CN2429839Y - 无移动部件差分电容式电场仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型系一种无移动部件差分电容式电场仪,由电磁线圈及分置在其两个极端的两个由极板构成的差分电容器、电磁线圈驱动电路板及电场信号采集处理电路板组成,电磁线圈驱动电路的输入信号取自贴在上述一个电容器的膜片电极板上的微形应变片、其输出信号用以激励线圈,电场信号采样处理电路的两路输入端分别采取两个电容器的各极板电压信号、其最后输出信号为一与电场强度成正比的电压信号。优点是寿命长、造价低、温度补偿特性好。

Description

无移动部件差分电容式电场仪

本实用新型涉及一种用于测试空间电场强度的电场仪，特别是无移动部件差分电容式电场仪。

雷电是一种危害性极大的自然灾害，尤其是微电子设备广泛使用的今天，造成雷击的几率上升、雷电引起的经济损失越来越大。雷电也是造成航天器以外事故的重要因素。电场仪是直接探测空中雷暴发展趋势和雷雨云电性结构的主要设备。以往电场仪以旋转式电场仪为主，该类型电场仪有旋转部件，存在着易磨损、温度稳定性差、造价高的缺点。

本实用新型的目的是：克服现有技术之不足，提供一种具有测量频带宽、温度补偿特性好、使用寿命长、造价低、易于普及等优点的无移动部件差分式电式电场仪。

本实用新型是这样实现的：无移动部件差分电容式电场仪，其特征是：由电磁线圈及分置在其两个极端的两个由极板构成的差分电容器组成，还包括电磁线圈驱动电路板及电场信号采集处理电路板，电磁线圈驱动电路的输入信号取自贴在上述一个电容器的膜片电极板上的微形应变片、其输出信号用以激励电磁线圈，电场信号采集处理电路的两路输入端分别采取两个差分电容器的各极板电压信号、其最后输出信号为一与电场强度成正比的电压信号。

在以上述方案实施本实用新型时，电磁线圈驱动电路可采用一个由贴在电容膜片电极上的应变片、信号放大器、电磁线圈构成的正反馈自激振荡电路，应变片接于放大器输入端、电磁线圈接于放大器输出端。设计自激振荡电路的振荡频率与电容膜片的固有频率相一致。驱动电路中的信号放大器可由一个正相集成电路放大器IC₁与反相集成电路放大器IC₂组成，IC₁的输入端接着可随电容膜片电极板振动而发生电阻值变化的应变片R_E，IC₁输出端与IC₂输入端之间串接一个两级的C、R移相电路，IC₂输出端与一个射随器输入端相接，射随器输出端与电磁线圈L相串接。

本实用新型中的电场信号采集处理电路可由A₁、A₁₂、A₂₁、A₂₂四个集成电路电压跟随器、A₁₃、A₂₃、A₃₀三个集成电路减法器组成，A₁₁、A₁₂的输入端分别采集一个电容器两个电极板的电压信号V₁₊、V_1-、两个跟随器的输出再分别接到A₁₃的两个输入端上、在输出端得到反映电容器极间电压信号U₁，A₂₁、A₂₂的输入端分别采集另一个电容器两个电极板的电压信号V₂₊、V_2-、两个跟随器的输出再分别接到A₂₃的两个输入端上、在输出端得到反映电容器极间电压信号U₂，信号U₁、U₂又分别输至A₃₀的两个输入端、在其输出端得到与电场强度成正比的信号2ΔU。

