CN117289040A - 一种三维直流电场检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维直流电场检测装置和检测方法，属于矢量电场检测领域，由电场传感器、离子流检测单元、外壳和内部电子单元组成；外壳为六面立方体结构；所述内部电子单元安装在所述外壳内部，通过固定螺丝和外壳连接，和电场传感器连接；所述电场传感器放置于所述外壳的六个外表面上，每个面上设置一个电场传感器，共设置六个电场传感器；所述离子流检测单元放置于所述外壳的六个外表面上，每个面上设置一个离子流检测单元，共设置六个离子流检测单元。本发明有效避免了检测装置对传感器感应面的遮挡，真实有效的实现了各个方向的电场检测，同时在直流离子流场干扰情况下实现了准确测量。

Description

一种三维直流电场检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于矢量电场检测领域，具体涉及一种三维直流电场检测装置和检测方法。

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。例如在空中大气探测中，由于空中大气电场的情况往往比较复杂，雷暴云电场受云中电荷分布的影响，且随着云层的运动不断变化，呈现三维动态非均匀分布特征，因此空中大气探测需要采用三维电场传感器。又例如在电力系统中，高压架空线周围有很强的电场，且电场分布与高压线的排布情况相关，往往需要采用三维电场传感器进行电场测量。此举可以有效地帮助作业工人远离危险区域，增强安全保障。所以，基于MEMS技术的三维电场检测装置能在减小传感器体积和功耗、降低传感器成本，以及简化传感器结构的情况下，实现三维电场测量，这种装置和相应的检测方法在工业、军事、科研领域都具有非常重要的意义。

在已有的技术方案中，认为电场的矢量特性可以使得设置三个传感器的方式就可以完成对电场的检测，实际上，在现有的三维电场检测装置中，设置三个传感器的方法所采取的结构是不对称结构，在这种结构形式下，当电场源处于传感器的背面方向时，由于传感器自身结构的遮蔽，或者由于传感器支撑结构的遮蔽，导致传感器基本无法感应到这个方向的电场信号，具体表现为电场强度检测值基本降为零，无法实现对电场的有效检测。更直接的说，现有的三维电场检测装置只能检测如图1a所示的正对电场方向的矢量电场，对图1b所示的从背部来源的矢量电场不具备检测能力。同时，在强电环境中，直流电场检测过程中往往伴随着外界离子流的干扰，每个方向的离子流的分布情况各有不同，外界离子流产生的电场会对电场传感器的检测产生屏蔽或者增强作用，对最终的电场检测值有极大的干扰。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种三维直流电场检测装置和检测方法，有效避免了检测装置对传感器感应面的遮挡，真实有效的实现了各个方向的电场检测，同时在直流离子流场干扰情况下实现了准确测量。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种三维直流电场检测装置，由电场传感器、离子流检测单元、外壳和内部电子单元组成；所述外壳为六面立方体结构；所述内部电子单元安装在所述外壳内部，通过固定螺丝和外壳连接，通过插接或导线焊接的方式和电场传感器连接；六个所述电场传感器分别放置于所述外壳的六个外表面上；六个所述离子流检测单元分别放置于所述外壳的六个外表面上，通过导线焊接的方式与内部电子单元连接；所述三维直流电场检测装置用于检测三维直流电场。

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，用于将外壳的每个面的电场转换为所述内部电子单元可以检测的电流信号值。

进一步地，所述外壳由铁、钢、铜或铝制作；所述六面立方体结构的六个面均在中心位置设置开孔，所述电场传感器设置在开孔处以使得电场传感器在六个面的位置一致。

进一步地，所述离子流检测单元布置在外壳的六个面的位置一致。

进一步地，所述离子流检测单元由威尔逊板构成，用于对外壳的六个面的离子流强度进行检测。

进一步地，所述内部电子单元完成对电场传感器的驱动，激励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、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成易于处理的电压信号；通过差分放大电路实现电压信号的放大和滤波，完成对电流-电压变化后的信号的调理，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-数字转换单元将电压信号进行模拟-数字转换，使信号易于数字化处理；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；通过控制器处理单元进行信号处理将信号检测结果进行格式转换和调整，用于信号通信发送；通过串口通信将格式化后的检测结果进行传输，进行后续处理。

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，用于监测内部电子单元的温度变化；

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，便于所述内部电子单元进行处理；

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，将信号范围调整到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20V，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；受控制器处理单元时序控制，产生特性频率和幅值的交流信号，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，接收来自控制器处理单元的数字信号，并以串口无线通信的形式发送数据；所述通讯单元采取无线蓝牙硬件模式。

