CN209656790U - 一种电子偏移式电场强度传感器 - Google Patents

Abstract

一种电子偏移式电场强度传感器，属于电场测量技术领域，是一种基于真空环境下电子束在电场中发生偏移原理的电场强度传感器，主要包括：电子枪组件，加速电场，速度筛选磁场产生装置，筛选小孔，减速电场组件，电荷耦合器件，电场屏蔽罩和磁场屏蔽罩等；该电场传感器受本体电位影响小，适用于测量静电场、直流电场或低频交流电场测量，能实现产品小型化，测量的分辨率高，结果准确性高，一套这样的装置可以实现电场的二维测量，两套同样的装置垂直放置可以实现电场的三维测量，第二套装置和第一套装置的部分器件可以共用。该电场传感器可以用来测量二维或三维电场强度，也可以用来测量二维或三维磁场强度。

Description

一种电子偏移式电场强度传感器

技术领域

本实用新型属于电场测量技术领域，特别涉及电子偏移式电场强度传感器。

背景技术

测量电场强度在现代生活、生产以及科学研究具有重要的意义。例如，在输送电领域，输电线路和变电设备附近的电场测量能获知线路和设备中的电压、电流等相关信息；在军工领域，可以通过测量电场强度来探测目标；在工业领域，电磁兼容性正在成为产品设计过程中需要重点考虑的问题之一；在安全生产领域，在容易发生火灾和爆炸的区域，例如加油站、炼油厂和面粉厂等，监测电场可以避免因电场强度过大而发生事故；在气象领域，监测地面和空中大气的电场变化，是短期雷电预警的重要方式。为了综合利用电场信息，电场传感器技术越来越受到重视。

国内某研究所研发的极低频电场传感器，能够探测大气层近地场、雷电电磁脉冲、雷电定位以及对远处或地下某些爆炸事件远距离监测。传感器的基本原理是利用放置于电场中的两相互平行的圆板导体作为天线，在导体上感应出电压，与两圆板相连一个差分放大器，当两平行板的电容值远远大于差动运放的输入电容，电阻远远小于差动运放的输入电阻时，待测电场强度与测试电压成正比。这种电场传感器的缺点是天线尺寸较大，测量结果受本体电位影响，且分辨率不高。

我国某机构研制的球载双球式电场仪，是基于导体在电场中感应电荷的原理制成，由两个相隔一定距离的空心球形导体传感器、水平旋转轴、轴球连接机构和驱动机构、位置传感器和信号电刷构成，电路和供电电池分别安装在两个球内，两个导体球分别连接到电荷放大器的同相端和反相端，当两个球形导体绕轴旋转时，垂直于旋转轴的电场分量分别在两球上感应出大小相等，极性相反的电荷，感应电荷量与外界电场的强度成正比。这种电场传感器的缺点是具有旋转部件，故环境适应性差，且批量生产的产品一致性较差。

国内多家机构都研制或改进的场磨式电场传感器，其基本原理是采用对导体进行周期屏蔽和暴露的方法，使置于电场中的导体内部的感应电荷迁移形成交变的电流，传感器有金属定子和金属转子，转子通过碳刷接地，对定子进行周期性屏蔽，因而在定子上感应出交变的感应电流，通过转换电路，感应信号变成幅值和电场强度成正比的正弦信号，这种电场传感器的缺点是体积较大，分辨率不高，环境适应性较差。

实用新型内容

为了提高电场传感器的分辨率和环境适应性，本实用新型提出了一种电子偏移式电场强度传感器，是一种利用真空环境中电子束在电场中发生偏移原理实现测量的电场强度传感器，主要包括：电子枪组件，加速电场，速度筛选磁场产生装置，筛选小孔，减速电场组件，电荷耦合器件，电场屏蔽罩和磁场屏蔽罩等；电子发射组件包括电加热丝或发射控制栅极，发射阴极，发射阳极，加速电场的阳极板上开有与发射阴极相对的中心小孔；上述加速电场和减速电场组件位于电场屏蔽罩之内；速度筛选磁场是施加于加速电场阳极中心小孔后的匀强磁场，可以由电磁方式获得也可由永久磁铁获得；磁场周围设有屏蔽罩，在屏蔽罩上开有通向待测电场的速度筛选小孔；减速电场组件包括减速电场阴极和减速电场阳极，磁场屏蔽罩是由导磁性良好的金属材料制成，电场屏蔽罩是由电的良导体材料制成，电荷耦合器件指的是能够接收入射电子并且其入射位置可识别的组件；上述器件都置于真空环境中。

