CN111693791A - 一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器及三维电磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器及三维电磁场传感器，一维电磁场传感器包括感应电极、电离电极和接收电极，感应电极由两块不锈钢薄板组成，电离电极上电极由表面附着有分布着碳纳米管薄膜的金属膜基底，下电极极板中心开孔，收集电极由栅格极板构成。感应电极与电离电极之间通过金属线对应连接，电离电极之间、收集电极通过绝缘支架相互隔离，收集电极栅格之间相互绝缘。该传感器电磁测量一体式、结构简单、尺寸小、成本低、线性度好、准确度高，适合于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及微型传感器制造技术领域，特别是一种采用电离电极的、具有单值输入输出特性、同时测量电磁场强度的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器及三维电磁场传感器。
背景技术
随着线路走廊日益紧张，输变电工程的环境影响也成为工程规划、可研、设计、建设和运行过程中必须考虑的重要因素，在某些工程中环保问题已成为能否顺利建设运行的关键制约因素。随着城乡建设的快速发展，城市规模的不断扩大，输变电工程对附近民居、各类环境敏感区的影响日益突出，针对电网环境影响的投诉日益增多，每年国网公司为解决环境影响投诉的支出逐年上涨，影响了公司的经济效益。
输电线路附近居民投诉的主要问题之一是工频电场对生活的影响，如暂态电击等，而人体在电场中的感受与电场强度关系密切，《电磁环境控制限值》(GB8702-2014)规定了工频和直流电场曝露限值，其为判定输电线路电磁环境影响是否超标的主要依据。《交流输变电工程电磁环境监测方法(试行)》(HJ 681—2013)规定在建(构)筑物的阳台或平台进行电磁场监测，应在距离墙壁或其他固定物体(如护栏)1.5m外的区域布点，如不能满足上述距离要求，则取阳台或平台立足平面中心位置作为监测点。通常建筑物阳台尺寸不能满足上述要求，测量需在狭窄环境中进行，被测电场通常为非均匀电场，梯度很大。当前电场监测中应用的探头为悬浮式电极结构，由于探头对被测场的畸变影响，为解决探头对电场不同分量的耦合影响问题，目前应用的电场传感器探头尺寸大、系统复杂，以解决各分量耦合问题。而根据悬浮式探头测量原理，探头测量结果为探头两极板间的电场平均值，在阳台等电场梯度较大区域进行测量时，大尺寸探头测得的结果是对较大区域的电场平均，测量结果偏离真实值较大，无法准确判定电磁环境是否超标，可能给国网公司带来不利影响，并且目前未见有一体式的电磁场测量微型传感器。
因此，目前对一体式的电磁场测量微型传感器的研制成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决现有技术探头测量不准确的问题，本发明的目的是提供一种一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，该传感器将电离电极电离气体产生的电子流作为输出电流，建立本发明传感器收集电极收集的电子流大小与被测电场强度的对应关系，建立本发明传感器收集极收集的电子流偏移量大小与被测磁场的对应关系。该传感器电磁测量一体式、结构简单、尺寸小、成本低、线性度好、准确度高，适合于推广应用。
本发明还提供一种三维电磁场传感器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，包括：
感应电极，其包括相对设置且隔离的第一感应极板和第二感应极板；
电离电极，所述电离电极包括相对设置且隔离的第一电离极板和第二电离极板，第一电离极板内表面设置有金属膜基底，金属膜基底内表面附着有碳纳米管薄膜，第二电离极板上开设有电子流引出孔；所述感应电极与电离电极之间通过金属线对应电连接；
和收集电极，所述收集电极由栅格极板构成，收集电极设置在第二电离极板底面侧且隔离，以收集电极收集通过电子流引出孔的电子流。
所述隔离是通过绝缘支柱进行支撑绝缘；所述收集电极栅格之间通过绝缘支柱相互绝缘。
所述绝缘支架分布于感应电极、电离电极、收集电极内端面两侧。
所述感应电极、电离电极、收集电极的电极板均由不锈钢组成。
所述感应电极极间距离0.5～1cm，电离电极极间距为100～300μm，收集电极距离第二电离极板200～500μm。
所述收集电极栅格宽度50～100μm，收集电极栅格数目为50～100个。
