CN109884411A - 一种mems空间电场强度传感器及测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS空间电场强度传感器及测量系统及方法，包括MEMS芯片，在MEMS芯片内设置两组第一静电场微电机和第二静电场微电机，第一静电场微电机是主动驱动电机，且第一静电场微电机中产生的静电力会使得第一静电场微电机中的极板旋转的结构，第二静电场微电机是被动驱动电机，被动驱动电机包括一组开有一孔以上的金属叶片构成的转子以及与转子结构相同的定子，且定子上的金属片是当金属片暴露在外面时能够获取空间中电场量的感应片，且转子与定子配合后保证感应片分时段屏蔽电场，保证空气中的静电场在不断地屏蔽、暴露过程中产生不同的电荷量，最终形成交变信号，通过检测该交变信号来作为传感器检测空间电场强度的信号值。

Description

一种MEMS空间电场强度传感器及测量系统及方法

技术领域

本发明涉及空间电场强度测量的技术领域，尤其是一种MEMS空间电场强度传感器及测量系统及方法。

背景技术

空间电场或大气电场，又称自然电场，是地球环境中存在的一种基本的物理参数，空间电场的变化对自然环境中的各类现象，动植物生长，乃至人类的活动均有较大影响。掌握了空间电场的变化规律，对改善人类生产、生活有着重要的意义。

空间电场在环境中无处不在，雷电是自然界中最常见的空间电场放电现象。一方面，雷电活动保持了地球整体环境的电平衡，另一方面，日益频繁的雷电活动也给人类的生产生活带来了巨大的损失和灾害。据不完全统计，我国每年雷击伤亡人数大约在3000～4000人，直接经济损失数亿元，间接经济损失更是高达上百亿元。而且由于全球气候变暖，雷击事故逐年增加，雷击已经超过了台风等自然灾害成为人类的第一杀手。

大量的静电堆积所产生的静电场会对生产活动、设备安全、人员安全造成一定的影响。静电在环境中是不可避免的，对于工业生产和人类生活，静电电场所带来的危害主要分为两种：1)工业上的静电放电危害(ESD)，2)工业上的静电引力危害(ESA)。世卫组织(WHO)建议应注意静电场对公众及特定工作人员的人身健康危害。

综上所述，空间电场的精确测量，对于很多应用都非常重要，例如天气预报、工业设备的过程控制或者是高压电缆工作人员的安全问题等。只有准确地测量空间电场，才能更好地预防及避免其所引起的危害，更好地指导生产作业、生活中的预防。然而从技术角度来说，精确的电场测量并非易事。

在现有技术中对电场测量主要包括以下两种：

1、传统的电场强度测量主要应用于室外大气电场强度测量和雷电预警，它实现方法为机械式电场仪的空间电场强度的测量，其优点为测量精度高；但由于需要外加电动机，所以它的缺点也很明显：功耗大、体积大、易损坏、需回修、成本高，并不利于生产和生活中的大规模应用。

2、电子式空间电场强度的测量：现有的空间电场强度测量实现方法主要为用电荷感应来实现电子式的空间电场强度的测量。其优点为功耗小、体积小、不易损坏、无需回修、成本相对于机械式电场仪较低。缺点为：由于是感应电荷原理的测量方法，在交变电场里，它能较好的反映和测量电场强度；但在恒定的电场中，由于感应电荷会随时间减少或消失，所以测量结果并不能很好的反映恒定的电场强度数值。所以相对于机械式的电场仪的一些缺点，用电荷感应来实现的电子式的空间电场强度测量仪，能大规模的应用于工业、气象、教育等领域，但也存在一定的缺陷性。

因此如何解决现有技术中存在的问题，以此实现一种“具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点的检测装置显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提一种MEMS空间电场强度传感器及测量系统及方法，其具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点，同时微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种MEMS空间电场强度传感器，包括MEMS芯片，在MEMS芯片内设置两组旋转式的第一静电场微电机和第二静电场微电机，所述的第一静电场微电机是对其两块极板间施加电压后，保证载荷会产生静电力的主动驱动电机，所述第二静电场微电机是两平行极板间不施加电压，且当主动驱动电机工作时能够被驱动而旋转的被动驱动电机，所述被动驱动电机包括一组开有一孔以上的金属叶片构成的转子以及与转子结构相同的定子，且所述定子上的金属片是当金属片暴露在外面时能够获取空间中电场量的感应片，且所述转子与定子配合后保证感应片分时段屏蔽电场，保证空气中的静电场在不断地屏蔽、暴露过程中产生不同的电荷量，最终形成交变信号，通过检测该交变信号来作为传感器检测空间电场强度的信号值。

