专利名称：直线振动调制微型静电场传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直线振动调制微型静电场传感器，属电学领域，具体属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，感应式静电测试仪采用静电感应原理，在规定的测试距离上感应出电荷进行测量，但是这种方法要求近距离(如25mm)测量带电体电位或电荷，并且存在电荷泄漏，感应出的电荷随时间衰减，使得测量值随时间减小；场磨式电场仪不受距离限制也无电荷泄漏，但其驱动电机影响其长时间连续工作，转速不稳定、存在机械磨损、系统功耗较大是其缺点。光学式电场传感器系统复杂，而且光学材料的多重物理效应相互影响以及光学材料自身稳定性和可靠性影响，光学测量方法还不很实用，尚处于试验阶段。发明目的
为解决场磨式电场仪，机械磨损问题，本发明设计了一种新型压电叠堆驱动式电场传感器。本发明的目的是通过以下措施实现的
一种直线振动调制微型静电场传感器，它包括屏蔽电极、感应电极、压电叠堆、压电叠堆安装板、位置调节螺纹和安装底座，屏蔽电极设置在安装底座上并接地，感应电极与屏蔽电极相对平行设置，感应电极下部连接压电叠堆，压电叠堆固定在压电叠堆安装板上，压电叠堆安装板通过位置调节螺纹与安装底座连接；所述屏蔽电极上开有若干圆孔，或者开有若干长槽型狭缝。屏蔽电极上的圆孔的直径为0. 2-2毫米，相邻圆孔的中心距为圆孔直径的 1. 1-1. 2 倍。屏蔽电极上狭缝为平行狭缝，狭缝宽度为0. 2-2毫米，相邻狭缝的间距为狭缝宽度的0. 1-0. 2倍。屏蔽极电极和感应电极间的距离设计为0. 3-0. 5mm。屏蔽电极为圆形金属膜片，所述感应电极为与屏蔽电极形状相当的圆形结构。本发明相比现有技术具有如下有益效果
本发明设计了一种新型压电叠堆驱动式电场传感器，该传感器采用静电感应原理工作，感应电极在压电叠堆的带动下相对于屏蔽电极作直线振动，通过感应电极与屏蔽电极之间的相对振动，感应电极上感应电荷出现周期性变化，于是形成一稳定交流电流便于后续电路测量。其屏蔽电极为开孔或槽的接地电极，电场部分透射过屏蔽电极到达感应电极上， 并且到达感应电极的电场和两电极之间的距离成一定的函数关系，电场强时感应电极上感应出的电荷就多，反之则少，通过感应电极与屏蔽电极之间的相对振动，感应电极上感应电荷出现周期性变化，于是形成一稳定交流电流便于后续电路测量。该传感器采用静电感应原理工作，感应电极在压电叠堆的带动下相对于屏蔽电极作直线振动。本发明系统中只有微小振动，避免了场磨式电场仪的机械磨损，有利于长时间稳定工作。并且传感器尺寸小，便于实现仪器的微型化。



图1为静电感应原理示意图。图2为屏蔽电极结构示意图之一。图3为屏蔽电极结构示意图之二。图4为带孔电极在待测电场中的位置示意图。图5为待测电场通过屏蔽电极后形成的透射效应示意图。图6为电场El/10V/m通过屏蔽电极后电场分布图。图7为感应板上平均电荷量与Z轴关系示意图。图8为电场传感器结构示意图。
具体实施例方式以下结合本发明传感器的详细结构，工作原理和理论推导，并通过计算分析表明该系统能够很好地测量静电场。结构实例
如图8所示，本发明的直线振动调制微型静电场传感器主要由6部分构成 1、屏蔽电极，外形圆形，由带小孔或者带槽的金属极板构成，起部分屏蔽电场作用。2、感应电极，由圆形金属电极构成，用以感应外电场，产生感应电荷。3、压电叠堆，由压电片层层堆叠而成，加上电压后压电片厚度发生改变一电致伸缩，压电叠堆厚度改变导致感应电极与屏蔽电极之间距离改变，因此也导致感应电极上感应到的电场强度改变，从而感应电极上感应电荷改变，引起后续电路中的电信号变化。若压电叠堆上加的是固定频率的交变电压，那么，压电叠堆将带动感应电极做周期性的振动，感应电极上将会产生周期性的稳定的电流信号。该信号经电子电路的处理之后，可得到与被测电场成正比的电压值。即可通过测量电路进行测量。4、压电叠堆安装板，用来安装和固定压电叠堆