本实用新型优点是：

1、无常规电场仪的移动部件，增加了电场仪的寿命、提高了电场仪的精度；

2、采用了差分结构，克服了电场仪测量精度受温度、湿度影响的缺点；

3、采用了差分结构，增大了有用信号，提高了测量精度；

4、电场仪采用了电磁振荡驱动膜片振动的工作方式，使电场强度被调制在频率比较高的膜片固有谐振频率上，通过滤波，可以达到空间电场测量不受工频和其他低频电磁干扰；

5、由于采用了固定结构，制造成本下降，制造工艺简化；

6、电场信号采集处理电路采用高阻减法电路进行电场信号的采集，进一步抵制了共模信号，尤其值得注意的是放大电路输入端的绝缘处理，非常重要。

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为本实用新型实施例中的电磁线圈自激振荡电路框图。

图3为图2的具体电子线路原理图。

图4为本实用新型实施例中的空间电场信号采集处理电路原理图。

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步叙述：

无移动差分电容式电场仪结构如图1所示，1、10组成电容，为不锈钢电极和不锈钢膜片电极，2为铁芯与驱动线圈；3、11组成电容，为不锈钢电极和不锈钢膜片电容电极；4为微形应变片，用于检测膜片形变信号；5铁芯、线圈1和电路板的支架，支撑铁心与线圈以及线圈驱动电路和信号采集处理电路板；6、7分别为上下环状壳体；8、9为上下电容电极支架；12为铁心线圈驱动电路；13为铁心线圈驱动引线；14为应变片信号引线；15为电容电压信号引线；16为空间电场信号采集处理电路；17为永久磁铁；18固定螺钉；19螺母。现以无移动元件差分电容式电场仪上半部分电容工作原理为例，说明该设备的工作原理：假设空间电场强度为E(t)，电容电极1、10间距离为d_o，电容电极有效面积为S，平衡点处电压为U₁₀(t)、偏离平衡点电压为U₁(t)、电压变化量为ΔU、电容极间距离变化量Δd。则膜片处于平衡位置时，电容电压为：

U₁₀(t)=E(t)×d_o    (1)此时电容的容量为： $C_{10}=\mathrm{\ϵ}\frac{S}{d_0}-----\left(2\right)$

在铁芯线圈2的电磁力驱动下，膜片10相对电极1移动Δd距离，电容间电压为：

U₁(t)=E(t)×(d_o+Δd)    (3)可将(3)式改写为：

U₁(t)=U₁₀(t)+ΔU(t)    (4)其中ΔU(t)=E(t)×Δd_o无移动元件差分电容式电场仪下半部分电容工作原理与上述相同，只是变化中电压反相，具体3、11组成电容，同样假设电容极间距离为d_o，极间距离变化量为Δd，极间电压为U₂(t)，平衡点电压为U₂₀(t)，变化电压为ΔU，则电压间关系有：

U₂(t)=E(t)×(d_o-Δd)=U₂₀(t)-ΔU    (5)在设计和安装时，保持两个电容有效面积、极间距离一致，电容膜片电极材质、弹性特性一致，距离铁芯距离一致，即两电容的膜片电极形变一样，则U₁₀(t)=U₂₀(t)。可推导出：

U₁(t)-U₂(t)=2ΔU    (6)由式(6)可见，平衡点电压被抵消，因此温度的长时间影响不存在，保证了该设备对温度的长期稳定性。

在铁芯与线圈2的电磁力推动下，电容膜片电极10、11反方向偏离平衡位置；应变片4采集膜片形变信息、铁芯与线圈驱动放大电路12形成正反馈自激振荡回路、振荡频率与膜片固有频率一致，随着膜片的形变，电容两极间电压不断变化，通过对电压信号进行差分可获得空间电场强度信息。

电容膜片电极和应变片以及铁芯线圈驱动电路组成一个正反馈自激振荡系统。如图2所示，21为应变片、22为电容膜片电极；23为铁芯与线圈；24为放大器。电容膜片电极22在放大器24与铁芯线圈产生的电磁力作用下，产生形变，应变片21采集到形变信号再经过放大电路24放大后驱动铁芯线圈。为使电场仪稳定工作，在设计和选择各环节的传递函数和参数时，应保证膜片在激振力作用下能由起振到做等幅振荡，其振荡频率与膜片固有谐振频率一致。