进一步，为了便于操作，所述第二静电场微电机的轴承与第一静电场微电机的轴承为同一个。

进一步，所述交变信号的频率取决于电机的转速和金属叶片开孔的多少，转速越高、开孔越多，频率就越高，而频率越高，则测量静电场的效率就越高。

本发明还公开了一种空间电场强度测量系统，包括用于所述的一种MEMS空间电场强度传感器检测获得的两组交变信号；还包括以下电路：

对每一组交变信号进行过滤，将不需要的交流信号进行去除的滤波电路；

对每一组滤波电路处理后的信号进行消除噪声影响，留下特定频率实现选频放大的选频放大电路；所述特定频率是预设要求的频率大小值；

对两组选频放大电路处理后的信号进行差分输出的运算放大器；

对差分输出后的信号进行二级放大的二级放大器；

对二级放大器的输出信号进行同步整流判断出电场的正负极性的同步整流电路；

对同步整流电路的信号进行过滤的低通滤波器；

对低通滤波器的信号进行信号输出的信号输出器。

进一步，在所述二级放大器和低通滤波器之间设有对检测量程进行自动调节的量程调节器。

本发明还公开了一种空间电场强度测量系统的检测方法，具体包括以下步骤：

A)将被动驱动电机处在空间电场E中，并将被动驱动电机的定子(5)上的金属片相互连接在一起构成感应片；将被动驱动电机的转子(4)上的金属片连接在一起构成动片；且所述动片一端与接地端连接；

B)主动驱动电机旋转时驱动被动驱动电机的转子(4)旋转，使被动驱动电机的定子(5)的感应片交替地暴露在电场中或被动片构成的接地屏蔽片所遮挡的位置，此时被动驱动电机上的定子(5)上的感应电荷Q(t)为时间函数，其值与外界电场强度E成正比；具体公式如下：

Q(t)＝ε₀EA(t)

(1-1)

式中：ε₀为自由空间介电常数，一般取ε₀＝8.754PF/m；A(t)为定子(5)表面有效截面积，即为定子(5)暴露在空间电场E中的有效截面积，A(t)为第一静电场微电机(1)的旋转速度ω的时间函数；E的方向指向转子(4)时为正，电场的极性是采用同步检波的方式来区别的；

C)然后根据分析计算，本空间电场强度测量用传感器在周期为2T期间内，即动片完全屏蔽定片的那一瞬间开始旋转到定片完全暴露，再旋转到动片完全屏蔽定片的那一瞬间为止的两个输出电压，公式如下：

公式(1-2)是0<t<T这段时间内，空间电场强度在被动驱动电机的转子(4)上的感应电荷所反应出来的电压；

公式(1-3)是T<t<2T这段时间内，空间电场强度在被动驱动电机的转子(4)上的感应电荷所反应出来的电压；

D)然后获取在被动驱动电机的定子(5)完全暴露的一瞬间，即t＝T时，本空间电场强度测量用传感器输出的等效电压幅度V_n为

式中：I为本空间电场强度测量用传感器输出的电流幅度；K为无量纲常数；R、C视为运算放大器(8)的反馈电阻和电容；

其中：

式中：r₁、r₂分别为定子(5)和转子(4)的内、外半径；f₀和T＝1/f₀分别为电机的旋转频率和旋转周期；

E)最后通过上述公式(1-1)-公式(1-6)计算出空间电场强度E的值。。

本发明得到的一种MEMS空间电场强度传感器及测量系统及方法，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点，同时微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

