CN106199223B - 一种便携式电场测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种便携式电场测量传感器，包括第一电极层、介质层及第二电极层；其中所述介质层位于第一电极层和第二电极层之间，由里及外的依次分布着第一电极层、介质层及第二电极层，所述第一电极层和第二电极层均为球形金属壳结构，其中第一电极层为整体球形金属壳，第二电极层被均分成了上下两个半球，上下半球的连接部分采用金属密封；在所述第一电极层和第二电极层的外表面分别设置第一导线和第二导线并连接至外部，第一电极层和第二电极层用于在电场中产生感应电压；所述第一导线和第二导线用于输出电压信号，即为传感器在电场中所产生的感应电压U_AC。本装置体积小、测量方便且易于随身佩戴。

Description

一种便携式电场测量传感器

技术领域

本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种用于安全防护的电场测量装置。

背景技术

在高压输变电电力技术领域，由于其固有特性，高压输变电设备会在其周围空间产生工频电场。高强度的工频电场可能引发火花放电或瞬时电击，存在极大安全隐患；而长时间暴露于工频电场环境中，对人体也具有潜在的健康危害。因此，各个国家或者国际组织也针对不同人群制定了工频电场安全限值。电力工作人员不可避免地处于较复杂的工频电磁环境之中，如果能够为他们配备可随身携带的、可对所处空间的电场进行实时测量并且进行超限预警的仪器，将会极大地保障他们的人身安全和健康。

电场测量主要分为以光学原理为基础的测量和以电学原理为基础的测量，其中电学原理为基础的测量因为其原理简单、传感器制作方便、经济实惠等优点成为目前的电场测量主要方法。从结构来看，有平板型、立方体型、双半球型(也被称为球型，由上下半球构成，与本发明有本质区别)。目前，常用的商用工频电场测量仪有德国Narda的EFA系列、意大利PMM系列、法国CA系列等。但是使用这些仪器进行电场测量时，都要求测量人员与传感器保持一定距离以避免人体造成的电场畸变影响测量结果，传感器需使用支架进行固定，操作繁琐，不能满足便携、实时测量的需求，因此需要设计新型的电场测量仪，其核心就是传感器设计。传感器的感应电压通过差分放大电路采集，经滤波电路滤波后送入单片机，通过预先设定的比例系数计算得出待测点电场强度并进行显示，再加上报警系统，上述整体构成便携式电场测量仪。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种体积小、测量方便且易于随身佩戴的便携式电场测量传感器。本发明的技术方案如下：

一种便携式电场测量传感器，包括第一电极层、介质层及第二电极层；其中所述介质层位于第一电极层和第二电极层之间，由里及外的依次分布着第一电极层、介质层及第二电极层，所述第一电极层和第二电极层均为球形金属壳结构，其中第一电极层为整体球形金属壳，第二电极层被均分成了上下两个半球，上下半球的连接部分采用金属密封；在所述第一电极层和第二电极层的外表面分别设置第一导线和第二导线并连接至外部，第一电极层和第二电极层用于在电场中产生感应电压；所述第一导线和第二导线用于输出电压信号，即为传感器在电场中所产生的感应电压U_AC。

进一步的，所述第二电极层上下半球的连接部分密闭采用锡进行密封，介质层采用环氧树脂填充介质。

进一步的，所述第一电极层和第二电极层均采用铜，第二电极层的球半径为R＝21mm，厚度为d1＝1mm，第一电极层的球半径为R0＝17.5mm，厚度为d2＝1mm。

进一步的，当将所述传感器放入电场时，根据电磁屏蔽理论得第一电极层和第二电极层之间的电场强度E_AC与待测点原电场强度E_S成正比，而内外球之间的电压U_AC与E_AC成正比，因而存在如下关系：U_AC＝k₁E_S。

进一步的，当将所述传感器所处点的原电场视为有效值为U_S的工频电压产生的电场时，U_S与待测点电场强度E_S存在如下关系：

E_S＝k₂U_S，k₂表示比例系数 (2)

