[发明专利]电介质极化电容式静电场测量方法和系统

说明书

本发明涉及一种电介质极化电容式静电场测量方法和系统，属于电磁场测量技术与测量仪器制造技术领域。本发明的测量系统中的电容式传感器让被测静电场和电压源静电场构成电介质在两个方向上极化的相互作用，使得介电常数变化，电容值变化，进而将被测场强转化为传感器端口电容值的变化。通过电容测量仪测量传感器端口电容值，可得到被测静电场的场强。电压源可使电介质工作在一个合适的工作点上，提高传感器的输出输入比例系数。本发明的静电场测量方法，可测量弱静电场，而且测量范围大，测量灵敏度、分辨率和准确度都高。本发明的静电场测量系统不带运动部件、且系统结构与测量电路简单，具有灵敏度高、体积小、易实现、稳定性好等优点。

技术领域

本发明涉及一种电介质极化电容式静电场测量方法和系统，属于电磁场测量技术与测量仪器制造技术领域。

背景技术

在诸多科研与工程领域，静电场测量是一项必须完成的任务。如在高压直流输电系统中，线路与设备周围及大地表面的静电场测量是衡量系统是否满足电磁环境要求与系统运行可靠性的重要基础数据。

对于静电场测量，以往的测量系统主要分为两类：基于电荷感应原理的静电场测量系统和基于光电原理的静电场测量系统。两者均有明显缺点。

第一类基于电荷感应原理的静电场测量系统结构如图1所示(参考文献：张建功,等.直流电场测量装置研制[J].高电压技术，2009，35(12):3027-3030)。该系统中所用的基于电荷感应原理的传感器的典型结构是“场磨”，如图2所示。其工作原理为：电动机202通过转轴203带动接地的金属叶片即接地屏蔽片204作定速旋转，下方的电极205通过电阻206接地。当叶片旋转到与电极重合时，被测静电场201被屏蔽，电极感受不到静电场，电极上不会存在感应电荷或已有的电荷会泄放到大地中；当叶片旋转到其叶间空隙对着电极或电极被露出时(如图2中所示状态)，电极感受到静电场201，电极上会感应出电荷，且电荷的积聚和流散都是通过电阻，从而使电极的该接地线形成电流，在电阻上形成电压，该电压驱动后面的电路，通过测量该电流或电压大小可以得到对应的场强。

可见，“场磨”是一个将被测静场强转换为电流脉冲的传感器。假如没有旋转的屏蔽叶片，由于静电场不随时间变化，电极上只会存在由没有电荷到感应出电荷这样一个变化过程，只会产生一个电流脉冲，仅利用一个脉冲来驱动后面的电路并通过电流计算出的场强误差会很大。这种“场磨”式的优点是将静电场转化成了持续的电流脉冲。其缺点是带有运动部件，容易老化损坏，且稳定性差、分辨率低、体积大。一个电量测量仪器中有旋转或运动部件显然不是一般测量仪器所应具有的状态。

第二类基于光电原理的静电场测量系统如图3所示(参考已授权发明专利：一种光电集成强电场测量系统，授权公告号CN 1844941B，曾嵘，何金良，陈未远)。图3中，激光光源301输出一个线偏振光束，通过保偏光纤302耦合至传感器303，该偏振光经外加被测静电场304调制，输出的激光通过单模光纤305传送至光电转换器306并完成光功率到电压信号的转换，该电压信号再通过电缆307输入一个电信号检测器308，通过对电压信号的检测则可得到被测场强。

该系统中所用的基于光电原理的电场传感器(参考已授权发明专利：一种用于强电场测量的无天线光电集成传感器，授权公告号CN 1858602B，曾嵘，何金良)是利用电场对光在传输中的偏振有影响的现象而制成的，其结构很简单，常见的一种结构如图4所示，采用具有电光效应的晶片401，在其表面形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导402，在互相平行的两段光波导中的一段上加装金属屏蔽层403。当电场传感器处在被测静电场404中时，两段光波导便构成了差动式传感器，一段光波导作为电场传感器正常受到电场作用，另一段由于带有金属屏蔽层而感受不到电场，所以两段光路中光的特性不同，通过测量两路光纤中光特性的差别就可以反映出被测静电场的大小。

虽然这种光电原理式传感器的结构简单，但光系统却非常复杂，使得其测量稳定性很差、成本高、维修维护复杂。且光受电场的影响程度很低，所以这种传感器或系统的灵敏度和准确度较低，不适合于测量低电场。