CN109298364A - 一种改进型静电场仪校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种改进型静电场仪校准系统及方法，系统包括直流高压电源、选择开关、直流高压电源控制器、一对金属平行极板、电场仪夹具、电场均匀性评价装置、激光测距仪、摄像监控装置，其中一对金属平行极板由相平行的上下极板构成，且上下极板之间设置支架，所述下极板的中心位置设置作为校准区域的开孔，且将用于固定被校电场仪探头的电场仪夹具嵌入设置在开孔处；摄像监控装置，采集被校电场仪显示的电场强度，并将其与由激光测距仪所得上下极板面的距离和直流高压电源的输出电压计算求得标准电场的电场强度比对，及根据比对结果进行校准。本发明提高了校准范围以及精度，能够满足不同型号的静电场仪的校准需求，有很强的实用性。

Description

一种改进型静电场仪校准系统及方法

技术领域

本发明属于机电一体化的仪器仪表技术领域，涉及一种改进型静电场仪校准系统及方法。

背景技术

电场仪在诸多领域内都发挥着举足若轻的作用，如易燃易爆封闭场所采用静电场仪检测人体静电及雷电天气带来的潜存静电隐患；西昌卫星发射场配置了16个地面电场仪测量点，并由气球携带的双球电场仪测量空中电场强度，用于卫星发射保障；电场的监测对于了解空间电状态是不可缺少的，可以为密闭场所静电监测、太阳活动对近地空间天气的影响、雷暴和地震预警、以及航天活动提供直接的观测资料，提高对灾害性静电事故的预警预报能力。

电场仪的校准基于平行电容器原理，即在两块距离为一定的平行极板之间加上一个已知的稳定电压便成为基本的电场标定装置。平板间电场的大小可表示为E＝V/d，V为加在两极板间的电压(V)；d为两极板之间的距离(m)。电场强度通过直流高压电源可以溯源到电压标准，以及极板间距长度上。标准IEEE Std 1227TM-1990(2010)中给出两极板的距离与直径之比d/D<0.5。当极板直径为1m，则两极板的距离最好不应超过0.5m，极板间距小于0.5m对均匀性的影响非常小。在标准平行极板电容器系统中，由于两极板的直径较大，极板的机械加工和安装很难保持两极板平行，另外由于冷热不均匀、平板变形等引起不平行度。如果电场偏差为ΔE，两极板的距离变化为Δd，则二者之间的关系为ΔE/E₀＝Δd/d，要求电场的最大允许偏差在1％以内，则要求必须小于1％，当ΔE＝500mm时，不能大于Δd＝5mm。当此装置校准被校准件时，被校准件要放入两极板系统中，被校准件的放入会改变原有电场，使得中心处电场畸变，在150cm、相距43cm的平行电极产生的场强中引入直径是8.6cm，高7.6cm的被校准件时，极板间的场强值由40kV增大至65.5kV，且最大的电场强度可达68.4kV，电场畸变高达63.75％。。电场仪校准时，被校准对象的放入使得原有的标准静电场发生改变，使得校准的结果不具有可参考性，因此，被插入件所引起的畸变效应的消除是静电场监测仪校准中不得不解决的问题之一。

现有技术存在以下问题：(1)现有平行极板均为铝板直接加工而成，直径较大时不但重量过重，且面积巨大易导致极板间不平行度增加，对校准结果的影响巨大，对于高精度的校准系统极板，加工工艺关系到整个校准装置的可靠性。(2)当下平行极板的校准区域插入被校电场仪时，电场仪探头与下极板之间存在缝隙或不平行则导致电场发生畸变，使得标准电场不在具有参考性。(3)不同大小电场仪探头的形状和大小完全不同，校准区域无法有效适配于各类电场仪，从而带来校准时的误差。(4)引入被校对象后，电场的均匀性还需进一步评估，降低插入件所引起的电场畸变效应对电场的影响。

发明内容

发明所要解决的课题是，针对现有技术中平行极板存在面积巨大易导致极板间不平行度增加、电场仪探头与下极板之间存在缝隙或不平行则导致电场发生畸变，校准区域无法有效适配于各类电场仪，从而带来校准时的误差的缺陷，以解决平行极板型电场校准装置的平行度设计以及插入件电场畸变的消除的问题。

用于解决课题的技术手段是，本发明提出一种改进型静电场仪校准系统及方法，改进高压极板的加工工艺，既保证极板的平面度，又可有效防止高压放电的发生，避免了因大小不合适所造成的缝隙引起的误差。

