CN115290993A - 一种球形电极全向静电场检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种球形电极全向静电场检测装置，由电场传感器、外壳、内部电子单元、球形电极、连接杆、聚四氟支撑结构、核心屏蔽罩、遮挡屏蔽罩和外屏蔽罩组成；所述内部电子单元安装在外壳内部；所述球形电极和连接杆通过焊接或者螺纹锁紧，所述连接杆和核心屏蔽罩通过焊接或者螺纹锁紧，所述核心屏蔽罩和聚四氟支撑结构通过固定螺丝连接，所述电场传感器和连接杆之间用导线焊接，所述遮挡屏蔽罩和外壳之间、所述外屏蔽罩和外壳之间通过螺纹锁紧；所述聚四氟支撑结构对所述连接杆及其上的球形电极进行结构支撑。本发明解决了检测电场不准确、检测结果和实际值偏差较大、稳定性差等严重技术缺陷。

Description

一种球形电极全向静电场检测装置

技术领域

本发明涉及静电场检测领域，具体涉及一种球形电极全向静电场检测装置。

背景技术

电场作为一个基础的电学特性参量，其探测技术的发展具有重要的意义。针对不同的电场探测领域，待测电场的性质（例如电场频率、电场强度、电场方向和电场持续时间等）和传感器的工作环境（例如传感器与电场源的距离、传感器所处环境的温度、传感器所处环境的物态等）均不尽相同，因此测量所需的电场检测装置的种类也不尽相同。

近三十年来，随着微加工技术的快速发展，基于微机电系统技术（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术的微型电场传感器凭借其体积小、成本低、重量轻、集成度高、功耗低和可批量生产等优点，已成为了电场传感器的研究热点。MEMS电场传感器主要用于静电场和低频电场的测量。

目前，大部分的MEMS电场传感器只能测量垂直于其芯片上表面的一维电场分量，但是在很多应用场合中电场的方向未知，一维电场测量只能反映三维电场中某一个方向分量的大小，并不能反映该三维电场的全部信息，因此不适用于空间环境中三维电场的探测。

在某些应用背景下，待测环境中电场分布状况复杂，电场的方向特性在局部空间内可能发生较多变化，而检测电场的需要更多的集中在电场的强度特性上，电场分布的方向特性在这些场景中不是着重检测的目的。例如，在电力系统中，输电线和变电站附近和内部的电场分布状况极为复杂，电场在局部空间发生较多畸变，在这种环境里，为保证安全生产，更多的是考虑电场强度的大小，对电场方向性没有检测的必要，如果能在任何位置把电场强度完全检测出来，就可以有效地帮助作业工人远离危险区域，增强安全保障。又譬如，在地面布设大气电场检测装置时，宏观上大气电场是垂直于地面的，地面电场检测平面可以设置为垂直于电场线以最大化检测大气电场。但是实际环境中，当电场检测装置距离附近建筑物过近时，或者附近有金属类干扰物或者电荷不易消散类物体时，整体的电场分布状况都会发生变化，特别是在电场检测装置处的电场方向就不再垂直于电场检测平面。此时，沿用原来的这种检测方式就不能有效检测到电场，检测结果就会发生比较大的误差。

在已有的技术方案中，一维电场检测装置只具备垂直检测面电场的检测能力。以大气检测领域为例，如图1所示，认为电场方向是固定的，可以设置电场检测装置的检测面和电场方向垂直，以获得最大检测截面面积，实际上，如图2a所示，当检测位置附件不是空旷地面时，当周围有建筑物、树木、山丘等影响，电场分布发生较大变化，电场在检测装置处的方向不再是垂直于检测平面，而有较多分量是平行于检测面，这就会导致检测结果严重失真，不能正确反应大气电场的强度值。如图2b所示，当雷雨云在远处时，同样的，电场方向不是垂直于检测面的，而是斜向于检测面，这种状态下检测装置无法检测到全部的电场值，检测结果也是失真的。

