蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 第一章 緒論 1 1 風(fēng)沙電場現(xiàn)象的研究目的與意義 空間電場，作為一種常見的 物理 現(xiàn)象廣泛存在于 自然 界 中， 不論 是 晴朗天氣 ，雷雨天氣或是沙塵天氣 ， 大 氣中都存在電場 。對于空間 大氣 電場的 科學(xué)研究廣泛開展 于工業(yè) 、 氣象 、 通訊 、 農(nóng)業(yè)、國防等各個(gè)領(lǐng)域。 而對于帶電顆粒 產(chǎn)生 電場 現(xiàn)象 的科學(xué)研究也于近代迅速開展， 特別是風(fēng)沙電場方面的研究。風(fēng)沙電場是指在風(fēng)沙環(huán)境中 由于運(yùn)動 的 沙粒帶電荷而形成 的空間電場， 這種環(huán)境條件下形成的大氣電場 的量級 將 高于晴天大氣電場 2類似的風(fēng)沙 電場現(xiàn)象已經(jīng)在野外環(huán)境 1風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 3風(fēng) 沙流中、以及 現(xiàn)實(shí) 發(fā)生的沙塵暴 天氣 5塵卷 中11觀測到，因風(fēng)沙電場 會對 風(fēng)沙流運(yùn)動 4,13及通過空間媒介傳播的 通訊信號 造成 影響 17引起越來越多的學(xué)者對其開展了研究。 早在 1940年代，就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn) 了 風(fēng)沙流中的顆粒帶電現(xiàn)象 19自 此對于沙塵中 電場現(xiàn)象以及 顆粒帶電形成機(jī)理的研究便開始起步 。 對于風(fēng)沙流中顆粒帶電 現(xiàn)象以及電場規(guī)律研究，和沙粒帶電 對于風(fēng)沙流運(yùn)動影響的實(shí)驗(yàn)和理論研究也于近年來達(dá)到了一個(gè)新的高度 21而對于地球上風(fēng)沙運(yùn)動環(huán)境中 沙粒帶電和 風(fēng)沙 電 場規(guī)律及其對風(fēng)沙流運(yùn)動影響 的研究，更 有利于 對于火星風(fēng)沙 流 運(yùn)動的 電現(xiàn)象和 力學(xué) 分析 的研究 21很多 科研工作者 都投入到了對 風(fēng)沙流中沙粒帶電現(xiàn)象 的研究中來，對于風(fēng)沙流中電場變化規(guī)律的研究也廣泛開展起來。 國內(nèi)學(xué)者，蘭州大學(xué)鄭曉靜 教授 的風(fēng)沙環(huán)境力學(xué)小組長期以來對于大尺度當(dāng)下的風(fēng)沙電場時(shí)空規(guī)律進(jìn)行了不懈的研究， 對風(fēng)沙帶電規(guī)律以及風(fēng)沙電場的分布分別進(jìn)行了風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)測量和理論分析，也研究了沙粒電荷量對于沙粒運(yùn)動的影響問題337在通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，數(shù)值模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)沙流中，沙粒的荷質(zhì)比會隨著沙粒的粒徑增大而減小，也會隨著風(fēng)速的增大而減小，而隨著離地表高度的增加而增加。更為重要的是，在經(jīng)過風(fēng)場與沙粒的耦合作用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了定量分析后發(fā)現(xiàn)，沙粒帶電對于風(fēng)沙運(yùn)動有明顯的影響，表現(xiàn)為對于沙粒的躍移運(yùn)動軌跡以及輸沙率的影響，這一研究成果取得了學(xué)界的廣泛認(rèn)可。因此，研究風(fēng)沙電場時(shí)空規(guī)律以及沙粒帶電現(xiàn)象對于研究風(fēng)沙運(yùn)動有著不可磨滅的意義。 我們知道，對于風(fēng)沙電場和沙粒帶電現(xiàn)象的研究，主要手段為在野外和風(fēng)洞進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，因此，對于能夠測量在風(fēng)沙環(huán)境下的電場儀器的選擇就尤為重要。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 沙電場測量儀的研發(fā)現(xiàn)狀 目前市面上常見的 大型 電場測量儀，主要有幾種 主流 形式 ，而每種形式的電場儀都有其技術(shù)特點(diǎn)，和適用范圍，以及其用于風(fēng)沙環(huán)境下電場測量的局限性。我們將在這里一一說明。 球 型大氣電場儀 該種電場儀主要采用儀器天線上的球狀導(dǎo)體來產(chǎn)生感應(yīng)電荷，將感應(yīng)電荷 產(chǎn)生 的 電流信號 并將其 積分，得到大氣電場強(qiáng)度的測量值。 球載雙球電場儀 主要 為了 探測 大氣中 雷暴 的 狀態(tài)，以及探測 雷雨云 而研發(fā) ， 該種大氣電場儀 主要 應(yīng)用在為 衛(wèi)星升空時(shí)對于空間電場的監(jiān)測，以及氣象環(huán)境監(jiān)測部門用來雷電預(yù)警 時(shí) 使用，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適合 用于風(fēng)沙環(huán)境下的電場測量。 圖 雙球型大氣電場儀結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)電極式大氣電場測量儀 該種電場儀主要采取旋轉(zhuǎn)屏蔽式電極作為電場測量探頭， 通過旋轉(zhuǎn)屏蔽電極來采集 與 空間電場呈線性關(guān)系的感應(yīng)電流 ，其主要采用的測量原理為通過感應(yīng)片在空間電場中感應(yīng)到一定數(shù)量的感應(yīng)電荷，然后以旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接感應(yīng)片其上的屏蔽電極，使得感應(yīng)電極通過：暴露 屏蔽，這一過程來實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電荷 Q 的變化，因而采集到變化的感應(yīng)電荷產(chǎn)生的感應(yīng)電流，用于后期信號處理，得到可用于測量的輸出量。 