本发明提出的一种改进型静电场仪校准系统，包括直流高压电源、选择开关、直流高压电源控制器、一对金属平行极板、电场仪夹具、电场均匀性评价装置、激光测距仪、摄像监控装置，其中一对金属平行极板由相平行的上下极板构成，且上下极板之间设置支架，所述下极板的中心位置设置作为校准区域的开孔，且将用于固定被校电场仪探头的电场仪夹具嵌入设置在开孔处；所述上极板通过选择开关连接至直流高压电源的输出端，且下极板连接直流高压电源的地线；所述直流高压电源控制器，用于调节直流高压电源向上极板输出的电压大小；所述电场均匀性评价装置包括垂直旋转机构、水平旋转机构、固定电场探头和旋转电场探头，其中垂直旋转机构用于调节固定电场探头与下极板的距离，并测量不同距离间电场的均匀性，及水平旋转机构用于带动旋转电场探头和固定电场探头旋转，以测量距下极板圆心处且以r为半径圆围上的电场强度；所述激光测距仪，用于测量上下极板的平面度和平行度，及上下极板面之间的距离；所述摄像监控装置，用于采集被校电场仪显示的电场强度，并将其与由激光测距仪所得上下极板面的距离和直流高压电源的输出电压计算求得标准电场的电场强度比对，及根据比对结果进行校准。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述上下极板的外圆周均为高压环且圆周内均为铝蜂窝板。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述支架由聚四氟乙烯材质构成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括保护电阻，所述保护电阻连接于选择开关和直流高压电源之间。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括用于固定准被校电场仪的可活动样品台。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电场仪夹具由铝板制作而成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述摄像监控装置获取比对结果采用公式：

D＝E/E₀

式中，D为比对系数；E₀为计算求得的标准电场的电场强度；E为被校电场仪的显示电场强度。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述摄像监控装置还包括将比对结果与设置的阈值进行比较。

本发明提出的一种基于所述改进型静电场仪校准系统的校准方法，包括以下步骤：

步骤1、调节直流高压电源向上极板输出的电压大小；

步骤2、测量距离下极板下方不同位置的电场均匀性，及测量距下极板圆心处且以r为半径圆围上的电场强度；

步骤3、测量上下极板的平面度和平行度，及其之间的距离；

步骤4、将被校电场仪通过电场仪夹具固定于下极板的开孔，采集被校电场仪显示的电场强度，并将其与由步骤3所得上下极板面的距离和步骤1所得直流高压电源的输出电压计算求得标准电场的电场强度比对，及根据比对结果进行校准。

发明效果为：

本发明的改进型静电场仪校准系统及方法，，改进高压极板的加工工艺，选用高压环结合蜂窝铝板的方式既保证极板的平面度，又可有效防止高压放电的发生。设计嵌入式被校电场仪安装开孔，使其可根据电场仪的形状与大小选择合适的夹具与开孔进行匹配，避免了因大小不合适所造成的缝隙引起的误差。设计了适用性更为广泛的校准口与夹具，进一步消除插入件引起的畸变效应，使得电场仪与整个校准装置更为适配提高了平面度。引入被校对象后选择激光测距仪测量其极板之间的距离及平行度，实时监测量两极板间的平行度。增加可活动样平台进一步调节电场仪与下极板之间的平面度，以及与上极板之间的平行度。最后采用均匀性评价装置进一步完成引入被校对象后电场的均匀性评估。校准采用激光测距仪测量极板的尺寸和距离，做到长度溯源得以简化，采用机械化的均匀性评价装置进一步分析其电场分布，此装置提高了现有的静电场仪的校准范围以及精度。

本发明能够在一对平行金属极板的下极板附近产生局部均匀电场，使得被校准的静电电场仪的示值误差溯源到高电压标准上，通过放置于下极板附近的激光测距仪，使得极板间距的测量距离溯源到长度几何量的标准上。为使金属基本保持平面度，并且防止可能产生的高压放电危害，本发明采用高压环结合铝蜂窝板的加工方法。根据静电场仪的形状和大小使用可活动样平台对被校对象的高度进一步调节，同时为方便确定极板之间的电场均匀性，增加了机械化的评价装置。

本发明进一步改进了平行极板电场仪校准装置，使极板的平行度及平面度得到提升，能够不同型号的静电场仪的校准需求，在计量校准机构使用，有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明改进型静电场仪校准系统的原理示意图。

图2为本发明系统的测量原理图。

图3为本发明金属平行极板结构示意图。

图4为本发明电场均匀性评价装置示意图。

具体实施方式

以下，基于附图针对本发明进行详细地说明。

如图1和2所示，本发明设计了一种改进型静电场仪校准系统，该系统测试对象是静电场仪、静电传感器、静电场表等；该系统主要包括：由范围为±(0～100)kV的直流高压电源、选择开关、直流高压电源控制器、一对金属平行极板、电场仪夹具、电场均匀性评价装置、激光测距仪、摄像监控装置。还可以包括保护电阻、用于固定准被校电场仪的可活动样品台。