因此，在现有技术的方案下，实际上，一维电场检测装置是不能准确检测到所处位置的空间电场的，严重情况下甚至出现所处环境电场极大，但是检测结果为零的情况。这些问题产生的原因就是电场检测装置自身只具备一维电场检测能力，而空间电场环境又是动态变化的，不能保证任意条件下都垂直于电场检测面。从而造成了现有技术的方案下，存在检测电场不准确、检测结果和实际值偏差较大、稳定性差等严重技术缺陷。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种球形电极全向静电场检测装置以解决检测电场不准确、检测结果和实际值偏差较大、稳定性差等严重技术缺陷。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种球形电极全向静电场检测装置，包括电场传感器、外壳、内部电子单元、球形电极、连接杆、聚四氟支撑结构、核心屏蔽罩、遮挡屏蔽罩和外屏蔽罩；所述内部电子单元安装在外壳内部，通过固定螺丝和外壳连接，通过焊接的方式和电场传感器连接；所述球形电极和连接杆通过焊接或者螺纹锁紧，所述连接杆和核心屏蔽罩通过焊接或者螺纹锁紧，所述核心屏蔽罩和聚四氟支撑结构通过固定螺丝连接，所述聚四氟支撑结构和外壳通过固定螺丝连接，所述电场传感器和连接杆之间用导线焊接，所述遮挡屏蔽罩和外壳之间通过螺纹锁紧，所述外屏蔽罩和外壳之间通过螺纹锁紧；所述聚四氟支撑结构由聚四氟乙烯材料制作，对所述连接杆及其上的球形电极进行结构支撑，并避免球形电极上的感应电荷泄露；所述球形电极全向静电场检测装置用于对空间电场进行全向检测。

进一步地，所述电场传感器是基于MEMS技术制作的将直流电场转化为可变电流信号的传感器件，所述电场传感器通过焊接连接在所述内部电子单元上。

进一步地，所述外壳为圆柱形结构，由铁、钢、铜或铝制作。

进一步地，所述球形电极由铁、钢、铜或铝制作，其为实体或者中空。

进一步地，所述连接杆由铁、钢、铜或铝制作，为圆柱形结构，连接所述球形电极和电场传感器的感应面

进一步地，所述核心屏蔽罩由铁、钢、铜或铝制作，为覆盖或包裹结构，对聚四氟支撑结构进行覆盖或者包裹；所述遮挡屏蔽罩由铁、铜、钢或铝等金属材料制作，为球壳形状覆盖结构；所述遮挡屏蔽罩由铁、铜、钢或铝等金属材料制作，为长条球壳形状覆盖结构。

进一步地，所述内部电子单元完成对所述电场传感器的驱动，激励所述电场传感器正常工作；所述内部电子单元包括温度传感器、电流-电压转换电路、差分放大电路、模拟-数字转换单元、升压模块、数字信号合成单元、电源管理单元、控制器处理单元和通讯单元。

进一步地，所述内部电子单元通过电流-电压转换电路完成对电场传感器输出信号的电流-电压变换，将电场传感器的输出信号转换电压信号；通过差分放大电路完成对电流-电压变化后的信号的信号调理，将信号的大小、频率调整到模拟-数字转换单元的工作范围之内；通过模拟-数字转换单元将电压信号进行模拟-数字转换，使信号易于后端数字化处理；通过控制器处理单元将数字信号进行解调处理，提取出代表检测电场值的信号量，并将信号检测结果进行格式转换和调整，用于后端信号通信发送；通过通讯单元将格式化后的检测结果进行传输，发送给接收系统。

进一步地，所述温度传感器和控制器处理单元通过通信端口IIC连接，采用数字直接输出模式，用于监测电场传感器处温度变化；

所述电流-电压转换电路和后级的差分放大电路电气连接，用于将电场传感器的输出电流信号转化成电压信号，便于电子系统进行处理；

所述差分放大电路接收前级的电流-电压转换电路输出的电压信号，和后级的模拟-数字转换单元电气连接，对信号进行放大、滤波处理，将信号范围调整到所述内部电子单元的工作范围内；

所述模拟-数字转换单元和前级的差分放大电路电气连接，和后级的控制器处理单元电气连接，对模拟信号进行数字化转换；

所述升压模块和电源管理单元电气连接，负责将电压升高到电场传感器直流工作高压，并和电场传感器电气连接，作为电场传感器的直流驱动信号。

进一步地，所述数字信号合成单元和控制器处理单元通过SPI通信接口电气连接，并和电场传感器电气连接；受所述控制器处理单元时序控制，产生特性频率和幅值大小的交流信号，作为电场传感器的交流驱动信号；