此種電場儀的探頭形式如圖 示： 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 圖 旋轉(zhuǎn)屏蔽式 大氣電場儀 探頭 結(jié)構(gòu) 在國內(nèi)，已有很多科研 工作者 致力于設(shè)計(jì)屏蔽旋轉(zhuǎn)式大氣電場儀，此種電場儀的技術(shù)發(fā)展的較為成熟。但這類 旋轉(zhuǎn)屏蔽式 大氣電場儀器 對于風(fēng)沙環(huán)境下的電場測量工作卻表現(xiàn)出了極大的局限性，一是因?yàn)檫@種旋轉(zhuǎn)屏蔽式大氣電場儀的探頭即便是 做的再小，也要大于 80單向尺寸，對于平常的大氣電場測量是足夠了 ， 但對于研究風(fēng)沙電場時(shí)空規(guī)律就不再適用，在 曉靜等人 進(jìn)行的風(fēng)沙電場研究中，常常需要測量離地表很近范圍內(nèi)的電場強(qiáng)度值來研究風(fēng)沙電場與地表高度的變化關(guān)系，很多時(shí)候測量間隔需要 達(dá)到 10量級， 而這種大型探頭的電場測量儀本身占據(jù)空間過大， 無法實(shí)現(xiàn)對于小間隔的風(fēng)沙電場測量的要求，且探頭體積過大，感應(yīng)金屬平片部分會對于電場線的扭曲程度也會增大 ，且探頭體積的大小就會干擾其周圍風(fēng)場，進(jìn)而影響風(fēng)沙電場的大小，因?yàn)轱L(fēng)沙電場的大小與風(fēng)沙流的速度直接相關(guān)。 這里的研究就需要電場測量儀的探頭具有盡可能小的體積，能充分分布在不同高度的空間點(diǎn)進(jìn)行測量，以取到足夠的電場測量值來進(jìn)行大尺度的電場規(guī)律變化分析，而旋轉(zhuǎn)電極的大氣電場儀，探頭的橫截面長度都大于 80法測得小間隔高度的電場值。除此之外，對于 風(fēng)沙環(huán)境下的大尺度 風(fēng)沙 電場研究， 通過鄭曉靜小組 以往的野外和風(fēng)洞測試環(huán)境 測量風(fēng)沙電場的經(jīng)驗(yàn)來說 ， 在此種環(huán)境下， 風(fēng)沙 流會沖擊探頭，特別是屏蔽式電極 的大氣電場儀 ， 由于 感應(yīng)電極與旋轉(zhuǎn)屏蔽電極都暴露在外環(huán)境下，風(fēng)沙流中大量的顆粒會進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)屏蔽電極與感應(yīng)電極之間的間隙，影響旋轉(zhuǎn)電極的運(yùn)行穩(wěn)定 ，從而干擾測量結(jié)果的可靠性 。 在小組以往的測量經(jīng)歷中，使用中國科學(xué)院電子所研制的 面電場探測儀，當(dāng)測量環(huán)境中的風(fēng)場風(fēng)速超過 s 后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至 1200 /分，嚴(yán)重偏離 2000 轉(zhuǎn) /分的該電場儀的標(biāo)準(zhǔn)工作 轉(zhuǎn)速。 另外一點(diǎn)，因?yàn)樵黾恿诵D(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動模塊，由于需要驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動旋轉(zhuǎn)，電場儀所需的功耗也很大，不利于延長儀器的壽命，也不利于儀器的穩(wěn)定。 2007蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 年 ，國外學(xué)者 人研發(fā)了一種小型的旋轉(zhuǎn)式電場測量探頭 34，采用了一種更為微小的驅(qū)動電極。 改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)屏蔽式大氣電場測量儀體積過大的不足，但同樣因?yàn)橐序?qū)動電極旋轉(zhuǎn)的電機(jī)設(shè)置于其中，依舊會增大電場測量儀的功耗，且受到旋轉(zhuǎn)這一驅(qū)動方式的影響，所有采用屏蔽式電極的大氣電場儀都只能達(dá)到最高 30上的采樣頻率。 圖 人研 發(fā) 的 一種小型的旋轉(zhuǎn)式電場測量探頭 動電容式電場測量儀 振動電容式 靜 電 場 測量 探頭 35和開爾文探針 (36。這類電場測量探頭 的測量 原理 主要 依據(jù) 動態(tài)電容技術(shù) 38 令 帶電物體表面與固定在電場儀 探頭頂部并在受 后端激勵(lì)信號 驅(qū)動 而 振動的一個(gè)金屬 感應(yīng)板 構(gòu)成一個(gè)電容 傳感器 。當(dāng) 外環(huán)境 存在電場 時(shí) ， 也 即振動 的感應(yīng) 極板前方 存在有 帶 一定電荷量的帶 電體時(shí)，振動 感應(yīng) 極板上 將會在電場中 感應(yīng)出 一定量的感應(yīng) 電荷。當(dāng)振動 感應(yīng)極 板 開始受后端激勵(lì)驅(qū)動而 做周期性的振動時(shí)， 將 會導(dǎo)致 探頭與前 方帶電體所構(gòu)成的 電容器 的 電容 值 改變而向外放電， 因此 產(chǎn)生 可被檢測到的交流感應(yīng) 電 流信號。然后， 后端的信號處理裝置將 采集 前端感應(yīng)極板上流出的交流感應(yīng)電流 信號，并通過一系列信號處理得出與 環(huán)境電場 呈線性關(guān)系的輸出量，因此測出實(shí)時(shí)的外環(huán)境電場值 。 圖 振動電容式大氣電場儀探頭形式 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 振動電容式電場測量儀 在國內(nèi)外 的電場測量中 主要用于工業(yè)測量， 比如用于測量某種 材料 的 表面電勢 40測量某種材料的 表面電荷及其分布 42以及測量兩種 材料間的接觸 電 勢 45,46等。北京億艾迪科技有限公司 2010 年新 研發(fā)的動電容式 電場測量儀 ， 也以 測量絕緣體、半導(dǎo)體或?qū)w的表面電位 為主，或者用于 集成電路 造與處理、激光復(fù)印 環(huán)境中監(jiān)測各類靜電起電過程，以及用于 大氣、云層靜電場 的 監(jiān)測。目前 還沒有 將這類振動電容式靜電測量儀用于風(fēng)沙電場的測量 的實(shí)例 ，通過 鄭曉靜小組用此種電場測量儀在多次風(fēng)沙環(huán)境以及風(fēng)洞 測試 中 發(fā)現(xiàn) ，現(xiàn)有的這種 振動電容式 電場 測量儀 無法 適 用于風(fēng)沙電場的測量。 原因有二：其一，該種電場測量 儀器的量程范圍小于 200kV/m，而 風(fēng)沙電場往往可以達(dá)到高達(dá) 200kV/m 的量級 。 