面电荷积累的方法和技术途径。

当前的电场传感器动态测试标定装置难以满足电场传感器研制过程中针对不同应用领域和应用环境下电场传感器性能的实验研究和测试标定，更无法用于电场传感器新结构、新材料、新封装方法等方面所涉及的各种物理问题的实验研究和探索，制约了高性能新型电场传感器的研发。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种电场传感器动态测试标定装置。

(二)技术方案

本发明实施例的一个方面提供了一种电场传感器动态测试标定装置。该电场传感器动态测试标定装置包括：屏蔽箱体；电场产生组件，固定于所述屏蔽箱体内，用于产生电场；运动控制组件，固定于所述屏蔽箱体内，实现待测电场传感器位置和姿态的调节；数据采集组件，与所述运动控制组件和待测电场传感器电性连接，用于采集关于待测电场传感器输出、待测传感器运动姿态的数据；以及分析控制系统，与所述运动控制组件、数据采集组件电性连接，用于待测传感器位置、姿态控制和数据处理分析。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明电场传感器动态测试标定装置至少具有以下有益效果其中之一：

(1)与已有的电场传感器标定设备相比，本发明可以对一维、三维、微型等多种结构的电场传感器进行自动化标定测试，获取电场传感器静态性能指标。

(2)采用运动控制组件能够对三维电场传感器进行连续动态的测试标定，与传统人为调节传感器姿态相比极大地提升了三维电场传感器的测试效率，减小了操作过程中触电的危险。

(3)能够对传感器表面电荷进行监测，有利于对传感器表面电荷积累进行机理研究与分析，探索传感器抗静电干扰、抑制表面电荷积累的方法和技术途径。

(4)能够提供均匀的离子流电场环境，为研究空间电荷对传感器输出特性影响，分析直流高压输电领域对传感器的性能需求，创造了便利条件。

(5)能够监测控制传感器测试标定过程中的温度、湿度、气压等环境参数，为传感器进行环境适应性试验提供了可靠的技术手段。

(6)采用工控机和计算机终端对标定装置中的各个参数进行分析处理并控制相应执行器工作，能够精确地设定标定测试环境，提高标定精度。针对传感器测试标定，计算机终端远程控制高压电源，实现测试箱内部电场的自动化高精度调节，对传感器输出数据进行自动化采集和数据处理，获取传感器各项技术指标，提升测试标定效率。

由于具有上述优点，本发明能够广泛用于电场传感器的批量化标定测试，具有较强的使用价值和较好的应用前景。

附图说明

图1为根据本发明实施例电场传感器动态测试标定装置的整体结构的示意图；

图2为图1所示电场传感器动态测试标定装置中各组成部分的立体透视图；

图3为图1所示电场传感器动态测试标定装置中屏蔽箱体的立体透视图；

图4为图1所示电场传感器动态测试标定装置内部结构的示意图；

图5为图1所示电场传感器动态测试标定装置中运动控制组件与表面电荷测量组件示意图

图6为图1所示电场传感器动态测试标定装置中三种典型的传感器夹具的示意图。

【主要元件】

1-屏蔽箱体；

10-环境变量接口； 11-高压直流电源接头； 12-单开门结构；

14-玻璃观察窗； 13-门把手； 15-不锈钢承重板；

16-第二承重滑轨组； 17-第一承重滑轨组；

2-离子流电场产生组件；

18-A极板； 19-B极板； 20-C极板；

21-D极板； 22-E极板； 23-绝缘支撑柱

24-单开门绝缘结构； 25-导电金属丝； 26-等分压电阻；

3-运动控制组件；

27-伺服电机； 28-电机传动轴； 29-传感器连接头；

33-传感器夹具； 30-支撑架；

4-表面电荷测量组件；

31-表面电荷测量单元； 32-支架；

33、34和35-传感器夹具；

5-数据采集组件；

6-环境变量控制组件；

7-计算机终端；

8-直流高压电源组件；

9-数据通讯接口。

具体实施方式

本发明提出了一种新型的电场传感器动态测试标定装置，其不仅能够对一维、三维、微型等多种结构电场传感器进行测试与标定，还能在标定过程中控制电场传感器的位置和姿态调节空间离子流密度、温度、湿度和气压等环境参数，实现不同应用环境下的电场传感器性能研究和动态测试标定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种电场传感器动态测试标定装置。请参照图1，该电场传感器动态测试标定装置包括：屏蔽箱体1、离子流电场产生组件2、运动控制组件3、表面电荷测量组件4、数据采集组件5、环境变量控制组件6、分析控制系统和直流高压电源组件8等。

