電場測量的方法及其測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】電場測量的方法及其測量系統(tǒng)涉及一種具有微型探頭的適用于高強度電場測量的方法及其數(shù)字式測量系統(tǒng)，適用于DC到AC、電器表面空間電場到環(huán)境空間電場的測量。本發(fā)明測量系統(tǒng)由電場傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、校正系統(tǒng)和電源組成，通信系統(tǒng)端口分別與定位系統(tǒng)端口、校正系統(tǒng)端口、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)端口、電場傳感器端口相連；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)從電場傳感器、校正系統(tǒng)、定位系統(tǒng)獲取數(shù)字信息或向電場傳感器、校正系統(tǒng)、定位系統(tǒng)發(fā)送指令；所述定位系統(tǒng)通過對被測對象和電場傳感器的定位檢測獲取被測對象和電場傳感器的位子及外形幾何信息。
【專利說明】電場測量的方法及其測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電場測量的方法及其測量系統(tǒng)，特別涉及一種具有微型探頭的適用于高強度電場測量的方法及其數(shù)字式測量系統(tǒng)，適用于DC到AC、電器表面空間電場到環(huán)境空間電場的測量。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)下,有很多環(huán)境空間電場測量系統(tǒng)，但沒有一款可用于帶電電器表面空間電場測量的電場測量系統(tǒng)(現(xiàn)有電場測量系統(tǒng)電場傳感器探頭包含較多的金屬部件，易畸變原有電場，使得測量電場為實際電場的畸變電場)。因此在現(xiàn)有技術(shù)下，多數(shù)電器產(chǎn)品關(guān)于表面電場的優(yōu)化設(shè)計是基于計算機仿真結(jié)果。
[0003]此外，現(xiàn)有的DC/AC電場測量方法主要包括:粒子漂移法、小球法(球隙法)、電位平衡法、感應(yīng)電荷法、電荷捕捉法、應(yīng)變光學(xué)材料法。這些方法各具優(yōu)點但同時存在一些不足之處。
[0004]I)粒子漂移法測量精度高但測量范圍窄，不能用于強電場測量。
[0005]2)小球法因受影響因素多，穩(wěn)定性差且精度低。
[0006]3)電位平衡法操作復(fù)雜，且精度差。
[0007]4)電容充電法和電荷捕捉法因具有大體積的金屬探頭對原有電場畸變影響大，不適用于超高電場強度(10~6kV/m以上)測量。
[0008]5)應(yīng)變光學(xué)材料法易受諸如溫度濕度等環(huán)境因素影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明就是針對上述問題，提供一種測量精度高、可采集測量點相對位置的適用于高強度電場測量的方法及其數(shù)字式測量系統(tǒng)。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，本發(fā)明測量系統(tǒng)由電場傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、校正系統(tǒng)和電源組成，通信系統(tǒng)端口分別與定位系統(tǒng)端口、校正系統(tǒng)端口、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)端口、電場傳感器端口相連。
[0011]所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)從電場傳感器、校正系統(tǒng)、定位系統(tǒng)獲取數(shù)字信息或向電場傳感器、校正系統(tǒng)、定位系統(tǒng)發(fā)送指令。
[0012]所述定位系統(tǒng)通過對被測對象和電場傳感器的定位檢測獲取被測對象和電場傳感器的位子及外形幾何信息，并將信息傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0013]所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向校正系統(tǒng)發(fā)出充電或校正指令，校正系統(tǒng)對電場傳感器充電或校正，并將電壓數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0014]所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向電場傳感器發(fā)出測量指令，電場傳感器對電場進行測量，并將電場信息傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0015]作