CN202041589U - 振动屏蔽式电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种振动屏蔽式电场传感器,它包括弹性部件、柔性铰链和压电叠堆、底座,以及成对设置的屏蔽电极与感应电极;所述柔性铰链X方向一端固定在底座上,感应电极绝缘地固定在底座上;压电叠堆两端固装于柔性铰链X方向的两侧内壁上,屏蔽电极设置于柔性铰链Y方向外端,并通过弹性部件压紧在柔性铰链Y方向外表面上,屏蔽电极接地且置于成对设置的感应电极上方。它采用压电材料电致伸缩的原理,产生机械运动,机械运动通过柔性铰链进行放大,推动接地的屏蔽电极作周期性地往复运动,感应电电极上感应电荷出现周期性的变化,其感应电荷与电场成正比,电荷的变化形成电流,经后续电路放大处理,得到其和电场的关系。
Description
技术领域
本实用新型属电学领域,涉及到传感器技术和静电场的测量。
背景技术
在工业生产中,静电有一定的危害,静电的监测是关系到产品质量、生产安全的一项重要的工作,在气象上,大气静电场又是雷暴、闪电监测的关键特征参数,在地震预警,石油矿山等行业静电监测也都是一项重要工作。目前,对静电场的监测主要采用感应式静电测试仪和场磨式静电测试仪,感应式静电测试仪有规定的测试距离的限制,并且存在电荷泄漏;场磨式电场仪不受距离限制也无电荷泄漏,但驱动电机影响其长时间连续工作,不稳定、功耗较大。
发明内容
本实用新型根据目前的技术状况,提供一种振动屏蔽式电场传感器,该电场传感器不需电机驱动,功耗小,可直接测量电场。
本实用新型的目的是通过以下措施实现的:
一种振动屏蔽式电场传感器,其特性在于:它包括弹性部件、柔性铰链和压电叠堆、底座,以及成对设置的屏蔽电极与感应电极;所述柔性铰链X方向一端固定在底座上,感应电极绝缘地固定在底座上;
压电叠堆两端固装于柔性铰链X方向的两侧内壁上,屏蔽电极设置于柔性铰链Y方向外端,并通过弹性部件压紧在柔性铰链Y方向外表面上,屏蔽电极接地且置于成对设置的感应电极上方。
成对设置的屏蔽电极和感应电极设置一对或二对,二对时分别设置于柔性铰链Y方向的两侧。
感应电极与屏蔽电极均采用形状相同的E形结构。
成对的感应电极与屏蔽电极二者错位或正对设置。以实现不同的屏蔽面积。
弹性部件采用为压簧或U形弹簧结构,弹性部件一端固定,另一端连接屏蔽电极。弹性部件一端固定连接压紧螺母,另一端固定连接屏蔽电极。
柔性铰链外形呈椭圆形,X方向对应长轴,Y方向对应长轴。柔性铰链可采用单轴结构。
屏蔽电极、压紧螺母和感应电极都为金属材质;柔性铰链由弹簧钢、45钢、或铍青铜制成;压电叠堆由多层具有压电效应的材料堆叠而成。
本实用新型相比现有技术具有如下优点:
1、本实用新型可直接测量电场,测量时不需要确定与带电体距离。
2、不需要场磨式电场仪中的驱动电机,故功耗小,体积小,基本无机械磨损。
本实用新型采用压电材料电致伸缩的原理,产生机械运动,机械运动通过柔性铰链进行放大,推动接地的屏蔽电极作周期性地往复运动,感应电电极上感应电荷出现周期性的变化,其感应电荷与电场成正比,电荷的变化形成电流,经后续电路放大处理,确定其和电场的关系。
附图说明
图1震荡屏蔽式静电传感器结构原理平面示意图;
图2 柔性铰链放大机构工作原理示意图。
图中:1-压紧螺母;2-屏蔽电极;3-柔性铰链;4-压电叠堆;5-感应电极;6-U形弹簧。
具体实施方式
下面以图1为例,说明压电式静电传感器结构原理。在图1中,传感器在XOY平面内水平放置。传感器由屏蔽电极2、压紧螺母1、柔性铰链3、压电叠堆4、底座、感应电极5、U型弹簧6部分构成。屏蔽电极2、压紧螺母1、感应电极5都由金属构成,U型弹簧6、柔性铰链由弹簧钢,45钢,或铍青铜等弹性材料制成,压电叠堆4由多层具有压电效应的材料堆叠而成。柔性铰链3采用单轴结构,切口形式采用椭圆形结构,其输出位移较大,最大应力适中。
在图1中,屏蔽电极2和感应电极5设置两对,均采用E形电极,两对沿Y方向分别置于柔性铰链3的两侧。(设置一对也可,但设置两对更佳,可减小误差)。压电叠堆4置于柔性铰链中间,与柔性铰链3内侧左右两端(X方向)固定,并在压紧螺母1的作用下,将屏蔽电极2与柔性铰链3上、下方向压紧。屏蔽电极2接地,屏蔽电极2下方是感应电极5,感应电极5绝缘地固定在底座上。屏蔽电极2可以在感应电极2上方往复移动,以遮挡感应电极5。
在静电场中工作时,柔性铰链3x方向一端固定在底座上,交流信号电压加在压电叠堆上,压电叠堆产生x方向微小振动,该微小振动经柔性铰链放大后,推动屏蔽电极在y方向往复运动,由于屏蔽电极2接地,就造成对感应电极5的周期性屏蔽,使感应电极5上产生周期性的感应电荷,此感应电荷与电场成正比,并会形成电流,感应电极用屏蔽电缆接入电子电路,接入电路微弱电流经I-V变换,滤波,放大,相敏检波后得到与电场成正比的电压信号。
