[发明专利]基于多通道开关的电场传感器系统

说明书

本公开提供了一种基于多通道开关的电场传感器系统，主要通过多通道控制单元实现对多通道开关阵列的控制，进而控制分立电容阵列与信号检测单元连通和/或断开，把待测量值从检测不稳定的直流信号转化为检测交流信号。本公开针对在外界低频电场的作用下，由于电场的变化非常缓慢，多数情况下几近为直流静电场，频率范围最高不超过数百赫兹，电容两端电压U为极小直流值，而且不稳定，难以检测的问题，本公开通过多通道控制单元控制多通道开关阵列按序通断，实现分立电容阵列的总电容值的交流变化，使得相应的电压从直流量变化为交流信号，从而易于检出，实现低频和直流电场的检测。

技术领域

本公开涉及低频电场测量用传感器领域，尤其涉及一种基于多通道开关的电场传感器系统。

背景技术

电场测量技术的应用非常广泛，采用电场传感器对电离层的电场进行探测，可以获取全球的电磁场分布信息，可以获取地震、火山、海啸爆发前电离层中电磁场变化的异常，为自然灾害的预报提供重要依据，可以研究空间天气对电离层及其人类活动如通讯导航、卫星定位的影响，对地球物理科学研究工作、指导人类工业活动都具有重要的意义。

静电对人类生产和生活的危害日益引起关注。静电场作为一种近场危害源，在某些条件下，可以对军事和工业带来重大的损失和伤害，造成生命和经济损失。因此，精确测量静电参数，特别是静电电位值非常必要。静电测试可以为静电防护工程设计提供数据和支撑，可以用来判别实际环境中的静电放电危害源，也可以用来评价静电防护措施的效果。

电场传感器是测量电场强度仪器，在气象探测、航空航天、电力电子、智能电网、工业安全、国防、科学研究等领域具有非常重要的作用。电场传感器通过工作原理的不同，主要分为电荷感应式电场传感器和光学式电场传感器。光学式电场传感器具有响应速度快、噪声低的优点，但这类传感器只适用于高频电场、交流电场的测量，造价高且温度稳定性差。低频电场的检测是一个难点，而电荷感应式电场传感器中的机电式电场传感器可以实现对直流静电场的测量，适用于低频电场测量领域。

现有的机电式电场传感器和振动电容式静电计均包含机械运动部件，部件易耗损，工作点漂移大，并且检测方法复杂，不利于使用和小型化。此外，现有的采用变容二极管方式的电场传感器结构复杂，必须采用变压器实现驱动信号的隔离，并且工作曲线不一致，而且温度稳定性差导致工作点漂移。因此，本发明方案针对以上电场传感器的不足，提出一种新型结构的低频电场传感器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于多通道开关的电场传感器系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于多通道开关的电场传感器系统，包括：分立电容阵列，包括n个封装电容，n个封装电容电性连接，其中，感应极板，分立电容阵列的n个封装电容的第一端与感应极板连接，用以实现对外界低频电场信号的感应；多通道开关阵列，包括n个MOS开关管，每个MOS开关管的第一连接端分别和一个封装电容的第二端连接；每个MOS开关管的开启和/或关闭，分别使得分立电容阵列中相应的封装电容连通和/或断开；信号检测单元，分别与n个MOS开关管的第二连接端及感应极板连接，用于测量传感器输出电压信号并对输出信号进行信号处理；多通道控制单元，与n个MOS开关管的控制端连接，用于对多通道开关阵列进行时序控制；其中，n＞1，多通道控制单元通过对多通道开关阵列的时序控制，实现分立电容阵列中接入电容值的变化，并由信号检测单元感测电容两端相应电压的变化，进而计算出外界电场大小。