本发明还提供一种三维直流电场检测方法，包括如下步骤：

步骤1、分别对外壳的六个外表面的电场传感器在电场和离子流屏蔽状态下记录输出零值电压；

步骤2、分别对外壳的六个外表面的电场传感器在离子流屏蔽状态下进行标定，获得灵敏度系数k，从而获得电场传感器的输出标定公式：

，

其中，E为检测电场值，V为输出电压值；

步骤3、分别对外壳的六个外表面的电场传感器在不同离子流大小的状态下进行标定，分别获得灵敏度系数，从而获得电场传感器的输出标定公式：

，

其中，为离子流条件下检测电场值，/>为/>对应的零值，/>为/>对应的输出电压值；

步骤4、当离子流密度时，采用步骤1获得的输出零值电压/>和步骤2获得的灵敏度系数k进行电场值计算；

步骤5、在离子流密度时，根据所检测到的离子流大小，选取步骤3中的获得的离子流条件下检测电场值/>对应的零值/>和灵敏度系数/>进行电场值计算；

步骤6、在获得外壳的六个面的电场值大小后，对电场值进行排序，选取最大的三个电场传感器的电场值、/>、/>用于三维电场的计算和使用，并可获得合成场的电场大小：

合成场的电场大小为：。

有益效果：

A、本发明中，采用基于MEMS技术的静电场传感器作为三维直流电场检测装置的核心传感器件，用于实现对空间三维电场参数的测量，利用了MEMS电场传感器无暴露机械结构、无运动机械结构、体积小、重量轻等优点，相较于传统机电结构的三维电场传感器，提高了可靠性，并减少了装置的重量和体积。

B、本发明采用了立方体六个面排布六个静电场传感器的布置方式，设计检测装置为对称体结构，此结构在电场中各个面的畸变相同，有效去除了检测误差。

C、本发明在立方体六个面设置六个传感器以及相应的设计检测方法，无论电场是什么方向，都可以保证检测装置在各个方向都有检测电场的传感器单元，和三传感器方案或者其他非对称结构方案相比，有效避免了检测装置对传感器感应面的遮挡，真实有效的实现了各个方向的电场检测。

D、本发明在立方体六个面设置六个离子流检测单元，可以检测六个面对应的外界离子流大小，所检测数据分别用于六个面的电场传感器检测电场的数据校正，可以有效减少外界离子流对电场检测准确性的影响。

附图说明

图1a，图1b为三维直流电场检测装置遮蔽电场示意图，其中图1a为传感器正面暴露于电场中示意图，图1b为传感器没有暴露于电场中示意图；

图2为本发明的一种三维直流电场检测装置的示意图；

图3为本发明的内部电子单元组成框图。

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。

本发明提供一种三维直流电场检测装置和检测方法，可用于对三维直流电场的检测。如图2所示，本发明的三维电场检测装置由电场传感器1、外壳2、内部电子单元3和离子流检测单元4组成。所述外壳2为六面立方体结构。所述内部电子单元3安装在所述外壳2内部，通过固定螺丝和外壳2连接，和电场传感器1连接。所述电场传感器1放置于外壳2的六个外表面上，每个外表面上设置一个电场传感器1，共设置六个电场传感器1。所述离子流检测单元4放置于所述外壳的六个面上，每个外表面上设置一个离子流检测单元4，共设置六个离子流检测单元4。所述离子流检测单元4通过导线焊接的方式连接在内部电子单元3上。

优选的，所述内部电子单元3靠近外壳2的六个内表面设置。

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，用于将每个感应面的电场转换为内部电子单元3可以检测的电流信号值。

所述外壳2由铁、钢、铜或铝等金属材料制作，作用是为电场传感器1和内部电子单元3提供结构支撑和封装保护。优选的，所述外壳2的六个面均在中心位置设置开孔，电场传感器1均设置在开孔处，使得电场传感器1在六个面的位置统一，整体结构的对称性保证了每个面的电场传感器1的感应能力在结构上的一致性。优选的，所述电场传感器1通过开孔插接在内部电子单元3上，或通过导线焊接的方式连接在内部电子单元3上。

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。

所述离子流检测单元4是基于威尔逊板结构，由金属和绝缘材料制造，作用是对外界离子流的大小进行检测。每个面的离子流检测单元4对所处的这个面的离子流大小进行检测。

所述内部电子单元3完成对电场传感器1的驱动，激励电场传感器1正常工作。如图3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通过电流-电压转换电路完成对电场传感器1和离子流检测单元4输出信号的电流-电压变换，将电场传感器1和离子流检测单元4的输出信号转换成易于处理的电压信号；通过运算放大器实现电压信号的放大和滤波，完成对电流-电压变化后的信号调理，将信号的大小、频率调整到后端处理单元的范围之内；通过模拟-数字转换器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；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；通过控制器进行信号处理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；通过串口通信将格式化后的检测结果进行传输，发送给后级处理系统。

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，用于监测内部电子单元温度变化。

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和离子流检测单元4的输出电流信号转化成电压信号，便于所述内部电子单元3进行处理。

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，将信号范围调整到内部电子单元3的工作范围内。

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。

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，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。

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。

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电气连接，提供工作电压。

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，实现时序控制、信号数字解调、信号通信格式调整。

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，并以串口通信的形式将数据发送给后级处理系统。通讯单元309采取无线蓝牙硬件模式。