如图1所示，本实施例中，离子流电场产生组件2固定于屏蔽箱体1内，能够提供高精度均匀电场，同时向该电场内发射离子流。运动控制组件3固定于屏蔽箱体1内，用于将待测电场传感器伸入上述均匀电场内，实现在标定过程中待测电场传感器在所述均匀电场内位置和姿态的三维调节。表面电荷测量组件4用于测量待测电场传感器表面电荷分布；环境变量控制组件6用于实时调整屏蔽箱体内部的温度、湿度和气压环境参数；数据采集组件5可以采集屏蔽箱体内部传感器输出信号、待测电场传感器的姿态、待测电场传感器表面电荷分布和环境参数、待测电场传感器的输出等数据，并采用有线或无线的方式传输至分析控制系统。直流高压电源组件8包括：低端正极性直流高压电源、低端负极性直流高压电源、高端正极性直流高压电源、高端负极性直流高压电源，该四类电源能够给离子流电场产生组件2的各个部分提供所需直流高压电源。分析控制系统对各部分进行控制并对数据进行处理分析。

以下对本实施例电场传感器动态测试标定装置的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，如图3所示，屏蔽箱体1为闭合的长方形箱体，侧面有单开门结构12，门上安装玻璃观察窗14和门把手13，用于对电场传感器动态测试标定装置的工作状态进行观察，并方便待测电场传感器的取放和测试标定装置内部清洁。屏蔽箱体内还布置有监测温度、湿度、气压的传感器，用以获取环境参数信息。此外，箱体侧壁连接环境变量控制组件6用以调节箱体内温度、湿度、气压等环境参数。箱体侧壁上还布置有高压直流电源接头11用以将直流高压电源组件8所提供的直流高压提供至离子流电场产生组件2的各个部分。箱体侧壁上有布置有数据通讯接口9和环境变量接口10。其中，数据通讯接口9用于连接数据采集组件5和箱体侧壁的温度、湿度、气压的传感器；环境变量接口10作为调节箱内环境变量的通道。

需要注意的是，屏蔽箱体1的内壁采用无磁性的不锈钢板材。并且，屏蔽箱体1各个面的结合处通过箔导电胶带、焊接金属、合金或镀导电膜的方式进行连接，以减小外界电磁环境对箱体内部电场的干扰，实现电磁屏蔽的效果。

本实施例中，电场传感器动态测试标定装置的内部结构如图4所示。在屏蔽箱体1内部，布置有：离子流电场产生组件2、运动控制组件3、表面电荷测量组件4和承重板15。其中，离子流电场产生组件2事实上包括两部分：电场产生组件和离子流产生组件。在下文中，为方便说明，将离子流电场产生组件2作为一个整体进行说明。

离子流电场产生组件2的整体处于屏蔽箱体内，由多层极板结构和绝缘支撑结构组成。

本实施例中，请参照图2及图4，离子流电场产生组件2由从上到下依次平行放置的5层金属极板、5根绝缘支撑柱23与单开门绝缘结构24构成。5层金属测试极板分别为A极板18(作为金属盖板)、B极板19(作为电晕丝板)、C极板20(作为离子流控制板)、D极板21(作为第一电场极板)、E极板22(作为第二电场极板)。

