CN109061324A - 一种静电场电场强度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种静电场电场强度测量装置及方法，装置包括感应电极板、上极板、下极板、环形通道、电磁场源模块和信号处理模块。感应电极板与上极板电连接，环形通道包括第一直形通道、第二直形通道和两段弧形通道，第一直形通道设置在上极板和下极板之间，环形通道内填充有气泡、磁流体或液态金属；弧形通道或第二直形通道上套接有至少一个电磁场源模块，电磁场源模块包括磁铁、正极板和负极板，下极板与信号处理模块电连接，信号处理模块用于将下极板输出的周期性电流信号转换为周期性电压信号，根据周期性电压信号计算出电场强度。本申请提供的静电场电场强度测量装置及方法具有体积小、测量结果可靠性高、运行稳定、使用寿命长等优点。

Description

一种静电场电场强度测量装置及方法

技术领域

本申请涉及及静电场检测技术领域，尤其涉及一种静电场电场强度测量装置及方法。

背景技术

直流输电线路产生的电场为静电场，通过静电场的电场强度测量可以知道输电线路是否带电，实现非接触验电功能。同时通过电场强度测量可以大致知道作业人员与输电线路之间的距离，实现近电预警功能，因此静电场的准确测量对直流输电线的运维和保障作业人员的安全十分重要。

现有技术中，对静电场的电场强度进行测量的常用装置为场磨旋转式静电场测量传感器，该装置受机械振动频率和电路检波的双重限制，动态特性很差，低通带宽一般在1OHz以下，测量性能较差。并且，该装置比较笨重不便携携带，在实际操作中使用不便。

发明内容

本申请提供了一种静电场电场强度测量装置及方法，以解决静电场电场强度测量可靠性差的问题。

第一方面，本申请提供了一种静电场电场强度测量装置，该装置包括：感应电极板、上极板、下极板、环形通道、电磁场源模块和信号处理模块，其中，

所述感应电极板与上极板电连接，所述上极板和下极板平行且等长；

所述环形通道为绝缘、光滑、密封的通道，包括两段平行且等长的第一直形通道、第二直形通道和连接在所述第一直形通道、第二直形通道之间的两段弧形通道，所述第一直形通道设置在所述上极板和下极板之间并与所述上极板平行，所述环形通道内填充有气泡、磁流体或液态金属，所述气泡的长度与所述上极板的长度相等；

所述弧形通道或第二直形通道上套接有至少一个所述电磁场源模块，所述电磁场源模块的长度大于所述上极板的长度，所述电磁场源模块包括磁铁、正极板和负极板，所述磁铁的两个磁极分别位于所述环形通道相对的两侧，所述正极板和负极板分别嵌入到所述环形通道相对的两侧内，且位于两个所述磁极之间，所述正极板和负极板所在平面与两个所述磁极所在平面垂直；

所述下极板与信号处理模块电连接，所述信号处理模块用于将所述下极板输出的周期性电流信号转换为周期性电压信号，根据所述周期性电压信号计算出电场强度。

优选地，所述信号处理模块包括依次电连接的电流电压转换单元、滤波放大单元和电压测量单元，所述电流电压转换单元用于将所述周期性电流信号转换为周期性电压信号，所述滤波放大单元用于对所述周期性电压信号进行放大以及低通滤波，所述电压测量单元用于采集低通滤波后的电压信号，得到电压信号峰值或电压信号有效值，根据所述电压信号峰值或电压信号有效值计算出电场强度。

优选地，所述滤波放大单元包括锁相放大电路和自动增益放大电路。

优选地，还包括滤波电容，所述滤波电容一端与所述负极板电连接，另一端接地。

优选地，还包括设置有开口的壳体，所述壳体包括金属壳体或防静电壳体，所述上极板、下极板、环形通道、电磁场源模块和信号处理模块均设置在所述壳体内，所述感应电极板密封设置在所述开口处，所述上极板、下极板与所述壳体的内壁之间有间隙。