經(jīng)過以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)， 當(dāng) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境中 的 外界 電場強(qiáng)度超過 20kV/m 時(shí)， 這種振動時(shí)電場測量儀測得 的電場值與實(shí)際值有較大偏差。 其二：該種電場測量儀器采用模擬信號傳輸模式，通過在探頭取得處理完成后的感應(yīng)電荷測量模擬信號，然后通過一段長導(dǎo)線輸送回?cái)?shù)據(jù)采集主機(jī)。這樣往往造成了很大干擾，通過實(shí)際測量，可以看出在各個(gè)通道處的電場測量值都具有較大的波動特性。而且數(shù)據(jù)采集主機(jī)端口采用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，而不是在探頭內(nèi)部進(jìn)行模擬數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，缺少對于有效信號的濾波處理，即使是未接入任何一個(gè)探頭時(shí)，數(shù)據(jù)采集主機(jī)空載也會輸出高頻波動的漂移信號。 綜上所述，目前 國內(nèi)外還未有一款完全符合風(fēng)沙環(huán)境下電場測量的合適儀器，因此，本著開發(fā)出可以適用于風(fēng)沙環(huán)境下電場測量的目標(biāo)，我們將針對現(xiàn)有的一系列電場儀做出設(shè)計(jì)和改進(jìn)，為風(fēng)沙環(huán)境下電場測量提供更合適更有效的測量工 具 。 沙電場儀的設(shè)計(jì)需求 針對風(fēng)沙環(huán)境中電場的特點(diǎn)，新設(shè)計(jì)的電場儀必須 考慮并設(shè)計(jì)關(guān)注幾個(gè)問題，下面我們將對其作出簡述。 場儀的探頭體積問題 盡可能小的探頭橫截面，不僅可以完成對于小間隔內(nèi)空間點(diǎn)的電場值采樣，而且由于體積減小，使得探頭金屬部位對于風(fēng)場的影響減小，因此降低了對于風(fēng)速和風(fēng)場廓線在電場測 量探頭處的改變程度，這樣不會過多的影響探頭附近的風(fēng)沙環(huán)境，因而測得的實(shí)時(shí)空間位置的電場值也更為精確。此外，探頭減小，使得探頭部位的金屬感應(yīng)片對其周圍空間電場線的扭曲也大大減小，在這一層面上，也是更加提高了測量精度。更多的，由于風(fēng)沙環(huán)境中沙粒沖擊對于測量探頭傳感蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 部位的影響，若測量探頭體積減小，則有利于降低沙粒沖擊影響探頭的面積，因而降低沙粒沖擊對于傳感器靈敏度的影響，也是該校電場儀探頭體積可以提高測量精度的另一個(gè)原理。 場儀與后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號傳輸方式 通過信號傳輸模型和原理我們知道，模擬信 號在空間或者導(dǎo)線媒介中傳播時(shí)，因其幅值為連續(xù)的模擬數(shù)值，更易受到外界種種環(huán)境噪聲的干擾。 特別是對于風(fēng)沙電場環(huán)境下的測量，一般需要安裝多個(gè)探頭，探頭和數(shù)據(jù)采集主機(jī)之間又通過不同長度的纜線連接，多為大于 1m 的長度電纜線，這樣的長度，不僅會使傳輸?shù)哪M信號被各種雜亂噪聲干擾，如果是一般的靜風(fēng)場測量大氣電場，雖然存在影響，但沒有風(fēng)沙電場環(huán)境影響強(qiáng)烈，首先，探頭處探測的是探頭所在空間點(diǎn)的電場值，而風(fēng)沙環(huán)境中處處都充滿了電場，有時(shí)甚至是強(qiáng)度很高的電場，對于風(fēng)沙電場測量來說，模擬信號的傳輸缺陷就變得更為致命。除此之外，模 擬信號在到達(dá)模數(shù)轉(zhuǎn)換端口時(shí)幅度也會受到傳輸距離的影響而發(fā)生衰減，模擬信號易受干擾的特性決定了其不能作為風(fēng)沙電場探測儀的傳輸信號媒介。因此設(shè)計(jì)可以使用在風(fēng)沙環(huán)境下的電場測量儀，必須在探頭內(nèi)部短距離內(nèi)完成電場感應(yīng)模擬信號的采集和處理，將探頭輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的模式，因?yàn)閿?shù)字信號的離散特性，其信號幅值固定為“ 0”，“ 1” ，因此在傳輸過程中 不易受到外界噪聲的影響，即使是在傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)位差錯(cuò)，但是幾率也很低，在后期可以通過響應(yīng)的信號處理手段去除傳輸誤碼率的影響 47 場儀信號處理模塊的 采集頻率以及抗干擾技術(shù) 因?yàn)轱L(fēng)沙電場環(huán)境的特殊性，電場強(qiáng)度往往在瞬時(shí)變化及其迅速，不論是強(qiáng)度亦或是電場方向， 采用普通的電場儀信號處理模塊，雖然也能得到可以度量的輸出，但是由于常見的電場儀多為穩(wěn)定的低頻變化電場設(shè)計(jì)，風(fēng)沙電場的特殊性決定了必須在信號采樣頻率和抗干擾上加強(qiáng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，使得極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的電場瞬時(shí)極性和強(qiáng)度變化也能及時(shí)被采樣到測量系統(tǒng)中去。另外，由于風(fēng)沙電場中充滿了帶電荷的沙粒，帶電沙粒對于電場探測探頭的沖擊會為金屬傳感部位帶來接觸電荷形成的接觸電流干擾，因此也必須通過一定的電路設(shè)計(jì)盡可能的降低這種 接觸電流混雜在有效信號中的干擾。所以，風(fēng)沙電場測量儀的信號處理還要比普通的大氣電場測量儀考慮更細(xì)致的抗干擾處理。 同樣，因?yàn)榭臻g大尺度下電場分布的復(fù)雜性，對于科研要求來說 ，我們 希望電場 測量儀的采樣探頭點(diǎn) 盡可能的多 ，這樣可以提供更充裕的采樣數(shù)據(jù) ，這樣就對三維探頭的開發(fā)提出了要求 。 另外，針對于風(fēng)沙電場中電場幅值變化幅度大的特點(diǎn)，開發(fā)具有可調(diào)節(jié)的多量程切換電路也是具有很高的實(shí)用價(jià)值。因此，本文蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 將針對這里提到的幾個(gè)關(guān)鍵改進(jìn)點(diǎn)和延伸設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出一套適用于研究大尺度下風(fēng)沙環(huán)境電場測量的新式電場測量儀。