其中A极板18、B极板19、C极板20分别加载高精度高稳定性的直流高压电源，用来产生和控制空间离子流，其中：

(1)A极板18作为金属盖板，用于吸收异极性的离子，驱动同极性的离子朝向均匀电场方向运动，形成空间离子流；

(2)B极板19作为电晕丝板，由1条或1条以上电晕丝平行排列而成，用以产生空间离子流；

(3)C极板20作为离子流控制板，用于控制进入均匀电场的空间离子流密度。

D极板21作为第一电场极板、E极板22作为第二电场极板，两者分别加载高精度高稳定性的直流高压电源，从而在两者之间形成高精度均匀电场，待测电场传感器在D极板21和E极板22中间位置进行测试标定。

各层极板的材料选自金属、合金或表面镀有导电膜层的材料等。其中，第一电场极板为能使离子流通过的网孔板；第二电场极板可替换为布置有传感器测试孔的平板或布置有离子流监测单元的平板。

请参照图2及图4，5层极板依次平行放置，并采用具有良好刚性的若干根绝缘支撑柱隔离固定在不锈钢承重板15上。

在D极板21和E极板22之间的边沿处，沿绝缘支撑柱方向设置若干导电金属丝25和等分压电阻26构成的等电位结构，以在第一电场极板和第二电场极板之间形成若干个等电位层，从而减少边缘效应的影响。

离子流电场产生组件虽然没有侧壁，但是存在等电位结构，不便于待测电场传感器取放。如图4所示，在离子流电场产生组件2的一侧面上设置绝缘单开门结构24，该绝缘单开门结构24中间部分镂空，镂空部分同其他侧面一样设置等电位层。绝缘单开门结构24的左右边缘框固定在两侧的绝缘支撑柱上。在需要取放待测电场传感器时，将单开门绝缘结构24打开，则镂空部分的等电位结构的导电金属丝和分压电阻随之移动到其他位置，从而在取下或安装待测电场传感器时不会受到导电金属丝和分压电阻等的影响，同时保证了操作的安全性。

本领域技术人员应当理解，该绝缘单开门结构24还可以采用其他类型的绝缘门状结构来代替，例如：双开门、侧向推拉门等等，只要能够将所在侧面的等电位层移开，从而在此侧面提供一操作窗口，便于待测电场传感器的取放即可。

本实施例中，离子流电场产生组件2由绝缘支撑柱23固定在不锈钢承重板15上。在屏蔽箱体1的底壁上，安装有第一承重滑轨组17。在该不锈钢承重板15上，安装有与该第一承重滑轨组匹配的滑块。该滑块卡嵌至该第一承重滑轨组17中，从而使离子流电场产生组件2可以水平拉出屏蔽箱体1，用于清洁及其它操作。其中，不锈钢承重板15也是采用无磁性的不锈钢板材加工而成。

本实施例中，运动控制组件3与表面电荷测量组件4结构图如图5和图6所示。其中：运动控制组件3包括：支撑架30、伺服电机27、电机传动轴28、传感器连接头29和传感器夹具。

本实施例中，支撑架30处于离子流电场产生组件外部，其在升高至第一电场极板和第二电场极板之间的合适高度后，设置有一安装板。伺服电机27固定在该安装板上，其输出轴连接电机传动轴28后朝向电场伸出。电机传动轴的前端固定传感器连接头。传感器夹具固定于传感器连接头上，用于固定待测电场传感器。通过上述设计，由伺服电机27控制在标定过程中调节传感器的位置和姿态。

本实施例中，运动控制组件的电机传动轴、传感器连接头及传感器夹具33、34和35采用具有良好刚性的绝缘材料加工。

传感器夹具为可拆卸结构，可以根据测试需求和传感器结构进行加工。图6为图1所示电场传感器动态测试标定装置中典型的传感器夹具的示意图。如图6所示，传感器夹具可以为：一维电场传感器夹具33，正交三维电场传感器夹具34，35等。此外，传感器夹具可根据所需测试的传感器结构灵活设计，并不局限于上文给出的几种结构。

表面电荷测量组件4与运动控制组件3结合，能够对传感器表面进行扫描式测量，便于研究传感器表面电荷分布情况。请参照图5，该表面电荷测量组件4包括：表面电荷测量单元31和支架32。其中，支架32为可调节结构，其末端可拆卸地固定至支撑架的安装板上，其前端固定表面电荷测量单元31。通过该支架32，表面电荷测量单元31移动至靠近待测电场传感器的位置，从而对待测电场传感器的表面电荷进行测量。