因此只需验证传感器内外球之间的感应电压与场源的电压大小成正比，即：

U_AC＝k₃U_S，k₃表示比例系数 (3)

通过公式(2)和(3)联立求得公式(1)中的系数k₁：

进一步的，所述传感器的第一电极层和第二电极层的感应电压U_AC利用差分放大电路进行采集。

进一步的，所述感应电势差U_AC的采集电路包括容性阻抗和阻性阻抗及差分放大器电路，其中输入电阻为10～20GΩ，输入电容为1～2pF。

本发明的优点及有益效果如下：

1.体积小、重量轻，适于佩戴在手臂或腰间；

2.在人体行进过程中、有一定幅度的躯体摆动情况下，能够实现稳定、准确的电场测量，反映空间电场的实际强度；

3.适用于多电气设备产生的复杂工频电磁环境的测量。

本装置设计了一种大球壳套小球壳的双球型电场传感器，内、外金属球壳分别为电容的两级，每一个电级都是一个整球壳，增大感应面积，可以缩小体积，而采用球壳可减轻重量；由于近乎完全对称的结构，使得测量结果不会因测量角度的变化而变化，测量稳定性好。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例双球型传感器结构示意图；

图2是内外球壳电势差有效值与激励电压关系曲线

图3激励电压与待测点电场强度的关系曲线

图4传感器电压采集电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明的技术方案如下：

一种便携式电场测量传感器，包括第一电极层、介质层及第二电极层；其中所述介质层位于第一电极层和第二电极层之间，由里及外的依次分布着第一电极层、介质层及第二电极层，所述第一电极层和第二电极层均为球状结构，其中第一电极层为整体球状，第二电极层被均分成了上下两个半球，上下半球的连接部分密闭；在所述第一电极层和第二电极层的外表面分别设置第一导线和第二导线并连接至外部，第一电极层和第二电极层用于在电场中产生感应电压；所述第一导线和第二导线用于输出电压信号，即为传感器在电场中所产生的感应电压U_AC。

1电场传感器结构与材料

本发明的双球形电场传感器，主要有内球(第一电极层)、外球(第二电极层)、介质三部分组成，如图1所示为双球型传感器结构图。

其中：A、B为两个半径均为R的铜半球壳，成型后接口处需密封；C为半径R₀的铜球壳；D为环氧树脂填充介质。在内外球壳上焊接漆包线引出，其输出信号即为传感器在电场中所产生的感应电势差U_AC。

2测量原理

当放入传感器后，空间电场会在传感器表面发生反射和透射，由电磁屏蔽理论可知，传感器内外球之间的电场强度E_AC与待测点电场强度E_S成正比，而内外球之间的电势差U_AC与E_AC成正比，因而存在如下关系：

U_AC＝k₁E_S (1)

因此，只需测量内外球的电势差U_AC，就可以通过校准比例系数k₁来计算待测点的电场。

在实际中，为了方便进行仿真验证和实验验证，在导电棒上施加电压有效值为U_S的工频电压，在空间产生工频电场，U_S与待测点电场强度E_S存在如下关系：

E_S＝k₂U_S (2)

因此只需验证传感器内外球之间的电势差与场源的电压大小成正比，即：

U_AC＝k₃U_S (3)

通过公式(2)和(3)联立求得公式(1)中的系数k₁：

3测量原理的验证和系数标定

3.1传感器结构尺寸与实验参数

外球半径为R＝21mm，厚度为d₁＝1mm，内球半径为R₀＝17.5mm，厚度为d₂＝1mm。内部球和外部球材质均为铜，两球之间的填充介质为环氧树脂。设置单相导线高度距离传感器垂直距离1.5m。