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述電場傳感器包括探頭、攝像機、激光背板、激光槍和機架，探頭設(shè)置在機架橫向前側(cè)中部；探頭包括透明殼體包裹的真空室，真空室內(nèi)設(shè)置有絕緣桿、探測球和平面鏡，平面鏡豎直設(shè)置在真空室的后側(cè)，平面鏡中間與絕緣桿一端連接，絕緣桿另一端與真空室前側(cè)的探測球相連，絕緣桿與金屬線垂直連接，金屬線兩端與真空室上下壁連接，探測球下方的殼體為波紋管結(jié)構(gòu)，波紋管與豎桿充電電極相連，充電電極穿通波紋管結(jié)構(gòu)，上端位置相應(yīng)于探測球設(shè)置；所述激光背板相應(yīng)于平面鏡設(shè)置在機架的后側(cè)上部，激光槍相應(yīng)于探頭設(shè)置在機架的后側(cè)下部，攝像機設(shè)置在激光背板后方的機架上。
[0016]作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述殼體下部前側(cè)設(shè)置有與機架連接的活動拆裝部件(便于探頭的拆裝)。
[0017]作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述探測球、平面鏡、絕緣桿組合體重心與金屬線重
心重合。
[0018]作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述探測球為表面噴金的塑膠球。
[0019]作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述的校正系統(tǒng)包含平板電極、棒電極、可編程直流電源，平板電極和棒電極分別連接于可編程直流電源兩輸出端。
[0020]其次，本發(fā)明所述的定位系統(tǒng)包含APS-GPS定位系統(tǒng)和激光定位系統(tǒng)。
[0021]另外，本發(fā)明所述的通信系統(tǒng)包括光纖通信接口、遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信接口和近程無線通信接口 ；通信系統(tǒng)通過光纖通信接口分別與校正系統(tǒng)、電場傳感器、定位系統(tǒng)相連，通信系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信接口和近程無線通信接口與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連。
[0022]本發(fā)明測量的方法包括充電、校驗、定位、測量、驗正五個步驟。
[0023]充電步驟。
[0024]I)將探頭置于自然環(huán)境中。
[0025]2)將校正系統(tǒng)的平板電極緊貼著探頭真空室的上表面。
[0026]3)將校正系統(tǒng)的棒電極與探頭的充電電極相連，并使充電電極與測量小球接觸。
[0027]4)調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至U1，使探測球與平板電極組成的球-板電容系統(tǒng)充電。
[0028]5)T1時間后，保持Ul不變，快速使充電電極與探測球分離，并快速斷開棒電極。
[0029]6)繼續(xù)保持Ul不變，快速斷開平板電極，探測球帶Ql的電量。
[0030]7)調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至0，移除平板電極。
[0031]校驗步驟。
[0032]I)將探頭置于自然環(huán)境中。
[0033]2)將校正系統(tǒng)的棒電極接地。
[0034]3)將校正系統(tǒng)的平板電極緊貼于探頭真空室的側(cè)表面。
[0035]4)使可編程直流電源輸出有效值為U2，頻率與被測工頻電場頻率一致的正弦波。
[0036]5)在U2的作用下，探測球處的空間產(chǎn)生電場Ε2，激光背板檢測激光槍射出光經(jīng)平面鏡反射的位移量。
[0037]6)將攝像機設(shè)置于拍照模式，對激光背板進行拍照。
[0038]7)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取U2產(chǎn)生的電場Ε2的比例幅值Α2等信息，記此比例參數(shù)集為G2。
[0039]8)根據(jù)Α2的值來預(yù)估探測球的充電量是否屬于合理范圍；若是，則調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至0，移除平板電極，并進行下一個步驟；若不能，則重復(fù)充電步驟和校驗步驟，直至是為止。
[0040]定位步驟。
[0041]I)將探頭4置于需要測量電場的位置，用APS-GPS系統(tǒng)測量出探測系統(tǒng)的大致位置，坐標(biāo)記錄為PG1，PG2，…PGN。
[0042]2)用激光定位系統(tǒng)測量出探頭與參照物、被測對象與參照物、探頭與被測對象之間的相對位置關(guān)系，并分別記錄為P11，P12，…P1N;P21，P22，...P2N ;P31，P32，…P3N。
[0043]測量步驟。
