基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場(chǎng)測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場(chǎng)測(cè)量方法。一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場(chǎng)測(cè)量方法，其中在同一平面上布放至少三個(gè)不在同一直線上的電場(chǎng)傳感單元以構(gòu)成三維電場(chǎng)傳感器，所述方法包括：分別沿三維坐標(biāo)系中彼此正交的三個(gè)方向?qū)γ總€(gè)電場(chǎng)傳感單元進(jìn)行標(biāo)定以計(jì)算每個(gè)電場(chǎng)傳感單元相對(duì)于所述三個(gè)方向的靈敏度系數(shù)；基于計(jì)算的靈敏度系數(shù)確定耦合靈敏度系數(shù)矩陣；根據(jù)確定的耦合靈敏度系數(shù)矩陣以及每個(gè)電場(chǎng)傳感單元的輸出值，計(jì)算待測(cè)電場(chǎng)的大小。利用本發(fā)明的方法，能夠避免三維電場(chǎng)傳感單元的待測(cè)分量間的耦合干擾，可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)分量的準(zhǔn)確測(cè)量。
【專利說明】基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場(chǎng)測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場(chǎng)測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電場(chǎng)監(jiān)測(cè)在氣象、電網(wǎng)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在氣象領(lǐng)域，通過對(duì)地面局部大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)，可以進(jìn)行雷電云分布研究及雷電預(yù)警；對(duì)空中大氣電場(chǎng)探測(cè)，可以反演云層電荷分布情況。由于空中大氣電場(chǎng)的情況復(fù)雜，雷暴云電場(chǎng)受云中電荷分布的影響且隨著云層的運(yùn)動(dòng)不斷變化，呈現(xiàn)三維特性，并且電場(chǎng)儀在空中的位置難以固定。因此，空中電場(chǎng)強(qiáng)度需要采用三維電場(chǎng)儀進(jìn)行測(cè)量。在電網(wǎng)領(lǐng)域，電場(chǎng)傳感器可用于對(duì)電力設(shè)備周圍電場(chǎng)的監(jiān)測(cè)、絕緣子缺陷檢測(cè)、輸電線供電狀態(tài)檢測(cè)、覆冰厚度檢測(cè)等。
[0003]現(xiàn)有的組合式三維電場(chǎng)傳感器中的傳感單元立體布置，導(dǎo)致體積大，并且對(duì)傳感單元的位置精度要求高；而且，在以往的三維電場(chǎng)傳感器中，待測(cè)電場(chǎng)的X.Y.Z三個(gè)分量存在難以消除的耦合干擾，影響了探測(cè)準(zhǔn)確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場(chǎng)測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)三個(gè)分量的準(zhǔn)確測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了測(cè)得的各分量之間的耦合干擾。
[0005]本發(fā)明的思想在于:三維電場(chǎng)傳感器包括至少三個(gè)電場(chǎng)傳感單元及對(duì)應(yīng)的解調(diào)電路，所述電場(chǎng)傳感單元以不共線的方式共面放置。首先通過三維標(biāo)定，確定傳感器相對(duì)于空間三維電場(chǎng)的耦合靈敏度系數(shù)矩陣。然后根據(jù)該靈敏度矩陣和各個(gè)傳感單元的輸出實(shí)時(shí)計(jì)算空間電場(chǎng)的三維分量。在實(shí)際測(cè)量電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)耦合靈敏度系數(shù)矩陣是唯一的，該矩陣與三維電場(chǎng)傳感器的外形、電場(chǎng)傳感單元的數(shù)量以及安放位置有關(guān)，也與每個(gè)電場(chǎng)傳感單元自身的感應(yīng)靈敏度有關(guān)。在上述因素不變的情況下，傳感器只需要標(biāo)定一次。
[0006]根據(jù)本發(fā)明，一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場(chǎng)測(cè)量方法，其中在同一平面上布放至少三個(gè)不在同一直線上的電場(chǎng)傳感單元以構(gòu)成三維電場(chǎng)傳感器，所述方法包括:
[0007]分別沿三維坐標(biāo)系中彼此正交的三個(gè)方向?qū)γ總€(gè)電場(chǎng)傳感單元進(jìn)行標(biāo)定以計(jì)算每個(gè)電場(chǎng)傳感單元相對(duì)于所述三個(gè)方向的靈敏度系數(shù)；
[0008]基于計(jì)算的靈敏度系數(shù)確定耦合靈敏度系數(shù)矩陣；
[0009]根據(jù)耦合靈敏度系數(shù)矩陣以及每個(gè)電場(chǎng)傳感單元的輸出值，計(jì)算待測(cè)電場(chǎng)的大小。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，利用多個(gè)電場(chǎng)傳感單元共面布置，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且在耦合靈敏度系數(shù)中考慮其他方向電場(chǎng)對(duì)待測(cè)方向的耦合響應(yīng)，并在反算過程中以消除。因此，可去除耦合以確保解調(diào)到的各分量的準(zhǔn)確性。
【專利附圖】