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 第二章 風(fēng)沙電場儀的檢測電路設(shè)計(jì) 場測量 儀 的 測量原理 緒論中 介紹到，在 極端天氣環(huán)境下 且 變化復(fù)雜的大尺度空間電場環(huán)境 中測量電場 ， 需要測量探頭的體積以及感應(yīng)部位的橫截面盡可能小，以減小對于風(fēng)場的干擾和對空間電場線的扭曲，藉此提高測量點(diǎn)的電場采樣精度，除此之外很多科學(xué)課題的研究都 需要測量 以 很小距離間隔 下 分布的各個(gè) 空間 采樣點(diǎn)的電場強(qiáng)度，所以 本套電場測量 儀 必須將 針對 縮小探頭體積 的 設(shè)計(jì)列入首要完成的目標(biāo)中。 本文中 我們新設(shè)計(jì)的電場測量系統(tǒng) 主要 采用 振動式 感應(yīng)片結(jié)構(gòu)的 電容式傳感 裝置 作為感應(yīng) 測量 探頭， 利 用動態(tài)電容測量原理 來獲取在某一空間點(diǎn)處電場影響下的感應(yīng)電荷 變化量 ， 通過動態(tài)電容獲取電場感應(yīng)信號，而不是通過類似于旋轉(zhuǎn)屏蔽電極式電場測量探頭的通過采集與探頭面積成 正 比的感應(yīng)信號方式， 這樣的 探頭 結(jié)構(gòu) 不受感應(yīng)片面積的影響， 可以選取面積較小的金屬片來 實(shí)現(xiàn) 。本套電場測量系統(tǒng)的感應(yīng)探頭 使用了 直徑 圓形金屬 感應(yīng)片 ， 可以檢測到距離地表 度 內(nèi) 的電場值， 比之市面上已經(jīng) 存在 的電場儀來說，進(jìn)一步縮小了探頭感應(yīng)部位的感應(yīng)面積。 市面上 現(xiàn)有 的 基 于 動態(tài)電容 技術(shù)的 電場測量儀感應(yīng)部位直徑只有 種尺寸， 我們設(shè)計(jì)的電場儀探頭， 僅僅減小 也 會 對 降低 感應(yīng)片 對探頭周圍 風(fēng)場 廓線 和電場線 的影響 起到很大作用 。 態(tài)電容測量原理簡述 振動式電容 傳感 探頭 測量電場 主要利用了動態(tài)電容 測量原理 ，即帶電物體表面與固定在探頭頂部并受后端振子驅(qū)動而振動的一個(gè)金屬 電 極板 A 構(gòu)成電容 C ，當(dāng) 探頭前方的外環(huán)境中 存在電場 E 時(shí)，即在探頭前方空間 無窮遠(yuǎn)處， 存在 某帶有電量 Q 的等效 帶電體， 因此 感應(yīng) 電極 A 就與前方的大氣體構(gòu)成了電容 C 。 如圖 示，我們亦可以將探頭前方的空間無窮遠(yuǎn)處的帶電量 Q 的等效帶電體等效為一個(gè)帶電的電容極板（ 圖 左側(cè)虛線 所化 部分示意 ），由于空間電場 E 的存在，無窮遠(yuǎn)處的空間電荷 Q 與感應(yīng)電極 A 之間 存在電勢差 V ，這里的電勢差 V 與空間電場 E 呈線性關(guān)系 。 由于空間電場 E 的存在，感應(yīng)電極 A 上 便感應(yīng)出 一定量的感應(yīng)電荷根據(jù)動態(tài)電容測量原理，感應(yīng)電荷間 電勢差V 以及 動態(tài) 電容 C 的關(guān)系可以表示為 式 1： (1) 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 圖 動態(tài)電容測量大氣電場的原理示意圖 如圖 示， 其中感應(yīng)電極 A 與前方的大氣體所構(gòu)成的電容 C 的大小 取決于兩個(gè)電容極板的間距 d ，在這里 也 就是感應(yīng)電極 A 與 空間 帶電體 Q 的距離 ，或者說是感應(yīng)電極 A 與空間帶電體 形成的 等效極板 的間距 d 。當(dāng) 兩個(gè) 電極 的 間距 他們所構(gòu)成的 電容 C 也發(fā)生變化， 則感應(yīng)電極 A 上的感應(yīng)電荷之變化 。 由于電荷的變化量生， 感應(yīng)電極 A 會向后端導(dǎo)線開始充放電過程，即為 感應(yīng) 電極 A 將對后端輸出感應(yīng)電流 )( 若 某一瞬時(shí)的空間 電勢差 V 不變時(shí)，可以得出感應(yīng)電荷d 的變化關(guān)系 ， 下面我們將對這一過程作出分析： 假設(shè) 某一瞬時(shí) 內(nèi) 空間電場 E 的強(qiáng)度和方向不變，空間電勢差 V 亦不變，我們設(shè)感應(yīng) 電極 A 靜止時(shí)與無窮遠(yuǎn)處帶電體 Q 的電容極距為容大小為上文知道，要取得可測量的信號，必須采集到變化的感應(yīng)電荷形成 的 電流形式的感應(yīng)信號，此時(shí)，若 感應(yīng) 電極 A 受 一 余弦 信號 激勵(lì)做周期往復(fù)振動 ，并設(shè) 當(dāng) 電極A 受 此 余弦激勵(lì) 驅(qū)動開始振動 后， 其 振幅為 則可以得到 感應(yīng)電極 距 d 隨 電極 A 振動 而變化 的 公 式為： )co s (2) 這里 為 施加的 余弦信號 激勵(lì)的 角速度， 因此 當(dāng)感應(yīng)電極 A 受后端余弦信號驅(qū)動 開始振動后，振動過程中 的 感應(yīng)電極 A 與外電場形成的動電容為 C ， 則 電容C 可以表示為 ： 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) s co (3) 同理可得 感應(yīng) 電極 A 上 隨電極振動而發(fā)生改變的 感應(yīng)電荷： co (4) 本套電場測量 儀 中 驅(qū)動感應(yīng)片振 子振 動的 余弦 信號頻率為 占空比為%50 ，因?yàn)檎駝又芷谳^短，假設(shè)自然環(huán)境下的空間電場即使是在變化迅速的情形下也不會達(dá)到高頻脈動電場的條件下， 若 在信號 振動往復(fù) 的一個(gè)周期內(nèi)電場 E 是不變 的 ，也即 空間 電勢差 V 不變 ，那么感應(yīng)片上的感應(yīng)電流 )(以寫成： i)(5) 將式 (4)對時(shí)間做微分運(yùn)算可得： 222 co s i s1 s i n)( (6) 前面已經(jīng)設(shè)定， 感應(yīng)電極 A 的振幅為而感應(yīng)電極 A 在振子驅(qū)動后的振幅僅為 級，而 顯然 1n ， 此外 1t ， 因此 1 ，且 12 ，因此可以將式 （ 6） 各系數(shù) 簡化 后得 到 以下近似關(guān)系 ： s s (7) 不難看出，這里的 得出了 )( 空間 電勢差 V 以及時(shí)間項(xiàng) t 關(guān)系，也即為感應(yīng)電流 )(空間電場 E 以及時(shí)間項(xiàng) t 關(guān)系 。 