CN111812417A - 三维交直流电场传感器 - Google Patents

Abstract

一种三维交直流电场传感器，包括：测量探头(1)，其为基于MEMS电场敏感器件的三维交直流电场测量探头，包括探测电极(101)及与探测电极(101)连接的MEMS电场测量模组(104)，测量探头(1)用于在被测电场环境信号中感应出电压信号，其中，探测电极(101)两两正交布置；连接部件(2)；手持显示单元(3)，通过连接部件(2)至测量探头(1)，包括控制主板(304)，控制主板(304)用于产生交直流驱动电压并提供给MEMS电场测量模组(104)，并对电压信号进行采样和解调处理，得到电场的三维分量及合成电场值。三维交直流电场传感器可实现三维交直流电场同时测量，并且可实现小区域内三维电场准确测量。

Description

三维交直流电场传感器

技术领域

本公开涉及传感器技术领域，特别是涉及一种三维交直流电场传感器。

背景技术

电场探测具有十分重要的意义。在电力***领域，电场探测可用于高压架空线下和电机端部的电场分布测量、电气密封装置内放电现象分析、绝缘子缺陷检测以及非接触式电压测量等；在航空航天领域，大气电场强度值被列为航天器能否发射的重要条件之一，为保障飞行器的安全升空，航天部门非常重视飞行器发射前空中大气电场强度的探测。

电场在笛卡尔坐标系中是以三维矢量形式存在，只对矢量电场的一个或两个分量探测时，探测到的电场值与实际电场值之间可能有较大的偏差。例如，输电线路周围和空中的电场呈三维分布特征，仅通过一维电场传感器难以准确测量电场的三维分量，从而影响电场探测结果的准确性。另外，在某些应用场合，电场测量需在狭窄环境中进行，被测电场通常为非均匀电场，梯度变化很大。然而，目前应用的电场传感器探头尺寸大、***复杂，电场测量结果是对较大区域的电场平均，与实际的电场值偏差比较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于上述技术问题，本公开提出一种三维交直流电场传感器，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种三维交直流电场传感器，包括：测量探头1，其为基于MEMS电场敏感器件的三维交直流电场测量探头，包括探测电极101及与探测电极101连接的MEMS电场测量模组104，测量探头1用于在被测电场环境信号中感应出电压信号，其中，探测电极101两两正交布置；连接部件2；手持显示单元3，通过连接部件2至测量探头1，包括控制主板304，控制主板304用于产生交直流驱动电压并提供给MEMS电场测量模组104，并对电压信号进行采样和解调处理，得到电场的三维分量及合成电场值。

可选地，测量探头1还包括绝缘件102，探测电极101固定在绝缘件102表面。

可选地，MEMS电场测量模组104包括：屏蔽盖1041、MEMS电场敏感器件1042、屏蔽盖开孔1043、仪表放大器1044、PCB基板1045；其中，屏蔽盖1041、MEMS电场敏感器件1042及仪表放大器1044固定在PCB基板1045上，屏蔽盖1041与PCB基板1045上形成密封壳体将MEMS电场敏感器件1042及仪表放大器1044包围；探测电极101通过穿过屏蔽盖开孔1043的电导线103连接至MEMS电场敏感器件1042。

可选地，控制主板304包括电源模块3041、三路驱动模块3042、控制器3043、A/D转换芯片3044及运算放大器3045；其中，控制器3043用于控制三路驱动模块3042产生交直流驱动电压，运算放大器3045用于对电压信号进行放大，A/D转换芯片3044用于将放大后的信号转化为数字信号并发送至控制器3043进行解调处理。

可选地，连接部件2包括传输屏蔽线或刚性的连接座。

可选地，测量探头1还包括探头屏蔽壳体105，探头屏蔽壳体105将MEMS电场测量模组104密封。

可选地，A/D转换芯片3044包括逐次逼近型A/D转换芯片或积分型A/D转换芯片或并行比较型A/D。

可选地，控制器3043包括微处理控制器或数字信号处理控制器或现场可编程逻辑门阵列控制器。

可选地，手持显示单元3还包括天线301及屏幕305，天线301用于将三维分量及合成电场值发送连接三维交直流电场传感器的上位机，屏幕305用于显示三维分量及合成电场值。