优选地，所述正极板和负极板与直流电源电连接。

优选地，所述磁铁包括永磁铁或电磁铁。

优选地，所述液态金属包括汞、镓铟合金。

第二方面，本申请还提供了一种静电场电场强度测量方法，该方法包括：

通过感应电极板对静电场进行感应，得到感应电流信号并发送到上极板；

周期性改变所述上极板和下极板之间的电容值，从所述下极板得到周期性电流信号；

对所述周期性电流信号进行信号处理，得到周期性电压信号；

根据所述周期性电压信号计算得到静电场电场强度。

优选地，所述周期性改变所述上极板和下极板之间的电容值，包括：利用磁铁推动磁流体或液态金属周期性进入或移出所述上极板和下极板之间的空隙。

本申请提供的静电场电场强度测量装置及方法的有益效果包括：

本申请提供的静电场电场强度测量装置，包括感应电极板、上极板、下极板、环形通道、电磁场源模块和信号处理模块。感应电极板对静电场进行感应得到感应电流信号并发送到上极板，上极板和下级板构成平行板电容，利用电磁场源模块控制环形通道充设的磁流体或液态金属进行流动，从而周期性改变平行板电容大小，得到周期性交流电流信号，利用信号处理模块将周期性交流电流信号转换为周期性交流电压信号，再通过计算得到静电场的电场强度。本申请提供的静电场电场强度测量装置，通过控制电流和磁场大小、方向控制洛伦兹力的大小和方向，进而控制平行板电容的大小和电容变化情况，动态范围大，可连续调节，测得的电场强度可靠性高；选用不同的磁流体或液态金属能够改变测量装置的灵敏度，适用的测量场景非常广泛；整个装置无机械磨损、无高压驱动部件可以满足不同场景的电场测量需求，如大气电场、风沙电场、感应电场等。另外，本申请提供的静电场电场强度测量装置还具有体积小、运行稳定、使用寿命长等优点。本申请提供的静电场电场强度测量方法，实现了对静电场电场强度的可靠测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种静电场电场强度测量装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种电磁场源模块的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的静电场电场强度测量原理示意图；

图4为本申请实施例提供的一种静电场电场强度测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，为本申请实施例提供的一种静电场电场强度测量装置的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供的静电场电场强度测量装置，包括：感应电极板1、上极板2、下极板3、环形通道4、电磁场源模块5、信号处理模块6和壳体12。

具体的，感应电极板1与上极板2电连接，上极板2和下极板3平行且等长，上极板2和下极板3形成平行板电容。

环形通道4为绝缘、光滑、密封的通道，通道口径尺寸小于1.5mm，环形通道4包括两段平行且等长的第一直形通道、第二直形通道和连接在第一直形通道、第二直形通道之间的两段弧形通道。其中，第一直形通道设置在上极板2和下极板3之间并与上极板2平行，环形通道4内填充有气泡7和磁流体8，磁流体8也可替换为液态金属，本实施例以磁流体8为例进行介绍。气泡7的长度与上极板2的长度相等。

弧形通道或第二直形通道上套接有至少一个电磁场源模块5。参见图2，为本申请实施例提供的一种电磁场源模块的结构示意图，如图2所示，电磁场源模块5包括磁铁、正极板9和负极板10，其中，磁铁的两个磁极(南磁极13和北磁极14)分别位于环形通道4相对的两侧，正极板9和负极板10分别嵌入到环形通道4相对的两侧内，且位于两个磁极之间，正极板9和负极板10所在平面与两个磁极所在平面垂直，正极板9和负极板10分别通过正极导线15和负极导线16与直流电源电连接。

当电磁场源模块5处的环形通道4内为磁流体8时，直流电源、正极板9、负极板10和磁流体8之间形成通路，电流从正极板9流向负极板10，在南磁极13和北磁极14之间的磁场作用下，产生洛伦兹力，推动磁流体8向右移动。

当电磁场源模块5处的环形通道4内为气泡7时，正极板9和负极板10之间开路，无法产生洛伦兹力，此时，磁流体8可以在惯性作用下继续流动。

为保证磁流体8能在电磁场源模块5和惯性作用下，在环形通道4内循环流动起来，本申请实施例设置电磁场源模块5的长度大于上极板2的长度，设置气泡7的长度小于上极板2的长度，这将使上极板2和下极板3之间始终有磁流体8，电磁场源模块5能够一直驱动磁流体8进行流动。