因此只要以 )( 目標(biāo) 進(jìn)行相應(yīng)的信號處理， 通過相應(yīng)的信號處理手段消去時(shí)間項(xiàng) t 就能得到與 空間電勢差 V 呈 線性關(guān)系的輸出量， 將此輸出量在標(biāo)準(zhǔn)電場發(fā)生器進(jìn)行標(biāo)定，將標(biāo)定曲線作為測量比對曲線，則 對于空間電場 E 的測量就可以 很好地實(shí)現(xiàn)。 場測量儀 測量 模塊 的 功能組成與 硬件結(jié)構(gòu) 量探頭與后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能組成 本套電場測量儀的硬件結(jié)構(gòu)組成簡單，主要分為測量探頭模塊、后端電路處理模塊、數(shù)據(jù)采集主機(jī)、以及模塊之間的模擬和數(shù)字信號連接線、和輸入輸出端口。每個(gè)測量探頭處都通過感應(yīng)電極振動采集空間電場影響下的感應(yīng)電流 )(蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 再將 )(出到探頭前端的信號預(yù)處理模塊進(jìn)行初步信號處理，處理后的模擬信號將進(jìn)入后端電路處理模塊內(nèi)完成二級放大、 模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)內(nèi)的進(jìn)一步的信號運(yùn)算。后端電路模塊處理完成的數(shù)字信號又通過與數(shù)據(jù)采集主機(jī)的接口，輸送到數(shù)據(jù)采集主機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再由數(shù)據(jù)采集主機(jī)將整合各個(gè)探頭傳回的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并存儲，然后將所有探頭的數(shù)據(jù)通過人機(jī)接口顯示在計(jì)算機(jī) 終端 的主機(jī)軟件中。 整個(gè) 測量 系統(tǒng)的 功能 組成見 下 圖 所示： 圖 電場儀測量模塊功能構(gòu)成圖 量探頭與后 端 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在本套電場測量系統(tǒng)中，對探頭整體的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式圖 示，由置于測量探頭外殼頂端處的金屬感應(yīng)片作為感應(yīng)機(jī)構(gòu)，其后附有對初始感應(yīng)信號的預(yù)處理電 路。測量探頭和后端處理盒之間通過模擬信號傳輸線連接，后端處理盒接收前端信號線傳回的信號進(jìn)行相應(yīng)處理，并通過輸出端口連至數(shù)據(jù)采集主機(jī) 。其中，對于信號的預(yù)處理在測量探頭后附帶的預(yù)處理電路內(nèi)完成，而對于信號的進(jìn)一步數(shù)字采集處理，將放在后端處理盒內(nèi) 完成 。這樣，有效縮減了測量探頭內(nèi)需包含的元件 數(shù)量 ，因此縮小了測量探頭的體積，而把其余元件集成在后端處理盒內(nèi)，連接測量探頭和后端處理盒的模擬信號線要求具有良好的屏蔽性，且長度不超過 100 在測量電場時(shí)，只需要根據(jù)測量位置的需要，將測量后端處理盒懸掛或垂下在測量探頭后方 ，而不會將后端處理盒的體積帶入到對測量探頭處的風(fēng)場和電場的影響中去。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 圖 電場儀探頭組成示意圖 量探頭的測量功能模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖 示為單向的探頭切面 示意 圖：其中 1 為感應(yīng)金屬片 A ，材料為 電路板鍍 金屬銅； 2 為相同材質(zhì)相同面積的金屬感應(yīng)片 B ，與 A 平行構(gòu)成電容來消除對地雜散電場 ； 3 為感應(yīng)電極 A 與感應(yīng)片 B 間的絕緣介質(zhì)， 也即印刷電路板的絕緣介質(zhì)。 感應(yīng)片 B 通過連接探頭外殼接地； 4 為驅(qū)動感應(yīng)電極 A 振動的振子， 受 頻率為 200余弦信號激勵(lì) ，工作后帶動感應(yīng)電極 A 振動的振幅為15 為激勵(lì)信號線，為振子提供激勵(lì)信號；感應(yīng)電極 A 上的感應(yīng)電流 )(過連線 6 輸入到前端模擬信號預(yù)處理模塊 7，以進(jìn)行感應(yīng)信號的模擬預(yù)處理。 圖 電場儀探頭切面結(jié)構(gòu)示意圖 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 頭感應(yīng)電極對地雜散電容計(jì) 從上文中我們知道，本套電場測量 儀 主要基于動態(tài)電容 測量 原理，即依靠 探頭處的 感應(yīng)電極 A 與空間無窮遠(yuǎn)處帶電體 Q 構(gòu)成動態(tài)電容 C 來采集某一空間電場下的感應(yīng)電 流 )(而實(shí)際情況中，由于地面也帶有相當(dāng) 數(shù)量 的感應(yīng)電荷，即實(shí)際 與感應(yīng)電極 A 形成 的 空間 電容不僅有 C ，還有對地的雜散電容果不采取相應(yīng)處理措施， 探頭與外空間形成的等效電容將變成 C 與對地雜散電容對地雜散電容 并無可公式化描述的關(guān)系，因此采集到的感應(yīng)電流 )(不再與空間電場 E 呈 函數(shù) 關(guān)系。這里我們通過將感應(yīng)片B 接外殼，而外殼又接地的方式消除這一部分雜散電容 如圖 示，因?yàn)楦袘?yīng) 電極 A 、 B 構(gòu)成的電容極 A 對地的雜散電容此消去了對地雜散電容只有通過這一處理，才可使得電場探頭排除對地雜散電容 的影響，這一點(diǎn)也是其余形式電場儀無法用于風(fēng)沙電場測量的原因，常見的其他電場儀 的感應(yīng)模塊通常都做接地處理，會引入來自地面的電荷干擾。 