可选地，绝缘件102包括高绝缘陶瓷或聚四氟乙烯。

(三)有益效果

本公开提出一种三维交直流电场传感器，有益效果为：

该三维交直流电场传感器的测量探头为基于MEMS电场敏感器件的三维交直流电场测量探头，且其驱动解调电路位于手持显示的那元中，与测量探头独立，使探头的体积小、功耗低、空间分辨率高，可实现三维交直流电场同时测量，并且可实现小区域内三维电场准确测量。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。其中：

图1示意性示出了本公开实施例一提供的三维交直流电场传感器的结构图；

图2示意性示出了本公开实施例一提供的一种测量探头的结构图；

图3示意性示出了本公开实施例一提供的一种MEMS电场测量模组的结构图；

图4示意性示出了本公开实施例一提供的一种手持显示单元的结构图；

图5示意性示出了本公开实施例一提供的三维交直流电场传感器整体电路图；

图6示意性示出了本公开实施例二提供的三维交直流电场传感器的结构图。

【附图标记】

1-测量探头；

101-探测电极；

102-绝缘件；

103-电导线；

104-MEMS电场测量模组；

1041-屏蔽盖；

1042-MEMS电场敏感器件；

1043-屏蔽盖开孔；

1044-仪表放大器；

1045-PCB基板；

105-探头屏蔽壳体；

2-传输屏蔽线；

3-手持显示单元；

301-天线；

302-开关按键；

303-充电座；

304-控制主板；

3401-电源模块；

3042-三路驱动模块；

3043-控制器；

3044-A/D转换芯片；

3045-运算放大器；

305-屏幕；

306-电池；

307-手持显示壳体。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

本公开提供一种三维交直流电场传感器，包括测量探头、连接部件及手持显示单元。该三维交直流电场传感器的测量探头采用基于MEMS电场敏感器件的小尺寸探头，在实现三维交直流电场同时测量，解决小区域内三维电场准确测量的难题。下面以具体实例介绍。

实施例一

图1示意性示出了本公开第一实施例提供的三维交直流电场传感器的结构图，如图1所示，该三维交直流电场传感器可以包括：测量探头1、连接部件2及手持显示单元3。

测量探头1，用于在被测电场环境信号中感应出电压信号。该测量探头为基于MEMS电场敏感器件的三维交直流电场测量探头，内部不包含驱动解调电路，其尺寸小，便于在狭小的空间实现三维交直流电场准确测量。

连接部件2，连接测量探头1及手持显示单元3，用于在测量探头1与手持显示单元3之间传输电信号。在本实施例一些可行的方式中，连接部件2可采用传输屏蔽线，传输屏蔽线通过航插的方式与测量探头1及手持显示单元连接。

手持显示单元3，用于为测量探头提供交直流驱动电压，并对测量探头1感应的电压信号进行采样和解调处理，得到电场的三维分量及合成电场值。

图2示意性示出了本实施例提供的一种测量探头的结构图，如图2所示，该测量探头1例如可以包括探测电极101，绝缘件102，电导线103，MEMS电场测量模组104，探头屏蔽壳体105。其中，探测电极101、绝缘件102，电导线103、MEMS电场测量模组104的数量可根据实际测量需求设定，数量例如可以是三、四、五等，本公开不做限制。为了实现探头结构的各向同性，降低探头结构不对称对电场测量带来的影响，探测电极101可以两两正交布置，分别固定在绝缘件102的外表面，并与绝缘件102紧密连接绝缘件102内部打孔，电导线103从中穿过将互相正交的探测电极101分别与MEMS电场测量模组104连接起来。绝缘件2固定在探头屏蔽壳体105上，各个MEMS电场测量模组104拼接起来固定在探头屏蔽壳体105内部，并用氧化硬化型密封胶或溶剂挥发凝固型密封胶将其密封，降低环境湿度对电场测量的影响。