该系统的工作原理是电子枪阴极发射出不同初速度的电子，电子在加速电场的作用下向前运动，加速后的部分电子从电场阳极板的小孔射出形成电子束，电子束进入到匀强磁场中，在匀强磁场的作用下，电子束发生偏转，电子偏转半径与电子射入磁场的速度有关；电子进入磁场的初速度越大，电子的圆周运动半径越大；偏转方向由磁场方向和电子运动方向共同决定，在欲筛选出的电子运动圆弧路径上设置筛选小孔，将这些需要的电子筛选出来；运动速度在一定范围的电子从速度筛选小孔中射出，其余电子被反射回去，至此得到速度在一定范围、方向统一的电子束；从筛选小孔中射出的电子形成一个截面积很小的电子束，电子束进入待测电场中，这些电子在被测电场的作用下发生偏移，如果被测电场强度为零，则电子束落在电荷耦合器件的正中心；如果被测电场不为零，则电子束在被测电场的作用下发生偏移；在电场力沿电子束原运动方向的垂直面的分量的作用下，电子束沿原运动方向的垂直面进行偏移，偏移的大小由待测电场强度沿电子束的垂直面的分量、电子的运动速度以及筛选小孔到电荷耦合器件的距离共同决定，偏移的方向由待测电场沿电子束的垂直面的分量决定；在测量过程中，根据电子束在电荷耦合器件上的电子量最大的落点位置，可以判断出被测电场在电子束垂直面上的分量；一套这样的装置可以实现电场的二维测量。两套同样的装置垂直放置可以实现电场的三维测量，第二套装置可以和第一套共用电子枪到筛选磁场部分，通过改变筛选磁场的方向来实现射入被测电场的电子束的运动方向和第一套装置射入被测电场的电子束运动方向垂直。使用不同的算法，该电场强度传感器也可以用来测量磁场强度。

本实用新型的有益效果为：

1.可以安装在卫星等运动机械或者水下设备上，对离子体相互作用不敏感，受本体电位影响小。

2.对于测量低频或静电场测量的适用性好。

3.使用高集成度的电荷耦合器件，能实现产品小型化，测量的分辨率高。

4.使用了电子速度筛选磁场，使进入被测电磁的电子速度的大小和方法基本一致，保证了传感器的准确性。

5.本实用新型在测量三维电场强度时，使用了同一个电子发射和筛选磁场，使得测量三维电磁强度的传感器尺寸较小。

6.本实用新型同时可以测量磁场强度。

附图说明

图示中，1是加热电极，2是加速电场阴极，3是发射阴极，4是加速电场阳极，5是加速电场阳极相对阴极位置的小孔，6是筛选磁场产生装置(里面的×表示磁场方向)，7是速度筛选小孔，8是电子束，9是电荷耦合器件的侧面(右)和正面示图(左)，10是减速电场阳极，11是减速电场阴极，12是减速电场小孔。

图1是电子偏移式电场强度传感器实施例1的工作示意图。

图2是电子偏移式电场强度传感器实施例2的工作示意图。

图3是电子偏移式电场强度传感器实施例3的工作示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本实用新型技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的保护范围中。

实施例1：图1是电子偏移式电场强度传感器的一种实现形式，如图所示，该实施例主要由发热电极，发射阴极，加速电场阴极，加速电场阳极，加速电场阳极小孔，筛选磁场产生装置，速度筛选小孔，电荷耦合器件组成。发射阴极在被加热后发射出电子，电子在加速电场的作用下向前运动，加速电场使得阴极发射出的各个方向的电子具有较大的前向速度，绝大部分电子飞往阳极，在飞向电场阳极的电子中，部分电子从阳极板上的阳极小孔中穿出进入到筛选磁场中，筛选磁场是匀强磁场，在磁场力的作用下，不同速度射入到匀强磁场中的电子以不同的半径做圆周运动，在遇到筛选小孔的电子中，有一部分电子运动速度的方向和筛选小孔的开口方向一致，这部分电子从筛选小孔射出筛选磁场；这些被筛选电子的速度由小孔位置和方向确定，筛选的精度由筛选小孔的尺寸确定；至此得到一束速度的大小和方向都较为一致的电子；上述过程均在电磁屏蔽环境下进行；电子束进入到待测电场中，电子束在被测电场的作用下发生偏移，如果被测电场强度为零，则电子束落在电荷耦合器件的正中心；如果被测电场不为零，则电子束在被测电场的作用下发生偏移；在电场力沿电子束原运动方向的垂直面的分量的作用下，电子束沿原运动方向的垂直面进行偏移，偏移的大小由待测电场强度沿电子束的垂直面的分量、电子的运动速度以及筛选小孔到电荷耦合器件的距离共同决定，偏移的方向由待测电场沿电子束的垂直面的分量决定；在测量过程中，根据电子束在电荷耦合器件上的电子量最大的落点位置，可以判断出被测电场在电子束垂直面上的分量；一套这样的装置可以实现电场的二维测量。两套同样的装置垂直放置可以实现电场的三维测量，第二套装置可以和第一套共用电子枪到筛选磁场部分，通过改变筛选磁场的方向来实现射入被测电场的电子束的运动方向和第一套装置中射入被测电场的电子束的运动方向垂直。

