CN113671276B - 空间电场测量装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间电场测量装置及系统，装置包括：电场耦合拾取单元，适用于感测空间电场；微型振动单元，与电场耦合拾取单元连接，适用于生成输出信号；以及信号采集与处理单元，与微型振动单元连接，适用于根据输出信号生成测量结果，其中，测量结果表征空间电场的场强。本发明通过电场耦合拾取单元作用于微型振动单元来实现空间电场的测量，利用微型振动单元对空间电场的积聚放大效应，增强了空间电场测量的灵敏度，提高了空间电场测量装置的信噪比和分辨力。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种空间电场测量装置及系统。
背景技术
电场是自然界基本的物理量之一，广泛的存在于客观世界的各个角落，同时与我们的生活息息相关。从日常用电，到航天发射，都需要考虑电场的影响，因此电场测量具有十分重要的意义。目前，电场的探测已经广泛的应用于气候气象、电力电网、石油化工、航空航天等各个领域。
随着一些新兴重要领域的快速发展，如在远距离探测飞行目标，空间和临近空间天气检测预警，日地物理等科学研究与应用等，现阶段对于高分辨力、高灵敏度、低功耗、微型化的电场传感器有着越来越迫切的需求。
发明人在实现本发明构思的过程中发现，相关技术中的电场测量装置的信噪比、分辨力以及灵敏度无法满足实际应用中的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种空间电场测量装置及系统，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括：
根据本发明的第一个方面，提供了一种空间电场测量装置，包括：
电场耦合拾取单元，适用于感测空间电场；
微型振动单元，与上述电场耦合拾取单元连接，适用于生成输出信号；以及
信号采集与处理单元，与上述微型振动单元连接，适用于根据上述输出信号生成测量结果，其中，上述测量结果表征上述空间电场的场强。
根据本发明的实施例，其中，上述微型振动单元包括第一电极和第二电极，其中，上述第二电极为固定电极，上述第一电极为振动电极，上述振动电极在电场力作用下能够相对于上述固定电极产生位移。
根据本发明的实施例，其中，上述电场耦合拾取单元包括第三电极和第四电极；
上述第三电极与上述第一电极连接，上述第四电极和上述第二电极连接。
根据本发明的实施例，其中，上述微型振动单元还包括封装盖板，其中，上述封装盖板与上述电场耦合拾取单元的第三电极连接，上述第一电极与上述电场耦合拾取单元的第四电极连接。
根据本发明的实施例，其中，上述电场耦合拾取单元的尺寸大于上述微型振动单元的尺寸；
其中，上述尺寸包括电极长度、电极宽度、电极横截面积或电极之间的距离。
根据本发明的实施例，其中，上述微型振动单元在外加激励作用下生成上述输出信号；
其中，上述输出信号包括以下任意一种或多种：电荷、频率、振幅、阻值、电容、电流、电压信号；
其中，上述外加激励通过以下任意一种或多种方式产生：
静电方式、电磁方式、压电方式、热激励方式、光激励方式。
根据本发明的实施例，还包括屏蔽罩，上述微型振动单元和上述信号采集与处理单元位于上述屏蔽罩内。
根据本发明的实施例，其中，
上述微型振动单元采用以下任意一种或多种工艺制作得到：微纳米加工技术、微机电系统技术、体硅工艺、表面工艺、精密机械加工技术；
根据本发明的实施例，还包括：
数据传输模块，适用于传输上述测量结果；
供电模块，适用于为上述空间电场测量装置供能。
根据本发明的第二个方面，还提供了一种空间电场测量系统，包括：
多个上述的空间电场测量装置，其中，多个上述空间电场测量装置中的至少两个上述空间电场测量装置的上述电场耦合拾取单元处于不同平面用于二维或三维电场测量。
基于上述技术方案可知，本发明中的空间电场测量装置及系统相对于现有技术至少具有如下有益效果：
本发明通过电场耦合拾取单元作用于微型振动单元来实现空间电场的测量，利用了微型振动单元对电场的积聚放大效应，增强了空间电场测量的灵敏度，提高了空间电场测量装置的信噪比和分辨力。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例提供的空间电场测量装置的示意图；