探测电极101用于感应电场信号，其材料可以为金属材料，形状可以为球状、圆柱状、圆弧状等。探测电极101可以采用螺丝、铆接、胶粘等方式固定到绝缘件102上。绝缘件102材质可以为高绝缘陶瓷或聚四氟乙烯，绝缘件102可以采用螺丝、铆接、胶粘等方式固定探头屏蔽壳体105。电导线103可采用屏蔽导线、高频射频线、半钢线等。MEMS电场测量模组104可实现交直流电场测量，通过差分的方式实现电场三分量更加准确的探测。探头屏蔽壳体105采用金属制作，可以成圆柱或棱柱、方体或多边体结构等。

进一步地，图3示意性示出了本实施例提供的一种MEMS电场测量模组的结构图，如图3所示，MEMS电场测量模组104例如可以包括屏蔽盖1041、MEMS电场敏感器件1042、屏蔽盖开孔1043、仪表放大器(INA)1044、PCB基板1045。屏蔽盖1041、MEMS电场敏感器件1042及仪表放大器1044固定在PCB基板1045上，屏蔽盖1041与PCB基板1045上形成密封壳体将MEMS电场敏感器件1042及仪表放大器1044包围，以保护MEMS电场敏感器件1042及仪表放大器1044，探测电极101通过穿过屏蔽盖开孔1043的电导线103连接至MEMS电场敏感器件1042，连接的位置例如可以是MEMS电场敏感器件1042封装的上表面。电导线103穿过屏蔽盖开孔1043后，可以采用热溶胶或胶布将屏蔽盖开孔1043密封，以进一步增加屏蔽盖1041和PCB基板1045形成密封腔体的密封性。当MEMS电场测量模组104密封在探头屏蔽壳体105内部时，要避免密封胶接触到MEMS电场敏感器件1042引起电场测量误差，同时降低各个MEMS电场测量模组104之间的信号互相串扰。

图4示意性示出了本实施例提供的一种手持显示单元的结构图，如图4所示，该手持显示单元例如可以包括包括天线301、开关按键302、充电座303、控制主板304、屏幕305、电池306、手持显示壳体307。

控制主板304将电池306提供的供电电压进行稳压转换供模块使用，将传输屏蔽线传输的电压信号进行采样和解调处理，获得被测电场的三分量和合成电场值，然后通过天线无线发送到上位机，并同时将结果显示在屏幕305上。电池306可以采用锂电池组，通过充电座303进行供电，还可以采用铅酸电池、干电池等。通过开关按键302控制电池关断，可使用自锁、点触、薄膜按键。屏幕305可选择OLED、TFT、LED等通过卡槽或螺丝固定在手持显示壳体307表面。

进一步地，图5示意性示出了本实施例提供的三维交直流电场传感器整体电路图，如图5所示，控制主板304例如可以包括电源模块3041、三路驱动模块3042、控制器3043、A/D转换芯片3044及运算放大器3045。也即驱动电路设置在控制主板中，与测量探头独立，以较小探头的尺寸。

控制器3043用于控制三路驱动模块3042产生交直流驱动电压并通过传输屏蔽线提供给MEMS电场敏感器件1042，MEMS电场敏感器件1042在电场环境中产生交变感应电荷传递到仪表放大器1044进行差分放大，放大后的信号再通过传输屏蔽线传输到运算放大器3045进行二级放大，经过A/D转换芯片3044将模拟信号转为数字信号传输到控制器3043进行解调处理，控制器3043将得到的电场三维分量和合成电场值发送到屏幕305进行显示，同时通过天线301将结果发送出去。

在本实施例一可行的方式中，电源模块3041可以采用DC-DC、LDO方式将电池306电压转换产生3.3V、5V和-5V电压供传感器工作使用，同时加入保护电路来保护主板电路和电池。控制器3043可以包括微处理控制器(MCU)或数字信号处理控制器(DSP)或现场可编程逻辑门阵列控制器(FPGA)。A/D转换芯片3044例如可以包括逐次逼近型A/D转换芯片或积分型A/D转换芯片或并行比较型A/D。

