基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場測量方法。一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場測量方法，其中在同一平面上布放至少三個不在同一直線上的電場傳感單元以構(gòu)成三維電場傳感器，所述方法包括：分別沿三維坐標(biāo)系中彼此正交的三個方向?qū)γ總€電場傳感單元進(jìn)行標(biāo)定以計算每個電場傳感單元相對于所述三個方向的靈敏度系數(shù)；基于計算的靈敏度系數(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)矩陣以及每個電場傳感單元的輸出值，計算待測電場的大小。利用本發(fā)明的方法，能夠避免三維電場傳感單元的待測分量間的耦合干擾，可實現(xiàn)電場分量的準(zhǔn)確測量。
【專利說明】基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電場檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于共面?zhèn)鞲袉卧娜S電場測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電場監(jiān)測在氣象、電網(wǎng)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在氣象領(lǐng)域，通過對地面局部大氣電場監(jiān)測，可以進(jìn)行雷電云分布研究及雷電預(yù)警；對空中大氣電場探測，可以反演云層電荷分布情況。由于空中大氣電場的情況復(fù)雜，雷暴云電場受云中電荷分布的影響且隨著云層的運動不斷變化，呈現(xiàn)三維特性，并且電場儀在空中的位置難以固定。因此，空中電場強度需要采用三維電場儀進(jìn)行測量。在電網(wǎng)領(lǐng)域，電場傳感器可用于對電力設(shè)備周圍電場的監(jiān)測、絕緣子缺陷檢測、輸電線供電狀態(tài)檢測、覆冰厚度檢測等。
[0003]現(xiàn)有的組合式三維電場傳感器中的傳感單元立體布置，導(dǎo)致體積大，并且對傳感單元的位置精度要求高；而且，在以往的三維電場傳感器中，待測電場的X.Y.Z三個分量存在難以消除的耦合干擾，影響了探測準(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電場測量方法，可實現(xiàn)電場三個分量的準(zhǔn)確測量，結(jié)構(gòu)簡單，避免了測得的各分量之間的耦合干擾。
[0005]本發(fā)明的思想在于:三維電場傳感器包括至少三個電場傳感單元及對應(yīng)的解調(diào)電路，所述電場傳感單元以不共線的方式共面放置。首先通過三維標(biāo)定，確定傳感器相對于空間三維電場的耦合靈敏度系數(shù)矩陣。然后根據(jù)該靈敏度矩陣和各個傳感單元的輸出實時計算空間電場的三維分量。在實際測量電場時，電場耦合靈敏度系數(shù)矩陣是唯一的，該矩陣與三維電場傳感器的外形、電場傳感單元的數(shù)量以及安放位置有關(guān)，也與每個電場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電場測量方法，其中在同一平面上布放至少三個不在同一直線上的電場傳感單元以構(gòu)成三維電場傳感器，所述方法包括:
[0007]分別沿三維坐標(biāo)系中彼此正交的三個方向?qū)γ總€電場傳感單元進(jìn)行標(biāo)定以計算每個電場傳感單元相對于所述三個方向的靈敏度系數(shù)；
[0008]基于計算的靈敏度系數(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)矩陣以及每個電場傳感單元的輸出值，計算待測電場的大小。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，利用多個電場傳感單元共面布置，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且在耦合靈敏度系數(shù)中考慮其他方向電場對待測方向的耦合響應(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)明的三維電場測量方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖來具體說明本發(fā)明的具體實施例，其中以三維電場傳感器包括三個電場傳感單元為例進(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傳感單元以及其他位置布置來實施本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0014]參見圖1，根據(jù)本發(fā)明實施例的共面式三維電場傳感器包括電場傳感單元1、電場傳感單兀2、電場傳感單兀3和基板4。三維電場傳感器的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，電場傳感單元具體布置方式可以為:將電場傳感單元2、電場傳感單元3布置在三維電場傳感器的X軸上，電場傳感單元I布置在電場傳感單元2與電場傳感單元3的中垂線上。每個電場傳感單元可以彼此相同或不同，可以是獨立的MEMS電場傳感器、場磨式電場傳感器、電極式電場傳感器、光纖式電場傳感器等，也可以是包含其中多種電場傳感器的傳感單元。電場傳感單元可以是封裝或裸露的電場感應(yīng)元件。三個電場傳感單元可以通過膠粘、螺絲固定、接插件對接等方式連接到基板4上，同時，基板4上還包括與電場傳感單元進(jìn)行電氣連接的基本電路與線路?；?上還可以包括電場信號解調(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)明實施例的三維電場檢測方法。
[0016]首先，在步驟1，可以通過以下方式來產(chǎn)生電場:在一對互相平行的金屬極板上施加電壓，通過調(diào)節(jié)電壓產(chǎn)生不同大小的勻強電場?？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 電場傳感器固定在所施加電場空間中。旋轉(zhuǎn)三維電場傳感器，沿空間笛卡爾坐標(biāo)系的x、y、z三個方向?qū)﹄妶鰝鞲衅鬟M(jìn)行標(biāo)定,并通過線性擬合確定每個電場傳感單元分別相對于每個方向電場的靈敏度系數(shù)，表示為klx、kly、klz、k2x、k2y、k2z、k3x、k3y、k3z。其中，klx表電場傳感單兀I對于X方向電場的靈敏度系數(shù)，設(shè)X方向電場為Ex,電場傳感單元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，通過計算的9個靈敏度系數(shù)，確定三維電場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電場測量方法，其中在同一平面上布放至少三個不在同一直線上的電場傳感單兀以構(gòu)成三維電場傳感器，所述方法包括: 分別沿三維坐標(biāo)系中彼此正交的三個方向?qū)γ總€電場傳感單元進(jìn)行標(biāo)定以計算每個電場傳感單元相對于所述三個方向的靈敏度系數(shù)； 基于計算的靈敏度系數(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)矩陣以及每個電場傳感單元的輸出值，計算待測電場的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，電場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，對每個電場傳感單元進(jìn)行標(biāo)定包括: 施加X方向電場，對每個電場傳感單元在不同電場下的輸出進(jìn)行線性擬合，分別得到每個電場傳感單元對X方向電場的靈敏度系數(shù):klx，k2x…km，n ^ 3其中η是電場傳感單元的編號； 采用同樣的方法，分別施加Y和Z方向電場，線性擬合得到每個電場傳感單元對Y和Z方向電場的靈敏度系數(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)以下公式來計算待測電場的大小:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少三個電場傳感單元是相同的或不同的，并且包括以下中的至少一個:分離的電場敏感芯片或者處于同一敏感芯片上不同位置的電場傳感單元，封裝電場敏感元件或者裸露的電場敏感元件。
【文檔編號】G01R29/12GK103852649SQ201410090025
【公開日】2014年6月11日 申請日期: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 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所