附图说明

图1是实施例1中第二静电场微电机的定子的结构示意图；

图2是实施例1中第二静电场微电机的转子的结构示意图；

图3是实施例1中一种空间电场强度测量系统的结构示意图；

图4是实施例1中一种MEMS空间电场强度传感器的结构示意图；

图5是图4中A-A的结构剖视图。

图中：第一静电场微电机1、第二静电场微电机2、MEMS芯片3、转子4、定子5、滤波电路6、选频放大电路7、运算放大器8、二级放大器9、同步整流电路10、低通滤波器11、信号输出器12、第一金属片4-1、第二金属片5-1、轴承2-1、量程调节器13。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图4、图5所示，本发明提供的一种MEMS空间电场强度传感器，包括MEMS芯片3，在MEMS芯片3内设置两组旋转式的第一静电场微电机1和第二静电场微电机2，所述的第一静电场微电机1是对其两块极板间施加电压后，保证载荷会产生静电力的主动驱动电机，且所述第一静电场微电机1中产生的静电力会使得第一静电场微电机1中的极板旋转的结构，所述第二静电场微电机2是两平行极板间不施加电压，且当主动驱动电机工作时能够被驱动而旋转的被动驱动电机，所述被动驱动电机包括一组开有一孔以上的金属叶片构成的转子4以及与转子4结构相同的定子5，且所述定子5上的金属片是当金属片暴露在外面时能够获取空间中电场量的感应片，且所述转子4与定子5配合后保证感应片分时段屏蔽电场，保证空气中的静电场在不断地屏蔽、暴露过程中产生不同的电荷量，最终形成交变信号，通过检测该交变信号来作为传感器检测空间电场强度的信号值。

在图4、图5中，定子1和转子1表示的是第一静电场微电机1的定子和转子，定子2和转子2表示的是第二静电场微电机2的定子和转子；

进一步，为了便于操作，所述第二静电场微电机2的轴承2-1与第一静电场微电机1的轴承为同一个。

进一步，所述交变信号的频率取决于电机的转速和金属叶片开孔的多少，转速越高、开孔越多，频率就越高，而频率越高，则测量静电场的效率就越高。

如图3所示，本实施例还公开了一种空间电场强度测量系统，包括用于所述的一种MEMS空间电场强度传感器检测获得的两组交变信号；还包括以下电路：

对每一组交变信号进行过滤，将不需要的交流信号进行去除的滤波电路6；

对每一组滤波电路6处理后的信号进行消除噪声影响，留下特定频率实现选频放大的选频放大电路7；所述特定频率是预设要求的频率大小值；

对两组选频放大电路7处理后的信号进行差分输出的运算放大器8；

对差分输出后的信号进行二级放大的二级放大器9；

对二级放大器9的输出信号进行同步整流判断出电场的正负极性的同步整流电路10；

对同步整流电路10的信号进行过滤的低通滤波器11；

对低通滤波器11的信号进行信号输出的信号输出器12。

进一步，在所述二级放大器9和低通滤波器11之间设有对检测量程进行自动调节的量程调节器13。

本实施例还公开了一种空间电场强度测量系统的检测方法，具体包括以下步骤：

A)将被动驱动电机处在空间电场E中，并将被动驱动电机的定子(5)上的金属片相互连接在一起构成感应片；将被动驱动电机的转子(4)上的金属片连接在一起构成动片；且所述动片一端与接地端连接；

B)主动驱动电机旋转时驱动被动驱动电机的转子(4)旋转，使被动驱动电机的定子(5)的感应片交替地暴露在电场中或被动片构成的接地屏蔽片所遮挡的位置，此时被动驱动电机上的定子(5)上的感应电荷Q(t)为时间函数，其值与外界电场强度E成正比；具体公式如下：

Q(t)＝ε₀EA(t)

(1-1)

式中：ε₀为自由空间介电常数，一般取ε₀＝8.754PF/m；A(t)为定子(5)表面有效截面积，即为定子(5)暴露在空间电场E中的有效截面积，A(t)为第一静电场微电机(1)的旋转速度ω的时间函数；E的方向指向转子(4)时为正，电场的极性是采用同步检波的方式来区别的；

C)然后根据分析计算，本空间电场强度测量用传感器在周期为2T期间内，即动片完全屏蔽定片的那一瞬间开始旋转到定片完全暴露，再旋转到动片完全屏蔽定片的那一瞬间为止的两个输出电压，公式如下：

