CN114441830A - 一种压电压阻型电场传感器性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压电压阻型电场传感器性能测试系统及方法，包括上位机；与所述上位机连接的源表测量模块；与所述上位机连接的信号发生器；与所述信号发生器连接的功率放大器；与所述功率放大器连接的电场发生器；与所述源表测量模块连接的传感器夹持装置；与所述传感器夹持装置连接的前置差分放大器；与所述前置差分放大器、所述功率放大器和所述上位机连接的示波器。通过上述结构，上位机可以通过下发的控制指令对信号发生器、源表测量模块和示波器等进行控制，从而实现对压电压阻型电场传感器的测量，提高了压电压阻型电场传感器测试的便捷性和效率。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测试技术领域，具体而言，涉及一种压电压阻型电场传感器性能测试系统及方法。
背景技术
压电压阻型电场传感器的耦合机理为压电材料与半导体压阻材料的机械耦合，它们之间以应力应变为媒介，通过压电效应和压阻效应进行能量的转换，即压电材料以压电效应将电场能量转化为机械物理场能量(使得压电材料发生形变所需要的能量)，压阻材料以压阻效应将机械物理场能量转化为半导体压阻材料内能，该能量使其电阻率发生变化。由于压电材料的压电效应中起关键作用的是其内部电场强度的大小，而传感器在外部空间电场中面临着介电常数较大的材料在空间电场中面临的分压较小且不确定问题，需要通过测试验证其分压能否达到电场测试需求。但是，目前缺乏一种可以方便地对压电压阻型电场传感器进行测试的系统。因此亟需提供一种方案以提高压电压阻型电场传感器测试的便捷性和效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电压阻型电场传感器性能测试系统及方法，用以实现提高压电压阻型电场传感器测试的便捷性和效率的技术效果。
第一方面，本发明提供了一种压电压阻型电场传感器性能测试系统，包括上位机；与所述上位机连接的源表测量模块；与所述上位机连接的信号发生器；与所述信号发生器连接的功率放大器；与所述功率放大器连接的电场发生器；与所述源表测量模块连接的传感器夹持装置；与所述传感器夹持装置连接的前置差分放大器；与所述前置差分放大器、所述功率放大器和所述上位机连接的示波器；所述信号发生器用于在所述上位机的控制下为所述功率放大器提供电压信号；所述功率放大器用于将所述电压信号转换为高压信号后施加给所述电场发生器；所述电场发生器用于根据所述高压信号产生用于测试的标准电场；所述传感器夹持装置用于安装压电压阻型电场传感器并提供压电压阻型电场传感器与源表测量模块和前置差分放大器连接的连接口；所述源表测量模块用于在所述上位机的控制下为所述压电压阻型电场传感器提供稳定的激励电源；所述前置差分放大器用于将所述压电压阻型电场传感器的输出信号进行放大处理后发送给示波器；所述示波器用于对所述前置差分放大器输出的信号和所述功率放大器输出的信号进行测量后发送给上位机进行显示；所述上位机还用于根据示波器测量的数据对所述源表测量模块、所述信号发生器和所述示波器进行控制。
进一步地，所述传感器夹持装置为PCB集成电路板；所述PCB集成电路板的第一端设有传感器接口；所述PCB集成电路板的第二端设有与所述传感器接口连接的BNC接头，且所述PCB集成电路板的第二端还设有呈长方形排布的四个安装孔；所述源表测量模块和所述前置差分放大器通过所述BNC接头上设置的连接端口与所述传感器接口的对应引脚连接。
进一步地，所述PCB集成电路板为T型；所述BNC接头设置在所述PCB集成电路板的横板上；所述安装孔分别设置在所述横板的四个角附近；所述传感器接口设置在所述PCB集成电路板的竖板上，且位于所述竖板距离所述横板最远的一端。
进一步地，所述电场发生器为平行板电容式电场发生器。