综上所述，本实施例提供的三维交直流电场传感器其测量探头为基于MEMS电场敏感器件的三维交直流电场测量探头，且其驱动解调电路位于手持显示的那元中，与测量探头独立，使探头的体积小、功耗低、空间分辨率高，可实现三维交直流电场同时测量，并且可实现小区域内三维电场准确测量。

实施例二

图6示意性示出了本公开第二实施例提供的三维交直流电场传感器的结构图，如图6所示，本实施例提供的三维交直流电场传感器也包括：测量探头1、连接部件2及手持显示单元3，与第一实施例不同之处在于：本实施例中连接部件2采用刚性的连接座，也即将测量探头1通过连接座直接固定在手持显示单元3上，便于探头1无法被固定的场合使用，整个传感器结构紧凑，易于单手操作测量。

本实施例其它结构设计及带来的效果与实施例一一致，具体细节请参见实施例一，此处不再赘述。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维交直流电场传感器，其特征在于，包括：

测量探头(1)，其为基于MEMS电场敏感器件的三维交直流电场测量探头，包括探测电极(101)及与所述探测电极(101)连接的MEMS电场测量模组(104)，所述测量探头(1)用于在被测电场环境信号中感应出电压信号，其中，所述探测电极(101)两两正交布置；

连接部件(2)；

手持显示单元(3)，通过所述连接部件(2)至所述测量探头(1)，包括控制主板(304)，所述控制主板(304)用于产生交直流驱动电压并提供给所述MEMS电场测量模组(104)，并对所述电压信号进行采样和解调处理，得到电场的三维分量及合成电场值。

2.根据权利要求1所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述测量探头(1)还包括绝缘件(102)，所述探测电极(101)固定在所述绝缘件(102)表面。

3.根据权利要求1所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述MEMS电场测量模组(104)包括：屏蔽盖(1041)、MEMS电场敏感器件(1042)、屏蔽盖开孔(1043)、仪表放大器(1044)、PCB基板(1045)；

其中，所述屏蔽盖(1041)、所述MEMS电场敏感器件(1042)及所述仪表放大器(1044)固定在所述PCB基板(1045)上，所述屏蔽盖(1041)与所述PCB基板(1045)上形成密封壳体将所述MEMS电场敏感器件(1042)及所述仪表放大器(1044)包围；所述探测电极(101)通过穿过所述屏蔽盖开孔(1043)的电导线(103)连接至所述MEMS电场敏感器件(1042)。

4.根据权利要求1所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述控制主板(304)包括电源模块(3041)、三路驱动模块(3042)、控制器(3043)、A/D转换芯片(3044)及运算放大器(3045)；

其中，所述控制器(3043)用于控制所述三路驱动模块(3042)产生所述交直流驱动电压，所述运算放大器(3045)用于对所述电压信号进行放大，所述A/D转换芯片(3044)用于将放大后的信号转化为数字信号并发送至所述控制器(3043)进行所述解调处理。

5.根据权利要求1所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述连接部件(2)包括传输屏蔽线或刚性的连接座。

6.根据权利要求1或3所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述测量探头(1)还包括探头屏蔽壳体(105)，所述探头屏蔽壳体(105)将所述MEMS电场测量模组(104)密封。

7.根据权利要求4所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述A/D转换芯片(3044)包括逐次逼近型A/D转换芯片或积分型A/D转换芯片或并行比较型A/D。

8.根据权利要求4所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述控制器(3043)包括微处理控制器或数字信号处理控制器或现场可编程逻辑门阵列控制器。

9.根据权利要求1或3所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述手持显示单元(3)还包括天线(301)及屏幕(305)，所述天线(301)用于将所述三维分量及合成电场值发送连接所述三维交直流电场传感器的上位机，所述屏幕(305)用于显示所述三维分量及合成电场值。

10.根据权利要求2所述的三维交直流电场传感器，其特征在于，所述绝缘件(102)包括高绝缘陶瓷或聚四氟乙烯。

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