所述第一感应极板正对面积1cm2，电离电极极板正对面积50～100mm2，收集电极正对电离电极11的面积为70～150mm2。
所述第二电离极板电子流引出孔为圆形；收集电极栅格为矩形。
一种三维电磁场传感器，每维方向上均包括所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明每维方向上，包括感应电极、电离电极和接收电极，通过三种电极相互连接、叠加构成能够测量电磁场的传感器，感应电极感应被测电场，电离电极与感应电极对应金属连接，具备等电势，碳纳米管薄膜尖端电离气体产生电子流和离子流。感应电极与电离电极之间通过金属线对应连接，电离电极之间、收集电极通过绝缘支架相互隔离，收集电极栅格之间相互绝缘。电子流通过电子流引出孔被收集电极捕获，通过收集电极收集的电子流大小获得被测电场强度，通过电子流在收集电极的偏移量获得被测磁场的大小。本发明的新型传感器采用微机械加工工艺实现，尺寸小、结构简单、电磁测量一体式、结构简单、尺寸小、成本低、准确度高。
附图说明
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器一维方向结构示意图。
图2是本发明一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器一维方向立体结构侧视图。
图3是本发明一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器三维方向立体结构分解侧视图。
图中：1、第一感应极板；2、第二感应极板；3、第一电离极板；4、金属膜基底；5、碳纳米管薄膜；6、第二电离极板；7、电子流引出孔；8、收集电极；9、绝缘支柱；10、感应电极；11、电离电极；12、绝缘支架。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明一种一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，每维方向上均包括感应电极10、电离电极11和收集电极8，所述感应电极10由两块不锈钢薄板材料的第一感应极板1和第二感应极板2组成，电离电极11上电极内表面附着有分布着碳纳米管薄膜5的金属膜基底4，第二电离极板6开电子流引出孔7，收集电极8由栅格极板构成。感应电极10与电离电极11之间通过金属线对应连接，电离电极11之间、收集电极8通过绝缘支柱9相互隔离，收集电极8栅格之间通过绝缘支柱12相互绝缘。
所述绝缘支架9分布于电离电极11、收集电极8内端面两侧。
优选的，三种电极均由不锈钢组成。感应电极10极间距离0.5～1cm，电离电极11极间距为100～300μm，收集电极8距离第二电离极板200～500μm。
收集电极8栅格宽度50～100μm。收集电极8栅格数目为50～100个。
第一感应极板1(左极板)正对面积1cm2，电离电极11极板正对面积50～100mm2，收集电极8正对电离电极11的面积为70～150mm2。
第二电离极板6电子流引出孔7为圆形。收集电极8栅格为矩形。
本发明还提供一种三维电磁场传感器，每维方向上均包括一所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1、图2所示，该一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器每维电磁场测量组件包括相互连接、叠加的感应电极10、电离电极11和收集电极8，所述感应电极10由两块不锈钢薄板第一感应极板1和第二感应极板2组成，电离电极11上电极由不锈钢第一电离极板3、内表面附着有分布着碳纳米管薄膜5的金属膜基底4组成，电离电极11的下电极由设有电子流引出孔7的不锈钢第二电离极板6组成，收集电极8由栅格极板构成。感应电极10与电离电极11之间通过金属线对应连接，电离电极11之间、收集电极8通过绝缘支架9相互隔离，收集电极8栅格之间通过绝缘支架12相互绝缘。感应电极10极间距0.7cm，电离电极11极间距200μm，收集电极8距离第二电离极板6为300μm。左极板正对面积1cm2，电离电极11极板正对面积70mm2，收集电极8正对电离电极11为100mm2。
图1所示的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器实例中，电离电极11上电极中不锈钢第一电离极板3内表面附着金属膜基底4，基底4上分布着碳纳米管薄膜5。电离电极11第二电离极板6中心开圆孔，图2中给出了设置一个圆孔的实施例。收集电极8由栅格组成，图2给出了栅格的实施例。绝缘支架9分别设置在感应电极10两块极板第一感应极板1、第二感应极板2之间、电离电极11分布着碳纳米管薄膜5的金属膜基底4与不锈钢第二电离极板6之间、电离电极11不锈钢6与收集电极8之间。