本发明还提供一种三维直流电场检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1、分别对六个面的电场传感器1在电场和离子流屏蔽状态下记录电场传感器1的输出零值电压；

步骤2、分别对六个面的电场传感器1在离子流屏蔽状态下进行标定，获得灵敏度系数k，从而获得电场传感器1的输出标定公式：

，

其中，E为检测电场值， V为输出电压值。

步骤3、分别对六个面的电场传感器1在不同离子流大小（例如、、/>等）状态下进行标定，分别获得灵敏度系数/>，从而获得电场传感器1的输出标定公式：

，

其中，为离子流条件下检测电场值，/>为/>对应的零值，/>为/>对应的输出电压值。

步骤4、按照实验研究，在离子流密度时，可以忽略离子流的影响。即当离子流密度/>时，采用步骤1获得的输出零值电压/>和步骤2获得的灵敏度系数k进行电场值计算。

步骤5、在离子流密度时，根据所检测到的离子流大小（例如），选取步骤3中的对应的离子流大小（例如/>）条件下获得的的零值和灵敏度系数/>进行电场值计算。

步骤6、在获得六个面的电场值大小后，对电场值进行排序，选取最大的三个传感器的电场值、/>、/>用于三维电场的计算和使用，并可获得合成场的电场大小。

合成场的电场大小为：。

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)

1.一种三维直流电场检测装置，其特征在于：由电场传感器、离子流检测单元、外壳和内部电子单元组成；所述外壳为六面立方体结构；所述内部电子单元安装在所述外壳内部，通过固定螺丝和外壳连接，通过插接或导线焊接的方式和电场传感器连接；六个所述电场传感器分别放置于所述外壳的六个外表面上；六个所述离子流检测单元分别放置于所述外壳的六个外表面上，通过导线焊接的方式与内部电子单元连接；所述三维直流电场检测装置用于检测三维直流电场。

2.根据权利要求1所述的一种三维直流电场检测装置，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，用于将外壳的每个面的电场转换为所述内部电子单元可以检测的电流信号值。

3.根据权利要求1所述的一种三维直流电场检测装置，其特征在于：所述外壳由铁、钢、铜或铝制作；所述六面立方体结构的六个面均在中心位置设置开孔，所述电场传感器设置在开孔处以使得电场传感器在六个面的位置一致。

4.根据权利要求1所述的一种三维直流电场检测装置，其特征在于：所述离子流检测单元布置在外壳的六个面的位置一致。

5.根据权利要求1所述的一种三维直流电场检测装置，其特征在于：所述离子流检测单元由威尔逊板构成，用于对外壳的六个面的离子流强度进行检测。

6.根据权利要求1所述的一种三维直流电场检测装置，其特征在于：所述内部电子单元完成对电场传感器的驱动，激励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、通讯单元。

7.根据权利要求6所述的一种三维直流电场检测装置，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成易于处理的电压信号；通过差分放大电路实现电压信号的放大和滤波，完成对电流-电压变化后的信号的调理，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-数字转换单元将电压信号进行模拟-数字转换，使信号易于数字化处理；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；通过控制器处理单元进行信号处理将信号检测结果进行格式转换和调整，用于信号通信发送；通过串口通信将格式化后的检测结果进行传输，进行后续处理。

8.根据权利要求6所述的一种三维直流电场检测装置，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，用于监测内部电子单元的温度变化；

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，便于所述内部电子单元进行处理；

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，将信号范围调整到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20V，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。

9.根据权利要求6所述的一种三维直流电场检测装置，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；受控制器处理单元时序控制，产生特性频率和幅值的交流信号，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，接收来自控制器处理单元的数字信号，并以串口无线通信的形式发送数据；所述通讯单元采取无线蓝牙硬件模式。

10.根据权利要求1-9之一所述的一种三维直流电场检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、分别对外壳的六个外表面的电场传感器在电场和离子流屏蔽状态下记录输出零值电压；

步骤2、分别对外壳的六个外表面的电场传感器在离子流屏蔽状态下进行标定，获得灵敏度系数k，从而获得电场传感器的输出标定公式：

，

其中，E为检测电场值，V为输出电压值；

步骤3、分别对外壳的六个外表面的电场传感器在不同离子流大小的状态下进行标定，分别获得灵敏度系数，从而获得电场传感器的输出标定公式：

，

其中，为离子流条件下检测电场值，/>为/>对应的零值，/>为/>对应的输出电压值；

步骤4、当离子流密度时，采用步骤1获得的输出零值电压/>和步骤2获得的灵敏度系数k进行电场值计算；

步骤5、在离子流密度时，根据所检测到的离子流大小，选取步骤3中的获得的离子流条件下检测电场值/>对应的零值/>和灵敏度系数/>进行电场值计算；

步骤6、在获得外壳的六个面的电场值大小后，对电场值进行排序，选取最大的三个电场传感器的电场值、/>、/>用于三维电场的计算和使用，并可获得合成场的电场大小：

合成场的电场大小为：。