CN113203898A - 一种用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，包括：在无离子化环境下校准电场传感器的灵敏度系数k1；在电场传感器外部设置用于沉积电荷的封装壳体，并置于充满离子化空气的电场环境中；在高压极板上施加不同的被测电压，观察电场传感器输出曲线稳定后，拟合电场传感器在离子化空气中的灵敏度系数k2；计算k2除以k1，得到沉积电荷对灵敏度的放大系数。本发明提出的新型测试方法易于实施，能够克服离子化空气对非接触表面电位测试的干扰，增大测量灵敏度，提升环境适应性能力。
Description
技术领域
本发明涉及电场监测及静电测量技术领域，特别涉及一种用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法。
背景技术
电场监测具有十分重要的意义。在气象领域，监测地表及高空大气电场变化，可获知雷电的孕育、发展及发生信息，为雷电预警提供重要指标，从而为导弹和卫星等飞行器的发射升空提供重要的安全保障，也能够为森林、景区、输电线路、石化炼厂提供预警信息；在电网领域，监测输电线路及变电站等附近的电场，可准确获知交直流电压及相位信息，为智能电网输电状态提供重要参考，也可获知输电线路附近民宅等设施附近电场强度，为评估电网电磁环境影响提供依据；在电子及石化领域，人体、设备、油气等静电荷积累到一定程度后容易引发放电，造成设备损伤、火灾、爆炸等严重的事故，通过监测电场，评估静电高危区域带电情况，为电子及石化领域安全生产提供必要参数。
在这些应用领域中，有时会遇到离子化空气环境，当电荷沉积在电场传感器敏感单元上，造成了测量误差。例如，强电场及高电压可能引发空气电离，形成离子化的被测环境。在电子、半导体等领域中，通过离子风机、软X射线仪使气体电离，电离后的气体可用于中和带静电的物质，也由此产生了离子化空气环境。如何在离子化空气环境中实现电场或静电的准确测量一直是这一领域的难题。
传统的场磨式、振动电容式等电场传感器通过调制感应电荷为交变信号实现测量，然而在离子化空气环境中，沉积电荷产生的附加电流对感应电荷量造成了干扰。此外，由于包含裸露的可动部件，这两种传感器均存在组装复杂、机械结构易损坏等问题。传统的光学式电场传感器利用Pockels效应、Kerr效应等进行检测，当电荷沉积到光学敏感晶体表面时，产生了附加电场，也对测量产生影响。随着电场检测技术的发展，电场传感器朝体积小、集成化、批量化的方向发展，尤其是基于微纳米技术的电场传感器具有成本低、体积小、功耗低、可实现批量生产、易于集成化、工作频带宽，以及电场探测的空间分辨率高等突出优点，是电场探测传感器的重要发展方向，受到国际上越来越多的关注，具有重要的科研及产业价值。
申请人技术团队曾提出“基于高阻材料的电场传感器封装元件CN 103633036 B”，“电极型电场传感器封装元件及其用途CN 106124870 B”，“一种灵敏度增强型电场传感器的封装盖板及封装方法CN 106672890 B” 等发明专利，提出了一系列封装结构，解决了电场传感器的敏感单元裸露易损坏、灵敏度不足等难题。然而，前期的敏感芯片封装结构在离子化空气环境中，也可能受沉积电荷影响，造成测试误差。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，利用在封装结构表面沉积电荷的电场进行电场测量，将沉积电荷由干扰量转变为被测量，不仅克服了沉积电荷对电场敏感单元的影响，而且提高了灵敏度。该方法无裸露可动部件，使用便捷，可靠性高。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，包括以下步骤：
在无离子化环境下校准电场传感器的灵敏度系数k1；
在电场传感器外部设置用于沉积电荷的封装壳体，并置于充满离子化空气的电场环境中；
在高压极板上施加不同的被测电压，观察电场传感器输出曲线稳定后，拟合电场传感器在离子化空气中的灵敏度系数k2；
计算k2除以k1，得到沉积电荷对灵敏度的放大系数。
优选地，所述电场传感器为基于MEMS技术的电场敏感芯片、场磨式电场传感器、振动电容式电场传感器、光学式电场传感器中的任意一种，或者为包含测试电路的电场传感器系统。
优选地，所述离子化空气包括采用除静电装置造成的离子化空气环境，以及高压输电线路空气放电造成的离子化空气环境。
优选地，所述除静电装置包括离子风机、离子风棒、软X射线中的任意一种。
优选地，所述高压极板用于模拟实际被测物，包括平板玻璃、电路板及塑料薄膜中的任意一种，所述高压极板的尺寸及形状根据被测物的形状进行调整，所述高压极板与所述电场传感器之间的距离也根据实际使用场景进行调整。
优选地，所述高压极板与所述电场传感器的探头垂直或呈预定角度。
优选地，采用直流高压电源或者充电板检测仪在所述高压极板上施加已知电压。
优选地，所述离子化空气中的灵敏度系数是指：带电离子沉积在所述封装壳体上，沉积的量到达稳定之后读取电场传感器的输出，并进行线性拟合，得到的斜率作为离子化空气中的灵敏度系数。