【附圖說明】[0011]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的共面式三維電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的三維電場(chǎng)測(cè)量方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖來具體說明本發(fā)明的具體實(shí)施例，其中以三維電場(chǎng)傳感器包括三個(gè)電場(chǎng)傳感單元為例進(jìn)行說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以采用更多的電場(chǎng)傳感單元以及其他位置布置來實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0014]參見圖1，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的共面式三維電場(chǎng)傳感器包括電場(chǎng)傳感單元1、電場(chǎng)傳感單兀2、電場(chǎng)傳感單兀3和基板4。三維電場(chǎng)傳感器的X軸與Y軸彼此正交，位于與基板4的平面平行的平面內(nèi)，Z軸垂直于基板4的平面。例如，電場(chǎng)傳感單元具體布置方式可以為:將電場(chǎng)傳感單元2、電場(chǎng)傳感單元3布置在三維電場(chǎng)傳感器的X軸上，電場(chǎng)傳感單元I布置在電場(chǎng)傳感單元2與電場(chǎng)傳感單元3的中垂線上。每個(gè)電場(chǎng)傳感單元可以彼此相同或不同，可以是獨(dú)立的MEMS電場(chǎng)傳感器、場(chǎng)磨式電場(chǎng)傳感器、電極式電場(chǎng)傳感器、光纖式電場(chǎng)傳感器等，也可以是包含其中多種電場(chǎng)傳感器的傳感單元。電場(chǎng)傳感單元可以是封裝或裸露的電場(chǎng)感應(yīng)元件。三個(gè)電場(chǎng)傳感單元可以通過膠粘、螺絲固定、接插件對(duì)接等方式連接到基板4上，同時(shí)，基板4上還包括與電場(chǎng)傳感單元進(jìn)行電氣連接的基本電路與線路?；?上還可以包括電場(chǎng)信號(hào)解調(diào)電路、無線通信模塊以及供電電源等附加功能模塊。
[0015]參見圖2來描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的三維電場(chǎng)檢測(cè)方法。
[0016]首先，在步驟1，可以通過以下方式來產(chǎn)生電場(chǎng):在一對(duì)互相平行的金屬極板上施加電壓，通過調(diào)節(jié)電壓產(chǎn)生不同大小的勻強(qiáng)電場(chǎng)?？梢酝ㄟ^介電常數(shù)較小的材料，例如聚四氟乙烯、陶瓷等，將三維 電場(chǎng)傳感器固定在所施加電場(chǎng)空間中。旋轉(zhuǎn)三維電場(chǎng)傳感器，沿空間笛卡爾坐標(biāo)系的x、y、z三個(gè)方向?qū)﹄妶?chǎng)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,并通過線性擬合確定每個(gè)電場(chǎng)傳感單元分別相對(duì)于每個(gè)方向電場(chǎng)的靈敏度系數(shù)，表示為klx、kly、klz、k2x、k2y、k2z、k3x、k3y、k3z。其中，klx表電場(chǎng)傳感單兀I對(duì)于X方向電場(chǎng)的靈敏度系數(shù)，設(shè)X方向電場(chǎng)為Ex,電場(chǎng)傳感單元I的響應(yīng)值為V1，則靈敏度系數(shù)klx滿足Vl=klx.Ex。以此類推。在三維電場(chǎng)傳感器局部坐標(biāo)系與地心直角坐標(biāo)系之間關(guān)系可測(cè)的條件下，空間笛卡爾坐標(biāo)系也可定義為地心直角坐標(biāo)系，二者通過線性關(guān)系相互轉(zhuǎn)換。
[0017]在步驟2，通過計(jì)算的9個(gè)靈敏度系數(shù)，確定三維電場(chǎng)傳感器的耦合靈敏度系數(shù)矩陣，為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場(chǎng)測(cè)量方法，其中在同一平面上布放至少三個(gè)不在同一直線上的電場(chǎng)傳感單兀以構(gòu)成三維電場(chǎng)傳感器，所述方法包括: 分別沿三維坐標(biāo)系中彼此正交的三個(gè)方向?qū)γ總€(gè)電場(chǎng)傳感單元進(jìn)行標(biāo)定以計(jì)算每個(gè)電場(chǎng)傳感單元相對(duì)于所述三個(gè)方向的靈敏度系數(shù)； 基于計(jì)算的靈敏度系數(shù)確定耦合靈敏度系數(shù)矩陣； 根據(jù)確定的耦合靈敏度系數(shù)矩陣以及每個(gè)電場(chǎng)傳感單元的輸出值，計(jì)算待測(cè)電場(chǎng)的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，電場(chǎng)傳感單元的位置采用笛卡爾坐標(biāo)系或地心直角坐標(biāo)系來定義。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，對(duì)每個(gè)電場(chǎng)傳感單元進(jìn)行標(biāo)定包括: 施加X方向電場(chǎng)，對(duì)每個(gè)電場(chǎng)傳感單元在不同電場(chǎng)下的輸出進(jìn)行線性擬合，分別得到每個(gè)電場(chǎng)傳感單元對(duì)X方向電場(chǎng)的靈敏度系數(shù):klx，k2x…km，n ^ 3其中η是電場(chǎng)傳感單元的編號(hào)； 采用同樣的方法，分別施加Y和Z方向電場(chǎng)，線性擬合得到每個(gè)電場(chǎng)傳感單元對(duì)Y和Z方向電場(chǎng)的靈敏度系數(shù):kly，k2y-kny, klz，k2z…knz。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，將三維電場(chǎng)傳感器的耦合靈敏度系數(shù)矩陣確定為
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，根據(jù)以下公式來計(jì)算待測(cè)電場(chǎng)的大小:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少三個(gè)電場(chǎng)傳感單元是相同的或不同的，并且包括以下中的至少一個(gè):分離的電場(chǎng)敏感芯片或者處于同一敏感芯片上不同位置的電場(chǎng)傳感單元，封裝電場(chǎng)敏感元件或者裸露的電場(chǎng)敏感元件。
【文檔編號(hào)】G01R29/12GK103852649SQ201410090025
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】夏善紅, 聞小龍, 彭春榮, 方東明, 鄭鳳杰, 王宇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所