所述电源管理单元和温度传感器、电流-电压转换电路、差分放大电路、模拟-数字转换单元、升压模块、数字信号合成单元、控制器处理单元、通讯单元电气连接，提供工作电压；

所述控制器处理单元和模拟-数字转换单元、数字信号合成单元、通讯单元电气连接，实现时序控制、信号数字解调、信号通信格式调整；

所述通讯单元和控制器处理单元电气连接，接收来自控制器的数字信号，并将数据发送给后级处理系统；所述通讯单元采取无线蓝牙硬件模式。

本发明具有以下有益效果：

A、本发明中，采用球形电极作为全向直流电场检测装置的核心检测结构，用于实现对空间电场强度的测量，利用了球形电极的空间全对称性，可以对各个方向的电场有同样面积的检测投影，从而检测获取全向空间的直流电场。

B、本发明采用了聚四氟乙烯结构作为检测电极的支撑结构，可以有效减少检测电极上电荷的泄露，保持电场检测的稳定性。

C、本发明采用核心屏蔽罩、遮挡屏蔽罩结构对聚四氟乙烯结构件进行覆盖和屏蔽，避免了空间灰尘粒子在电场驱动下向聚四氟乙烯结构件上的汇聚，从而减少了灰尘对空间离子的吸附，提高了电场检测的准确性。采用外屏蔽罩对电场整体检测装置进行屏蔽，保持了电场检测装置储存状态的静电洁净度，并且使得在开机状态时无积累静电荷干扰。

D、本发明采用球形结构和1个电场传感器配合即可实现对空间全向电场强度的检测，较使用多个传感器对不同方向分别测量并汇总的方法有结构简单和成本低的优势。

附图说明

图1为现有的一维电场检测现场示意图；

图2a为检测处有建筑影响示意图；

图2b为电场源自远处雷雨云示意图；

图3为本发明的一种球形电极全向静电场检测装置示意图；

图4为本发明的内部电子单元组成框图；

图5为连接杆弯折形状示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种球形电极全向静电场检测装置，可用于对空间电场的全向检测。如图3所示，本发明的球形电极全向静电场检测装置由电场传感器1、外壳2、内部电子单元3、球形电极4、连接杆5、聚四氟支撑结构6、核心屏蔽罩7、遮挡屏蔽罩8和外屏蔽罩9组成。所述内部电子单元3安装在外壳2内部，通过固定螺丝和外壳2连接，通过焊接的方式和电场传感器1固定连接。所述球形电极4和连接杆5通过焊接或者螺纹锁紧，连接杆5和核心屏蔽罩7通过焊接或者螺纹锁紧，核心屏蔽罩7和聚四氟支撑结构6通过固定螺丝连接，聚四氟支撑结构6和外壳2通过固定螺丝连接，电场传感器1和连接杆5之间用导线焊接，遮挡屏蔽罩8和外壳2之间通过螺纹锁紧，外屏蔽罩9和外壳2之间通过螺纹锁紧。

所述电场传感器1是基于MEMS技术制作的可以将直流电场转化为可变电流信号的传感器件，所述电场传感器1通过焊接连接在内部电子单元3上。

所述外壳2为圆柱形结构，由铁、钢、铜或铝等金属材料制作，作用是为所述电场传感器1和内部电子单元3提供结构支撑和封装保护。其整体结构的圆柱形对称性保证了外壳结构对测量位置处电场影响最小。同时外壳2的封闭特性也为内部电子单元3提供了电磁屏蔽。

所述球形电极4由铁、钢、铜或铝等金属材料制作，实体或者中空皆可，作用是可以感应环境空间的全向电场。

所述连接杆5由铁、钢、铜或铝等金属材料制作，为圆柱形结构，作用是连接球形电极4和电场传感器1的感应面，同时对球形电极4起到结构支撑作用。如图5所示，所述连接杆5还可以采用弯折的形式，使球形电极延伸到外壳垂直投影方向以外，以使得检测电场受到外壳2的影响更小，检测结果更准确。

所述聚四氟支撑结构6由聚四氟乙烯材料制作，作用是对连接杆5和其上的球形电极4进行结构支撑，并避免球形电极4上的感应电荷泄露。

所述核心屏蔽罩7由铁、钢、铜或铝等金属材料制作，除留出的固定螺丝孔位外，平面形状和聚四氟支撑结构6保持一致，覆盖或者包裹聚四氟支撑结构6，并避免和外壳2接触导通，作用是对内部的聚四氟支撑结构6进行覆盖和保护，起到屏蔽空间带电灰尘的作用，同时还起到对连接杆5的支撑作用。