优选地，所述沉积电荷对灵敏度的放大系数与封装壳体的结构、材料及尺寸相关，对于同样结构、材料及尺寸的封装壳体，只需进行一次标定后采用同一放大系数。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
（1）将沉积电荷由干扰量转变为被测量，消除了离子化空气对测量的影响；
（2）显著提升灵敏度；
（3）标定过程简单，同一结构的封装外壳只需进行一次标定；
（4）无需改变原有传感器结构及解调方法，适用于多种电场传感器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种用于离子化空气中的非接触表面电位标定装置示意图；
图3是本发明实施例提供的一种用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法具体实施过程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例提供了一种用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
在无离子化环境下校准电场传感器的灵敏度系数k1；
在电场传感器外部设置用于沉积电荷的封装壳体，并置于充满离子化空气的电场环境中；
在高压极板上施加不同的被测电压，观察电场传感器输出曲线稳定后，拟合电场传感器在离子化空气中的灵敏度系数k2；
计算k2除以k1，得到沉积电荷对灵敏度的放大系数。
进一步地，所述电场传感器可以为基于MEMS（微机电系统）技术的电场敏感芯片、场磨式电场传感器、振动电容式电场传感器、光学式电场传感器等，也可以为包含测试电路的电场传感器系统。
进一步地，所述离子化空气包括但不限于采用离子风机、离子风棒、软X射线等除静电装置造成的离子化空气环境，以及高压输电线路空气放电造成的离子化空气环境。
进一步地，所述高压极板用于模拟实际被测物，包括但不限于平板玻璃、电路板及塑料薄膜，所述高压极板的尺寸及形状根据被测物的形状进行调整，所述高压极板与所述电场传感器之间的距离也根据实际使用场景进行调整。
进一步地，所述高压极板与所述电场传感器的探头垂直或呈预定角度，通过采用直流高压电源、充电板检测仪等在所述高压极板上施加已知电压。
进一步地，所述离子化空气中的灵敏度系数是指：带电离子沉积在所述封装壳体上，沉积的量到达稳定之后读取电场传感器的输出，并进行线性拟合，得到的斜率作为离子化空气中的灵敏度系数。
进一步地，所述沉积电荷对灵敏度的放大系数与封装壳体的结构、材料及尺寸相关，对于同样结构、材料及尺寸的封装壳体，只需进行一次标定后采用同一放大系数。
图2是本发明实施例中用于离子化空气中的非接触表面电位标定装置的示意图。所述装置包括：电场传感器1，用于感知被测电场强度，将被测电场转换为电信号。这里的电场传感器是静电场传感器或交流电场传感器，包括采用微纳米加工技术制备而成的微机械结构电场芯片、微电子电场敏感芯片、光学电场传感器，或其他类型的电场传感器。通常采用微纳技术制备的电场传感器使用时需要封装进行安置。除了电场传感器1以外，所述装置还包括电场传感器1的固定支架，一般采用金属支架并接大地，避免由于支架积累静电产生干扰电场。
高压极板2，用于模拟被测带电表面。一般采用金属平板，便于施加电压并使表面电压均匀；根据实际测试环境模拟要求，也可用防静电材料的平板，金属球体，玻璃板等。高压极板2与电场传感器1之间的距离可模拟现场实际测试距离，一般可选为2厘米，5厘米，10厘米等。高压极板2与电场传感器1可以相互垂直，也可以成任意角度从而模拟被测环境。除了高压极板2以外，所述装置还包括固定高压极板2的绝缘支架，避免高压极板放电。
离子发生装置3，位于电场传感器1及高压极板2的侧面，用于产生离子化空气。本实施例中，可采用离子风机、离子风棒、软X射线发生器、高压放电针等作为离子发生装置。该装置的目的是使电场传感器1附近充满离子化的空气，并且离子化空气随着高压极板2电场的作用，离子受电场力发生运动。一定极性的离子向着高压极板2的方向，另一极性的离子背离高压极板2而向着电场传感器1运动，从而在电场传感器1上沉积电荷。
屏蔽壳体4，将电场传感器1、高压极板2及离子发生装置3密闭在屏蔽壳体内部，用于产生离子化空气的空间，同时用于隔离高压极板2，避免操作时高压放电的风险。屏蔽壳体4上还有用于供电及通讯的接口，例如为电场传感器1提供电源及接收信号，为高压极板2供电等。优选地，屏蔽壳体4为金属材料，并连接大地，防止壳体上积累电荷而产生干扰电场。
基于上述装置，本发明实施例中用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法的详细流程如图3所示。
步骤1，在非接触表面电位标定装置中校准电场传感器，施加不同的被测电压，得到电场传感器的灵敏度系数满足：
V=k1×VE
