專利名稱：一種空間電荷密度測(cè)量的儀器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間電荷測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空間電荷密度進(jìn)行測(cè)量的儀器及方法，該儀器是ー種適用于對(duì)氣體(如云霧或空氣)中空間電荷的密度進(jìn)行測(cè)量的儀器。
背景技術(shù)：
空氣在一定條件下可能會(huì)帶電產(chǎn)生靜電，云層在一定條件下會(huì)帶電形成雷暴云，由于雷暴云與地面存在電勢(shì)差，會(huì)向地面放電形成雷電。雷電威脅著人類的生命安全，常使建筑，電力，電子，通信和航空，航天等諸多部門遭受嚴(yán)重破壞，用大氣電場(chǎng)儀來對(duì)雷電進(jìn)行監(jiān)測(cè)；靜電作為ー種近場(chǎng)自然災(zāi)害，靜電的力學(xué)效應(yīng)引起的吸附或排斥作用會(huì)給生產(chǎn)帶來影響，靜電的放電效應(yīng)會(huì)弓I起電子元件的擊穿損害和放電噪聲導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作。靜電放電火花作為點(diǎn)火源所引起的突發(fā)性燃爆事件，會(huì)使生產(chǎn)設(shè)備破壞，造成人員傷亡。靜電對(duì)人體電擊時(shí),放電電流通過人體內(nèi)部,會(huì)對(duì)心臟、神經(jīng)等部位造成傷害。為了研究雷暴云電荷的發(fā)生過程，以及探測(cè)空氣中靜電電荷的存在及空間分布，需要借助一定的儀器完成，目前的靜電測(cè)量?jī)x器僅能對(duì)電荷特別是物體表面所帯電荷進(jìn)行測(cè)量，并且只能作定性測(cè)量，無法實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量，本發(fā)明提供一種能夠?qū)臻g電荷特別是氣體中的靜電電荷進(jìn)行定量測(cè)量的方法和儀器。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決氣體中靜電電荷的空間分布的測(cè)量問題，本發(fā)明提供了一種空間電荷密度測(cè)量的儀器。該儀器可以測(cè)出氣體中相對(duì)于絕緣圓筒四個(gè)點(diǎn)的電勢(shì)，根據(jù)物理學(xué)定律，可以計(jì)算出氣體中靜電電荷的空間密度。本發(fā)明另一目的是提供一種空間電荷密度的測(cè)量方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
ー種空間電荷密度測(cè)量的儀器，其特征是:它包括空間電荷測(cè)量單元、多路信號(hào)處理單元和控制單元；
其中，空間電荷測(cè)量單元包括感應(yīng)圓筒和非接觸式振動(dòng)電容傳感器，該感應(yīng)圓筒由絕緣圓筒與帶有絕緣涂層的金屬圓筒相套裝形成的框架結(jié)構(gòu)，金屬圓筒通過絕緣支架套裝并連接在絕緣圓筒外圈，兩者之間密閉，不會(huì)有氣體流過，絕緣圓筒的外壁上分別安裝四塊金屬片，四塊金屬片分別與四個(gè)非接觸式振動(dòng)電容傳感器的金屬探頭電連接，所述絕緣圓筒
一端設(shè)置ー風(fēng)扇；
其中多路信號(hào)處理單元包括四路由可調(diào)增益放大電路，相敏檢波和低通濾波電路組成的信號(hào)處理電路；
所述控制単元包括電源、微處理器及附屬電路、傳感器驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路以及AD采樣電路；
所述四個(gè)非接觸式振動(dòng)電容傳感器的信號(hào)輸出端分別接入多路信號(hào)處理單元中的一路，多路信號(hào)處理單元的輸出經(jīng)AD采樣電路與微處理器相連；所述風(fēng)扇經(jīng)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路與微片理器相連。所述四塊金屬片位于感應(yīng)圓筒中的金屬套筒與絕緣套筒之間，均勻固定或粘貼在絕緣套筒的外側(cè)筒壁上。所述非接觸式振動(dòng)電容傳感器，包括ー個(gè)定極片與金屬探頭，金屬探頭與定極片相連，用于感應(yīng)空間電荷的電場(chǎng)，一個(gè)動(dòng)極片與壓電陶瓷通過ー層絕緣層相連，定極片與動(dòng)極片極片相互平行，距離較近，但相互絕緣，定、動(dòng)極片與金屬外殼固定在一起，壓電陶瓷片受交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)壓電陶瓷受到驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，動(dòng)極片隨壓電陶瓷一塊振動(dòng)，此時(shí)定極片保持不動(dòng)。該儀器還設(shè)有傳感器信號(hào)調(diào)理單元，它包括放大電路、相敏檢波電路和低通濾波電路；放大電路的輸入端連接到動(dòng)極片上，輸出端與低通濾波電路相連。該儀器還設(shè)有溫濕度傳感器，該溫濕度傳感器與微處理器相連。該儀器還包括液晶屏，該液晶屏與微處理器相連。所述控制電路板還設(shè)有與上位機(jī)通信的接ロ電路。微處理器及附屬電路、傳感器驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采集電路以及多路信號(hào)處理單元都封裝在屏蔽殼內(nèi)。ー種空間電荷密度測(cè)量的方法，該方法包括以下步驟:
用微處理器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速可控的風(fēng)扇以10-500轉(zhuǎn)/秒的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，將帶電云霧或氣體吸入絕緣圓筒內(nèi)，通過四個(gè)金屬電極感應(yīng)筒內(nèi)電荷的電勢(shì)，經(jīng)由空間電荷測(cè)量單元測(cè)量，并經(jīng)多路信號(hào)處理單元處理，送給控制単元，通過利用高斯定律以及電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系得出電荷密度的計(jì)算公式:
權(quán)利要求
1.一種空間電荷密度測(cè)量的儀器，其特征是:它包括空間電荷測(cè)量單元、多路信號(hào)處理單元和控制單元； 其中，空間電荷測(cè)量單元包括感應(yīng)圓筒和非接觸式振動(dòng)電容傳感器，該感應(yīng)圓筒由絕緣圓筒與帶有絕緣涂層的金屬圓筒相套裝形成的框架結(jié)構(gòu)，金屬圓筒通過絕緣支架套裝并連接在絕緣圓筒外圏，絕緣圓筒的外壁上分別安裝四塊金屬片，四塊金屬片分別與四個(gè)非接觸式振動(dòng)電容傳感器的金屬探頭電連接，所述絕緣圓筒一端設(shè)置ー風(fēng)扇； 其中多路信號(hào)處理單元包括四路由可調(diào)增益放大電路，相敏檢波和低通濾波電路組成的信號(hào)處理電路； 所述控制単元包括電源、微處理器及附屬電路、傳感器驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路以及AD采樣電路； 所述四個(gè)非接觸式振動(dòng)電容傳感器的信號(hào)輸出端分別接入多路信號(hào)處理單元中的一路，多路信號(hào)處理單元的輸出經(jīng)AD采樣電路與微處理器相連；所述風(fēng)扇經(jīng)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路與微處理器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1空間電荷密度測(cè)量的儀器，其特征是:所述四塊金屬片位于感應(yīng)圓筒中的金屬套筒與絕緣套筒之間，均勻固定或粘貼在絕緣套筒的外側(cè)筒壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間電荷密度測(cè)量的儀器，其特征是:所述非接觸式振動(dòng)電容傳感器包括ー個(gè)定極片與金屬探頭直接相連，一個(gè)動(dòng)極片與壓電陶瓷通過ー層絕緣層相連，且平行放置與金屬外殼固定 在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求3空間電荷密度測(cè)量的儀器，其特征是:該儀器還設(shè)有傳感器信號(hào)調(diào)理單元，它包括放大電路、相敏檢波電路和低通濾波電路；放大電路的輸入端連接到動(dòng)極片上，輸出端與低通濾波電路相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的空間電荷密度測(cè)量的儀器，其特征是:該儀器還設(shè)有還設(shè)有氣壓、溫度和濕度測(cè)量傳感器，它們均與微處理器相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的空間電荷密度測(cè)量的儀器，其特征是:該儀器還包括液晶屏，該液晶屏與微處理器相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的空間電荷密度測(cè)量的儀器，其特征是:所述控制電路板還設(shè)有與上位機(jī)通信的接ロ電路。
8.用權(quán)利要求1所述儀器進(jìn)行空間電荷密度測(cè)量的方法，其特征是，該方法包括以下步驟: 用微處理器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速可控的風(fēng)扇以10-500轉(zhuǎn)/秒的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，將帶電云霧或氣體吸入感應(yīng)圓筒內(nèi)，經(jīng)由空間電荷測(cè)量單元測(cè)量，并經(jīng)多路信號(hào)處理單元處理，送給控制単元，根據(jù)高斯定理以及電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以得到電荷密度的計(jì)算公式:
全文摘要
本發(fā)明提供了一種空間電荷密度測(cè)量的儀器及方法，主要原理是將電荷以吸入一感應(yīng)圓筒內(nèi)，通過測(cè)量圓筒側(cè)面的電勢(shì)，計(jì)算出其中所含電荷的密度。該儀器包括空間電荷測(cè)量單元、多路信號(hào)處理單元和控制單元?？臻g測(cè)量單元主要為一個(gè)筒形結(jié)構(gòu)，將含有空間電荷的氣體通過風(fēng)扇吸入圓筒中，根據(jù)物理學(xué)定律找出電勢(shì)與電荷密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；絕緣圓筒外壁放置有多個(gè)金屬電極，電極與非接觸式振動(dòng)電容傳感器相連，感應(yīng)氣體中電荷所產(chǎn)生的電勢(shì)，通過計(jì)算求出氣體的電荷密度。
文檔編號(hào)G01R29/24GK103091567SQ20131004504
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者張自嘉, 姚佳, 朱莉, 王旭 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)