專利名稱：直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，屬電學(xué)領(lǐng)域，具體屬傳感器技術(shù)和靜電場(chǎng)的測(cè)量。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)中，靜電有一定的危害，靜電的監(jiān)測(cè)是關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)安全的一項(xiàng)重要的工作，在氣象上，大氣靜電場(chǎng)又是雷暴、閃電監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵特征參數(shù)，在地震預(yù)警，石油礦山等行業(yè)靜電監(jiān)測(cè)也都是一項(xiàng)重要工作。目前，對(duì)靜電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)主要采用感應(yīng)式靜電測(cè)試儀和場(chǎng)磨式靜電測(cè)試儀，感應(yīng)式靜電測(cè)試儀采用靜電感應(yīng)原理，在規(guī)定的測(cè)試距離上感應(yīng)出電荷進(jìn)行測(cè)量，但是這種方法要求近距離(如25mm)測(cè)量帶電體電位或電荷，并且存在電荷泄漏，感應(yīng)出的電荷隨時(shí)間衰減，使得測(cè)量值隨時(shí)間減??；場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀不受距離限制也無(wú)電荷泄漏，但其驅(qū)動(dòng)電機(jī)影響其長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、存在機(jī)械磨損、系統(tǒng)功耗較大是其缺點(diǎn)。光學(xué)式電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)復(fù)雜，而且光學(xué)材料的多重物理效應(yīng)相互影響以及光學(xué)材料自身穩(wěn)定性和可靠性影響，光學(xué)測(cè)量方法還不很實(shí)用，尚處于試驗(yàn)階段。發(fā)明目的
為解決場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀，機(jī)械磨損問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)的
一種直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，它包括屏蔽電極、感應(yīng)電極、壓電疊堆、壓電疊堆安裝板、位置調(diào)節(jié)螺紋和安裝底座，屏蔽電極設(shè)置在安裝底座上并接地，感應(yīng)電極與屏蔽電極相對(duì)平行設(shè)置，感應(yīng)電極下部連接壓電疊堆，壓電疊堆固定在壓電疊堆安裝板上，壓電疊堆安裝板通過(guò)位置調(diào)節(jié)螺紋與安裝底座連接；所述屏蔽電極上開(kāi)有若干圓孔，或者開(kāi)有若干長(zhǎng)槽型狹縫。屏蔽電極上的圓孔的直徑為0. 2-2毫米，相鄰圓孔的中心距為圓孔直徑的 1. 1-1. 2 倍。屏蔽電極上狹縫為平行狹縫，狹縫寬度為0. 2-2毫米，相鄰狹縫的間距為狹縫寬度的0. 1-0. 2倍。屏蔽極電極和感應(yīng)電極間的距離設(shè)計(jì)為0. 3-0. 5mm。屏蔽電極為圓形金屬膜片，所述感應(yīng)電極為與屏蔽電極形狀相當(dāng)?shù)膱A形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新型壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式電場(chǎng)傳感器，該傳感器采用靜電感應(yīng)原理工作，感應(yīng)電極在壓電疊堆的帶動(dòng)下相對(duì)于屏蔽電極作直線振動(dòng)，通過(guò)感應(yīng)電極與屏蔽電極之間的相對(duì)振動(dòng)，感應(yīng)電極上感應(yīng)電荷出現(xiàn)周期性變化，于是形成一穩(wěn)定交流電流便于后續(xù)電路測(cè)量。其屏蔽電極為開(kāi)孔或槽的接地電極，電場(chǎng)部分透射過(guò)屏蔽電極到達(dá)感應(yīng)電極上， 并且到達(dá)感應(yīng)電極的電場(chǎng)和兩電極之間的距離成一定的函數(shù)關(guān)系，電場(chǎng)強(qiáng)時(shí)感應(yīng)電極上感應(yīng)出的電荷就多，反之則少，通過(guò)感應(yīng)電極與屏蔽電極之間的相對(duì)振動(dòng)，感應(yīng)電極上感應(yīng)電荷出現(xiàn)周期性變化，于是形成一穩(wěn)定交流電流便于后續(xù)電路測(cè)量。該傳感器采用靜電感應(yīng)原理工作，感應(yīng)電極在壓電疊堆的帶動(dòng)下相對(duì)于屏蔽電極作直線振動(dòng)。本發(fā)明系統(tǒng)中只有微小振動(dòng)，避免了場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀的機(jī)械磨損，有利于長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。并且傳感器尺寸小，便于實(shí)現(xiàn)儀器的微型化。