进一步地，所述平行板电容式电场发生器包括安装框架、第一电极、第二电极、固定架和调节头；所述安装框架包括底座；安装在所述底座上的第一支撑板；在所述第一支撑板上呈正方形排布的四根相同高度的支撑柱；通过所述支撑柱支撑的第二支撑板；所述第一支撑板的中心区域设有第一通孔；所述第二支撑板的中心区域设有第二通孔；所述第一电极包括第一电极板以及固定在所述第一电极板底部中心区域的第一安装杆；所述第二电极包括第二电极板以及固定在所述第二电极板顶部中心区域的第二安装杆；所述第一安装杆的末端通过设置的第一安装部从所述第一支撑板的顶部穿过所述第一通孔后，与所述第一支撑板底部设置的第一螺母连接；所述第二安装杆的末端通过设置的第二安装部从所述第二支撑板的底部穿过所述第二通孔后，再穿过所述第二支撑板的顶部设置的第二螺母与所述调节头的底部设置的螺纹槽连接；所述固定架安装在所述第一支撑板的顶部且靠近所述第一电机，同时所述固定架顶部的高度位于第一电极板和第二电极板之间，在所述固定架的顶部还设有多个用于安装传感器夹持装置的螺孔。
进一步地，所述压电压阻型电场传感器性能测试系统还包括与所述上位机连接的远程通信设备。
第二方面，本发明提供了一种压电压阻型电场传感器性能测试方法，应用于上述的压电压阻型电场传感器性能测试系统，包括：
将压电压阻型电场传感器安装在传感器夹持装置上后置于电场发生器中；
通过上位机控制信号发生器为功率放大器提供电压信号；
所述功率放大器将所述电压信号转换为高压信号后施加给电场发生器；
所述电场发生器根据所述高压信号产生用于测试的标准电场，并通过所述上位机控制源表测量模块为所述压电压阻型电场传感器提供稳定的激励电源；
通过前置差分放大器将所述压电压阻型电场传感器的输出信号进行放大处理后发送给示波器；
通过所述示波器对所述前置差分放大器输出的信号和所述功率放大器输出的信号进行测量后发送给上位机进行显示；
所述上位机根据获取到的测量数据更新所述功率放大器、所述源表测量模块和所述示波器的控制指令。
本发明能够实现的有益效果是：通过本发明提供的压电压阻型电场传感器性能测试系及方法，上位机可以实现对压电压阻型电场传感器的自动化测试，提高压电压阻型电场传感器测试的便捷性和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种压电压阻型电场传感器性能测试系统的拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电场发生器的主视图；
图3为本发明实施例提供的一种电场发生器的左视图；
图4为本发明实施例提供的一种电场发生器的右视图；
图5为本发明实施例提供的一种电场发生器的俯视图；
图6为本发明实施例提供的一种电场发生器的仰视图；
图7为本发明实施例提供的一种电场发生器的后视图；
图8为本发明实施例提供的一种传感器夹持装置的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种压电压阻型电场传感器性能测试方法的流程示意图。
图标：10-压电压阻型电场传感器性能测试系统；100-上位机；200-信号发生器；300-功率放大器；400-电场发生器；410-安装框架；411-底座；412-第一支撑板；413-支撑柱；414-第二支撑板；420-第一电极；421-第一电极板；422-第一安装杆；430-第二电极；431-第二电极板；432-第二安装杆；440-固定架；450-调节头；460-第一螺母；470-第二螺母；500-源表测量模块；600-传感器夹持装置；610-传感器接口；620-BNC接头；630-安装孔；700-前置差分放大器；800-示波器。
具体实施方式
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描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1-图7，图1为本发明实施例提供的一种压电压阻型电场传感器性能测试系统的拓扑结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种电场发生器的主视图；图3为本发明实施例提供的一种电场发生器的左视图；