当磁场和电流的某一个方向发生变化，都可改变磁流体8的移动方向，例如，调换南磁极13和北磁极14的相对位置，或调换正极板9和负极板10与直流电源的连接极性，均可实现改变磁流体8的移动方向。本申请实施例通过设置多个电磁场源模块5的实施方式，通过多个电磁场源模块5使磁流体8往复运动，不再进行循环，这种实施方式使得整个装置结构更加小巧，便于携带。

磁流体8在洛伦兹力的推动下周期性进入上极板2和下极板3之间，致使上极板2和下极板3形成的电容的介电常数发生周期性变化，上极板2和下极板3形成一个周期性变化的电容Cr，下极板3与信号处理模块6电连接。

参见图3，为本申请实施例提供的静电场电场强度测量原理示意图，如图3所示，感应电极板1暴露在静电场中，产生感应电流信号，感应电流信号经过可变电容17后成为周期性电流信号，周期性电流信号经过信号处理模块6的处理后转换为电压信号。

具体的，信号处理模块6包括依次电连接的电流电压转换单元、滤波放大单元和电压测量单元，电流电压转换单元用于将周期性电流信号转换为周期性电压信号，该周期性电压信号较小，经滤波放大单元进行进一步处理；滤波放大单元包括锁相放大电路和自动增益放大电路，用于对周期性电压信号进行放大以及低通滤波；电压测量单元用于采集低通滤波后的电压信号，得到电压信号峰值或电压信号有效值，根据电压信号峰值或电压信号有效值计算出电场强度，计算公式为：V＝k*E，其中，V为电压信号有效值，E为待计算静电场的电场强度，k为传感器标定系数，与磁流体8的成分有关。k的取值可预先通过电场标定实验进行确定，具体可参照以下方式获得：在多个已知电场强度的静电场中，分别获取本实施例提供的静电场电场强度测量装置输出值，将多个输出值与静电场电场强度进行拟合，得到k的取值。

进一步的，可变电容17还连接有滤波电容11，滤波电容11与下极板3电连接，另一端可靠接地。

壳体12包括金属壳体或防静电壳体，上极板2、下极板3、环形通道4、电磁场源模块5、信号处理模块6和滤波电容11均设置在壳体12内，能有效提高提高测量精度和抗干扰度。感应电极板1密封设置在开口处，感应电极板1的面积比上极板2的面积较大，通过感应电极板1而不是上极板2对静电场进行感应，可以增加感应面积，提高灵敏度，而且感应电极板1可以设计成不同的形状，如圆形。上极板2、下极板3与壳体12的内壁之间有间隙。

本申请实施例中，磁铁包括永磁铁或电磁铁，优选为电磁铁，便于改变磁极方向。液态金属包括汞、镓铟合金等低熔点合金等流体材料。

本申请实施例还提供了一种本申请实施例提供的一种静电场电场强度测量方法，可利用上述实施例提供的静电场电场强度测量装置实现，参见图4，本申请实施例提供的静电场电场强度测量方法，具体包括如下步骤：

步骤S110：通过感应电极板对静电场进行感应，得到感应电流信号并发送到上极板。

步骤S120：周期性改变上极板和下极板之间的电容值，从下极板得到周期性电流信号。

具体的，利用磁铁推动磁流体或液态金属周期性进入或移出所述上极板和下极板之间的空隙。

步骤S130：对周期性电流信号进行信号处理，得到周期性电压信号。

步骤S140：根据周期性电压信号计算得到静电场电场强度。

由上述实施例可见，本申请实施例提供的静电场电场强度测量装置和测量方法，具有以下优点：

1、基于磁流体推进制成的静电场电场强度测量装置体积小，便于集成，无机械移动部件，不用维护，运行稳定可靠，使用寿命周期长；

2、可以通过控制电流和磁场大小控制洛伦兹力的大小，进而影响磁流体的推动速度，使可变电容Cr改变的频率，具有较大的动态范围，并且可以连续调节。可以满足静电场和低频电场的测量。