所述遮挡屏蔽罩8由铁、铜、钢或铝等金属材料制作，为球壳形状覆盖结构，开有通孔留出连接杆5位置，和连接杆5不接触。和外壳2锁紧后，对核心屏蔽罩7和聚四氟支撑结构6进一步从侧面更大的空间角度起到屏蔽空间带电灰尘的作用。

所述外屏蔽罩9由铁、铜、钢或铝等金属材料制作，为长条球壳形状覆盖结构，和外壳2锁紧后，形成密闭空间，可以完全隔绝空间带电粒子。在静电场检测装置的日常储存中使用，在静电场检测装置工作状态时取下。可以保证静电场检测装置在每次工作开启阶段处于无积累静电荷干扰状态。

如图4所示，所述内部电子单元3包括温度传感器301、电流-电压转换电路302、差分放大电路303、模拟-数字转换单元304、升压模块305、数字信号合成单元306、电源管理单元307、控制器处理单元308、通讯单元309。

所述内部电子单元3通过升压模块305和数字信号合成单元306完成对电场传感器1的驱动，激励电场传感器1正常工作；通过电流-电压转换电路302完成对电场传感器1输出信号的电流-电压变换，将电场传感器1的输出信号转换成电子学系统易于处理的电压信号；通过差分放大电路303完成对电流-电压变换后信号的信号调理，将信号的大小、频率调整到后端处理单元的范围之内；通过模拟-数字转换单元304将电压信号进行模拟-数字转换，使信号易于后端数字化处理；通过控制器处理单元308将数字信号进行解调处理，提取出代表检测电场值的信号量，并将信号检测结果进行格式转换和调整，通过通讯单元309将后端信号格式化后的检测结果通信发送给接收系统。

所述温度传感器301和控制器处理单元308通过通信端口IIC连接，采用数字直接输出模式，用于监测电场传感器1处温度变化。

所述电流-电压转换电路302和后级的差分放大电路303电气连接，用于将电场传感器1的输出电流信号转化成电压信号，便于电子系统进行处理。

所述差分放大电路303接收前级的电流-电压转换电路302输出的电压信号，和后级的模拟-数字转换单元304电气连接，对信号进行放大、滤波等处理，将信号范围调整到整个电子学系统的工作范围内。

所述模拟-数字转换单元304和前级的差分放大电路303电气连接，和后级的控制器处理单元308电气连接，对模拟信号进行数字化转换。

所述升压模块305和电源管理单元307电气连接，负责将电压升高到20V大小，并和电场传感器1电气连接，作为电场传感器1的直流驱动信号。

所述数字信号合成单元306和控制器处理单元308通过SPI通信接口电气连接，并和电场传感器1电气连接。受控制器处理单元308时序控制，产生特性频率和幅值大小的交流信号，作为电场传感器1的交流驱动信号。

所述电源管理单元307和温度传感器301、电流-电压转换电路302、差分放大电路303、模拟-数字转换单元304、升压模块305、数字信号合成单元306、控制器处理单元308、通讯单元309等单元电气连接，提供这些工作单元的工作电压。

所述控制器处理单元308和模拟-数字转换单元304、数字信号合成单元306、通讯单元309电气连接，实现整个电子学系统的时序控制、信号数字解调、信号通信格式调整。