图4为本发明实施例提供的一种电场发生器的右视图；图5为本发明实施例提供的一种电场发生器的俯视图；图6为本发明实施例提供的一种电场发生器的仰视图；图7为本发明实施例提供的一种电场发生器的后视图；
图8为本发明实施例提供的一种传感器夹持装置的结构示意图。
在一种实施方式中，本发明实施例提供了一种压电压阻型电场传感器性能测试系统1010，包括：上位机100100；与上位机100100连接的源表测量模块500500；与上位机100100连接的源表测量模块500在一种实施方式中，本发明实施例提供了一种压电压阻型电场传感器性能测试系统10，包括：上位机100；与上位机100连接的源表测量模块500；与上位机100连接的源表测量模块500；与信号发生器200连接的功率放大器300；与功率放大器300连接的电场发生器400；与源表测量模块500连接的传感器夹持装置600；与传感器夹持装置600连接的前置差分放大器700；与前置差分放大器700、功率放大器300和上位机100连接的示波器800；信号发生器200用于在上位机100的控制下为功率放大器300提供电压信号；功率放大器300用于将电压信号转换为高压信号后施加给电场发生器400；电场发生器400用于根据高压信号产生用于测试的标准电场；传感器夹持装置600用于安装压电压阻型电场传感器并提供压电压阻型电场传感器与源表测量模块500和前置差分放大器700连接的连接口；源表测量模块500用于在上位机100的控制下为压电压阻型电场传感器提供稳定的激励电源；前置差分放大器700用于将压电压阻型电场传感器的输出信号进行放大处理后发送给示波器800；示波器800用于对前置差分放大器700输出的信号和功率放大器300输出的信号进行测量后发送给上位机100进行显示；上位机100还用于根据示波器800测量的数据对源表测量模块500、信号发生器200和示波器800进行控制。
具体地，信号发生器200型号选用的型号为Agilent 33220A，该信号发生器200使用直接数字合成技术，生成稳定、精确和低失真的输出型号，频率最高可到20MHz，幅值范围在10mVpp～10Vpp之间，并且Agilent33220A内部自带指数上升、指数下降模型，可以对传感器进行跟随性能测试。功率放大器300选用Trek 30/20A高压功率放大器，其是一种直流稳定、高压功率放大器,全固态设计,具有高的频率、宽带宽、低噪声的特性。其同相固定增益为3000V/V，并配有由于过负载或短路导致的过电压和过电流保护。精密电压和电流监测器提供了低压表示的高压输出和负载电流用于数据监测，该信号可用于闭环系统的反馈信号。并且该高压功率放大器300可编程控制，具有低噪声通常用于介电材料研究、静电悬浮研究和等离子研究等需要高压高场强的场合。源表测量模块500选用型号为KeysightB2912A，其称之为精密电源，能够同时输出电压电流的同时测量电压电流，故当其作为电压电流源时可以进行闭环反馈，保证输出电压具有足够的精度。前置差分放大器700则可以选用日本NF公司的5307，其频域宽DC-10MHz，满足传感器输出信号的带宽要求，除此，该差分放大器还具有低噪、低温漂等特征。采用的示波器800为Lecroy WaveRunner 8254，该示波器800具有宽带宽范围、高采样率、长储存等特性，500MHz～4GHz的带宽和40GS/s的采样率满足对MHz量级的传感器输出信号的采集。并且WaveRunner 8254示波器支持多通信端口，包括GPIB、LAN和USB等，方便上位机100的控制。