圖1為靜電感應(yīng)原理示意圖。圖2為屏蔽電極結(jié)構(gòu)示意圖之一。圖3為屏蔽電極結(jié)構(gòu)示意圖之二。圖4為帶孔電極在待測(cè)電場(chǎng)中的位置示意圖。圖5為待測(cè)電場(chǎng)通過(guò)屏蔽電極后形成的透射效應(yīng)示意圖。圖6為電場(chǎng)El/10V/m通過(guò)屏蔽電極后電場(chǎng)分布圖。圖7為感應(yīng)板上平均電荷量與Z軸關(guān)系示意圖。圖8為電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合本發(fā)明傳感器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，工作原理和理論推導(dǎo)，并通過(guò)計(jì)算分析表明該系統(tǒng)能夠很好地測(cè)量靜電場(chǎng)。結(jié)構(gòu)實(shí)例
如圖8所示，本發(fā)明的直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器主要由6部分構(gòu)成 1、屏蔽電極，外形圓形，由帶小孔或者帶槽的金屬極板構(gòu)成，起部分屏蔽電場(chǎng)作用。2、感應(yīng)電極，由圓形金屬電極構(gòu)成，用以感應(yīng)外電場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電荷。3、壓電疊堆，由壓電片層層堆疊而成，加上電壓后壓電片厚度發(fā)生改變一電致伸縮，壓電疊堆厚度改變導(dǎo)致感應(yīng)電極與屏蔽電極之間距離改變，因此也導(dǎo)致感應(yīng)電極上感應(yīng)到的電場(chǎng)強(qiáng)度改變，從而感應(yīng)電極上感應(yīng)電荷改變，引起后續(xù)電路中的電信號(hào)變化。若壓電疊堆上加的是固定頻率的交變電壓，那么，壓電疊堆將帶動(dòng)感應(yīng)電極做周期性的振動(dòng)，感應(yīng)電極上將會(huì)產(chǎn)生周期性的穩(wěn)定的電流信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)電子電路的處理之后，可得到與被測(cè)電場(chǎng)成正比的電壓值。即可通過(guò)測(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量。4、壓電疊堆安裝板，用來(lái)安裝和固定壓電疊堆
5、位置調(diào)節(jié)螺紋，用來(lái)調(diào)節(jié)壓電疊堆上安裝的感應(yīng)電極和屏蔽電極的距離以及調(diào)節(jié)感應(yīng)電極與屏蔽電極的平行。6、安裝底座，安裝時(shí)應(yīng)保持水平，以便能準(zhǔn)確測(cè)量垂直電場(chǎng)。當(dāng)屏蔽電極設(shè)計(jì)成圓孔時(shí)，圓孔的直徑可設(shè)計(jì)成0. 2-2毫米，相鄰圓孔的中心距為圓孔直徑的1. 1-1. 2倍。圓孔的直徑和振動(dòng)電極的振動(dòng)距離是成比例相對(duì)應(yīng)的，孔的直徑增大，則感應(yīng)電極的振動(dòng)距離也要增大，否則感應(yīng)電極上產(chǎn)生的信號(hào)就小，不易測(cè)量。如圖6，圖7所示，當(dāng)圓孔直徑2毫米時(shí)，孔后電場(chǎng)變化較大的距離是在0. 1-0. 5毫米范圍內(nèi)。 而由于壓電驅(qū)動(dòng)器位移范圍較小，通常是0. 02—0. 2mm，故對(duì)應(yīng)的圓孔直徑設(shè)計(jì)范圍0. 2— 2毫米，屏蔽極板和感應(yīng)極板距離設(shè)計(jì)為0. 3-0. 5mm。當(dāng)屏蔽電極設(shè)計(jì)成狹縫時(shí)，狹縫的寬度0. 2-2毫米；相鄰狹縫的間距為狹縫寬度的0. l-o. 2倍。可以把狹縫看成是由一排緊密排列的圓孔組成，狹縫寬度與圓孔直徑相對(duì)應(yīng)，狹縫間距與圓孔間距相對(duì)應(yīng)。狹縫是平行的，可以是平行的直線型狹縫，也可以是平行的圓環(huán)狀狹縫。設(shè)計(jì)成平行可以充分利用屏蔽電極的表面面積，還可以對(duì)被測(cè)電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，使其產(chǎn)生通過(guò)狹縫后電場(chǎng)隨距離變化的效果。