RU175038U1

RU175038U1 - ELECTRIC FIELD TENSION SENSOR

Info

Publication number: RU175038U1
Application number: RU2017118612U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Бирюков
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2017-05-29
Publication date: 2017-11-16

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля. Техническим результатом является создание датчика с повышенной чувствительностью и с симметричной конструкцией, позволяющей обеспечить равенство чувствительностей датчика по трем координатным осям и снижение его дополнительной погрешности при измерении в неоднородных электрических полях. Датчик для измерения напряженности электрического поля содержит диэлектрическую подложку с нанесенными на нее электродами, симметрично расположенными по осям координат. Электроды на одном основании подложки представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краев плоской пластины и ее центра. Диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской круглой пластины, а электрод другого основания разбивается на четыре электрода, повторяющих электроды первого основания и расположенных под ними. 3 ил.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to measure the orthogonal components of the electric field vector. The technical result is the creation of a sensor with increased sensitivity and with a symmetrical design, allowing to ensure the equality of the sensitivity of the sensor along the three coordinate axes and reduce its additional error when measuring in inhomogeneous electric fields. The sensor for measuring the electric field strength contains a dielectric substrate with electrodes deposited on it, symmetrically located along the coordinate axes. The electrodes on one base of the substrate are four conductors symmetrically located relative to the edges of the flat plate and its center. The dielectric substrate is made in the form of a flat round plate, and the electrode of the other base is divided into four electrodes, repeating the electrodes of the first base and located under them. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to measure the orthogonal components of the electric field vector.

Известен датчик напряженности электрического поля [Юркевич В.М., Кондратьев Б.Л. О методике измерения напряженности и других характеристик электрического поля // Измерительная техника. - 1980. - №5. - С. 57-59], содержащий прямоугольную диэлектрическую подложку с нанесенными на нее основания электродами. Нормаль, проведенная через центр подложки, совпадает с координатной осью датчика. Ориентируя ось датчика по направлению поля, измеряют одну из составляющих модуля вектора напряженности электрического поля Е. Об этой составляющей вектора напряженности судят по величине разности зарядов между электродами, нанесенными на диэлектрическую подложку.A known sensor of the electric field [Yurkevich V.M., Kondratiev B.L. On the method of measuring the strength and other characteristics of the electric field // Measuring technique. - 1980. - No. 5. - S. 57-59], containing a rectangular dielectric substrate with electrodes deposited on it. The normal drawn through the center of the substrate coincides with the coordinate axis of the sensor. Orienting the axis of the sensor in the direction of the field, one of the components of the module of the electric field vector E is measured. This component of the electric field vector is judged by the magnitude of the difference in charges between the electrodes deposited on the dielectric substrate.

Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет только два чувствительных электрода, то к его недостаткам можно отнести сложность процесса нахождения направления вектора напряженности электрического поля, поскольку датчик требует ориентации в электрическом поле.Since the electric field strength sensor has only two sensitive electrodes, its disadvantages include the complexity of the process of finding the direction of the electric field intensity vector, since the sensor requires orientation in the electric field.

Наиболее близким устройством к заявляемому является датчик напряженности электрического поля [А.с. 1401407 СССР, МКИ G01R 29/12 Датчик напряженности электрического поля / Юркевич В.М, Климашевский И.Л, Полетаев В.А., Сидоров И.А - №4114543/24-09; Заявл. 09.09.86; Опубл. 09.06.88, Бюл. №21], содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на ее основания электродами, симметрично расположенными по осям координат. Диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской квадратной пластины, электроды на одном основании которой представляют собой четыре проводника, расположенных параллельно сторонам плоской квадратной пластины симметрично по осям координат и относительно ее центра, а на другом основании электрод выполнен в виде сплошного плоского проводника, перекрывающего электроды, расположенные на первом основании.The closest device to the claimed is a sensor of the electric field [A.s. 1401407 USSR, MKI G01R 29/12 Sensor of electric field strength / Yurkevich V.M., Klimashevsky I.L., Poletaev V.A., Sidorov I.A. - No. 4114543 / 24-09; Claim 09/09/86; Publ. 06/09/88, Bull. No. 21], containing a dielectric substrate with electrodes deposited on its base, symmetrically located along the coordinate axes. The dielectric substrate is made in the form of a flat square plate, the electrodes on one base of which are four conductors located parallel to the sides of the flat square plate symmetrically along the coordinate axes and relative to its center, and on the other base the electrode is made in the form of a solid flat conductor overlapping the electrodes located on a first basis.