公式(1-2)是0<t<T这段时间内，空间电场强度在被动驱动电机的转子(4)上的感应电荷所反应出来的电压；

公式(1-3)是T<t<2T这段时间内，空间电场强度在被动驱动电机的转子(4)上的感应电荷所反应出来的电压；

D)然后获取在被动驱动电机的定子(5)完全暴露的一瞬间，即t＝T时，本空间电场强度测量用传感器输出的等效电压幅度V_n为

式中：I为本空间电场强度测量用传感器输出的电流幅度；K为无量纲常数；R、C视为运算放大器(8)的反馈电阻和电容；

其中：

式中：r₁、r₂分别为定子(5)和转子(4)的内、外半径；f₀和T＝1/f₀分别为电机的旋转频率和旋转周期；

E)最后通过上述公式(1-1)-公式(1-6)计算出空间电场强度E的值。

在本实施例中，将本发明设置的传感器利用置于电场中的导体，使其上产生感应电荷的原理进行电场测试的，图1、图2为传感器中第二静电场微电机2中转子和定子的结构示意图。

在本实施例中所述第二静电场微电机2中包括4片第一金属片4-1构成的转子4以及4片第二金属片5-1构成的定子5，然后将这定子上的金属片相互连接在一起，转子上的金属片相互连接在一起，并分别称之为定子上的金属片为感应片和转子上的金属动片，当转子旋转时，使定子上的感应片交替地暴露在电场中或被接地屏蔽片所遮挡(这里接地屏蔽片是指被动驱动电机上的与接地端连接的金属动片)，然后使两个测量回路中的信号发生方向相反的变化，导致一个回路的感应电流增加，另一个回路的感应电流减少，从而产生交变的差动输出信号。定子上感应电荷Q(t)为时间函数，其值与外界电场强度E成正比。

在上述传感器设计参数下，信号经过进一步放大和处理后，在1V/m的电场下定片完全暴露的瞬间，传感器输出的电流仅为pA的数量级，流过10MΩ等效电阻时产生的等效电压也不过只有μA数量级。因此在这种小电流和小电压情况下，这样能够有效防止干扰和减少噪声的出现。

如图3所示，在本实施例中将获取的两组交变信号先分别一组滤波电路6处理进行过滤，然后在通过选频放大电路7进行消除噪声影响，留下特定频率后同时进入实现差分输出的运算放大器8后，再通过二级放大器9进行二级放大，然后通过同步整流电路1进行同步整流判断出电场的正负极性后，通过低通滤波器11过滤处理后由信号输出器12输出，最终获得近似直流的静电场测量值，以此实现对电场强度的测量要求，工作时先将两组交变信号首先进行滤波，将不需要的交流信号例如噪声等去掉，然后分别进入各自的选频放大电路先进行选频，选择一确定的频率，然后将其信号放大，再将经过滤波与选频放大的两组信号经过运算放大器进行差分输出。而后给具有量程自动控制的二级放大器进行二级放大，再经过同步整流电路判断出电场的正负极性，最后经过低通滤波后将传感器信号输出，所述的选频可以通过RC滤波电路来滤波选频，选频的目的也就是滤波，消除噪声影响，留下特定频率的信号来进行放大。

MEMS芯片全称Micro Electromechanical System，微机电系统，是一种常规芯片，本发明的改进就是在MEMS芯片内设置两组微电机，分别是第一静电场微电机1和第二静电场微电机2，由于当第一静电场微电机1的定子与第一静电场微电机1的转子之间施加电压的时候，第一静电场微电机1的定子与第一静电场微电机1的转子之间会产生静电力，而静电力的大小与尺寸的平方成反比。静电力很少用于驱动宏观机械，但是微型器件通常有较大的表面积以及非常小的质量，使得静电力成为一种很有吸引力的微执行驱动源，本实施例的具体工作原理：对第一静电场微电机1的定子电极施加偏置电压，则该组中任一给定电极与其紧邻的转子轮齿之间会产生面内电场，并在它们之间产生静电引力，从而使轮齿与定子对准，通过分组连续激励定子电极，转子可以实现持续的运动，简单的说就是当需要那组第一静电场微电机1的定子与第一静电场微电机1的转子之间施加电压时，使第一静电场微电机1旋转起来。同时第二静电场微电机2的轴承与第一静电场微电机1是同一个微电机，这样第一静电场微电机1就能带动第二静电场微电机2一起旋转，而第二静电场微电机2的转子上的感应电荷所产生的电压能反应空间电场强度，最终实现将机械式电场仪的测量原理和MEMS微电机设计有机地的集合起来，因此实现：具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点，同时微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

Claims (6)