壓電疊堆可采用已有產(chǎn)品，亦可訂制。如采用芯明天科技公司壓電陶瓷，型號(hào) 200vsl5，最大位移0. 2毫米，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器可采用XE-500/501系列控制器。屏蔽電極為圓形或其它形狀金屬膜片，但圓形較好，引起電場(chǎng)的畸變是軸對(duì)稱的。 其上均勻分布有許多圓孔，或者是長(zhǎng)槽型狹縫。由理論分析可知，電場(chǎng)穿過(guò)小孔后，如圖6 所示，在徑向大于小孔半徑后，電場(chǎng)方向出現(xiàn)了反向，如果在此處放置感應(yīng)片，感應(yīng)出的電荷與待測(cè)電場(chǎng)感應(yīng)出的電荷極性相反，起著減弱總感應(yīng)電荷的作用，因此，孔間的間距應(yīng)盡量小，以減小這部分電荷。此外，由于采用壓電疊堆，其位移很小，故孔或縫的尺寸相應(yīng)也較小，以便在感應(yīng)片振動(dòng)時(shí)，能獲得較大的電荷改變量，一般，孔的直徑或縫的寬度小于2毫米為宜。本發(fā)明的工作原理如圖1所示，屏蔽電極接地，其上開(kāi)孔或縫，感應(yīng)電極感應(yīng)待測(cè)電場(chǎng)通過(guò)屏蔽電極孔或縫后產(chǎn)生的電場(chǎng)，該電場(chǎng)與離孔或縫的距離成一定函數(shù)關(guān)系，感應(yīng)電極在壓電疊堆作用下做微小振動(dòng)，如在圖1中，在a、b位置之間往復(fù)振動(dòng)，改變與屏蔽電極之間的距離，從而使感應(yīng)電極上感應(yīng)到的電荷周期性變化，并與被測(cè)量電場(chǎng)El成一正比的函數(shù)關(guān)系，感應(yīng)電極接入測(cè)量電路檢測(cè)其上的電荷變化，再送后續(xù)電路繼續(xù)處理。圖2、圖3所示為屏蔽電極結(jié)構(gòu)圖，屏蔽電極為極薄的金屬膜片，其上均勻開(kāi)有許多圓孔，或者是長(zhǎng)槽型狹縫，如圖2、圖3所示。本發(fā)明工作原理的說(shuō)明
被測(cè)電場(chǎng)通過(guò)屏蔽電極后，電位表達(dá)式如下
權(quán)利要求
1.一種直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，它包括屏蔽電極、感應(yīng)電極、壓電疊堆、壓電疊堆安裝板、位置調(diào)節(jié)螺紋和安裝底座，屏蔽電極設(shè)置在安裝底座上并接地，感應(yīng)電極與屏蔽電極相對(duì)平行設(shè)置，感應(yīng)電極下部連接壓電疊堆，壓電疊堆固定在壓電疊堆安裝板上，壓電疊堆安裝板通過(guò)位置調(diào)節(jié)螺紋與安裝底座連接；所述屏蔽電極上開(kāi)有若干圓孔，或者開(kāi)有若干長(zhǎng)槽型狹縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，其特征在于所述屏蔽電極上的圓孔的直徑為0. 2-2毫米，相鄰圓孔的中心距為圓孔直徑的1. 1-1. 2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，其特征在于所述屏蔽電極上狹縫為平行狹縫，狹縫寬度為0. 2-2毫米，相鄰狹縫的間距為狹縫寬度的0. 1-0. 2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，其特征在于屏蔽極電極和感應(yīng)電極間的距離設(shè)計(jì)為0. 3-0. 5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，其特征在于所述屏蔽電極為圓形金屬膜片，所述感應(yīng)電極為與屏蔽電極形狀相當(dāng)?shù)膱A形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，以解決場(chǎng)磨式電場(chǎng)儀，機(jī)械磨損問(wèn)題。該直線振動(dòng)調(diào)制微型靜電場(chǎng)傳感器，它包括屏蔽電極、感應(yīng)電極、壓電疊堆、壓電疊堆安裝板、位置調(diào)節(jié)螺紋和安裝底座，屏蔽電極設(shè)置在安裝底座上并接地，感應(yīng)電極與屏蔽電極相對(duì)平行設(shè)置，感應(yīng)電極下部連接壓電疊堆，壓電疊堆固定在壓電疊堆安裝板上，壓電疊堆安裝板通過(guò)位置調(diào)節(jié)螺紋與安裝底座連接；所述屏蔽電極上開(kāi)有若干圓孔，或者開(kāi)有若干長(zhǎng)槽型狹縫。
文檔編號(hào)G01R29/12GK102323490SQ20111030991
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者季鑫源, 徐偉, 行鴻彥 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)