在一种实施方式中，如图2-7所示，电场发生器400为平行板电容式电场发生器。该平行板电容式电场发生器包括安装框架410、第一电极420、第二电极430、固定架440和调节头450；安装框架410包括底座411；安装在底座411上的第一支撑板412；在第一支撑板412上呈正方形排布的四根相同高度的支撑柱413；通过支撑柱413支撑的第二支撑板414；第一支撑板412的中心区域设有第一通孔；第二支撑板414的中心区域设有第二通孔；第一电极420包括第一电极板421以及固定在第一电极板421底部中心区域的第一安装杆422；第二电极430包括第二电极板431以及固定在第二电极板431顶部中心区域的第二安装杆432；第一安装杆422的末端通过设置的第一安装部从第一支撑板412的顶部穿过第一通孔后，与第一支撑板412底部设置的第一螺母460连接；第二安装杆432的末端通过设置的第二安装部从第二支撑板414的底部穿过第二通孔后，再穿过第二支撑板414的顶部设置的第二螺母470与调节头450的底部设置的螺纹槽连接；固定架440安装在第一支撑板412的顶部且靠近第一电机，同时固定架440顶部的高度位于第一电极板421和第二电极板431之间，在固定架440的顶部还设有多个用于安装传感器夹持装置600的螺孔。
具体地，第一电极420、第二电极430、固定架440和调节头450所用的材料均为铝；安装框架410所用的材料均为有机玻璃。
在一种实施方式中，传感器夹持装置600为PCB集成电路板；PCB集成电路板的第一端设有传感器接口610；PCB集成电路板的第二端设有与传感器接口610连接的BNC接头620，且PCB集成电路板的第二端还设有呈长方形排布的四个安装孔630；源表测量模块500和前置差分放大器700通过BNC接头620上设置的连接端口与传感器接口610的对应引脚连接。
具体地，如图8所示PCB集成电路板为T型；BNC接头620设置在PCB集成电路板的横板上；安装孔630分别设置在横板的四个角附近；传感器接口610设置在PCB集成电路板的竖板上，且位于竖板距离横板最远的一端。BNC接头620与传感器接口610通过PCB排线的方式连接。
在一种实施方式中，压电压阻型电场传感器性能测试系统10还包括与上位机100连接的远程通信设备。通过设置的远程通信设备，上位机100可以将测量数据发送给需要查看数据的用户。示例性地，远程通信设备可以选用手机、平板电脑等。
请参看图9，图9为本发明实施例提供的一种压电压阻型电场传感器性能测试方法的流程示意图。
在一种实施方式中，本发明实施例提供了一种压电压阻型电场传感器性能测试方法，该方法应用于上述的压电压阻型电场传感器性能测试系统。其具体内容如下所述。
S1.将压电压阻型电场传感器安装在传感器夹持装置上后置于电场发生器中；
S2.通过上位机控制信号发生器为功率放大器提供电压信号；
S3.所述功率放大器将所述电压信号转换为高压信号后施加给电场发生器；
S4.所述电场发生器根据所述高压信号产生用于测试的标准电场，并通过所述上位机控制源表测量模块为所述压电压阻型电场传感器提供稳定的激励电源；
S5.通过前置差分放大器将所述压电压阻型电场传感器的输出信号进行放大处理后发送给示波器；
S6.通过所述示波器对所述前置差分放大器输出的信号和所述功率放大器输出的信号进行测量后发送给上位机进行显示；
S7.所述上位机根据获取到的测量数据更新所述功率放大器、所述源表测量模块和所述示波器的控制指令。
综上所述，本发明实施例提供一种压电压阻型电场传感器性能测试系统及方法，包括上位机；与上位机连接的源表测量模块；与上位机连接的信号发生器；与信号发生器连接的功率放大器；与功率放大器连接的电场发生器；与源表测量模块连接的传感器夹持装置；与传感器夹持装置连接的前置差分放大器；与前置差分放大器、功率放大器和上位机连接的示波器。通过上述结构，上位机可以通过下发的控制指令对信号发生器、源表测量模块和示波器等进行控制，从而实现对压电压阻型电场传感器的测量，提高了压电压阻型电场传感器测试的便捷性和效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种压电压阻型电场传感器性能测试系统，其特征在于，包括上位机；与所述上位机连接的源表测量模块；与所述上位机连接的信号发生器；与所述信号发生器连接的功率放大器；与所述功率放大器连接的电场发生器；与所述源表测量模块连接的传感器夹持装置；与所述传感器夹持装置连接的前置差分放大器；与所述前置差分放