圖 感應(yīng)電極對地雜散電容的消除示意 場測量儀 探頭前端 測量功能模塊的電路實(shí)現(xiàn) 頭單向前端感應(yīng)信號預(yù)處理電路的設(shè)計(jì) 測量探頭前端 中的預(yù)處理 電路負(fù)責(zé)將感應(yīng)電極 上 采集到的變化感應(yīng)電荷轉(zhuǎn)換為可以測得的電信號，因此 探頭前端部分的信號模擬預(yù)處理電路 將肩負(fù)著 使 變蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 化感應(yīng)電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y信號的任務(wù)，也是全套電場儀中最關(guān)鍵的處理機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu) 。信號模擬預(yù)處理模塊的電路 處理流程見圖 示： 圖 向感應(yīng)探頭前端信號預(yù)處理流程圖 如圖 由探頭處變化的感應(yīng)電荷充放電而產(chǎn)生的感應(yīng)電流信號 )(感應(yīng) 電極 A 輸出后，進(jìn)入 到 變化模塊轉(zhuǎn)換為與 )(頻率變化的電壓 )(電壓 )(通過交流放大器將 )(的交流有效信號放大到 )(后的全波變換模塊將 )(一步再通過直流放大 濾波 模塊放大并取出以直流信號為主的輸出 由式（ 7）可知道，感應(yīng)電極處獲取的感應(yīng)電流信號 )(分微小，需要前端變換電路將其轉(zhuǎn)化為同頻率變化的可測電壓信號。 其中 轉(zhuǎn)換模塊 和交流放大模塊如圖 示 ， 從上文可知，運(yùn)算放大器采用 件， 模塊的輸入端接入預(yù)濾波電容1信號 預(yù) 處理之前先行濾除掉一部分高頻環(huán)境噪聲信號 ，將高頻干擾作接地處理。通過 變化模塊，感應(yīng)電流信號 )(轉(zhuǎn)換為同頻率的交變電壓信號 )( 這里我們利用理想運(yùn)算放大器的特殊性質(zhì)，采用簡單的電路連接方式實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換功能，電路示意如圖 圖 號預(yù)處理電路中的前端 換電路 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 如圖可見，感應(yīng)電極 A 輸出端連入運(yùn)算放大器反向輸入端 P ，因常見運(yùn)算放大器輸入電阻012量級以上，這里將 模塊中的運(yùn)放輸入電阻據(jù)理想運(yùn)放的虛短性質(zhì)，將運(yùn)放同相輸入端接地，則反向端 P 點(diǎn)處電位可近似看作為零。當(dāng)外界垂直于感應(yīng)片施加電場 E 后，感應(yīng)電流信號 )(過電阻 *R 在運(yùn)放的輸出端形成交變的電壓信號 )(因 *R 為 106量級，遠(yuǎn)低于運(yùn)放的輸入電阻根據(jù)理想運(yùn)放的虛斷性質(zhì)，前端感應(yīng)電流 )(R ，在 P 點(diǎn)處的損耗可忽略不計(jì)。因此得到的同頻率變化電壓信號 )(則 )(以表示為： s s (8) 這里的系數(shù) * ?？芍ㄟ^ 轉(zhuǎn)換電路， )(轉(zhuǎn)換成了幅值為 H 倍的同頻率交流電壓信號 )( 轉(zhuǎn)換模塊 和交流放大模塊連接電路如圖 示 ， 之 后 模塊與交流放大模塊以耦合電容2阻隔可能存在的直流干擾信號，以此實(shí)現(xiàn)交流放大功能。 通過后端的另一只 算放大器， )(放大到 )(里的 )(因此 交流信號 前方與 模塊 連接的 耦合電容2 圖 號預(yù)處理模塊的 換電路和交流放大電路 處理電路的全波轉(zhuǎn)換模塊與直流放大濾波設(shè)計(jì) 下面，我們將分析全波轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)和直流放大結(jié)構(gòu)。 如圖 示 ： 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 圖 號預(yù)處理模塊中的全波變換與直流放大濾波電路 一、 全波變換電路的實(shí)現(xiàn) ： 如圖 示為信號預(yù)處理模塊的全波轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)和直流放大結(jié)構(gòu)圖。 全波轉(zhuǎn)換電路由乘法器構(gòu)成，乘法器 輸入為前端交流放大輸出 )(由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 單向 感應(yīng)電流 )(頻率為 200即 )(00樣的信號頻率下，電路元件之間的傳輸延遲時(shí)間可以忽略?？梢钥吹剑谶M(jìn)行直流放大之前，全波變換電路的輸出 )(C 正弦波發(fā)生電路輸出 W 與交流放大輸出 )(出于精簡探頭內(nèi)預(yù)處理電路元件數(shù)量的考慮， 這里 的 弦波發(fā)生電路是設(shè)置在 后端綜合處理盒 內(nèi)的綜合電路處理模塊內(nèi)，而 為了信號處理方便， 分壓電阻 1R 、 2R 則是在單向探頭預(yù)處理模塊中，因?yàn)轵?qū)動 振子 振動的 激勵(lì)信號 和乘法器的輸入正弦信號 W 都是 由同一個(gè) 蕩電路產(chǎn)生，因此 )(弦信號 W 的相位和頻率 均 相同 。套電場儀對于探頭體積的要求要盡可能小 ，所以 信號 預(yù)處理模塊 只 集成少部分元件 ， 對于 驅(qū)動電極振動的振子 激勵(lì)，則是在弦波發(fā)生電路輸出后進(jìn)行移相 和交流放大輸出的 余弦信號 ，全部都在后端綜合處理盒內(nèi) 。接著前面的介紹，全波電路由乘法器構(gòu)成，輸出信號為 )( 相乘得到。通過分壓電阻 1R 、 2R ， 我們 可以將正弦信號 W 的振幅恰好調(diào)整為 1，則 W 可以寫成： (9) 則經(jīng)過 變換和交流放大后的信號為： s )( ， (10) 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 因此全波變換電路的輸出為： 2s )( (11) 經(jīng)過三角變換，此輸出可以寫作： )2co s (222 )2co s (1)( (12) 可以看出，全波變換后的信號 )(直流分量 2 (13) 交流分量 )2c o s (2 (14) 由于信號預(yù)處理電路需要關(guān)注和完成的有兩點(diǎn)關(guān)鍵，只有這兩個(gè)關(guān)鍵問題解決才能取得可以被測量的信號：一、如何取得與空間電勢差呈線性關(guān)系的輸出量，或取得包含有與空間電勢差呈線性輸出量分量的輸出量。二，通過何種方式可以測得空間電勢差影響下的 輸出量極性，以反映空間實(shí)時(shí)電場的矢量方向。這里的全波電路就很好的解決了以上的問題。