[0044]I)將探頭置于被測量工頻電場E3中。
[0045]2)激光背板檢測激光槍射出光經(jīng)平面鏡反射的位移量。
[0046]3)將攝像機設(shè)置于拍照模式，對激光背板進行拍照。
[0047]4)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取E3的比例幅值A(chǔ)3等信息，記此比例參數(shù)集為G3。 [0048]5)比較被測電 場E3參數(shù)集G3與已知電場E2參數(shù)集G2中的信息，得到被測電場E3的實際參數(shù)。
[0049]驗證步驟。
[0050]I)將探頭置于自然環(huán)境中。
[0051]2)將校正系統(tǒng)的棒電極接地。
[0052]3)將校正系統(tǒng)的平板電極緊貼于探頭真空室的側(cè)表面。
[0053]4)使可編程直流電源輸出有效值為U2頻率與被測工頻電場頻率一致的正弦波。
[0054]5)在U2的作用下，探測球處的空間產(chǎn)生電場E2，激光背板檢測激光槍射出光經(jīng)平面鏡反射的位移量。
[0055]6)將攝像機設(shè)置于拍照模式，然后對激光背板進行拍照。
[0056]7)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取U2此時產(chǎn)生的電場E4的比例幅值A(chǔ)4等信息，記此比例參數(shù)集為G4 ；比較G4與G2，若相同參數(shù)變化在合理范圍內(nèi)，則視測量步驟所得參數(shù)集G3正確；否則重復(fù)上述充電、校驗、定位、測量四個步驟，直至正確為止。
[0057]作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明Tl時間大于Is ;攝像機拍照曝光時間大于15ms，小于35ms ο
[0058]作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述比例參數(shù)集G中包含電場幅值、頻頻、紋波特性參數(shù)；所述定位數(shù)據(jù)PGN、PIN、P2N、P3N用于創(chuàng)建三維數(shù)據(jù)模型。
[0059]本發(fā)明有益效果。
[0060]本發(fā)明精度高(校正系統(tǒng)可設(shè)置充電電量)、強度范圍寬(探頭無電子電路，不必考慮絕緣問題)、可用于電器表面空間電場和環(huán)境空間電場測量(體積小，金屬部件少，對強電場畸變小)。
[0061]具體的說有以下有益效果。
[0062]1.本發(fā)明的傳感器探頭體積小、金屬部件少，對測量點成畸變影響小。
[0063]2.本發(fā)明的傳感器探頭結(jié)構(gòu)簡單，可做得很小，利于在狹小空間內(nèi)使用。
[0064]3.本發(fā)明的傳感器探頭完全由非電子元件構(gòu)成，適用于高強度電場測量。
[0065]4.本發(fā)明的定位系統(tǒng)可以采集測量點的相對位置關(guān)系。[0066]5.通過本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對電場數(shù)據(jù)和相對位置關(guān)系數(shù)據(jù)處理，可獲得被測對象周圍空間電場特征。
[0067]6.本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，各自系統(tǒng)分工明確，易于實施。
[0068]7.本發(fā)明可以較為準(zhǔn)確地測量帶電電器產(chǎn)品表面空間電場強度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0069]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明保護范圍不僅局限于以下內(nèi)容的表述。
[0070]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0071]圖2為本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0072]圖3為本發(fā)明傳感器探頭結(jié)構(gòu)圖。
[0073]圖4為本發(fā)明校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0074]圖5為本發(fā)明探測原理說明圖。
[0075]圖6為本發(fā)明探測原理光學(xué)輔助說明圖。
[0076]圖7為本發(fā)明校正系統(tǒng)可編程直流電源框圖。
[0077]圖中標(biāo)號:1絕緣桿；2探測球；3真空室；4探頭；5平面鏡；6攝像機；7激光背板；8激光槍；9光路；10充電電極；11波紋管；12接校正系統(tǒng)棒電極處；13金屬線與絕緣桿的結(jié)合處；14金屬線；15拆裝部件；16平板電極；17棒電極。
【具體實施方式】
[0078]如圖所示，通過對電場對帶電體的作用力(電場力)的測量來間接測量電場，其特點是。
[0079]首先，通過彈性細(xì)線將作用在帶電體上的電場力轉(zhuǎn)換成角度量。