具体驱动电路如图3所示，A是振动膜片，R_E是应变片(贴在膜片A上)，L为激振线圈。当膜片振动时，应变片相应地产生变形，使其电阻值变化。R_E与R₁串接于电源上，当膜片以一定频率振动时，在R_E上端产生一个与膜片同频率的电压信号，这信号通过电容C₁耦合输入IC₁同相端进行信号放大，其放大倍数取决于R₄／R₃的比值。输出信号经过C₂、R₅及C₃、R₆两级相移后输入IC₂反相端，IC₂是高增益放大器(放大倍数取决于R₉／R₈)，IC₂输出信号输入到BG，BG为射极输出，它不仅提供了激励线圈所需要的直流分量，并且将放大的等幅交流信号输入激振线圈，通过两级RC移相和IC₂的反相实现相位要求。

电场信号采集电路如图4所示，一路信号V₁₊、V_1-是顶部电容的两极的电压信号接到高阻减法电路A₁₁、A₁₂、A₁₃的输入端，另一路信号V₂₊、V_2-是下端电容两端电压信号接到同样的高阻减法电路A₁₂、A₂₂、A₂₃的输入端。以A₁₁、A₁₂、A₁₃为例介绍高阻减法电路。A₁₁、A₁₂为跟随器具极高的差模电阻，达到采集电容两端差模电压信号的目的。A₁₃与R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄组成减法电路，达到抵消共摸信号的目的，其中R₁₁=R₁₂、R₁₃=R₁₄分别为平衡电阻，放大倍数为R₁₃／R₁₁，输出为上述的U₁；另一路减法电路与上一路一样输出U₂；再将U₁、U₂作为减法电路A₃₀的输入，电路放大倍数为R₃₃／R₃₁，输出电压为2ΔU，与电场强度成正比，根据式ΔU(t)=E(t)×Δd，通过解调即可获得空间电场强度参数E(t)。

实施时，可以通过挑选膜片材质增高它的固有频率，使膜片谐振频率远高于空间电场变化频率，在电场信号采集处理电路设计中增加滤波电路，克服信号中的共模信号。

Claims (5)

1、无移动部件差分电容式电场仪，其特征是：由电磁线圈及分置在其两个极端的两个由极板构成的差分电容器组成，还包括电磁线圈驱动电路板及电场信号采集处理电路板，电磁线圈驱动电路的输入信号取自贴在上述一个电容器的膜片电极板上的微形应变片、其输出信号用以激励电磁线圈，电场信号采集处理电路的两路输入端分别采取两个差分电容器的各极板电压信号、其最后输出信号为一与电场强度成正比的电压信号。

2、根据权利要求1所述的电场仪，其特征是：电磁线圈驱动电路是一个由贴在电容膜片电极上的应变片、信号放大器、电磁线圈构成的正反馈自激振荡电路，应变片接于放大器输入端、电磁线圈接于放大器输出端。

3、根据权利要求2所述的电场仪，其特征是：自激振荡电路的振荡频率与电容膜片的固有频率相一致。

4、根据权利要求2或3所述的电场仪，其特征是：信号放大器是由一个正相集成电路放大器IC₁与反相集成电路放大器IC₂组成，IC₁的输入端接着可随电容膜片电极板振动而发生电阻值变化的应变片RE，IC₁输出端与IC₂输入端之间串接一个两级的C、R移相电路，IC₂输出端与一个射随器输入端相接，射随器输出端与电磁线圈L相串接。

5、根据权利要求1所述的电场仪，其特征是：电场信号采集处理电路是由A₁、A₁₂、A₂₁、A₂₂四个集成电路电压跟随器、A₁₃、A₂₃、A₃₀三个集成电路减法器组成，A₁₁、A₁₂的输入端分别采集一个电容器两个电极板的电压信号V₁₊、V_1-、两个跟随器的输出再分别接到A₁₃的两个输入端上、在输出端得到反映电容器极间电压信号U₁，A₂₁、A₂₂的输入端分别采集另一个电容器两个电极板的电压信号V₂₊、V_2-、两个跟随器的输出再分别接到A₂₃的两个输入端上、在输出端得到反映电容器极间电压信号U₂，信号U₁、U₂又分别输至A₃₀的两个输入端、在其输出端得到与电场强度成正比的信号2ΔU。

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