大器、所述功率放大器和所述上位机连接的示波器；所述信号发生器用于在所述上位机的控制下为所述功率放大器提供电压信号；所述功率放大器用于将所述电压信号转换为高压信号后施加给所述电场发生器；所述电场发生器用于根据所述高压信号产生用于测试的标准电场；所述传感器夹持装置用于安装压电压阻型电场传感器并提供压电压阻型电场传感器与源表测量模块和前置差分放大器连接的连接口；所述源表测量模块用于在所述上位机的控制下为所述压电压阻型电场传感器提供稳定的激励电源；所述前置差分放大器用于将所述压电压阻型电场传感器的输出信号进行放大处理后发送给示波器；所述示波器用于对所述前置差分放大器输出的信号和所述功率放大器输出的信号进行测量后发送给上位机进行显示；所述上位机还用于根据示波器测量的数据对所述源表测量模块、所述信号发生器和所述示波器进行控制。
2.根据权利要求1所述的压电压阻型电场传感器性能测试系统，其特征在于，所述传感器夹持装置为PCB集成电路板；所述PCB集成电路板的第一端设有传感器接口；所述PCB集成电路板的第二端设有与所述传感器接口连接的BNC接头，且所述PCB集成电路板的第二端还设有呈长方形排布的四个安装孔；所述源表测量模块和所述前置差分放大器通过所述BNC接头上设置的连接端口与所述传感器接口的对应引脚连接。
3.根据权利要求2所述的压电压阻型电场传感器性能测试系统，其特征在于，所述PCB集成电路板为T型；所述BNC接头设置在所述PCB集成电路板的横板上；所述安装孔分别设置在所述横板的四个角附近；所述传感器接口设置在所述PCB集成电路板的竖板上，且位于所述竖板距离所述横板最远的一端。
4.根据权利要求1所述的压电压阻型电场传感器性能测试系统，其特征在于，所述电场发生器为平行板电容式电场发生器。
5.根据权利要求4所述的压电压阻型电场传感器性能测试系统，其特征在于，所述平行板电容式电场发生器包括安装框架、第一电极、第二电极、固定架和调节头；所述安装框架包括底座；安装在所述底座上的第一支撑板；在所述第一支撑板上呈正方形排布的四根相同高度的支撑柱；通过所述支撑柱支撑的第二支撑板；所述第一支撑板的中心区域设有第一通孔；所述第二支撑板的中心区域设有第二通孔；所述第一电极包括第一电极板以及固定在所述第一电极板底部中心区域的第一安装杆；所述第二电极包括第二电极板以及固定在所述第二电极板顶部中心区域的第二安装杆；所述第一安装杆的末端通过设置的第一安装部从所述第一支撑板的顶部穿过所述第一通孔后，与所述第一支撑板底部设置的第一螺母连接；所述第二安装杆的末端通过设置的第二安装部从所述第二支撑板的底部穿过所述第二通孔后，再穿过所述第二支撑板的顶部设置的第二螺母与所述调节头的底部设置的螺纹槽连接；所述固定架安装在所述第一支撑板的顶部且靠近所述第一电机，同时所述固定架顶部的高度位于第一电极板和第二电极板之间，在所述固定架的顶部还设有多个用于安装传感器夹持装置的螺孔。
6.根据权利要求1所述的压电压阻型电场传感器性能测试系统，其特征在于，所述压电压阻型电场传感器性能测试系统还包括与所述上位机连接的远程通信设备。
7.一种压电压阻型电场传感器性能测试方法，应用于权利要求1-6任一项所述的压电压阻型电场传感器性能测试系统，其特征在于，包括：
将压电压阻型电场传感器安装在传感器夹持装置上后置于电场发生器中；
通过上位机控制信号发生器为功率放大器提供电压信号；
所述功率放大器将所述电压信号转换为高压信号后施加给电场发生器；
所述电场发生器根据所述高压信号产生用于测试的标准电场，并通过所述上位机控制源表测量模块为所述压电压阻型电场传感器提供稳定的激励电源；
通过前置差分放大器将所述压电压阻型电场传感器的输出信号进行放大处理后发送给示波器；
通过所述示波器对所述前置差分放大器输出的信号和所述功率放大器输出的信号进行测量后发送给上位机进行显示；
所述上位机根据获取到的测量数据更新所述功率放大器、所述源表测量模块和所述示波器的控制指令。
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