[0080]然后，通過光杠桿將此角度量隔離高壓電場傳遞至激光背板并放大成位移量。
[0081]接著，用攝像機6將此位移量轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)字信號。
[0082]最后，通過微機圖像處理，得到電場各參數(shù)，完成測量。
[0083]本發(fā)明給出的這種適用于高強度電場測量的數(shù)字式測量系統(tǒng)，其特點在于由電場傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、校正系統(tǒng)和電源組成。
[0084]其中通信系統(tǒng)實現(xiàn)各個子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交換，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)實現(xiàn)從電場傳感器、校正系統(tǒng)、定位系統(tǒng)獲取數(shù)字信息或向電場傳感器、校正系統(tǒng)、定位系統(tǒng)發(fā)送指令。
[0085]系統(tǒng)運行時，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向定位系統(tǒng)發(fā)出定位指令，定位系統(tǒng)通過對被測對象和電場傳感器的定位檢測獲取被測對象和電場傳感器的位子及外形幾何信息，并將信息傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0086]系統(tǒng)運行時,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向校正系統(tǒng)發(fā)出充電(或校正)指令，校正系統(tǒng)對電場傳感器充電(或校正)，并將電壓數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0087]系統(tǒng)運行時，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向電場傳感器發(fā)出測量指令，電場傳感器對電場進行測量，并經(jīng)電場信息傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0088]系統(tǒng)運行時，電源為各子系統(tǒng)供電。[0089]所述的電場傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括:探頭4、攝像機6、激光背板7、激光槍8和機架。其中，激光背板7上標(biāo)有長度刻度信息，機架為探頭4、攝像機6、激光背板7、激光槍8提供剛性固定條件。需要說明的是平面鏡5、激光背板7和激光槍8三者中心位于同一平面內(nèi)，三者的位置關(guān)系滿足:傳感器運作時，激光槍8發(fā)射出的激光通過金屬線14 ;平面鏡對激光反射的光線要在激光背板7的外形范圍內(nèi)，如圖2所示，以便于光杠桿實現(xiàn)放大作用。
[0090]本發(fā)明所述的電場傳感器的探頭4結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括:絕緣桿1、探測球2、真空室3、平面鏡5、充電電極10、波紋管11和金屬線14。其中，金屬線14兩端固定于真空室3中；金屬線14與絕緣桿I的交接處13為剛性交接；探測球2與平面鏡5分別固定于絕緣桿I的兩端，三者的組合體重心與金屬線14重合；充電電極10與波紋管11剛性連接在一起，且安裝在探測球2的正下方，與探測球2組成常不連接結(jié)構(gòu)，平時并不與探測球2相接觸，充電時通過外力作用與探測球2接觸，連成一體。此外，需要特別說明的是探測球2為噴金處理的輕質(zhì)塑膠小球；整個真空室3應(yīng)有一定的密封強度、絕緣強度和機械強度；金屬線14在真空室內(nèi)的固定位子應(yīng)為探測球2的運動提供適當(dāng)?shù)目臻g。
[0091]所述的校正系統(tǒng)包含平板電極16、棒電極17、可編程直流電源。其中，平板電極16和棒電極17分別連接于可編程直流電源兩輸出端。
[0092]所述的定位系統(tǒng)包含APS-GPS定位系統(tǒng)和激光定位系統(tǒng)。
[0093]所述的通信系統(tǒng)包括光纖通信接口、遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信接口和近程無線通信接口。其中，光纖通信接口用于圖1所示的校正系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的通信鏈路A、電場傳感器與通信系統(tǒng)的通信鏈路B、定位系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的通信鏈路C，近程無線通信系統(tǒng)和遠(yuǎn)程無線通信系統(tǒng)用于通信系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的通信鏈路。