不難看出，上式 （ 13） 中 直流 分量 呈 很好的 線性關(guān)系，可以作為測量 參量 。這里的全部波變換電路針對于我們要測量的感應(yīng)有效信號有兩個(gè)設(shè)計(jì)功能： 1 通過全波變化得到 包含有與 電勢差 V 呈 良好 線性關(guān)系且易于抽取直流信號的全波信號 )( 2 通過全波變換測得空間電 場 E 的矢量方向，從式 （ 11） 可以看出，全波輸出信號中 t2大于零，而 于零的 常數(shù)，那么全波輸出信號 )( 的極性，通過這樣一個(gè)巧妙地變換，將原來 以 正負(fù)極性變化的感應(yīng)信號，不失真的轉(zhuǎn)換為僅依賴空間電場方向的單極性感應(yīng)信號， 這樣就實(shí)現(xiàn)了電場矢量方向的測量。 二、 直流分量分離與 放大電路的實(shí)現(xiàn) ： 由于 直流信號更方便進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理， 且只有直流信號才能得到與空間電場的線性標(biāo)定關(guān)系。 下一步將采用直流放大電路對直流信號體的電路連接如圖 示： 設(shè)直流放大電路的輸出流分量為： 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 435 (15) 那么對于交流信號 ，則有： )(1( 4343152 5 (16) 在電路中，我們選取 5 43 21 F，而有效信號的頻率 f 200經(jīng)過全波變換后變?yōu)?f 400將以上參數(shù)分別代入式（ 15） 、式 （ 16） ，計(jì)算可得電路對直流分量放大倍數(shù)為 5對交流分量的放大倍數(shù) 0000157.0此可見， 此處 電路對于交流分 量的放大系數(shù)非常小，可近似認(rèn)為交流分量而直流分量此，此處的電路不僅取出并放大了直流信號分量濾除了大部分交流信號分量，進(jìn)一步消除了各種噪聲和隨機(jī)干擾。 這里的直流放大電路設(shè)計(jì)，基于抗干擾的角度進(jìn)行了考慮，即通過直流和交流放大兩部分放大電路，分流了一部分交流放大電路的壓力，由于電路中的大電阻容易產(chǎn)生噪聲，通過設(shè)置直流放大和交流放大同時(shí)存在的電 路，即避免了交流放大電路的反饋電阻過大造成對微小感應(yīng)信號的干擾。 處理電路對于感應(yīng)電極接觸電流的處理 我們知道，感應(yīng)金屬片不僅因?yàn)榭臻g電場的存在而產(chǎn)生感應(yīng)電荷因?yàn)榭臻g中各種帶電顆粒對于感應(yīng)金屬片的接觸，也會發(fā)生接觸電荷(其是在引言中提到的風(fēng)沙環(huán)境，沙粒普遍帶有電荷。對于本套電場測量儀來說，除去前文中提到的對地雜散電容觸電流 )(為接觸電流 )(有固定的頻率，令 )()( c (17) ()(么可以知道，在前端濾波電容 1C 處，下的C 阻擋而不能通過。經(jīng)過上面兩步，)(僅剩下 )(分為主。設(shè) )(過 變換，且通過交流放大被放大到 )()( 相乘時(shí)，因?yàn)檎倚盘柕奶厥庑裕瑑H在特定的時(shí)間點(diǎn)上 W 才可以達(dá)到最大值 1，其余時(shí)刻 W 的絕對值均小于 1，而)(為其隨機(jī)性，與 W 的頻率不同步，也即大部分時(shí)間 )( 都小于)(在全波變換模塊， )(衰減到 )(其后的直流放大電路對交流信號 )(此 )(妨舉蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 例說明：假設(shè) )(交流分量，那么通過式 (14)計(jì)算可得直流放大電路對其的交流放大系數(shù)為 01921.0頻交流信號也可以被很大 幅度 的衰減。 因此 設(shè)置交流放大和直流放大而非交流放大和低通濾波取出有效信號的還有一個(gè)更重要的目的，也是更為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就是進(jìn)一步降低帶電顆粒對于感應(yīng)片的接觸電流 )(通過這一分析可知，若將放大功能全 部集中于交流放大部分，那么 )(果單單采用低通濾波去除直流分量， )(利于降低接觸電流 )(影響結(jié)果造成失真。 理盒內(nèi) 綜合電路模塊的 電路設(shè)計(jì) 以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸設(shè)計(jì) 如前文所描述的，處理盒內(nèi)主要完成信號的進(jìn)一步加工以及對于振子的激勵(lì)信號產(chǎn)生，電源穩(wěn)壓等工作。對于前端預(yù)處理模塊處理完成的信號的數(shù)字加工，將在下一 章進(jìn)行描述，這里給出綜合電路處理盒內(nèi)對于激勵(lì)信號的產(chǎn)生電路。 子激勵(lì)信號產(chǎn)生電路 如圖 示， 本套電場測量儀采用三只 放，依靠電壓信號形成激 振蕩電路 產(chǎn)生正弦波信號并做后期移相和放大處理 ， 使得 初始形成的正弦波信號經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)換為余弦信號，輸出到振子提供 振動 激勵(lì)，這樣振子可以在余弦信號的作用下做周期往復(fù)振動。除此之外，由上文我們知道， 蕩電路產(chǎn)生的信號的另一功能，便是為全波轉(zhuǎn)換模塊提供乘算子 W ，如圖所示， 經(jīng)過探頭前端預(yù)處理電路盒內(nèi)的分壓電阻，將此信號轉(zhuǎn)換為振幅為 1 的正弦信號 W 與探頭前端感應(yīng)信號做乘法運(yùn)算，便可以得到全波輸出波形。 圖 子振動激勵(lì)信號發(fā)生電路 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 場儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述 如圖所示為電場儀的功能組塊，但實(shí)際上，一個(gè)數(shù)據(jù)采集主機(jī)是連有多個(gè)電場采集探頭， 數(shù) 據(jù)采集主機(jī)將不同的探頭數(shù)據(jù)整理存儲后，便輸出到計(jì)算機(jī)端顯示。而探頭輸出端口與數(shù)據(jù)采集主機(jī)的接口便相當(dāng)于每一個(gè)數(shù)據(jù)通道的開關(guān)，當(dāng)某路探頭接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，此 路 數(shù)據(jù)通道導(dǎo)通，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 的主 控模塊將對所有導(dǎo)通的數(shù)據(jù)通道，也 即為 各個(gè)探頭發(fā)出地址信號， 再 由各個(gè)探頭收到地址信號后做出的應(yīng)答作為響應(yīng)信號，開始采集并記錄顯示該通道的實(shí)時(shí)電場測量值。 