该实施例采用热发射方式发射电子，发射电子的初速度比较小，加速电场是为了使电子向前运动并加速，使得电子在进入匀强磁场时具有足够大的速度以便能够产生可用的旋转半径，不承担发射电子的任务，电场阳极板和阴极板之间的电压不需要很高；该实施例配合高分辨率的电荷耦合器件，可以在保证测量分辨率的前提下缩短待测电场作用在电子束上的作用距离，即可以有效减小传感器尺寸。

实施例2：在实施例1的基础上，在筛选磁场后增加一个减速电场，成为本实用新型的第二种实施例。如图2所示，该实施例主要由发热电极，发射阴极，加速电场阴极，加速电场阳极，加速电场阳极小孔，筛选磁场产生装置，速度筛选小孔，减速电场和电荷耦合器件组成。发射阴极在被加热后发射出电子，电子在加速电场的作用下向前运动，加速电场使得阴极发射出的各个方向的电子具有较大的前向速度，绝大部分电子飞往阳极，在飞向电场阳极的电子中，部分电子从阳极板上的阳极小孔中穿出进入到筛选磁场中，筛选磁场是匀强磁场，在磁场力的作用下，不同速度射入到匀强磁场中的电子以不同的半径做圆周运动，在遇到筛选小孔的电子中，有一部分电子运动速度的方向和筛选小孔的开口方向一致，这部分电子从筛选小孔射出筛选磁场；这些被筛选电子的速度由小孔位置和方向确定，筛选的精度由筛选小孔的尺寸确定；至此得到一束速度的大小和方向都较为一致的电子；电子从筛选磁场中射出后进入减速电场，经减速以后的电子束从减速电场阴极的小孔中射出后进入待测电场，上述过程均在电磁屏蔽环境下进行；电子束进入到待测电场中，电子束在被测电场的作用下发生偏移，如果被测电场强度为零，则电子束落在电荷耦合器件的正中心；如果被测电场不为零，则电子束在被测电场的作用下发生偏移；在电场力沿电子束原运动方向的垂直面的分量的作用下，电子束沿原运动方向的垂直面进行偏移，偏移的大小由待测电场强度沿电子束的垂直面的分量、电子的运动速度以及筛选小孔到电荷耦合器件的距离共同决定，偏移的方向由待测电场沿电子束的垂直面的分量决定；在测量过程中，根据电子束在电荷耦合器件上的电子量最大的落点位置，可以判断出被测电场在电子束垂直面上的分量；一套这样的装置可以实现电场的二维测量。两套同样的装置垂直放置可以实现电场的三维测量，第二套装置可以和第一套共用电子枪到筛选磁场部分，通过改变筛选磁场的方向来实现射入被测电场的电子束的运动方向和第一套装置中射入被测电场的电子束的运动方向垂直。

本实施例增加了一个减速电场，使进入待测电场的电子束运动速度减慢，可以较实施例1进一步减小产品尺寸并提高这种电场传感器的分辨率。由于此实施例采用的是热发射电子，加速电场电压不高，电场加速后的电子速度相对实施例3不高，故减速电场的电压相对不高。