图2示意性示出了本发明另一实施例提供的空间电场测量装置的示意图；
图3示意性示出了本发明另一实施例提供的空间电场测量装置的示意图；
图4示意性示出了本发明实施例提供的空间电场测量系统的示意图；
附图标记说明：
1-电场耦合拾取单元；
11-第三电极；
12-第四电极；
2-微型振动单元；
21-第一电极；
22-第二电极；
23-封装盖板；
3-信号采集与处理单元；
4-数据传输模块；
5-供电模块；
6-屏蔽罩；
E-空间电场。
具体实施方式
本发明提供了一种空间电场测量装置，包括电场耦合拾取单元、微型振动单元以及信号采集与处理单元。
电场耦合拾取单元，适用于感测空间电场；
微型振动单元，与所述电场耦合拾取单元连接，适用于生成输出信号；以及
信号采集与处理单元，与所述微型振动单元连接，适用于根据所述输出信号生成测量结果，其中，所述测量结果表征所述空间电场的场强。
通过电场耦合拾取单元作用于微型振动单元来实现空间电场的测量，利用了微型振动单元对电场的积聚放大效应，增强了空间电场测量的灵敏度，提高了空间电场测量装置的信噪比和分辨力。
下面结合附图对本发明的空间电场测量装置的具体部件和结构做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面提供的具体实施的限制。
图1示意性示出了本发明实施例提供的空间电场测量装置的示意图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种空间电场测量装置，包括电场耦合拾取单元1、微型振动单元2以及信号采集与处理单元3。
电场耦合拾取单元1，适用于感测空间电场。
微型振动单元2，与电场耦合拾取单元1连接，适用于生成输出信号。
信号采集与处理单元3，与微型振动单元2连接，适用于根据微型振动单元2的输出信号，通过相应的信号采集与处理电路对数据进行处理生成测量结果。
根据本发明的实施例，测量结果表征空间电场的场强。
通过电场耦合拾取单元作用于微型振动单元来实现空间电场的测量，利用了微型振动单元对电场的积聚放大效应，增强了空间电场测量的灵敏度，提高了空间电场测量装置的信噪比和分辨力。
图2示意性示出了本发明另一实施例提供的空间电场测量装置的示意图。
如图2所示，在本发明的实施例中，微型振动单元2包括第一电极21和第二电极22。
根据本发明的实施例，第一电极21为振动电极，可通过支撑梁固定，第一电极21的电极形式可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对电极形式做具体限定。
根据本发明的实施例，第二电极22为固定电极，可设置在振动电极侧方、下方或上方，本实施例中固定电极设置在振动电极下方，第二电极22的电极形式和位置可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对电极形式和位置做具体限定。
如图2所示，在本发明的实施例中，电场耦合拾取单元1包括第三电极11和第四电极12。
根据本发明的实施例，第三电极11可以为平板、圆柱形、球形、线条等形式；第三电极11的电极形式可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对电极形式做具体限定。
根据本发明的实施例，第四电极12可以为平板、圆柱形、球形、线条等形式；第四电极12的电极形式可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对电极形式做具体限定。
根据本发明的实施例，第三电极11与第一电极21可以通过引线连接，第四电极12和第二电极22可以通过引线连接。但不限于此，第三电极11还可以通过引线与第二电极22连接，相应地，第四电极12可以通过引线与第一电极21连接。
根据本发明的实施例，可以利用微型振动单元2的第一电极21和第二电极22之间的电场所形成的电场力作为激励，使第一电极21相对于第二电极22产生位移，从而将待测电场转换成输出信号。
根据本发明的实施例，在利用电场力作为激励驱动第一电极移动的情况下，可以不引入外加激励，实现了减少空间电场测量装置的功耗的技术效果。
根据本发明的实施例，微型振动单元还可以在外加激励的情况下，将待测电场生成输出信号。