5、位置调节螺纹，用来调节压电叠堆上安装的感应电极和屏蔽电极的距离以及调节感应电极与屏蔽电极的平行。6、安装底座，安装时应保持水平，以便能准确测量垂直电场。当屏蔽电极设计成圆孔时，圆孔的直径可设计成0. 2-2毫米，相邻圆孔的中心距为圆孔直径的1. 1-1. 2倍。圆孔的直径和振动电极的振动距离是成比例相对应的，孔的直径增大，则感应电极的振动距离也要增大，否则感应电极上产生的信号就小，不易测量。如图6，图7所示，当圆孔直径2毫米时，孔后电场变化较大的距离是在0. 1-0. 5毫米范围内。 而由于压电驱动器位移范围较小，通常是0. 02—0. 2mm，故对应的圆孔直径设计范围0. 2— 2毫米，屏蔽极板和感应极板距离设计为0. 3-0. 5mm。当屏蔽电极设计成狭缝时，狭缝的宽度0. 2-2毫米；相邻狭缝的间距为狭缝宽度的0. l-o. 2倍。可以把狭缝看成是由一排紧密排列的圆孔组成，狭缝宽度与圆孔直径相对应，狭缝间距与圆孔间距相对应。狭缝是平行的，可以是平行的直线型狭缝，也可以是平行的圆环状狭缝。设计成平行可以充分利用屏蔽电极的表面面积，还可以对被测电场进行调制，使其产生通过狭缝后电场随距离变化的效果。压电叠堆可采用已有产品，亦可订制。如采用芯明天科技公司压电陶瓷，型号 200vsl5，最大位移0. 2毫米，压电陶瓷驱动器可采用XE-500/501系列控制器。屏蔽电极为圆形或其它形状金属膜片，但圆形较好，引起电场的畸变是轴对称的。 其上均勻分布有许多圆孔，或者是长槽型狭缝。由理论分析可知，电场穿过小孔后，如图6 所示，在径向大于小孔半径后，电场方向出现了反向，如果在此处放置感应片，感应出的电荷与待测电场感应出的电荷极性相反，起着减弱总感应电荷的作用，因此，孔间的间距应尽量小，以减小这部分电荷。此外，由于采用压电叠堆，其位移很小，故孔或缝的尺寸相应也较小，以便在感应片振动时，能获得较大的电荷改变量，一般，孔的直径或缝的宽度小于2毫米为宜。本发明的工作原理如图1所示，屏蔽电极接地，其上开孔或缝，感应电极感应待测电场通过屏蔽电极孔或缝后产生的电场，该电场与离孔或缝的距离成一定函数关系，感应电极在压电叠堆作用下做微小振动，如在图1中，在a、b位置之间往复振动，改变与屏蔽电极之间的距离，从而使感应电极上感应到的电荷周期性变化，并与被测量电场El成一正比的函数关系，感应电极接入测量电路检测其上的电荷变化，再送后续电路继续处理。图2、图3所示为屏蔽电极结构图，屏蔽电极为极薄的金属膜片，其上均勻开有许多圆孔，或者是长槽型狭缝，如图2、图3所示。本发明工作原理的说明
被测电场通过屏蔽电极后，电位表达式如下
权利要求
1.一种直线振动调制微型静电场传感器，它包括屏蔽电极、感应电极、压电叠堆、压电叠堆安装板、位置调节螺纹和安装底座，屏蔽电极设置在安装底座上并接地，感应电极与屏蔽电极相对平行设置，感应电极下部连接压电叠堆，压电叠堆固定在压电叠堆安装板上，压电叠堆安装板通过位置调节螺纹与安装底座连接；所述屏蔽电极上开有若干圆孔，或者开有若干长槽型狭缝。
2.根据权利要求1所述的直线振动调制微型静电场传感器，其特征在于所述屏蔽电极上的圆孔的直径为0. 2-2毫米，相邻圆孔的中心距为圆孔直径的1. 1-1. 2倍。
3.根据权利要求1所述的直线振动调制微型静电场传感器，其特征在于所述屏蔽电极上狭缝为平行狭缝，狭缝宽度为0. 2-2毫米，相邻狭缝的间距为狭缝宽度的0. 1-0. 2倍。
4.根据权利要求1所述的直线振动调制微型静电场传感器，其特征在于屏蔽极电极和感应电极间的距离设计为0. 3-0. 5mm。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的直线振动调制微型静电场传感器，其特征在于所述屏蔽电极为圆形金属膜片，所述感应电极为与屏蔽电极形状相当的圆形结构。
全文摘要
本发明设计了一种直线振动调制微型静电场传感器，以解决场磨式电场仪，机械磨损问题。该直线振动调制微型静电场传感器，它包括屏蔽电极、感应电极、压电叠堆、压电叠堆安装板、位置调节螺纹和安装底座，屏蔽电极设置在安装底座上并接地，感应电极与屏蔽电极相对平行设置，感应电极下部连接压电叠堆，压电叠堆固定在压电叠堆安装板上，压电叠堆安装板通过位置调节螺纹与安装底座连接；所述屏蔽电极上开有若干圆孔，或者开有若干长槽型狭缝。
文档编号G01R29/12GK102323490SQ20111030991
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者季鑫源, 徐伟, 行鸿彦 申请人:南京信息工程大学