При измерении датчик напряженности электрического поля располагают перпендикулярно определяемой составляющей вектора напряженности электрического поля. О составляющих X и Y вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между попарно соединенными двумя электродам оси X и Y, расположенными на одном из оснований подложки соответственно, а по координате Z - между соединенными вместе четырех электродов первого основания подложки и одним электродом второго основания подложки. Датчик напряженности электрического поля позволяет раздельно измерять составляющие вектора напряженности электрического поля и имеет простую конструкцию, легко реализуемую методом печатной технологии.When measuring, the electric field strength sensor is placed perpendicular to the determined component of the electric field strength vector. The components X and Y of the electric field vector are judged by the magnitude of the difference between the charges between the two electrodes of the X and Y axis located in pairs on the substrate base, respectively, and by the Z coordinate between the four electrodes of the first substrate base and one electrode of the second base connected together the substrate. The electric field strength sensor allows you to separately measure the components of the electric field strength vector and has a simple design that is easily implemented by printing technology.

К недостаткам датчика напряженности электрического поля можно отнести невысокую чувствительность и асимметричную систему электродов относительно координатных плоскостей XOZ, YOZ и XOY. Асимметрия системы электродов приводит к разным чувствительностям датчика по составляющим Е_х, Е_у и E_z вектора напряженности электрического поля, и как следствие этого к дополнительной погрешности от неоднородности электрического поля.The disadvantages of the electric field strength sensor include a low sensitivity and an asymmetric system of electrodes relative to the coordinate planes XOZ, YOZ and XOY. The asymmetry of the electrode system leads to different sensor sensitivities with respect to the components E _x , E _y and E _z of the electric field strength vector, and as a result of this, an additional error from the inhomogeneity of the electric field.

Задачей полезной модели является создание датчика с повышенной чувствительностью и с симметричной конструкцией, позволяющей обеспечить равенство чувствительностей датчика по трем координатным осям и снижение его дополнительной погрешности при измерении в неоднородных электрических полях.The objective of the utility model is to create a sensor with increased sensitivity and with a symmetrical design, which allows ensuring the sensitivity of the sensor along the three coordinate axes and reducing its additional error when measuring in inhomogeneous electric fields.

Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем диэлектрическую подложку с нанесенными на нее электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем, электроды на одном основании подложки представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краев плоской пластины и ее центра, диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской круглой пластины, а электрод другого основания разбивается на четыре электрода, повторяющих электроды первого основания и расположенных под ними.This problem is achieved by the fact that in the known sensor for measuring the electric field strength containing a dielectric substrate with electrodes deposited on it, symmetrically located along the coordinate axes, moreover, the electrodes on one substrate base are four conductors symmetrically located relative to the edges of a flat plate and its center, the dielectric substrate is made in the form of a flat round plate, and the electrode of the other base is divided into four electrodes repeating the electrodes ditch base and located below them.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен датчик напряженности электрического поля (вид с верху и вид снизу), а на фиг. 2 - то же, вид сбоку.The proposed utility model is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a sensor of electric field strength (view from above and view from below), and in FIG. 2 - the same side view.

Датчик напряженности электрического поля содержит диэлектрическую подложку, выполненную в виде плоской круглой пластины 1, четыре электрода 2-5, расположенных на одном основании подложки и четыре электрода 6-9, расположенных на другом основании подложки. Каждый электрод выполнен в виде плоского проводника, расположенного симметрично четверти плоской круглой пластины.The electric field strength sensor contains a dielectric substrate made in the form of a flat round plate 1, four electrodes 2-5 located on one base of the substrate and four electrodes 6-9 located on the other base of the substrate. Each electrode is made in the form of a flat conductor located symmetrically to a quarter of a flat round plate.

Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.The electric field intensity sensor operates as follows.

При внесении датчика в электрическое поле на его проводящих электродах 2-9 индуцируются электрические заряды, величина которых пропорциональна измеряемой напряженности электрического поля Е. Одновременно или разновременно формируя из электродов 2-9 противоположные пары групп из четырех электродов: по оси X - 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9; по оси Y - 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9; по оси Z - 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, разделенных координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY, измеряют разности зарядов между электрически соединенными парами составных электродов, пропорциональных составляющим Е_х, Е_у и E_z вектора напряженности электрического поля Е, а по ним определяют его модульWhen a sensor is introduced into an electric field, conductive electrodes 2–9 induce electric charges, the magnitude of which is proportional to the measured electric field E. At the same time or at the same time, form opposite pairs of four electrodes from electrodes 2–9: along the X axis, 2, 3, 6, 7 and 4, 5, 8, 9; along the Y axis - 3, 4, 7, 8 and 2, 5, 6, 9; on the Z axis - 2, 3, 4, 5 and 6, 7, 8, 9, separated by the coordinate planes XOZ, YOZ and XOY, measure the difference in charges between the electrically connected pairs of composite electrodes proportional to the components E _x , E _y and E _{z of the} vector electric field E, and determine its module

Для создания симметричной конструкции датчика в него введены дополнительно четыре электрода 6, 7, 8, 9 (фиг. 1). В результате чего из восьми образовавшихся электродов одинаковых по форме и размерам для каждой составляющей электрического поля формируются пары чувствительных элементов, причем каждая пара чувствительного элемента состоит из четырех электродов. Так, по оси X объединяются электроды 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9; по оси Y- 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9; по оси Z- 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, разделенные координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY соответственно. Поскольку каждый чувствительный элемент состоит из четырех одинаковых по форме и размерам электродов, то датчик обладает симметрией относительно координатных плоскостей и имеет одинаковую чувствительность по каждой координатной оси X, Y и Z. На каждой паре чувствительного элемента индуцируются заряды, пропорциональные только одной составляющей напряженности электрического поля. Для подтверждения этого рассмотрим фиг. 3. Из фиг. 3 следует, что если напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, расположенные по оси Z, то на чувствительном элементе 2, 3, 4, 5 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 6, 7, 8, 9 - положительные. Таким образом, индуцированные на электродах заряды разделяются плоскостью электрической и геометрической нейтрали. При этом на чувствительных элементах 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенных на оси X и чувствительных элементах 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9 расположенных на оси Y суммарный индуцированный заряд равен нулю. Если же напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенные по оси Х, то на чувствительном элементе 2, 3, 6, 7 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 4, 5, 8, 9 - положительные. При этом на чувствительных элементах 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9, расположенных на оси Г и чувствительных элементах 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9 расположенных на оси Z суммарный индуцированный заряд равен нулю. Если же напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9, расположенные по оси Y, то на чувствительном элементе 3, 4, 7, 8 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 2, 5, 6, 9 - положительные. При этом на чувствительных элементах 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенных на оси Х и чувствительных элементах 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9 расположенных на оси Z суммарный индуцированный заряд равен нулю.To create a symmetrical design of the sensor, four additional electrodes 6, 7, 8, 9 are introduced into it (Fig. 1). As a result, of the eight formed electrodes of the same shape and size for each component of the electric field, pairs of sensing elements are formed, each pair of the sensing element consisting of four electrodes. So, along the X axis, electrodes 2, 3, 6, 7 and 4, 5, 8, 9 are combined; along the Y-axis - 3, 4, 7, 8 and 2, 5, 6, 9; along the Z-axis, 2, 3, 4, 5 and 6, 7, 8, 9, separated by the coordinate planes XOZ, YOZ and XOY, respectively. Since each sensitive element consists of four electrodes of the same shape and size, the sensor is symmetric with respect to the coordinate planes and has the same sensitivity along each coordinate axis X, Y and Z. Charges are proportional to each pair of the sensitive element, proportional to only one component of the electric field . To confirm this, consider FIG. 3. From FIG. 3 it follows that if the electric field strength normally falls on the sensitive elements 2, 3, 4, 5 and 6, 7, 8, 9 located along the Z axis, then negative charges are induced on the sensitive element 2, 3, 4, 5, and on the sensing element 6, 7, 8, 9 - positive. Thus, the charges induced on the electrodes are separated by the plane of the electric and geometric neutral. In this case, on the sensitive elements 2, 3, 6, 7 and 4, 5, 8, 9 located on the X axis and the sensitive elements 3, 4, 7, 8 and 2, 5, 6, 9 located on the Y axis, the total induced charge equal to zero. If the electric field strength normally falls on the sensitive elements 2, 3, 6, 7 and 4, 5, 8, 9, located along the X axis, then negative charges are induced on the sensitive element 2, 3, 6, 7, and on the sensitive element 4, 5, 8, 9 are positive. In this case, on the sensitive elements 3, 4, 7, 8 and 2, 5, 6, 9, located on the axis G and the sensitive elements 2, 3, 4, 5 and 6, 7, 8, 9 located on the Z axis, the total induced charge equal to zero. If the electric field strength normally falls on the sensitive elements 3, 4, 7, 8 and 2, 5, 6, 9, located along the Y axis, then negative charges are induced on the sensitive element 3, 4, 7, 8, and on the sensitive element 2, 5, 6, 9 are positive. In this case, on the sensitive elements 2, 3, 6, 7 and 4, 5, 8, 9 located on the X axis and the sensitive elements 2, 3, 4, 5 and 6, 7, 8, 9 located on the Z axis, the total induced charge equal to zero.