所以，最終的電場儀硬件組成形式為 圖 示： 在這里，我們的數(shù)據(jù)采集主機(jī)和以往的振動電容式電場儀比，省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換分別是在各個(gè)探頭處就已完成。所以數(shù)據(jù)采集 主機(jī)主要的功能主要就是采集各個(gè)探頭傳回的數(shù)字信號，并依據(jù)探頭通道對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行編號 。元件組成更為簡單，只需要專門的數(shù)字信號數(shù)據(jù)采集卡就可以完成。另外，數(shù)據(jù)采集主機(jī)上包含有與計(jì)算機(jī)通訊接口，除此之外，還需要將 220V 的交流市電變壓成為整套測量系統(tǒng)中元件所需要的直流電壓值。 圖 據(jù)采集主機(jī)與探頭模塊的連接示意圖 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 場儀的測量標(biāo)定 及標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果 場儀的標(biāo)定環(huán)境 經(jīng)過測量得到后的信號值，并不能直接作為電場強(qiáng)度值使用，必須在勻強(qiáng)電場發(fā)生器內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定，以標(biāo)定曲線的關(guān)系，對應(yīng)出某一電壓信號 下電場值的輸出。其中，標(biāo)定裝置為兩個(gè)通高壓電源的平行金屬板構(gòu)成，根據(jù)國標(biāo)文件要求，對于電場儀的標(biāo)定器采用如圖 機(jī)構(gòu)。由兩個(gè) 平行金屬板通高壓后，兩板間產(chǎn)生 出電場，而這種情況下產(chǎn)生的 電場在 會在 金屬板邊緣 形成 邊緣效應(yīng)， 也即金屬邊的邊緣部位電場不是勻強(qiáng)電場， 則能夠用于標(biāo)定的區(qū)域僅為中間特定面積部分。這里我們的標(biāo)定器做成如下形式，兩塊平行均勻材質(zhì)的金屬板，厚度相同，面積為 500行放置，上下極板間隔為 15中央勻強(qiáng)電場范圍為200域，如圖 下極板灰色區(qū)域 所示的 對應(yīng)面積 。 圖 準(zhǔn)電場標(biāo)定裝置 這里，需要標(biāo)定的探頭由左側(cè)一 個(gè) 可移動的 機(jī)械 抓手固定，抓手所在支架有前后和上下調(diào)節(jié)閥，將探頭固定在抓手上后，放入對準(zhǔn)懸空在勻強(qiáng)電場區(qū)域內(nèi)，打開高壓開關(guān)，則可以開始標(biāo)定過程。由于高壓電具有一定的危險(xiǎn)性，為了避免其對空氣擊穿放電，需要在金屬板上下以絕緣良好的材料制作保護(hù)層，防止發(fā)生意外。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 場儀在標(biāo)準(zhǔn)電場發(fā)生器中的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果 通過電場儀后端的響應(yīng)信號大小求出空間電場數(shù)值，主要依靠電場儀在標(biāo)準(zhǔn)電場中的標(biāo)定關(guān)系實(shí)現(xiàn)。整個(gè)電場儀的標(biāo)定過程是在由平行金屬板組成的標(biāo)準(zhǔn)電場 發(fā)生器內(nèi)進(jìn)行的，當(dāng)兩個(gè)金屬板上所通電壓強(qiáng)度一定時(shí)，根據(jù)兩金屬板的距離可以計(jì)算出平行板間的電場值。將單向的探頭垂直于平行板方向，放入電場發(fā)生器的中心勻強(qiáng)電場區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過改變平行金屬板上所通電壓的強(qiáng)度，得到不同的場強(qiáng)值，依次測得電場儀后端響應(yīng)信號值，并求出其與施加電場強(qiáng)度的關(guān)系曲線即為標(biāo)定過程。由于本電場儀探頭的三個(gè)方向探頭元件構(gòu)成相同，以下給出X 方向的探頭標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果做說明： 0 0 25 50 75 100 0 0 0 0 0 0 00500100015002000Uo(k V / m)圖 場儀在標(biāo)準(zhǔn)電場發(fā) 生器中的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果 如圖 示，橫軸為電場發(fā)生器中給出的標(biāo)準(zhǔn)電場值，縱軸為電場儀探頭的輸出。當(dāng)改變電場發(fā)生器平行金屬板上施加的電壓值后，得到 26 組不同電場值下的電場儀后端的響應(yīng) 施加電場 E 的關(guān)系曲線。又從圖 看到，在施加電場為 0kV/m 時(shí)電場儀依舊有響應(yīng)輸出，且關(guān)系曲線在電場強(qiáng)度為27kV/m 的地方出現(xiàn)了拐點(diǎn)，曲線斜率在此處發(fā)生了一定程度內(nèi)陷。這是因?yàn)闇y試環(huán)境并不是完全理想的，由于在開始測試時(shí)不斷向兩平行金屬板上通高壓電源，在去掉或使金屬板上的電壓值小于某一強(qiáng)度值后，金屬板上存在的殘余電荷會產(chǎn)生一個(gè)殘余電場，表現(xiàn)為如圖 特點(diǎn)。只需要對標(biāo)定曲線進(jìn)行計(jì)算處理，消去殘余電場的影響，便可以得到理想的輸出特性曲線，呈現(xiàn)非常良好的線性關(guān)系。 蘭州大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 基于振動電容傳感器的數(shù)字電場測量儀設(shè)計(jì) 章小結(jié) 本 章 所設(shè)計(jì)的兩段式 電場測量儀利用了動態(tài)電容測量技術(shù)，采用了更小體積的振動 電容 式探頭實(shí) 現(xiàn)了對小間距的空間點(diǎn)電場測量，改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)電極式電場測量儀頻率不高于 30缺陷，使得工作采樣頻率達(dá)到