[0094]本發(fā)明的所有非金屬部件均采用相對介電常數(shù)較小的材料做成(如鋼化玻璃)。
[0095]所述的絕緣桿I可采用直徑為200um，長度為20mm的石英桿。
[0096]所述的探測球2為經(jīng)噴金處理的輕質(zhì)小球；可采用表面噴金(噴金:采用噴涂方式實現(xiàn)鍍金的一種加工手段)處理一個直徑為2.5mm的EPS膨脹聚苯乙烯球，噴金厚度約5um，噴涂金屬可采用鋁。
[0097]所述的真空室3采用絕緣強度和機械強度均較高的透明材料制成，該材料應(yīng)具有較小的光學(xué)折射率溫度系數(shù)，以便減小應(yīng)溫度不均衡造成的光杠桿放大誤差。真空室可以保持探測球帶電量，并減小空氣對運動的探測球的阻力，提高測量系統(tǒng)靈敏度和測量精度。真空室3可采用鋼化玻璃制成。
[0098]所述的金屬線14采用扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)線性度較高的金屬材料制成，且該金屬材料延展性較好，易于被加工為直徑為100微米級的金屬線；可采用304不銹鋼制成。
[0099]所述的金屬線14兩端垂直固定于真空室3的上下端面中間，需要說明的是其固定點應(yīng)考慮為其他結(jié)構(gòu)工作留出足夠的空間。
[0100]所述的金屬線14與絕緣桿I的交接處13為剛性連接，以保證能承受足夠的轉(zhuǎn)矩。
[0101]所述的探測球2與平面鏡5分別固定于絕緣桿I的兩端，三者的組合體重心與金屬線14重合，以減小因重力引起的非線性彎扭轉(zhuǎn)伸。
[0102]所述的充電電極10為金屬材料制成的細(xì)電極，與波紋管11剛性連接在一起。充電電極10安裝在探測球2的正下方，與探測球2組成常不連接結(jié)構(gòu)。平時充電電極10不與探測球2相接觸，充電時通過外力作用，與探測球2接觸，連成一體。
[0103]所述的波紋管11平滑固定于真空室3的下端面，并且具有一定的絕緣強度和機械強度。在無外力作用時，波紋管11有足夠的強度來克服氣壓作用，保持充電電極10與探測球2分離的分離狀態(tài)；在外力作用時，波紋管11應(yīng)適當(dāng)變形，向真空室3內(nèi)凹陷，使得充電電極10與探測球2接觸。
[0104]所述傳感器包含:探頭4、攝像機6、激光背板7、激光槍8和機架(未指出)共5個部分。
[0105]所述的機架由介電常數(shù)較小的硬質(zhì)絕緣材料制成(如鋼化玻璃)，其功能是為探頭
4、攝像機6、激光背板7、激光槍8提供剛性固定條件。需要說明的是在固定平面鏡5、激光背板7和激光槍8時，平面鏡5、激光背板7和激光槍8三者的中心位于同一平面內(nèi)，三者的位置關(guān)系滿足:傳感器運作時，激光槍8發(fā)射出的激光通過金屬線14 ;平面鏡對激光反射的光線要在激光背板7的外形范圍內(nèi)，如圖2所示，以便于光杠桿實現(xiàn)放大作用。
[0106]所述的平板電極16應(yīng)為圓形，面積應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳感器探頭4的任何端面的面積，以便方便實現(xiàn)均勻電場。
[0107]所述的直流電源應(yīng)具有可編程調(diào)壓功能，正負(fù)輸出極性可編程改變，具有O-1Kv連續(xù)可調(diào)輸出能力，電壓調(diào)整速率不低于500V/ms，在輸出電壓為IkV時，電流輸出能力不低于IuA。
[0108]所述的平板電極16和棒電極17連接于可編程直流電源的兩輸出端。
[0109]所述的GPS定位系統(tǒng)可采用BeStar BD-126模塊。
[0110]所述的激光定位系統(tǒng)可采用SICK DT50-P1113傳感器。
[0111]本發(fā)明測量電場的步驟為:充電、校驗、定位、測量、驗正五個步驟。
[0112]充電步驟。
[0113]I)將探頭4置于自然環(huán)境中。
[0114]2)將校正系統(tǒng)的平板電極16緊貼著探頭4真空室3的上表面。
[0115]3)將校正系統(tǒng)的棒電極17與探頭4的充電電極10相連，并使充電電極10與測量小球2接觸。
[0116]4)調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至Ul，使探測球2與平板電極16組成的球-板電容系統(tǒng)充電。
[0117]5)T1(T1時間用于去除環(huán)境中帶電粒子，減小對后續(xù)測量步驟的影響)時間后，保持Ul不變，快速使充電電極10與探測球2分離，并快速斷開棒電極17(Τ1時間大于ls，便于充分排出環(huán)境空間的帶電離子)。
[0118]6)繼續(xù)保持Ul不變，快速斷開平板電極16，此時，探測球2帶Ql的電量。
[0119]7)調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至0，移除平板電極16，完成此步驟。
[0120]校驗步驟。
[0121]I)將探頭4置于自然環(huán)境中。
[0122]2)將校正系統(tǒng)的棒電極17接地。