所述通讯单元309和控制器处理单元308电气连接，接收来自控制器的数字信号，并将数据发送给后级处理系统。通讯单元309采取无线蓝牙通信模式。

所述温度传感器301可以使用热电偶、铂电阻等模拟检测方式。

所述通讯单元309可以使用有线CAN接口、有线网口、有线串口和无线WIFI等多种通信接口。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：包括电场传感器、外壳、内部电子单元、球形电极、连接杆、聚四氟支撑结构、核心屏蔽罩、遮挡屏蔽罩和外屏蔽罩；所述内部电子单元安装在外壳内部，通过固定螺丝和外壳连接，通过焊接的方式和电场传感器连接；所述球形电极和连接杆通过焊接或者螺纹锁紧，所述连接杆和核心屏蔽罩通过焊接或者螺纹锁紧，所述核心屏蔽罩和聚四氟支撑结构通过固定螺丝连接，所述聚四氟支撑结构和外壳通过固定螺丝连接，所述电场传感器和连接杆之间用导线焊接，所述遮挡屏蔽罩和外壳之间通过螺纹锁紧，所述外屏蔽罩和外壳之间通过螺纹锁紧；所述聚四氟支撑结构由聚四氟乙烯材料制作，对所述连接杆及其上的球形电极进行结构支撑，并避免球形电极上的感应电荷泄露；所述球形电极全向静电场检测装置用于对空间电场进行全向检测。

2.根据权利要求1所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：所述电场传感器是基于MEMS技术制作的将直流电场转化为可变电流信号的传感器件，所述电场传感器通过焊接连接在所述内部电子单元上。

3.根据权利要求1所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：所述外壳为圆柱形结构，由铁、钢、铜或铝制作。

4.根据权利要求1所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：所述球形电极由铁、钢、铜或铝制作，其为实体或者中空结构。

5.根据权利要求1所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：所述连接杆由铁、钢、铜或铝制作，为圆柱形结构，连接所述球形电极和电场传感器的感应面。

6.根据权利要求1所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：所述核心屏蔽罩由铁、钢、铜或铝制作，对聚四氟支撑结构进行覆盖或者包裹；所述遮挡屏蔽罩由铁、铜、钢或铝制作，为球壳形状覆盖结构；所述遮挡屏蔽罩由铁、铜、钢或铝制作，为长条球壳形状覆盖结构。

7.根据权利要求1所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：所述内部电子单元完成对所述电场传感器的驱动，激励所述电场传感器正常工作；所述内部电子单元包括温度传感器、电流-电压转换电路、差分放大电路、模拟-数字转换单元、升压模块、数字信号合成单元、电源管理单元、控制器处理单元和通讯单元。

8.根据权利要求7所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：所述内部电子单元通过电流-电压转换电路完成对电场传感器输出信号的电流-电压变换，将电场传感器的输出信号转换电压信号；通过差分放大电路完成对电流-电压变化后的信号调理，将信号的大小、频率调整到模拟-数字转换单元的工作范围之内；通过模拟-数字转换单元将电压信号进行模拟-数字转换，使信号易于后端数字化处理；通过控制器处理单元将数字信号进行解调处理，提取出代表检测电场值的信号量，并将信号检测结果进行格式转换和调整，用于后端信号通信发送；通过通讯单元将格式化后的检测结果进行传输，发送给接收系统。

9.根据权利要求7所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：

所述温度传感器和控制器处理单元通过通信端口IIC连接，采用数字直接输出模式，用于监测电场传感器处温度变化；

所述电流-电压转换电路和后级的差分放大电路电气连接，用于将电场传感器的输出电流信号转化成电压信号，便于电子系统进行处理；

所述差分放大电路接收前级的电流-电压转换电路输出的电压信号，和后级的模拟-数字转换单元电气连接，对信号进行放大、滤波处理，将信号范围调整到所述内部电子单元的工作范围内；

所述模拟-数字转换单元和前级的差分放大电路电气连接，和后级的控制器处理单元电气连接，对模拟信号进行数字化转换；

所述升压模块和电源管理单元电气连接，负责将电压升高到电场传感器直流工作高压，并和电场传感器电气连接，作为电场传感器的直流驱动信号。

10.根据权利要求7所述的一种球形电极全向静电场检测装置，其特征在于：

所述数字信号合成单元和控制器处理单元通过SPI通信接口电气连接，并和电场传感器电气连接；受所述控制器处理单元时序控制，产生特性频率和幅值大小的交流信号，作为电场传感器的交流驱动信号；

所述电源管理单元和温度传感器、电流-电压转换电路、差分放大电路、模拟-数字转换单元、升压模块、数字信号合成单元、控制器处理单元、通讯单元电气连接，提供工作电压；

所述控制器处理单元和模拟-数字转换单元、数字信号合成单元、通讯单元电气连接，实现时序控制、信号数字解调、信号通信格式调整；

所述通讯单元和控制器处理单元电气连接，接收来自控制器的数字信号，并将数据发送给接收系统；所述通讯单元采取无线蓝牙硬件模式。

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