需要特别注意的是，支架32采用具有良好刚性的绝缘材料加工为可拆卸结构，便于适应不同电场传感器和表面电荷测量单元。并且，可调节结构的支架32可以实现长度方面的调节(伸缩调节)、高度方向的调节(俯仰调节)、水平方向的调节(偏转调节)。

在不锈钢承重板15上还安装有第二承重滑轨组16。支撑架30的底部安装有与该第二承重滑轨组16匹配的滑块。该滑块卡嵌至该第二承重滑轨组16中，从而运动控制组件3和表面电荷测量组件4可以从离子流电场产生组件2抽出，便于传感器取放和其它维护。

本实施例中，屏蔽箱体1的箱体侧面，安装高压电源接头11，直流高压电源组件8通过高压电源接头11将电压引入到箱体内部，再通过引线接到各极板上。A极板18与B极板19加载大小相同的高端正极性直流电压，用以产生空间电荷并驱动空间电荷向下运动形成空间离子流。C极板20加载高端正极性直流电压，但是要小于A极板18与B极板19上的电压。D极板21加载高端正极性直流电压，E极板22可以接地，也可以加载高端负极性直流电压。D极板21与E极板22之间形成均匀离子流电场。当不需要离子流环境时，A极板18、B极板19与C极板20需要接地，D极板21与E极板22此时负极性高压电源和正极性高压电源连接位置可互换，互换后，加载在D极板21和E极板22上的电压极性相反，极板间产生的电场强度极性相反。需特别注意的是，低端高压电源与高端高压电源不可同时加载到极板上。

本实施例中，直流高压电源组件8所采用的高压电源有6台，其中高端正极性高压电源3台，高端负极性高压电源1台，低端正极性高压电源1台，低端负极性高压电源1台。其中，所述的低端正极性直流高压电源、低端负极性直流高压电源用于提供低端高精度电压；高端正极性直流高压电源和高端负极性直流高压电源用于提供高端高精度电压。

需要注意，当需要产生离子流电场环境时，A极板18、B极板19与C极板20上所加载电压都要大于D极板21上电压。

本实施例中，数据采集组件5采集标定装置内部的温度、湿度、气压、离子流密度、电机旋转角度、传感器表面电荷分布和传感器输出等数据，并将数据输出到分析控制系统进行分析处理。分析控制系统采用远程控制方式调节加热器、制冷器、加湿器、除湿器、空气压缩机、伺服电机、高压电源等设备的工作状态。

本实施例中，分析控制系统由计算机终端7来实现，其具有自动化控制和数据处理分析功能。通过计算机软件能够实现对电场传感器动态测试标定装置的电场强度、电场测量点、时间间隔、传感器姿态角度、温度、湿度、气压、离子流密度等参数的调节；同时能够自动对电场传感器串行数据输出或模拟电压电流信号输出数据进行处理分析得到传感器斜率、截距等参数；并能进行传感器不确定度、线性度、重复性、测量误差等静态性能指标的自动测试。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明电场传感器动态测试标定装置有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)传感器夹具，可以采用可调节大小的绝缘夹子或绝缘基座，用以适应不同尺寸和形状的传感器。

(2)离子流测量部分5层极板的布置方式可以按顺序依次平行倒置(即从上到下依次为：22，21，20，19，18)，或平行侧置(即从左到右依次为：18，19，20，21，22；或从左到右依次为：18，19，20，21，22)，在这种情况下，承重板和滑轨结构将会适应性调整。

(3)在不需要离子流的情况下，金属盖板、电晕丝板和离子流控制板也可以省略。

(4)关于等电位层，其还可以是除本发明实施例给出形式之外的其他形式。

此外，本领域技术人员可以理解的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。并且，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明电场传感器动态测试标定装置通过对离子流电场产生组件以及运动控制组件的独特设计，能够实现对电场传感器进行连续动态的测试标定以及表面电荷积聚消散动态特性测试，同时能够通过控制温度、湿度、气压和空间离子流密度等参量模拟高空和地面大气电场、电网直流输电线路等应用环境条件，实现不同模拟环境下电场传感器性能动态测试标定，从而满足不同目的和应用场景下电场传感器研制的需求，具有良好的应用前景。