[0123]3)將校正系統(tǒng)的平板電極16緊貼于探頭4真空室3的側(cè)表面。
[0124]4)使可編程直流電源輸出有效值為U2頻率與被測工頻電場頻率一致的正弦波。
[0125]5)在U2的作用下，探測球4處的空間產(chǎn)生電場E2，電場E2使探測球4擺動，因此金屬線14扭轉(zhuǎn)一個角度(垂直于附圖紙面移動)，此角度經(jīng)光杠桿放大，轉(zhuǎn)換成激光背板7上激光點的位移量。
[0126]6)將攝像機6設(shè)置于拍照模式,并使曝光時間大于15ms且小于35ms,然后對激光背板7進行拍照。
[0127]7)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取U2產(chǎn)生的電場E2 (已知電場)的比例幅值A(chǔ)2等信息，記此比例參數(shù)集為G2。
[0128]8)根據(jù)A2的值來預(yù)估探測球2的充電量是否屬于合理范圍。若是，則調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至0，移除平板電極16，并進行下一個步驟；若不能，則重復(fù)充電步驟和校驗步驟，直至是為止。
[0129]定位步驟。
[0130]I)將探頭4置于需要測量電場的位置，用APS-GPS系統(tǒng)測量出探測系統(tǒng)的大致位置，坐標(biāo)記錄為PG1，PG2，…PGN。[0131]2)用激光定位系統(tǒng)測量出探頭4與參照物、被測對象與參照物、探頭4與被測對象之間的相對位置關(guān)系，并分別記錄為P11，P12，…P1N;P21，P22，...P2N ;P31，P32，…P3N。
[0132]測量步驟。
[0133]I)將探頭4置于被測量工頻電場E3中。
[0134]2)在電場E3的作用下，探測球2擺動，金屬線14扭轉(zhuǎn)一個角度，此角度經(jīng)光杠桿放大，轉(zhuǎn)換成激光背板7上激光點的位移量。
[0135]3)將攝像機6設(shè)置于拍照模式,并使曝光時間大于15ms且小于35ms,然后對激光背板7進行拍照。
[0136]4)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取E3 (被測電場)的比例幅值A(chǔ)3等信息，記此比例參數(shù)集為G3。
[0137]5)比較被測電場E3參數(shù)集G3與已知電場E2參數(shù)集G2中的信息，得到被測電場E3的實際參數(shù)。
[0138]驗證步驟。
[0139]I)將探頭4置于自然環(huán)境中(確保小球帶電量，提高穩(wěn)定性)。
[0140]2)將校正系統(tǒng)的棒電極17接地。
[0141]3)將校正系統(tǒng)的平板電極16緊貼于探頭4真空室3的側(cè)表面。
[0142]4)使可編程直流電源輸出有效值為U2頻率與被測工頻電場頻率一致的正弦波。
[0143]5)在U2的作用下，探測球2處的空間產(chǎn)生電場E2，電場E2使探測球2擺動，因此金屬線14扭轉(zhuǎn)一個角度，此角度經(jīng)光杠桿放大，轉(zhuǎn)換成激光背板7上激光點的位移量。
[0144]6)將攝像機6設(shè)置于拍照模式,并使曝光時間大于15ms且小于35ms,然后對激光背板7進行拍照。
[0145]7)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取U2產(chǎn)生的電場E4 (已知電場)的比例幅值A(chǔ)4等信息，記此比例參數(shù)集為G4。
[0146]8)比較G4與G2，若相同參數(shù)變化在合理范圍內(nèi)，則視測量步驟所得參數(shù)集G3正確；否則重復(fù)上述充電、校驗、定位、測量四個步驟，直至正確為止。
[0147]需要說明的是。
[0148]I)比例參數(shù)集G中包含電場的特性參數(shù)，包括幅值、頻頻、紋波特性。[0149]2)定位數(shù)據(jù)PGN、P1N、P2N、P3N用于創(chuàng)建三維數(shù)據(jù)模型；可準(zhǔn)確表示表面電場分布情況，可采用matlab創(chuàng)建。
[0150]補充說明。
[0151]測量原理具體說明。
[0152]充電步驟。
[0153]充電過程中，探測球2與平板電極16組成一個球一板電容系統(tǒng)，此電容系統(tǒng)的電容值為C。當(dāng)對球一板電容系統(tǒng)施加電壓U時，系統(tǒng)帶電量。
[0154]Q = CxU (I) ο
[0155]保持電壓U不變，移除棒電極17后，探測球2帶電量為Q。
[0156]校正步驟。
[0157]因為真空室3內(nèi)不是絕度真空，所以探測球2的帶電量有可能減少，并且不是在電壓U作用下的每次充電都能使探測球2帶上值為Q的電量。該種情況下，校正系統(tǒng)檢驗校正探測球2的帶電量。校正過程中，校正系統(tǒng)還將預(yù)判探測球2的帶電量是否合理，若發(fā)現(xiàn)探測球2實際帶電量過少或過多(帶電過少將影響系統(tǒng)測量靈敏度，帶電過多則可能導(dǎo)致超量程現(xiàn)象)，測量系統(tǒng)操作將退回充電步驟，調(diào)整探測球2的帶電量。
