CN114034939B - 一种基于电荷感应的低频宽带电场仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，可探测空气、大气或海水中强度20μV/m至60kV/m、频率1Hz至16kHz范围内的电场信号，包括依次连接的前端探测电极、电荷感知芯片、高通滤波电路、模数转换电路、微控制器电路、上位机；前端探测电极将不同介质中的电场信号感应为电荷信号；电荷感知芯片将电荷信号转换为模拟电压信号；高通滤波电路对模拟电压信号进行高通滤波；模数转换电路将模拟电压信号转换为数字信号；微控制器电路将数字信号传输至上位机；上位机实时显示电场波形和FFT频谱图，并标定计算出电场信号强度。本发明基于电荷感知芯片，使用多种增益电极探测电场强度，相较于其他电场仪有高灵敏度、频率探测范围宽、使用场景广等优势。

Description

一种基于电荷感应的低频宽带电场仪

技术领域

本发明涉及一种基于电荷感应的低频宽带电场仪。

技术背景

电场探测在防范灾害天气、探测卫星、工程技术等领域都有广泛应用。雷电、暴雨、冰雹的出现和发展，往往会引起电场强度在一定程度上的变化，因此对大气电场数值变化的监测对雷暴及冰雹等自然灾害天气可起到重要的预警作用；随着科技的进步，电场探测的系统搭载球体、箭体、卫星等不同的载体，成为空间探测卫星及子午工程各测站主要的探测和监测项目之一，实时获取卫星运行轨道面周边等离子体环境的空间电场及其变化，对于防范地震火山沙尘暴等自然灾害有积极意义；通过对电气设备外围及内部电场分布的探测，如高压传输线附近的工频电场，绝缘体的表面电场等，有效监测系统运行的状态，电场的探测不仅可以帮助技术人员发现系统问题，对设备进行改进和完善，而且能够及时发现研究环境中电场过强、辐射较大的区域，对相关人员的安全与健康保障也有重要的意义。

随着科学技术的蓬勃发展，各种各样的电场仪相应问世，根据电场仪的应用场景可以将电场仪分为地空和水下两大类。

地空电场仪主要运用电荷感应原理，场磨式电荷感应仪可用来监测静电场，其感应探头由两组扇形金属片组成，旋转片按照一定频率一次又一次地盖住感应片，使得感应片随时间有规律地出现在被测电场中，输出差动交变信号，分辨率可达到V/m的量级。一维球形交变电场感应仪可用来监测交变场，上下两个半球电极与绝缘物质相连，在电极之间加入电容，则电容两端产生的压降可作为判断电场大小的指标，主要用于高压交变场的测量，测量幅度大小一般在kV/m量级，其分辨率最高也只能达到V/m的量级。地面电场测量受到观测环境和条件的限制，精确度有待提高，因此空中电场仪逐渐发展起来，除了用于雷电、地震等灾害预防，其还将成为获得航空领域空间电磁场资料的主要途径。球载双球式电场仪的装置中，运放芯片的同向段和反向端分别连接在两个感应球的输出上，电极启动时，双球旋转，积聚感生电荷，因球体位置相对，感生电荷极性相反大小相等，并且电场强度越大感生电荷越大。星载电场仪主要分为双探针式和电子漂移型，双探针法是将探针暴露在空间等离子体环境中，探针表面与之接触会产生电位差，测量该电势差就可以间接测量该空间电场强度的大小。电子漂移的原理是，带电粒子在场中受电磁力作用而运动，运动必然带来速度，通过测量带电粒子的漂移速度间接地测量出空间电场。星载电场仪测量幅度一般在V/m量级，灵敏度在十几μV/m的数量级。

电场信号在海水中传播时会衰减，频率越高，衰减越严重，因此对于海洋电场信号的研究着重在低频段。目前已有的海洋电场传感器工作原理是通过传感器探头置于海水中，氧化反应和还原反应的速度不同，此时探头表面会产生电流信号。目标物体会改变海水中的电荷分布，从而影响电化学反应的速率，通过测量探头表面的电流信号间接测量目标物体的电场信号。目前，水下电场探测的国外技术较为成熟，测量范围在0～100μV/m，灵敏度达到nV/m的量级。