其中，所述一对金属平行极板结构如图3所示，由相平行的上下极板构成，且上下极板之间设置支架，所述下极板的中心位置DUT处设置作为校准区域的开孔，且将用于固定被校电场仪探头的电场仪夹具嵌入设置在开孔处；所述上极板通过高压导线连接保护电阻后，连接选择开关，然后由选择开关连接至直流高压电源的输出端，且下极板连接直流高压电源的地线；所述直流高压电源控制器，用于调节直流高压电源向上极板输出的电压大小；所述电场均匀性评价装置包括垂直旋转机构、水平旋转机构、固定电场探头和旋转电场探头，其中垂直旋转机构用于调节固定电场探头与下极板的距离，并测量固定电场探头与下极板的不同距离间电场的均匀性，及水平旋转机构用于带动旋转电场探头和固定电场探头旋转，以测量距下极板圆心处且以r为半径圆围上的电场强度；所述激光测距仪，用于测量上下极板的平面度和平行度，及上下极板面之间的距离；所述摄像监控装置，用于采集被校电场仪显示的电场强度，并将其与由激光测距仪所得上下极板面的距离和直流高压电源的输出电压计算求得标准电场的电场强度比对，及根据比对结果进行校准，优选地还包括将比对结果与设置的阈值进行比较。

其中，所述高压的金属平行极板可以是圆盘极板，直径为1m，厚度为10mm，平面度误差为±10um。如图3所示，金属平行极板的外圆周边缘为高压环，中间内圆周为铝蜂窝板，此结构不但提高了金属极板的平面度和平行度，更是避免了可能存在的高压放电所带来的人员危害。且上、下极板间采用开有环形槽的聚四氟乙烯材质支架，也可采用有机玻璃支架。所述下极板中间开孔作为被校电场仪探头放置位置，其尺寸按照现有电场仪的最大直径设置，其结构与电场仪探头的夹具可适配。

所述电场仪探头夹具主要由铝板制作而成，其厚度与外沿直径恰好与下夹板开口完全匹配，内沿主要根据被校电场仪的结构与尺寸制作。其主要根据电场仪探头的大小以及形状进行设计与加工，且于校准区域可完全匹配，放置之后其下极板表面无凸起以及缝隙，使得夹具可完全嵌入下极板中，由被校电场仪探头、夹具以及下极板表面成为一体化无缝隙的机构。

所述电场均匀性评价装置的结构如图4所示，其中垂直旋转机构可包括垂直旋转电机、垂直运行机构等组成；水平旋转机构可包括水平旋转电机、水平运行机构等组成。其中的旋转电场探头1在水平运行机构上的位置是可沿r方向进行调节的。z为电场均匀性评价装置距离下极板的距离；电场均匀性的表述方法利用下极板上的实际电场E除以理想电场E₀表示，即D＝E/E₀，式中，E₀为理想电场，由固定电场探头2测量得到；E为实测电场值，由旋转电场探头1测量得到。该电场均匀性评价装置进一步分析其电场分布，此装置提高了现有的静电场仪的校准范围以及精度。

所述激光测距仪的探头放置在上极板下表面以及下极板上表面上进行测量，其精度量级应满足0.1mm，且整体结构能够拆卸，以便定期送计量机构溯源；由于极板几何参数的量级为0.1mm，需要借助于测量高精度的激光跟踪仪，其测量精度可达10m，对两极板间平行度及不平整度、间距进行测量。

所述可活动样品台，用于固定准被校电场仪，可采用可远程控制的步进电机、遥控装置以及电场仪样品台结构组成，其样品台高度可根据被校电场仪的高度采用遥控装置控制。

下面说明本发明系统的工作原理：

参见图4，开始对静电场仪进行校准前，利用电场均匀性评价装置中的水平旋转机构测量距下极板圆心处，以r为半径圆围上的电场强度。电场均匀性的表述方法利用下极板上的实际电场E除以理想电场E₀表示，即D＝E/E₀，式中，E₀为理想电场，由装置的固定电场探头2测量得到；E为实测电场值，由装置的旋转电场探头1测量得到。当比对系数D保持在设置的阈值1±0.01范围内，则认为此装置形成的均匀电场满足开展静电场仪校准的需求。

根据被校电场仪探头的尺寸以及形状选取合适的电场仪探头夹具，将其安装于下极板的校准区域开孔上。然后，将被校电场仪安装于可活动样品台上，调节高度使电场仪与探头夹具适配后与下极板形成完整的平面。