[0158]測量步驟。
[0159]帶電量為Q的探測球2在電場強度為E的電場中所受的電場力F。
[0160]F = QxE (2)。
[0161]電場力F在通過絕緣桿I作用于金屬線的力矩T。
[0162]T = Fxa (3)。
[0163]在力矩T作用下，如圖5所示，由探測球2、絕緣桿1、平面鏡5組成的結(jié)構(gòu)由實線位置轉(zhuǎn)到虛線位，此時金屬線的扭轉(zhuǎn)角度α。
[0164]a = ~(4)。 [0165]β為平面鏡5轉(zhuǎn)動的角度，由幾何原理知。
[0166]β = Cl (5)。
[0167]'Y為反射光線轉(zhuǎn)動的角度，由光學(xué)原理知。
[0168] = 2 X β (6)。
[0169]為簡化說明，如圖5所示，以金屬線14與絕緣桿I的結(jié)合處13為原點，并以過平面鏡5中心、激光槍7中心的平面建立直角坐標(biāo)系，光線I通過原點，并垂直于平面鏡5，平面
鏡5的中點為P，P坐標(biāo)為(X0.y0)，光線I經(jīng)平面鏡5的反射光線為? (轉(zhuǎn)動后為了··)。
[0170]由具體實施方案所述知,絕緣桿I垂直于平面鏡5,則點P坐標(biāo)滿足。
【權(quán)利要求】
1.電場測量的方法，其特征在于包括充電、校驗、定位、測量、驗正五個步驟； 充電步驟: 1)將探頭置于自然環(huán)境中； 2)將校正系統(tǒng)的平板電極緊貼著探頭真空室的上表面； 3)將校正系統(tǒng)的棒電極與探頭的充電電極相連，并使充電電極與測量小球接觸； 4)調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至Ul，使探測球與平板電極組成的球-板電容系統(tǒng)充電； 5)Tl時間后，保持Ul不變，快速使充電電極與探測球分離，并快速斷開棒電極； 6)繼續(xù)保持Ul不變，快速斷開平板電極，探測球帶Ql的電量； 7)調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至O，移除平板電極； 校驗步驟: 1)將探頭置于自然環(huán)境中； 2)將校正系統(tǒng)的棒電極接地； 3)將校正系統(tǒng)的平板電極緊貼于探頭真空室的側(cè)表面； 4)使可編程直流電源輸出有效值為U2，頻率與被測工頻電場頻率一致的正弦波； 5)在U2的作用下，探測球處的空間產(chǎn)生電場E2，激光背板檢測激光槍射出光經(jīng)平面鏡反射的位移量； 6)將攝像機設(shè)置于拍照模式，對激光背板進行拍照； 7)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取U2產(chǎn)生的電場E2的比例幅值A(chǔ)2等信息，記此比例參數(shù)集為G2 ； 8)根據(jù)A2的值來預(yù)估探測球的充電量是否屬于合理范圍；若是，則調(diào)節(jié)可編程直流電源電壓至O，移除平板電極，并進行下一個步驟；若不能，則重復(fù)充電步驟和校驗步驟，直至是為止； 定位步驟: 1)將探頭4置于需要測量電場的位置，用APS-GPS系統(tǒng)測量出探測系統(tǒng)的大致位置，坐標(biāo)記錄為PG1，PG2，…PGN; 2)用激光定位系統(tǒng)測量出探頭與參照物、被測對象與參照物、探頭與被測對象之間的相對位置關(guān)系，并分別記錄為 P11，P12，…P1N;P21，P22，...P2N ;P31，P32，...P3N; 測量步驟: 1)將探頭置于被測量工頻電場E3中； 2)激光背板檢測激光槍射出光經(jīng)平面鏡反射的位移量； 3)將攝像機設(shè)置于拍照模式，對激光背板進行拍照； 4)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取E3的比例幅值A(chǔ)3等信息，記此比例參數(shù)集為G3 ； 5)比較被測電場E3參數(shù)集G3與已知電場E2參數(shù)集G2中的信息，得到被測電場E3的實際參數(shù)； 驗證步驟: 1)將探頭置于自然環(huán)境中； 2)將校正系統(tǒng)的棒電極接地； 3)將校正系統(tǒng)的平板電極緊貼于探頭真空室的側(cè)表面；4)使可編程直流電源輸出有效值為U2頻率與被測工頻電場頻率一致的正弦波； 5)在U2的作用下，探測球處的空間產(chǎn)生電場E2，激光背板檢測激光槍射出光經(jīng)平面鏡反射的位移量； 6)將攝像機設(shè)置于拍照模式，然后對激光背板進行拍照； 7)將所得的照片通過通信系統(tǒng)實時傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從照片中讀取U2此時產(chǎn)生的電場E4的比例幅值A(chǔ)4等信息，記此比例參數(shù)集為G4 ；比較G4與G2，若相同參數(shù)變化在合理范圍內(nèi)，則視測量步驟所得參數(shù)集G3正確；否則重復(fù)上述充電、校驗、定位、測量四個步驟，直至正確為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電場測量的方法，其特征在于所述比例參數(shù)集G中包含電場幅值、頻頻、紋波特性參數(shù)；所述定位數(shù)據(jù)PGN、PIN、P2N、P3N用于創(chuàng)建三維數(shù)據(jù)模型。