实施例3：在实施例2的基础上，取消阴极加热器件后，采用场致电子发射，成为本实用新型的第三种实施例。如图3所示，该实施例主要由发射阴极，加速电场阴极(兼做发射控制栅极)，加速电场阳极，加速电场阳极小孔，筛选磁场产生装置，速度筛选小孔，减速电场和电荷耦合器件组成。在加速电场上施加高压，发射阴极在高电压的作用下发射出电子，电子在加速电场的作用下向前运动，高压的加速电场使得阴极发射出的各个方向的电子具有具有很大的前向速度，绝大部分电子飞往阳极，在飞向电场阳极的电子中，部分电子从阳极板上的阳极小孔中穿出进入到筛选磁场中，筛选磁场是匀强磁场，在磁场力的作用下，不同速度射入到匀强磁场中的电子以不同的半径做圆周运动，在遇到筛选小孔的电子中，有一部分电子运动速度的方向和筛选小孔的开口方向一致，这部分电子从筛选小孔射出筛选磁场；这些被筛选电子的速度由小孔位置和方向确定，筛选的精度由筛选小孔的尺寸确定；至此得到一束速度的大小和方向都较为一致的电子；由于采用高压加速电场，电子从筛选磁场中射出后进入减速电场，经减速以后的电子束从减速电场阴极的小孔中射出后进入待测电场，上述过程均在电磁屏蔽环境下进行；电子束进入到待测电场中，电子束在被测电场的作用下发生偏移，如果被测电场强度为零，则电子束落在电荷耦合器件的正中心；如果被测电场不为零，则电子束在被测电场的作用下发生偏移；在电场力沿电子束原运动方向的垂直面的分量的作用下，电子束沿原运动方向的垂直面进行偏移，偏移的大小由待测电场强度沿电子束的垂直面的分量、电子的运动速度以及筛选小孔到电荷耦合器件的距离共同决定，偏移的方向由待测电场沿电子束的垂直面的分量决定；在测量过程中，根据电子束在电荷耦合器件上的电子量最大的落点位置，可以判断出被测电场在电子束垂直面上的分量；一套这样的装置可以实现电场的二维测量。两套同样的装置垂直放置可以实现电场的三维测量，第二套装置可以和第一套装置共用电子枪到筛选磁场部分，通过改变筛选磁场的方向来实现射入被测电场的电子束的运动方向和第一套装置中射入被测电场的电子束的运动方向垂直。

本实施例采用了高压场致发射电子，电子在高压电场中被加速，使得加速后的电子运动速度很高，能在同样强度的筛选磁场中实现较大半径的圆弧运动，使筛选小孔的位置选择范围变大，筛选小孔的加工难度降低。本实施例采用场致电子发射，具有无阴极功耗、无预热延迟、可高度集成化、发射电流密度大、体积小等特点。

Claims (6)

1.一种电子偏移式电场强度传感器，主要包括：电子枪组件，加速电场，速度筛选磁场产生装置，筛选小孔，减速电场组件，电荷耦合器件，电场屏蔽罩和磁场屏蔽罩；其特征是：电子发射组件包括电加热丝或发射控制栅极，发射阴极，发射阳极，加速电场的阳极板上开有与发射阴极相对的中心小孔；上述加速电场和减速电场组件位于电场屏蔽罩之内；速度筛选磁场是施加于加速电场阳极中心小孔后的匀强磁场，由电磁方式或永久磁铁获得；磁场周围设有屏蔽罩，在屏蔽罩上开有通向待测电场的速度筛选小孔；减速电场组件包括减速电场阴极和减速电场阳极，磁场屏蔽罩是由导磁性良好的金属材料制成，电场屏蔽罩是由电的良导体材料制成，电荷耦合器件指的是能够接收入射电子，并且电子入射位置可识别的组件。

2.如权利要求1所述的电子偏移式电场强度传感器，其特征在于，具有以速度为标准进行电子筛选的筛选磁场和筛选小孔。

3.如权利要求1所述的电子偏移式电场强度传感器，其特征在于，具有高分辨率的电荷耦合器件，电荷耦合器件的像素单元排列是以常规的矩阵方式排列或以中心点为圆心的同心圆式排列，中心点也存在一个像素单元。

4.如权利要求1所述的电子偏移式电场强度传感器，其特征在于，电子加速和电子减速都是在电场屏蔽罩内实现，电子筛选是在磁场屏蔽罩内实现。

5.如权利要求1所述的电子偏移式电场强度传感器，其特征在于，从电子发射到电子入射到电荷耦合器件都是在真空或近似真空的环境中实现。

6.如权利要求1所述的电子偏移式电场强度传感器，其特征在于，可以用于测量磁场强度。