其中， k1是电场传感器灵敏度系数，V是被测电压，VE是电场传感器的输出值。施加被测电压的方法是在图2中的高压极板上连接高压电源，并调整高压电源的输出电压。一般情况下，场磨式、振动电容式及微机电式的输出值与被测电压/电场之间为线性关系，因此，可拟合斜率为k1的直线。若采用其他原理的电场传感器，输入输出关系可能为非线性关系，此时，可采用分段拟合的方式，每段测量区间按照线性关系拟合。
步骤2，在电场传感器外部设置用于沉积电荷的封装壳体，并将封装后的电场传感器置于充满离子化空气的电场环境中。由于封装壳体在安装过程中可能存在静电积累，在放入离子化环境中有一个静电耗散的平衡过程，因此，需要观察传感器输出稳定后进行步骤3实验。
步骤3，在高压极板上施加不同的被测电压，拟合传感器在离子化空气中的灵敏度系数满足：
V=k2×VE
其中， k2是拟合灵敏度系数，V是被测电压，VE是电场传感器的输出值。与步骤1不同的是，步骤3的电场传感器上增加了封装壳体，且在标定过程中，使标定空间中始终存在离子化空气。每次改变被测电压时，沉积到封装壳体上的电荷量发生改变，改变速度与空间离子浓度相关，需要等待电场传感器输出稳定后再记录电场传感器的输出数据。
步骤4，计算k2除以k1，得到封装壳体的沉积电荷对灵敏度的放大系数：
kC=k2/k1
在实际测试中，增加了封装壳体的电场传感器灵敏度由k1变为了k1×kC。对于同样结构、材料及尺寸的封装壳体，灵敏度放大系数相同，因此，kC只需要标定一次即可。
本发明实施例中，为了满足在离子化空气中应用的需求，提出一种新型的非接触表面电位测试方法，通过在电场传感器外部设置封装壳体，使被测环境的静电荷沉积到封装壳体上。当电荷沉积到达稳定时，离子化电极的外部电场为零，不再有离子发生移动，此时，离子化电极上沉积的电荷量与被测电场成正比。在离子化壳体内部的电场等于原被测电场与沉积电荷的电场之和，这一电场与仅有被测电场相比显著增大，即电场敏感单元感测更大电场从而有更高的灵敏度。所述测试方法克服了离子化环境中电荷沉积的影响，并且使电场敏感单元在这一环境中具备更优的探测能力。此外，本发明提出的新型测试方法可以对沉积离子的封装壳体进行标定，将沉积电荷由干扰量转变为测试量，从而克服沉积电荷干扰，提升测量的精度及灵敏度。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
在无离子化环境下校准电场传感器的灵敏度系数k1；
在电场传感器外部设置用于沉积电荷的封装壳体，并置于充满离子化空气的电场环境中；
在高压极板上施加不同的被测电压，观察电场传感器输出曲线稳定后，拟合电场传感器在离子化空气中的灵敏度系数k2；
计算k2除以k1，得到沉积电荷对灵敏度的放大系数。
2.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，所述电场传感器为基于MEMS技术的电场敏感芯片、场磨式电场传感器、振动电容式电场传感器、光学式电场传感器中的任意一种，或者为包含测试电路的电场传感器系统。
3.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，所述离子化空气包括采用除静电装置造成的离子化空气环境，以及高压输电线路空气放电造成的离子化空气环境。
4.根据权利要求3所述的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，所述除静电装置包括离子风机、离子风棒、软X射线中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，所述高压极板用于模拟实际被测物，包括平板玻璃、电路板及塑料薄膜中的任意一种，所述高压极板的尺寸及形状根据被测物的形状进行调整，所述高压极板与所述电场传感器之间的距离也根据实际使用场景进行调整。
6.根据权利要求5所述的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，所述高压极板与所述电场传感器的探头垂直或呈预定角度。
7.根据权利要求5所述的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，采用直流高压电源或者充电板检测仪在所述高压极板上施加已知电压。
8.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，所述离子化空气中的灵敏度系数是指：带电离子沉积在所述封装壳体上，沉积的量到达稳定之后读取电场传感器的输出，并进行线性拟合，得到的斜率作为离子化空气中的灵敏度系数。
9.根据权利要求1所述的用于离子化空气中的非接触表面电位测试方法，其特征在于，所述沉积电荷对灵敏度的放大系数与封装壳体的结构、材料及尺寸相关，对于同样结构、材料及尺寸的封装壳体，只需进行一次标定后采用同一放大系数。
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