本发明第一感应极板1、第二感应极板2，电离电极11极板第一电离极板3、第二电离极板6，收集电极8均采用导电性能优良的不锈钢材料制作；金属膜基底4采用钛、镍、金三种金属材料制作；所述碳纳米管薄膜5采用丝网印刷。
本发明金属膜基底4具有导电能力，并牢固附着在电离电极11上极板3内侧表面；电离电极11下极板第二电离极板6上设有电子流引出孔；收集电极8收集通过第二电离极板6的电子流。
本发明原理为通过感应电极10的极板1、2感应被测电场，通过金属线将电离电极11上下极板具备对应等电势，第一电离极板3通过金属膜基底4上的碳纳米管畸变电场，电离气体产生电子流和离子流，电子流向下极板运动，穿过圆孔，受磁场洛伦兹力作用发生位移偏转，被收集电极8捕获。收集电极8捕获的电子流大小反应被测电场强度，偏移量反应被测磁场强度。
实施例2
本实施例基本结构同实施例1，所不同的是：感应电极10极间距1cm，电离电极11极间距300μm，收集电极8距离第二电离极板6为400μm。左极板正对面积0.8cm2，电离电极11极板正对面积80mm2，收集电极8正对电离电极11为150mm2。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (9)
1.一种一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，其特征在于，包括：
感应电极(10)，其包括相对设置且隔离的第一感应极板(1)和第二感应极板(2)；
电离电极(11)，所述电离电极(11)包括相对设置且隔离的第一电离极板(3)和第二电离极板(6)，第一电离极板(3)内表面设置有金属膜基底(4)，金属膜基底(4)内表面附着有碳纳米管薄膜(5)，第二电离极板(6)上开设有电子流引出孔(7)；所述感应电极(10)与电离电极(11)之间通过金属线对应电连接；
和收集电极(8)，所述收集电极(8)由栅格极板构成，收集电极(8)设置在第二电离极板(6)底面侧且隔离，以收集电极(8)收集通过电子流引出孔(7)的电子流。
2.根据权利要求1所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，其特征在于，所述隔离是通过绝缘支柱(9)进行支撑绝缘；所述收集电极(8)栅格之间通过绝缘支柱(12)相互绝缘。
3.根据权利要求2所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，其特征在于，所述绝缘支架(9)分布于感应电极(10)、电离电极(11)、收集电极(8)内端面两侧。
4.根据权利要求1所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，其特征在于，所述感应电极(10)、电离电极(11)、收集电极(8)的电极板均由不锈钢组成。
5.根据权利要求1所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，其特征在于，所述感应电极(10)极间距离0.5～1cm，电离电极(11)极间距为100～300μm，收集电极(8)距离第二电离极板200～500μm。
6.根据权利要求1所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，其特征在于，所述收集电极(8)栅格宽度50～100μm，收集电极(8)栅格数目为50～100个。
7.根据权利要求1所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，其特征在于，所述第一感应极板(1)正对面积1cm2，电离电极(11)极板正对面积50～100mm2，收集电极(8)正对电离电极11的面积为70～150mm2。
8.根据权利要求1所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器，其特征在于，所述第二电离极板(6)电子流引出孔(7)为圆形；收集电极(8)栅格为矩形。
9.一种三维电磁场传感器，其特征在于，每维方向上均包括权利要求1至8任一项所述的一体式碳纳米管薄膜电磁场传感器。
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