本实用新型的工作原理如下:
用一个固定的金属感应片(定片)和一个固定频率震动的接地动片,交替地使感应片在电场中被屏蔽和暴露,由静电感应原理,在感应片上就会产生变化的感应电荷,根据高斯定理,可以得到感应片上的感应电荷Q(t)的大小与外界待测电场强度E成正比。即:
其中ε为自由空间介电常数,一般近似取为真空介电常数ε0=8.85×10-12F/m。S(t)为感应片的表面积,E的方向指向振动片时为正。
使振动片匀速作往返运动,在一个周期T的时间内,感应片暴露的面积与时间t有如下的关系:
式中Sm为感应片的总面积
则此感应电流等效于周期为T的方波,由于ε0,Sm,和T均为常数,故得到的电流是与静电场成正比的测量参数。
图2是椭圆形柔性铰链示意图,它对压电叠堆产生的微小放大过程如下:
压电叠堆在驱动电压作用下变化?x,柔性铰链在y方向产生变化?y,由于柔性铰链的边长L不变,且L2=y2+x2,两边取导数,
0=2ydy+2xdx
dy=-xdx/y=-dx/(y/x)
当α很小时,tanα=y/x=α
得到y方向随x方向变化规律:dy=-dx/α
一般α很小,例如5?时,压电叠堆产生的微小位移被放大11.5倍。
Claims (9)
1.一种振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:它包括弹性部件、柔性铰链(3)和压电叠堆(4)、底座,以及成对设置的屏蔽电极(2)与感应电极(5);所述柔性铰链X方向一端固定在底座上,感应电极绝缘地固定在底座上;
所述压电叠堆(4)两端固装于柔性铰链(3)X方向的两侧内壁上,屏蔽电极(2)设置于柔性铰链(3)Y方向外端,并通过弹性部件压紧在柔性铰链(3)Y方向外表面上,屏蔽电极(2)接地且置于成对设置的感应电极(5)上方。
2.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:所述成对设置的屏蔽电极(2)和感应电极(5)设置一对或二对,二对时分别设置于柔性铰链Y方向的两侧。
3.根据权利要求2所述的振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:所述感应电极(5)与屏蔽电极(2)采用形状相同的E形结构。
4.根据权利要求3所述的振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:所述成对的感应电极(5)与屏蔽电极(2)二者错位或正对设置。
5.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:所述弹性部件采用为压簧或U形弹簧结构,弹性部件一端固定,另一端连接屏蔽电极(2)。
6.根据权利要求5所述的振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:所述弹性部件一端固定连接压紧螺母(1),另一端固定连接屏蔽电极(2)。
7.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:所述柔性铰链(3)外形呈椭圆形,X方向对应长轴,Y方向对应长轴。
8.根据权利要求7所述的振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:所述屏蔽电极(2)、压紧螺母(1)和感应电极(5)都为金属材质;柔性铰链(3)由弹簧钢、45钢、或铍青铜制成;压电叠堆(4)由多层具有压电效应的材料堆叠而成。
9.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器,其特征在于:所述柔性铰链采用单轴结构。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN108397333A (zh) * | 2018-01-05 | 2018-08-14 | 浙江大学 | 一种海流能发电机组的可变形桨叶机构 |
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- 2011-04-20 CN CN2011201177458U patent/CN202041589U/zh not_active Expired - Lifetime
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CN105676008B (zh) * | 2016-01-15 | 2020-04-14 | 中国电力科学研究院 | 一种数字式电场传感器 |
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