[發明專利]一種空間電荷密度測量的儀器及方法

有效

• 申請號: 201310045043.7
• 申請日: 2013-02-05
• 公開（公告）號: CN103091567A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 張自嘉;姚佳;朱莉;王旭
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01R29/24
• 分類號: G01R29/24
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮

技術領域

本發明涉及空間電荷測量技術領域，特別涉及一種能夠實現對空間電荷密度進行測量的儀器及方法，該儀器是一種適用于對氣體（如云霧或空氣）中空間電荷的密度進行測量的儀器。

背景技術

空氣在一定條件下可能會帶電產生靜電，云層在一定條件下會帶電形成雷暴云，由于雷暴云與地面存在電勢差，會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重破壞，用大氣電場儀來對雷電進行監測；靜電作為一種近場自然災害，靜電的力學效應引起的吸附或排斥作用會給生產帶來影響，靜電的放電效應會引起電子元件的擊穿損害和放電噪聲導致計算機誤動作。靜電放電火花作為點火源所引起的突發性燃爆事件，會使生產設備破壞，造成人員傷亡。靜電對人體電擊時，放電電流通過人體內部，會對心臟、神經等部位造成傷害。

為了研究雷暴云電荷的發生過程，以及探測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，目前的靜電測量儀器僅能對電荷特別是物體表面所帶電荷進行測量，并且只能作定性測量，無法實現定量測量，本發明提供一種能夠對空間電荷特別是氣體中的靜電電荷進行定量測量的方法和儀器。

發明內容

為了解決氣體中靜電電荷的空間分布的測量問題，本發明提供了一種空間電荷密度測量的儀器。該儀器可以測出氣體中相對于絕緣圓筒四個點的電勢，根據物理學定律,可以計算出氣體中靜電電荷的空間密度。

本發明另一目的是提供一種空間電荷密度的測量方法。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種空間電荷密度測量的儀器，其特征是：它包括空間電荷測量單元、多路信號處理單元和控制單元；

其中，空間電荷測量單元包括感應圓筒和非接觸式振動電容傳感器，該感應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構，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非接觸式振動電容傳感器的金屬探頭電連接，所述絕緣圓筒一端設置一風扇；

其中多路信號處理單元包括四路由可調增益放大電路，相敏檢波和低通濾波電路組成的信號處理電路；

所述控制單元包括電源、微處理器及附屬電路、傳感器驅動電路、風扇驅動電路以及AD采樣電路；

所述四個非接觸式振動電容傳感器的信號輸出端分別接入多路信號處理單元中的一路，多路信號處理單元的輸出經AD采樣電路與微處理器相連；所述風扇經風扇驅動電路與微片理器相連。

所述四塊金屬片位于感應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筒壁上。

所述非接觸式振動電容傳感器，包括一個定極片與金屬探頭，金屬探頭與定極片相連，用于感應空間電荷的電場，一個動極片與壓電陶瓷通過一層絕緣層相連，定極片與動極片極片相互平行，距離較近，但相互絕緣，定、動極片與金屬外殼固定在一起，壓電陶瓷片受交流信號驅動，當壓電陶瓷受到驅動信號驅動時，動極片隨壓電陶瓷一塊振動，此時定極片保持不動。

該儀器還設有傳感器信號調理單元，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極片上，輸出端與低通濾波電路相連。

該儀器還設有溫濕度傳感器，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有與上位機通信的接口電路。

微處理器及附屬電路、傳感器驅動電路、風扇驅動電路、信號采集電路以及多路信號處理單元都封裝在屏蔽殼內。

一種空間電荷密度測量的方法，該方法包括以下步驟：

用微處理器驅動轉速可控的風扇以10-500轉/秒的速度轉動，將帶電云霧或氣體吸入絕緣圓筒內，通過四個金屬電極感應筒內電荷的電勢，經由空間電荷測量單元測量，并經多路信號處理單元處理，送給控制單元，通過利用高斯定律以及電勢和電場強度之間的對應關系得出電荷密度的計算公式：

其中ρ表示空間電荷密度，ε₀表示氣體的介電常數，V是多路信號處理單元測得的電勢值，R是絕緣圓筒的半徑；

若四路信號測得電勢值不同，V為四路電勢值的平均值。