因此，不同的应用场景对于电场仪的测量指标需求不同，地空电场仪灵敏度较低，基本检测不到极低频信号，而水下电场仪虽然灵敏度很高，但因其检测机理特殊又不能用来监测地空的电场信号。目前市面上还没有一款多用复合型电场仪，既可以实现地空电场信号的探测，同时又能将之应用于水下电场探测。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出了一种基于电荷感应的低频宽带电场仪。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，可探测电场信号的强度范围为20μV/m至60kV/m，频率范围为1Hz至16kHz，探测介质可以为空气、海水、真空，包括依次连接的前端探测电极、电荷感知芯片、高通滤波电路、模数转换电路、微控制器电路、上位机；所述前端探测电极将不同介质中的电场信号感应为电荷信号，并通过同轴电缆连接至电荷感知芯片，可通过更换不同增益的前端探测电极实现宽电场强度范围检测；所述电荷感知芯片将前端探测电极感应出的电荷信号转换为模拟电压信号；所述高通滤波电路将电荷感知芯片输出的模拟电压信号进行截止频率为1Hz的高通滤波；所述模数转换电路将高通滤波电路输出的电压信号进行分辨率24位，最高采样率32kHz的模数转换；所述微控制器电路将模数转换电路转换的数字信号传输至上位机；所述上位机实时显示微控制器上传信号的时域波形和FFT频谱图，并根据使用的前端探测电极不同，可设定1Hz至16kHz带宽间不同频率的标定值，进而标定计算出所探测电场信号的强度。

进一步地，所述探测前端电极不同增益在于电极形状和表面积的不同；电极1为最低增益电极，由一个长度为8mm，直径为1mm的铜柱构成，对应可探测电场的强度为20mV/m至60kV/m；电极2为中间增益电极，由一个直径为2.54cm，表面镀铜的圆电极构成，对应可探测电场的强度为100μV/m至400V/m；电极3为最高增益电极，由一个直径为7.6cm，表面镀铜的圆形电极构成，对应可探测电场的强度为20μV/m至60V/m。

进一步地，所述电荷感知芯片的输入阻抗为数百GΩ量级，输入电容为pF量级。

进一步地，所述上位机可选择当前探测前端电极型号，电极1，电极2和电极3，每种电极型号都对应一组标定值，即在1V/m的标准场强下，该电极在1Hz-16kHz带宽间不同频率电场下的标定值，用于计算出所探测电场信号的强度。

进一步地，所述上位机可实时显示微控制器上传信号的时域波形和FFT频谱图，可以通过鼠标点击FFT频谱图选择频率或者在对话框中输入选择频率，会得到该频率对应幅值，点击标定计算，可以得到该频率下探测的电场强度大小。

进一步地，所述电极的标定值，使用TEMTransmissionCell腔体设备在空气中标定得出，标定过程为：

1)将所选电极1放入腔体设备的中间位置，探测面平行于腔体设备的两个平行极板；

2)在腔体设备的两个平行极板上加1kHz的交流电压，调整其大小，使得在极板间产生1V/m的匀强电场，测量电场仪在该频率下的输出值，即1kHz频率下的标定值；

3)在1Hz至16kHz带宽内，以1Hz为步进频率，分别调整加在腔体设备两个平行极板的交流电压频率和大小，使得在极板间产生1V/m的匀强电场，可以得到不同频率下的电场仪输出值，即不同频率的标定值；

4)更换电极2，重复步骤1)-3)，得到电极2的标定值；

5)更换电极3，重复步骤1)-3)，得到电极3的标定值。

进一步地，计算所探测电场信号强度的方法为所选择频率的对应幅值除以所选电极在该频率下的标定值之后再除以探测介质的介电常数。

本发明建立了基于电荷感应的低频宽带电场仪，通过使用多种不同增益电极，提高了电场强度的探测范围，并可以在空气，大气，海水等多种介质中进行探测，开拓了更多的应用场景，相较于现存的电场仪设备，有高灵敏度、频率探测范围宽、使用场景多等显著优势。

附图说明

图1是基于电荷感应的低频宽带电场仪设备系统框图。

图2是上位机界面图。

图3是计量院电场标定设备简图。

具体实施方式

本发明的系统包括依次连接的前端探测电极、电荷感知芯片、高通滤波电路、模数转换电路、微控制器电路、上位机。结合附图1，在50Hz室内电场探测的具体工作原理与过程描述如下：

(1)前端探测电极：鉴于50Hz室内电场幅度为V/m，本实施例选用电极2中间增益电极，并通过同轴电缆连接至电荷感知芯片。

(2)电荷感知芯片：电荷感知芯片的输入阻抗为数百GΩ量级，输入电容为pF量级，电荷感知芯片将前端探测电极感应出的电荷信号转换为模拟电压信号。

(3)高通滤波电路：高通滤波电路将电荷感知芯片输出的模拟电压信号进行截止频率为1Hz的高通滤波，此处采用一阶高通滤波电路。

(4)模数转换电路：模数转换电路采用ADS1298将高通滤波电路输出的电压信号进行分辨率24位，采样率32kHz的模数转换，通过SPI串行接口将数字信号传输至微控制器内存中。