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 (13)

1.一种电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，包括：

屏蔽箱体(1)；

电场产生组件，固定于所述屏蔽箱体内，用于产生电场；

运动控制组件(3)，固定于所述屏蔽箱体内，实现待测电场传感器位置和姿态的调节；

数据采集组件(5)，与所述运动控制组件(3)和待测电场传感器电性连接，用于采集关于待测电场传感器输出、待测传感器运动姿态的数据；以及

分析控制系统，与所述运动控制组件(3)、数据采集组件(5)电性连接，用于待测传感器位置、姿态控制和数据处理分析；

其中，所述电场产生组件包括第一电场极板和第二电场极板；

所述运动控制组件包括：支撑架(30)、伺服电机(27)、电机传动轴(28)、传感器连接头(29)和传感器夹具；

其中，所述支撑架(30)在所述第一电场极板和所述第二电场极板之间某一高度设置安装板，所述伺服电机(27)固定在该安装板上；所述伺服电机的输出轴连接电机传动轴(28)；所述电机传动轴的前端固定传感器连接头(29)；所述传感器夹具固定于所述传感器连接头(29)上，用于固定待测电场传感器。

2.根据权利要求1所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述电场产生组件还包括支撑结构和/或离子流产生组件。

3.根据权利要求2所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述第一电场极板和第二电场极板平行放置，所述第一电场极板为网孔板，所述第二电场极板的中部为可替换结构。

4.根据权利要求2所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述离子流产生组件包括：平行设置的金属盖板、电晕丝板、离子流控制板，三者与所述第一电场极板和第二电场极板相互平行；所述离子流控制板靠近第一电场极板。

5.根据权利要求4所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述金属盖板、电晕丝板、离子流控制板、第一电场极板和第二电场极板依次设置，由若干根的绝缘支撑柱(23)电性隔离并定位。

6.根据权利要求2所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述第一电场极板和第二电场极板之间的边沿处，沿绝缘支撑柱方向平行安装若干个等电位结构。

7.根据权利要求1所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，在所述电场产生组件的一侧面上设置门状绝缘结构，所述侧面上的等电位结构设置于所述门状绝缘结构上；

所述门状绝缘结构打开或移动，将设置于其上的等电位结构由原位置移开，从而在所述侧面上提供一操作窗口。

8.根据权利要求1所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于：所述数据采集组件(5)，包括数据采集单元，表面电荷测量组件和或温度传感器和/或湿度传感器和/或气压传感器，用于获取待测电场传感器输出、待测传感器运动姿态和/或环境参数信息和或表面电荷信息。

9.根据权利要求8所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述表面电荷测量组件(4)包括：表面电荷测量单元(31)和支架(32)，其中：所述支架(32)的末端固定至支撑架的安装板上，其前端延伸至靠近待测电场传感器的位置，用于固定所述表面电荷测量单元(31)。

10.根据权利要求9所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述支架(32)的末端可拆卸地固定至支撑架的安装板上；所述支架(32)为可实现伸缩、俯仰、偏转调节的可调节结构。

11.根据权利要求1所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述分析控制系统是计算机终端、工控机或具有自动化控制和数据处理分析功能的设备。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述装置还包括：环境变量控制组件(6)，用于调节所述屏蔽箱体内的温度和/或湿度和/或气压；

所述分析控制系统与所述数据采集组件(5)和所述环境变量控制组件(6)电性连接，用于由所述数据采集组件(5)获取环境参数信息，并向所述环境变量控制组件(6)发送温度和/或湿度和/或气压的控制信号。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的电场传感器动态测试标定装置，其特征在于，所述屏蔽箱体(1)的内壁采用无磁性的不锈钢板材制备，各个面的结合处通过箔导电胶带，焊接金属、合金或镀导电膜的方式进行连接。