3.2不同激励电压对传感器感应电压的影响

以铜材质球壳为例，将输入正弦电压的有效值分别设置为1kV、2kV、……、10kV，求得不同输入下的感应电压有效值，表1为不同电压等级下U_S的值。对表1中的数据进行拟合，得到图2中的激励电压与U_AC的关系曲线。

表1不同激励电压下的内外球壳电势差有效值

图2内外球壳电势差有效值与激励电压关系曲线

由上图可以看出，传感器感应电压有效值与导线电压成正比，k₃＝1.429。

3.3不同激励电压对待测点原电场的影响

当不放置传感器时，设置输入正弦电压的有效值分别为1kV、2kV、3kV、……10kV，求得不同输入下的待测点的电场有效值，表2为不同电压等级下待测点电场强度有效值E_S的值。对表2中的数据进行拟合，得到图3中的激励电压U_S与E_S的关系曲线。

表2不同激励电压下的待测点电场强度有效值

图3激励电压与待测点电场强度的关系曲线

由上图可以看出，待测点电场强度与激励电压成正比，k₂＝0.279。因此，只需根据公式(4)，联立公式(2)和(3)就可求得公式(1)中的比例系数k₁＝5.12，也就是求出传感器内外球之间的电势差与待测点电场强度的关系。

4电压采集电路

在交变电场中，测量传感器两端的电压如图4所示。

由图4可以看出，传感器由感应电压、内阻抗组成，其中内阻抗又由容性阻抗和阻性阻抗组成。在低频电场中由于容性阻抗增大，为了测量电压U_M更加接近U_AC，需要匹配阻抗足够大，由于运算放大器差动输入时的输入阻抗很大(其中输入电阻为10～20GΩ，输入电容为1～2pF)。因此对传感器的感应电压的采集采用差分放大的方式增加匹配阻抗，使U_M(t)≈U_AC(t)。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种便携式电场测量传感器，包括第一电极层、介质层及第二电极层；其中所述介质层位于第一电极层和第二电极层之间，由里及外的依次分布着第一电极层、介质层及第二电极层，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层均为球形金属壳结构，其中第一电极层为整体球形金属壳，第二电极层被均分成了上下两个半球，上下半球的连接部分采用金属密封；在所述第一电极层和第二电极层的外表面分别设置第一导线和第二导线并连接至外部，第一电极层和第二电极层用于在电场中产生感应电压；所述第一导线和第二导线用于输出电压信号，即为传感器在电场中所产生的感应电压U_AC。

2.根据权利要求1所述的便携式电场测量传感器，其特征在于，所述第二电极层上下半球的连接部分采用锡进行密封，介质层采用环氧树脂填充介质。

3.根据权利要求1所述的便携式电场测量传感器，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层均采用铜。

4.根据权利要求1所述的便携式电场测量传感器，其特征在于，当将所述传感器放入电场时，根据电磁屏蔽原理得第一电极层和第二电极层之间的电场强度E_AC与待测点原电场强度E_S成正比，而内外球之间的电压U_AC与E_AC成正比，因而存在如下关系：U_AC＝k₁E_S。

5.根据权利要求4所述的便携式电场测量传感器，其特征在于，当将所述传感器所处点的原电场视为有效值为U_S的工频电压产生的电场时，U_S与待测点原电场强度E_S存在如下关系：

E_S＝k₂U_S，k₂表示比例系数 (2)

因此只需验证传感器内外球之间的电压U_AC与传感器所处点的原电场大小成正比，即：

U_AC＝k₃U_S，k₃表示比例系数 (3)

通过公式(2)和(3)联立求得公式(1)中的系数k₁：

6.根据权利要求1所述的便携式电场测量传感器，其特征在于，所述传感器的第一电极层和第二电极层的感应电压U_AC利用差分放大电路进行采集。

7.根据权利要求6所述的便携式电场测量传感器，其特征在于，所述感应电压U_AC的采集电路包括容性阻抗和阻性阻抗及差分放大器电路，其中输入电阻为10～20GΩ，输入电容为1～2pF。