1.一种MEMS空间电场强度传感器，包括MEMS芯片(3)，其特征在于：在MEMS芯片(3)内设置两组旋转式的第一静电场微电机(1)和第二静电场微电机(2)，所述的第一静电场微电机(1)是对其两块极板间施加电压后，保证载荷会产生静电力的主动驱动电机，所述第二静电场微电机(2)是两平行极板间不施加电压，且当主动驱动电机工作时能够被驱动而旋转的被动驱动电机，所述被动驱动电机包括一组开有一孔以上的金属叶片构成的转子(4)以及与转子(4)结构相同的定子(5)，且所述定子(5)上的金属片是当金属片暴露在外面时能够获取空间中电场量的感应片，且所述转子(4)与定子(5)配合后保证感应片分时段屏蔽电场，保证空气中的静电场在不断地屏蔽、暴露过程中产生不同的电荷量，最终形成交变信号，通过检测该交变信号来作为传感器检测空间电场强度的信号值。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS空间电场强度传感器，其特征在于：所述第二静电场微电机(2)的轴承与第一静电场微电机(1)的轴承为同一个。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS空间电场强度传感器，其特征在于：所述交变信号的频率取决于电机的转速和金属叶片开孔的多少，转速越高、开孔越多，频率就越高，而频率越高，则测量静电场的效率就越高。

4.一种空间电场强度测量系统，包括用于获取1-3中任意一项权利要求所述的一种MEMS空间电场强度传感器检测获得的两组交变信号，其特征在于：还包括以下电路：

对每一组交变信号进行过滤，将不需要的交流信号进行去除的滤波电路(6)；

对每一组滤波电路(6)处理后的信号进行消除噪声影响，留下特定频率实现选频放大的选频放大电路(7)；所述特定频率是预设要求的频率大小值；

对两组选频放大电路(7)处理后的信号进行差分输出的运算放大器(8)；

对差分输出后的信号进行二级放大的二级放大器(9)；

对二级放大器(9)的输出信号进行同步整流判断出电场的正负极性的同步整流电路(10)；

对同步整流电路(10)的信号进行过滤的低通滤波器(11)；

对低通滤波器(11)的信号进行信号输出的信号输出器(12)。

5.根据权利要求4所述的一种空间电场强度测量系统，其特征在于：在所述二级放大器(9)和低通滤波器(11)之间设有对检测量程进行自动调节的量程调节器(13)。

6.一种空间电场强度测量系统的检测方法，其特征在于具体包括以下步骤：

A)将被动驱动电机处在空间电场E中，并将被动驱动电机的定子(5)上的金属片相互连接在一起构成感应片；将被动驱动电机的转子(4)上的金属片连接在一起构成动片；且所述动片一端与接地端连接；

B)主动驱动电机旋转时驱动被动驱动电机的转子(4)旋转，使被动驱动电机的定子(5)的感应片交替地暴露在电场中或被动片构成的接地屏蔽片所遮挡的位置，此时被动驱动电机上的定子(5)上的感应电荷Q(t)为时间函数，其值与外界电场强度E成正比；具体公式如下：

Q(t)＝ε₀EA(t)

(1-1)

式中：ε₀为自由空间介电常数，一般取ε₀＝8.754PF/m；A(t)为定子(5)表面有效截面积，即为定子(5)暴露在空间电场E中的有效截面积，A(t)为第一静电场微电机(1)的旋转速度ω的时间函数；E的方向指向转子(4)时为正，电场的极性是采用同步检波的方式来区别的；

C)然后根据分析计算，本空间电场强度测量用传感器在周期为2T期间内，即动片完全屏蔽定片的那一瞬间开始旋转到定片完全暴露，再旋转到动片完全屏蔽定片的那一瞬间为止的两个输出电压，公式如下：

公式(1-2)是0<t<T这段时间内，空间电场强度在被动驱动电机的转子(4)上的感应电荷所反应出来的电压；

公式(1-3)是T<t<2T这段时间内，空间电场强度在被动驱动电机的转子(4)上的感应电荷所反应出来的电压；

D)然后获取在被动驱动电机的定子(5)完全暴露的一瞬间，即t＝T时，本空间电场强度测量用传感器输出的等效电压幅度V_n为

式中：I为本空间电场强度测量用传感器输出的电流幅度；K为无量纲常数；R、C视为运算放大器(8)的反馈电阻和电容；

其中：

式中：r₁、r₂分别为定子(5)和转子(4)的内、外半径；f₀和T＝1/f₀分别为电机的旋转频率和旋转周期；

E)最后通过上述公式(1-1)-公式(1-6)计算出空间电场强度E的值。