利用激光测距仪测得上下极板的平面度、以及被校电场仪探头、上极板分别和下极板面之间的间距d以及平行度。

重复利用电场均匀性评价装置进一步对放入被校电场仪之后电场进行测量，如果误差满足需求则进行下一步的工作。

打开摄像监控装置，使其摄像头对准被校电场仪的数显面板，采集获得被校电场仪显示的电场强度。

然后，通过直流高压电源控制器调节直流高压电源的输出电压值，不断逐步对上极板加高压，同时利用摄像监控装置记录不同输入高压下的被校电场仪上的电场强度显示值。

最后，基于激光测距仪所测得上下极板的距离d与直流高压电源的高压输出值V，利用公式E＝V/d求得标准电场的电场强度，最后与摄像监控装置记录的电场强度值进行对比被校电场仪的精确度，从而实现对不同静电场仪的校准。

基于上述系统结构，本发明还提出一种改进型静电场仪校准方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤1、调节直流高压电源向上极板输出的电压大小。

步骤2、测量距离下极板下方不同位置的电场均匀性，及测量距下极板圆心处且以r为半径圆围上的电场强度；

步骤3、测量上下极板的平面度和平行度，及其之间的距离；

步骤4、将被校电场仪通过电场仪夹具固定于下极板的开孔，采集被校电场仪显示的电场强度，并将其与由步骤3所得上下极板面的距离和步骤1所得直流高压电源的输出电压计算求得标准电场的电场强度比对，及根据比对结果进行校准。

综上，本发明既可保证上下极板的平面度，又可有效防止高压放电的发生，且进一步消除插入件引起的畸变效应，使得电场仪与整个校准装置更为适配提高了平面度；进一步分析其电场分布，提高了现有的静电场仪的校准范围以及精度，最终使上下极板的平行度及平面度得到提升，能够不同型号的静电场仪的校准需求，在计量校准机构使用，有很强的实用性。

需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种改进型静电场仪校准系统，其特征在于，包括直流高压电源、选择开关、直流高压电源控制器、一对金属平行极板、电场仪夹具、电场均匀性评价装置、激光测距仪、摄像监控装置，其中一对金属平行极板由相平行的上下极板构成，且上下极板之间设置支架，所述下极板的中心位置设置作为校准区域的开孔，且将用于固定被校电场仪探头的电场仪夹具嵌入设置在开孔处；所述上极板通过选择开关连接至直流高压电源的输出端，且下极板连接直流高压电源的地线；所述直流高压电源控制器，用于调节直流高压电源向上极板输出的电压大小；所述电场均匀性评价装置包括垂直旋转机构、水平旋转机构、固定电场探头和旋转电场探头，其中垂直旋转机构用于调节固定电场探头与下极板的距离，并测量不同距离间电场的均匀性，及水平旋转机构用于带动旋转电场探头和固定电场探头旋转，以测量距下极板圆心处且以r为半径圆围上的电场强度；所述激光测距仪，用于测量上下极板的平面度和平行度，及上下极板面之间的距离；所述摄像监控装置，用于采集被校电场仪显示的电场强度，并将其与由激光测距仪所得上下极板面的距离和直流高压电源的输出电压计算求得标准电场的电场强度比对，及根据比对结果进行校准。

2.根据权利要求1所述改进型静电场仪校准系统，其特征在于，所述上下极板的外圆周均为高压环且圆周内均为铝蜂窝板。

3.根据权利要求1所述改进型静电场仪校准系统，其特征在于，所述支架由聚四氟乙烯材质构成。

4.根据权利要求1所述改进型静电场仪校准系统，其特征在于，还包括保护电阻，所述保护电阻连接于选择开关和直流高压电源之间。

5.根据权利要求1所述改进型静电场仪校准系统，其特征在于，还包括用于固定准被校电场仪的可活动样品台。

6.根据权利要求1所述改进型静电场仪校准系统，其特征在于，所述电场仪夹具由铝板制作而成。

7.根据权利要求1所述改进型静电场仪校准系统，其特征在于，所述摄像监控装置获取比对结果采用公式：

D＝E/E₀

式中，D为比对系数；E₀为计算求得的标准电场的电场强度；E为被校电场仪的显示电场强度。

8.根据权利要求1所述改进型静电场仪校准系统，其特征在于，所述摄像监控装置还包括将比对结果与设置的阈值进行比较。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述改进型静电场仪校准系统的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、调节直流高压电源向上极板输出的电压大小；

步骤2、测量距离下极板下方不同位置的电场均匀性，及测量距下极板圆心处且以r为半径圆围上的电场强度；

步骤3、测量上下极板的平面度和平行度，及其之间的距离；

步骤4、将被校电场仪通过电场仪夹具固定于下极板的开孔，采集被校电场仪显示的电场强度，并将其与由步骤3所得上下极板面的距离和步骤1所得直流高压电源的输出电压计算求得标准电场的电场强度比对，及根据比对结果进行校准。