根据本发明的实施例，主动激励(外加激励)可以通过以下任意一种或多种方式产生：静电方式、电磁方式、压电方式、热激励方式、光激励方式等；激励方式可以根据实际需求灵活选择，本发明实施例不对激励方式做具体限定。
根据本发明的实施例，通过对微型振动单元进行主动激励的方式使微型振动单元将待测电场转换成待测电信号，可以使微型振动单元获得更大的振幅或信号输出，实现提高待测电场转换为待测电信号的灵敏度，进而提高电场测量装置的测量精度的技术效果。
根据本发明的实施例，输出信号可以包括以下任意一种或多种：电荷、频率、振幅、阻值、电容信号、电流、电压信号；输出信号类型可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对待测电信号类型做具体限定。
根据本发明的实施例，在空间电场作用下，电场耦合拾取单元1的第三电极11和第四电极12可以感应出电荷或者形成空间电势梯度，将待测电场引入微型振动单元2中，从而形成输出信号。
根据本发明的一实施例，微型振动单元2中第一电极21可以在外加激励作用下发生谐振，当微型振动单元2引入待测电场后，第一电极21的谐振频率发生变化，使电场信号转换为频率信号。
根据本发明的另一实施例，微型振动单元2中第一电极21可以在电场力作用下发生位移，使电场信号转换为振幅信号。
根据本发明的另一实施例，还可以在微型振动单元2中第一电极21周围设有压阻结构，从而当微型振动单元2中第一电极21在电场力作用下相对于第二电极22发生位移时，可以导致压阻结构的阻值发生变化，使电场信号转换为阻值信号。
根据本发明的另一实施例，微型振动单元2中第一电极21在电场力作用下发生位移，从而导致第一电极21与第二电极22间的电容发生变化，使电场信号转换为电容信号。
根据本发明的实施例，微型振动单元2，可以采用微纳米加工技术、微机电系统技术(MEMS)、体硅工艺、表面工艺或精密机械加工技术实现。
根据本发明的实施例，电场耦合拾取单元1的尺寸大于微型振动单元2的尺寸。
根据本发明的实施例，尺寸包括电极长度、电极宽度、电极横截面积或电极之间的距离；尺寸类型可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对尺寸做具体限定。
通过电场耦合拾取单元在空间电场的作用下感应出电荷，并通过引线将电荷注入到微型振动单元中，利用电场耦合拾取单元的尺寸大于微型振动单元的尺寸，提高了微型振动单元的感应电荷量；或者通过电场耦合拾取单元根据空间电势梯度形成电势，并通过引线将电势引入到微型振动单元中，从而可以使微型振动单元根据接收到的电势形成电压信号，利用电场耦合拾取单元的尺寸大于微型振动单元的尺寸，可以增强微型振动单元的电压信号强度；实现了增大微型振动单元空间电场测量灵敏度的效果。
根据本发明的实施例，空间电场测量装置还包括数据传输模块4与供电模块5。
数据传输模块4，适用于测量信号数据的传输。
根据本发明的实施例，数据传输模块4，可以是无线传输、光纤有线传输；信号数据的传输方式可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对信号数据的传输方式做具体限定。
供电模块5，适用于为上述空间电场测量装置供能。
根据本发明的实施例，供电模块5，可以是电池、激光或自供电等供电方式；供能方式可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对供能方式做具体限定。
根据本发明的实施例，空间电场测量装置还包括屏蔽罩6。
屏蔽罩6，适用于屏蔽外部电场和耦合电压对空间电场测量装置的干扰。屏蔽罩6可以根据实际需求灵活设置，本发明实施例不对屏蔽罩6做具体限定。
通过设置接地的金属的屏蔽罩，能够防止外界电场、磁场或电磁场对屏蔽罩内部设备的干扰，也能够避免屏蔽罩内部设备的电磁场对外界的影响，实现提高测量的准确度，进而提高电场测量装置的测量精度的技术效果。
图3示意性示出了本发明另一实施例提供的空间电场测量装置的示意图。
如图3所示，与图2的区别仅在于，微型振动单元2包括第一电极21、第二电极22以及封装盖板23。
如图3所示，封装盖板23与电场耦合拾取单元1的第三电极11通过引线连接，第一电极21与电场耦合拾取单元1的第四电极12通过引线连接。
