电介质极化电容式静电场测量方法和系统
阅读说明：本技术 电介质极化电容式静电场测量方法和系统 (Dielectric polarization capacitance type electrostatic field measuring method and system ) 是由 袁建生 甘萌莹 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：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。(The invention relates to a dielectric polarization capacitance type electrostatic field measuring method and system, and belongs to the technical field of electromagnetic field measurement technology and measuring instrument manufacturing. The capacitance sensor in the measuring system enables a measured electrostatic field and a voltage source electrostatic field to form the polarization interaction of a dielectric medium in two directions, so that the dielectric constant changes, the capacitance value changes, and the measured field intensity is converted into the change of the capacitance value of a sensor port. The capacitance value of the sensor port is measured by the capacitance measuring instrument, and the field intensity of the measured electrostatic field can be obtained. The voltage source can make the dielectric work at a proper working point, and the output-input proportionality coefficient of the sensor is improved. The electrostatic field measuring method can measure the weak electrostatic field, and has the advantages of large measuring range, high measuring sensitivity, high resolution and high accuracy. The electrostatic field measuring system provided by the invention is free of moving parts, and the system structure and the measuring circuit are simple, so that the electrostatic field measuring system has the advantages of high sensitivity, small volume, easiness in implementation, good stability and the like.)
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。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有“场磨”式静电场测量系统带有运动部件的缺点与光电式系统实施复杂等不足，提出一种电介质极化电容式静电场测量方法和系统。该测量方法和系统采用电容式静电场传感器作为测量关键部件，利用电介质极化特性将被测场强转换成传感器端口电容值的变化，通过测量电容值得到被测静电场大小。
本发明提出的电介质极化电容式静电场测量方法，包括以下步骤：
(1)制备一个传感器，该传感器由一对电极和电容器芯构成，一对电极为两块导体板，粘结在电容器芯的两侧端面上，两块导体板连接出两根导线形成传感器的端口；
(2)在步骤(1)制备的传感器端口施加一个电压，使构成电容器芯的电介质在垂直于导体板的方向上被极化，并且使电容器芯的电介质工作在传感器端口电容值变化量较大的工作点上；
(3)将步骤(2)的加有电压的传感器置于被测静电场中，被测静电场对电容器芯的电介质在竖直方向即垂直于横向的方向上极化，构成电介质在竖直与横向两个方向的极化，形成由被测静电场对电容器芯产生的极化与由电压源对电容器芯产生的极化两个方向极化之间的耦合关系，被测静电场使电容器芯的电介质的介电常数发生变化，从而使传感器端口的电容发生变化；
(4)对步骤(3)的传感器端口的电容变化与被测静电场的关系进行确定，具体过程为：将被测静电场场强作为传感器的输入量，传感器的电容变化作为输出量，确定输出量与输入量的比例系数，该比例系数采用“标定”法确定，即将已知的标准静电场场源施加到传感器上，通过测量传感器的电容变化得到比例系数，采用不同强度的标准静电场场源，多次重复该过程，得到多个比例系数，根据多个比例系数，拟合出一条传感器的电容值变化与被测静电场之间的关系曲线；
(5)利用步骤(4)的关系曲线，根据测量得到的步骤(3)中传感器端口的电容变化值，得到当前传感器所处的静电场的大小，实现静电场的测量。
本发明提出的电介质极化电容式静电场测量系统，包括：