Эффективным размерам квадратного плоского датчика является его диагональ, поэтому круглый плоский датчик с диаметром, равным диагонали квадрата будет оказывать на электрическое поле такое же воздействие, как и квадратный датчик. При этом площадь поверхности квадратной пластины будет определяться выражениемThe effective size of a square flat sensor is its diagonal, so a round flat sensor with a diameter equal to the diagonal of the square will have the same effect on the electric field as a square sensor. The surface area of the square plate will be determined by the expression

а площадь поверхности круглой пластиныand the surface area of a round plate

где в первом случае d - диагональ квадратной, а во втором диаметр круглой пластины. Отсюда следует, что плоский круглый датчик при этом будет иметь в 1,57 раз больше площадь поверхности, занимаемую чувствительными электродами а, следовательно, и большую чувствительность.where in the first case d is the diagonal of the square, and in the second, the diameter of the round plate. It follows that a flat round sensor will have 1.57 times the surface area occupied by sensitive electrodes and, therefore, greater sensitivity.

Таким образом, предлагаемый датчик имеет большую чувствительность, симметричную конструкцию относительно его координатных осей, позволяет раздельно измерять составляющие вектора напряженности электрического поля и легко реализуется современными методами нанотехнологий.Thus, the proposed sensor has great sensitivity, a symmetrical design relative to its coordinate axes, allows you to separately measure the components of the electric field vector and is easily implemented by modern methods of nanotechnology.

Claims

Датчик напряженности электрического поля, содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на неё электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем электроды на одном основании подложки представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краёв плоской пластины и ее центра, отличающийся тем, что для повышения чувствительности датчика диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской круглой пластины, а электрод другого основания разбивается на четыре электрода, повторяющих электроды первого основания и расположенных под ними.An electric field strength sensor containing a dielectric substrate with electrodes deposited thereon symmetrically located on the coordinate axes, the electrodes on one substrate base being four conductors symmetrically located relative to the edges of the flat plate and its center, characterized in that the dielectric is increased to increase the sensitivity the substrate is made in the form of a flat round plate, and the electrode of the other base is divided into four electrodes repeating the electrodes of the first of the base and disposed beneath them.