本发明实施例提供的空间电场测量装置，通过电场耦合拾取单元作用于微型振动单元来实现空间电场的测量，利用了微型振动单元对电场的积聚放大效应，增强了空间电场测量的灵敏度，提高了测量装置的信噪比和分辨力。
图4示意性示出了本发明实施例提供的空间电场测量系统的示意图。
根据本发明的第二个方面，如图4所示，还提供了一种空间电场测量系统，包括：多个本发明实施例提供的空间电场测量装置。
根据本发明的实施例，多个空间电场测量装置中的至少两个空间电场测量装置的电场耦合拾取单元处于不同平面，用于二维或三维电场测量。
本发明实施例提供的空间电场测量系统，通过将多个空间电场测量装置中的至少两个空间电场测量装置的电场耦合拾取单元布置于不同平面，可以实现多维度的空间电场测量。
本发明提供的空间电场测量装置及系统，有利于空间电场测量在气象探测、航空航天、工业生产、智能电网、国防军事和科学研究等方面的广泛应用。
需要说明的是，本发明的实施例中空间电场测量装置部分与本发明的实施例中空间电场测量装置系统部分是相对应的，空间电场测量系统部分的描述具体参考基空间电场测量装置部分，在此不再赘述。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种空间电场测量装置，包括：
电场耦合拾取单元，适用于感测空间电场；
微型振动单元，与所述电场耦合拾取单元连接，适用于生成输出信号；以及
信号采集与处理单元，与所述微型振动单元连接，适用于根据所述输出信号生成测量结果，其中，所述测量结果表征所述空间电场的场强；其中，
所述电场耦合拾取单元的尺寸大于所述微型振动单元的尺寸；
其中，所述微型振动单元包括第一电极和第二电极，其中，所述第二电极为固定电极，所述第一电极为振动电极，所述振动电极在电场力作用下能够相对于所述固定电极产生位移；
其中，所述微型振动单元利用所述第一电极和所述第二电极之间的电场所形成的所述电场力作为激励生成所述输出信号；
其中，所述电场耦合拾取单元包括第三电极和第四电极；
所述第三电极与所述第一电极连接，所述第四电极和所述第二电极连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微型振动单元还包括封装盖板，作为所述微型振动单元与所述电场耦合拾取单元的替代连接方式：
所述封装盖板与所述电场耦合拾取单元的第三电极连接，所述第一电极与所述电场耦合拾取单元的第四电极连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述电场耦合拾取单元的尺寸大于所述微型振动单元的尺寸；
其中，所述尺寸包括电极长度、电极宽度、电极横截面积或电极之间的距离。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微型振动单元在外加激励作用下生成所述输出信号；
其中，所述输出信号包括以下任意一种或多种：电荷、频率、振幅、阻值、电容、电流、电压信号；
其中，所述外加激励通过以下任意一种或多种方式产生：
静电方式、电磁方式、压电方式、热激励方式、光激励方式。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括屏蔽罩，所述微型振动单元和所述信号采集与处理单元位于所述屏蔽罩内。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述微型振动单元采用以下任意一种或多种工艺制作得到：微纳米加工技术、微机电系统技术、体硅工艺、表面工艺、精密机械加工技术。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括：
数据传输模块，适用于传输所述测量结果；
供电模块，适用于为所述空间电场测量装置供能。
8.一种空间电场测量系统，包括：
多个如权利要求1至7中任一项所述的空间电场测量装置，其中，多个所述空间电场测量装置中的至少两个所述空间电场测量装置的所述电场耦合拾取单元处于不同平面，用于二维或三维电场测量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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