3、环形通道内可填充不同的液态金属或者磁流体，因为不同材料具有不同的介电常数，所以可以通过选择不同的静电场电场强度测量装置，设计不同灵敏度的静电场电场强度测量装置，以满足不同场景的测试要求。

4、整个装置封闭设计，不受外界温度、湿度、粉尘等影响。可以满足恶劣环境下使用。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种静电场电场强度测量装置，其特征在于，包括：感应电极板(1)、上极板(2)、下极板(3)、环形通道(4)、电磁场源模块(5)和信号处理模块(6)，其中，

所述感应电极板(1)与上极板(2)电连接，所述上极板(2)和下极板(3)平行且等长；

所述环形通道(4)为绝缘、光滑、密封的通道，包括两段平行且等长的第一直形通道、第二直形通道和连接在所述第一直形通道、第二直形通道之间的两段弧形通道，所述第一直形通道设置在所述上极板(2)和下极板(3)之间并与所述上极板(2)平行，所述环形通道(4)内填充有气泡(7)、磁流体(8)或液态金属，所述气泡(7)的长度与所述上极板(2)的长度相等；

所述弧形通道或第二直形通道上套接有至少一个所述电磁场源模块(5)，所述电磁场源模块(5)的长度大于所述上极板(2)的长度，所述电磁场源模块(5)包括磁铁、正极板(9)和负极板(10)，所述磁铁的两个磁极分别位于所述环形通道(4)相对的两侧，所述正极板(9)和负极板(10)分别嵌入到所述环形通道(4)相对的两侧内，且位于两个所述磁极之间，所述正极板(9)和负极板(10)所在平面与两个所述磁极所在平面垂直；

所述下极板(3)与信号处理模块(6)电连接，所述信号处理模块(6)用于将所述下极板(3)输出的周期性电流信号转换为周期性电压信号，根据所述周期性电压信号计算出电场强度。

2.如权利要求1所述的静电场电场强度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块(6)包括依次电连接的电流电压转换单元、滤波放大单元和电压测量单元，所述电流电压转换单元用于将所述周期性电流信号转换为周期性电压信号，所述滤波放大单元用于对所述周期性电压信号进行放大以及低通滤波，所述电压测量单元用于采集低通滤波后的电压信号，得到电压信号峰值或电压信号有效值，根据所述电压信号峰值或电压信号有效值计算出电场强度。

3.如权利要求2所述的静电场电场强度测量装置，其特征在于，所述滤波放大单元包括锁相放大电路和自动增益放大电路。

4.如权利要求1所述的静电场电场强度测量装置，其特征在于，还包括滤波电容(11)，所述滤波电容(11)一端与所述负极板(10)电连接，另一端接地。

5.如权利要求1所述的静电场电场强度测量装置，其特征在于，还包括设置有开口的壳体(12)，所述壳体(12)包括金属壳体或防静电壳体，所述上极板(2)、下极板(3)、环形通道(4)、电磁场源模块(5)和信号处理模块(6)均设置在所述壳体(12)内，所述感应电极板(1)密封设置在所述开口处，所述上极板(2)、下极板(3)与所述壳体(12)的内壁之间有间隙。

6.如权利要求1所述的静电场电场强度测量装置，其特征在于，所述正极板(9)和负极板(10)与直流电源电连接。

7.如权利要求1所述的静电场电场强度测量装置，其特征在于，所述磁铁包括永磁铁或电磁铁。

8.如权利要求1所述的静电场电场强度测量装置，其特征在于，所述液态金属包括汞、镓铟合金。

9.一种静电场电场强度测量方法，其特征在于，包括：

通过感应电极板对静电场进行感应，得到感应电流信号并发送到上极板；

周期性改变所述上极板和下极板之间的电容值，从所述下极板得到周期性电流信号；

对所述周期性电流信号进行信号处理，得到周期性电压信号；

根据所述周期性电压信号计算得到静电场电场强度。

10.如权利要求9所述的静电场电场强度测量方法，其特征在于，所述周期性改变所述上极板和下极板之间的电容值，包括：利用磁铁推动磁流体或液态金属周期性进入或移出所述上极板和下极板之间的空隙。