3.電場測量系統(tǒng)，其特征在于由電場傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、校正系統(tǒng)和電源組成，通信系統(tǒng)端口分別與定位系統(tǒng)端口、校正系統(tǒng)端口、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)端口、電場傳感器端口相連； 所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)從電場傳感器、校正系統(tǒng)、定位系統(tǒng)獲取數(shù)字信息或向電場傳感器、校正系統(tǒng)、定位系統(tǒng)發(fā)送指令； 所述定位系統(tǒng)通過對被測對象和電場傳感器的定位檢測獲取被測對象和電場傳感器的位子及外形幾何信息，并將信息傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； 所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向校正系統(tǒng)發(fā)出充電或校正指令，校正系統(tǒng)對電場傳感器充電或校正，并將電壓數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； 所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)向電場傳感器發(fā)出測量指令，電場傳感器對電場進行測量，并將電場信息傳回數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述電場測量系統(tǒng)，其特征在于所述電場傳感器包括探頭、攝像機、激光背板、激光槍和機架，探頭設(shè)置在機架橫向前側(cè)中部；探頭包括透明殼體包裹的真空室，真空室內(nèi)設(shè)置有絕緣桿、探測球和平面鏡，平面鏡豎直設(shè)置在真空室的后側(cè)，平面鏡中間與絕緣桿一端連接，絕緣桿另一端與真空室前側(cè)的探測球相連，絕緣桿與金屬線垂直連接，金屬線兩端與真空室上下壁連接，探測球下方的殼體為波紋管結(jié)構(gòu)，波紋管與豎桿充電電極相連，充電電極穿通波紋管結(jié)構(gòu)，上端位置相應(yīng)于探測球設(shè)置；所述激光背板相應(yīng)于平面鏡設(shè)置在機架的后側(cè)上部，激光槍相應(yīng)于探頭設(shè)置在機架的后側(cè)下部，攝像機設(shè)置在激光背板后方的機架上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述電場測量系統(tǒng)，其特征在于所述殼體下部前側(cè)設(shè)置有與機架連接的活動拆裝部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述電場測量系統(tǒng)，其特征在于所述探測球、平面鏡、絕緣桿組合體重心與金屬線重心重合。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述電場測量系統(tǒng)，其特征在于所述探測球為表面噴金的塑膠球。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述電場測量系統(tǒng)，其特征在于所述的校正系統(tǒng)包含平板電極、棒電極、可編程直流電源，平板電極和棒電極分別連接于可編程直流電源兩輸出端。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述電場測量系統(tǒng)，其特征在于所述的定位系統(tǒng)包含APS-GPS定位系統(tǒng)和激光定位系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述電場測量系統(tǒng)，其特征在于所述的通信系統(tǒng)包括光纖通信接口、遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信接口和近程無線通信接口 ；通信系統(tǒng)通過光纖通信接口分別與校正系統(tǒng)、電場傳感器、定位系統(tǒng)相連，通信系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信接口和近程無線通信接口 與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連。
【文檔編號】G01R29/12GK103926475SQ201410137513
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月8日
【發(fā)明者】徐葉飛, 劉曉明 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)