(5)微控制器电路：微控制器电路采用STM32F103负责将模数转换电路输出的数字信号传输至上位机，主要包括与模数转换器通信模块和与上位机通信模块，模数转换器通信模块负责在上电后根据配置初始化模数转换器，设置采样率、放大倍数等，上位机通信模块将由模数转换器传来的数字信号实时打包传输至上位机，微控制器电路通过UART串口与上位机通信。

(6)上位机：结合附图2，上位机实时显示微控制器上传信号的时域波形和FFT频谱图，并根据使用的前端探测电极不同，可设定1Hz至16kHz带宽间不同频率的标定值，进而标定计算出所探测电场信号的强度，具体包括通信接口选择、场强计算部分以及信号显示窗口，首先通过通信接口选择微控制器电路与上位机硬件连接的串行接口号，点击Open按钮打开通信接口，其次场强计算部分，增益电极选择电极2，频率选择50Hz，上位机后台会自动读取该电极所对应的标定值用于电场值标定计算，再选择当前电场探测所在的介质介电常数，室内空气介质介电常数为1，点击标定计算按钮得到电场强度1.493065V/m。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同变换或替换均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，可探测电场信号的强度范围为20μV/m至60kV/m，频率范围为1Hz至16kHz，探测介质可以为空气、海水、真空，包括依次连接的前端探测电极、电荷感知芯片、高通滤波电路、模数转换电路、微控制器电路、上位机：

所述前端探测电极将不同介质中的电场信号感应为电荷信号，并通过同轴电缆连接至电荷感知芯片，可通过更换不同增益的前端探测电极实现宽电场强度范围检测；所述前端探测 电极不同增益在于电极形状和表面积的不同；电极1为最低增益电极，由一个长度为8mm，直径为1mm的铜柱构成，对应可探测电场的强度为20mV/m至60kV/m；电极2为中间增益电极，由一个直径为2.54cm，表面镀铜的圆电极构成，对应可探测电场的强度为100μV/m至400V/m；电极3为最高增益电极，由一个直径为7.6cm，表面镀铜的圆形电极构成，对应可探测电场的强度为20μV/m至60V/m；

所述电荷感知芯片将前端探测电极感应出的电荷信号转换为模拟电压信号，电荷感知芯片的输入阻抗为数百GΩ量级，输入电容为pF量级；

所述高通滤波电路将电荷感知芯片输出的模拟电压信号进行截止频率为1Hz的高通滤波；

所述模数转换电路将高通滤波电路输出的电压信号进行分辨率24位，最高采样率32kHz的模数转换；

所述微控制器电路将模数转换电路转换的数字信号传输至上位机；

所述上位机实时显示微控制器上传信号的时域波形和FFT频谱图，并根据使用的前端探测电极不同，可设定1Hz至16kHz带宽间不同频率的标定值，进而标定计算出所探测电场信号的强度。

2.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，所述上位机可选择当前探测前端电极型号，电极1，电极2和电极3，每种电极型号都对应一组标定值，即在1V/m的标准场强下，该电极在1Hz-16kHz带宽间不同频率电场下的标定值，用于计算出所探测电场信号的强度。

3.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，所述上位机可实时显示微控制器上传信号的时域波形和FFT频谱图，可以通过鼠标点击FFT频谱图选择频率或者在对话框中输入选择频率，会得到该频率对应幅值，点击标定计算，可以得到该频率下探测的电场强度大小。

4.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，所述电极的标定值，使用TEM Transmission Cell腔体设备在空气中标定得出，标定过程为：

1)将所选电极1放入腔体设备的中间位置，探测面平行于腔体设备的两个平行极板；

2)在腔体设备的两个平行极板上加1kHz的交流电压，调整其大小，使得在极板间产生1V/m的匀强电场，测量电场仪在该频率下的输出值，即1kHz频率下的标定值；

3)在1Hz至16kHz带宽内，以1Hz为步进频率，分别调整加在腔体设备两个平行极板的交流电压频率和大小，使得在极板间产生1V/m的匀强电场，可以得到不同频率下的电场仪输出值，即不同频率的标定值；

4)更换电极2，重复步骤1)-3)，得到电极2的标定值；

5)更换电极3，重复步骤1)-3)，得到电极3的标定值。

5.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，计算所探测电场信号强度的方法为所选择频率的对应幅值除以所选电极在该频率下的标定值之后再除以探测介质的介电常数。

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