由一对电极和电容器芯构成的传感器，所述的一对电极为两块导体板，粘结在电容器芯2的两侧端面上，两块导体板连接出两根导线形成传感器的端口，构成电容式静电场测量用的传感器；
电压源，所述的电压源为直流电源，电压源的一端与传感器一侧的电极相连接，电压源的另一端通过电容测量仪与传感器另一个电极相连接，电压源用于对传感器施加偏置电压，使构成电容器芯2的电介质被极化，并使电介质工作在传感器电容值变化量较大的区域；
电容测量仪，所述的电容测量仪通过与电压源串联后连接到传感器的端口上，用于测量传感器端口的电容值，并将测量得到的传感器端口的电容值上传至处理器；
处理器，所述的处理器与电容测量仪的输出端相连，用于接收电容测量仪输出的传感器端口电容测量数据，根据标定所得的传感器的电容值变化与被测静电场之间的关系，将测量得到的电容值换算为静电场的场强值，并输出被测静电场的测量结果。
本发明提出的电介质极化电容式静电场测量方法和系统，与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的电介质极化电容式静电场测量方法，利用电介质材料参数变化反映被测静电场，方法独特：
本发明的测量方法，采用电容式静电场传感器，利用被测静电场对电介质参数的影响，将被测静电场的场强转化为电容式传感器端口电容值的变化，通过测量电容值的变化得到被测静电场。其工作原理类似于已有的基于霍尔效应传感器与磁通门传感器的静磁场测量系统，都是利用材料在场的作用下材料参数发生变化的原理来实现测量。
(2)本发明的电介质极化电容式静电场测量系统，让被测静电场从没有电极的侧面进入传感器电容器芯内，有效避开了金属电极对被测静电场的屏蔽影响，传感器结构巧妙。本发明的测量方法采用的电容式传感器由圆柱形电容器芯和一对贴在电容器芯端面的电极构成，电极构成传感器的两个端子输出电容值，没有电极的端面可以让被测静电场进入传感器电容器芯内，作用在电容器芯的电介质材料上，既避开了金属电极对被测电场的屏蔽影响，又由金属电极构成了传感器的电容。
(3)本发明电场测量方法，利用两种措施有效提高传感器的灵敏度与准确度。利用电介质材料在两个方向上极化的相互作用，形成被测静电场与传感器电容值变化量之间的关系；并采用在传感器施加偏置电压的方法，使电介质工作在电介质的非线性拐点处；这两个措施都可以增大传感器电容值随被测场强的变化量，从而提高本发明的测量方法与系统的灵敏度与准确度。
(4)本发明的测量系统中，不含运动部件，且传感器尺寸小：
本发明的测量系统，采用电容式静电场传感器替代传统的“场磨”式传感器作为测量关键部件，不含有运动部件，从根本上克服了“场磨”式传感器带有运动部件而使测量系统容易老化损坏且体积大等缺点。另外，本发明的传感器尺寸小，可测量狭窄区域内的静电场。
(5)本发明的测量系统结构简单易实现，成本低：
本发明的测量系统，采用电容测量仪直接测量传感器两端的电容值，通过电容值的变化便可得到被测静场强大小。相对于已有的光电式测量系统中的光电电路与处理，本发明的测量系统实现复杂度要低很多，成本也要低很多。
附图说明
图1是已有的基于电荷感应原理的静电场测量系统结构示意图。
图2是图1所示的测量系统中传感器101具体结构示意图，传感器101俗称为“场磨”。
图3是已有的基于光电原理的静电场测量系统结构示意图。
图4是图3所示的测量系统中传感器303的具体结构示意图。
图5为本发明提出的电介质极化电容式静电场测量系统结构示意图。
图6是图5所示的测量系统中电压源3的结构示意图。
图5和图6中，1是电极，2是电容器芯，3是电压源，4是电容测量仪，5是处理器，6是被测静电场，601是直流电源，602是第一开关，603是第二开关，604是换向旁路线。
具体实施方式
本发明提出的电介质极化电容式静电场测量方法，包括以下步骤：
(1)制备一个传感器，该传感器的结构如图1所示，由一对电极1和电容器芯2构成，一对电极1为两块导体板，粘结在电容器芯2的两侧端面上，两块导体板连接出两根导线形成传感器的端口；
(2)在步骤(1)制备的传感器端口施加一个电压，该电压由电压源3提供，使构成电容器芯2的电介质在垂直于导体板的方向上被极化，并且使电容器芯2的电介质工作在传感器端口电容值变化量较大的工作点上；
(3)将步骤(2)的加有电压的传感器置于被测静电场6中，被测静电场对电容器芯2的电介质在竖直方向，即垂直于横向的方向上极化，构成电介质在竖直与横向两个方向的极化，形成由被测静电场对电容器芯2产生的极化与由电压源3对电容器芯2产生的极化两个方向极化之间的耦合关系，被测静电场使电容器芯2的电介质的介电常数发生变化，从而使传感器端口的电容发生变化；
(4)对步骤(3)的传感器端口的电容变化与被测静电场的关系进行确定，具体过程为：将被测静电场场强作为传感器的输入量，传感器的电容变化作为输出量，确定输出量与输入量的比例系数，该比例系数采用“标定”法确定，即将已知的标准静电场场源施加到传感器上，通过测量传感器的电容变化得到比例系数，采用不同强度的标准静电场场源，多次重复该过程，得到多个比例系数，根据多个比例系数，拟合出一条传感器的电容值变化与被测静电场之间的关系曲线；
(5)利用步骤(4)的关系曲线，根据测量得到的步骤(3)中传感器端口的电容变化值，得到当前传感器所处的静电场的大小，实现静电场的测量。
本发明提出的电介质极化电容式静电场测量系统，其结构如图2所示，包括：
由一对电极1和电容器芯2构成的传感器，所述的一对电极1为两块导体板，粘结在电容器芯2的两侧端面上，两块导体板连接出两根导线形成传感器的端口，构成电容式静电场测量用的传感器；
电压源3，所述的电压源3为直流电源，电压源3的一端与传感器一侧的电极1相连接，电压源3的另一端通过电容测量仪4与传感器另一个电极1相连接，电压源3用于对传感器施加偏置电压，使构成电容器芯2的电介质被极化，并使电介质工作在传感器电容值变化量较大的区域；
电容测量仪4，所述的电容测量仪4通过与电压源3串联后连接到传感器的端口上，用于测量传感器端口的电容值，并将测量得到的传感器端口的电容值上传至处理器5；
处理器5，所述的处理器5与电容测量仪4的输出端相连，用于接收电容测量仪4输出的传感器端口电容测量数据，根据标定所得的传感器的电容值变化与被测静电场之间的关系，将测量得到的电容值换算为静电场的场强值，并输出被测静电场的测量结果。
以下结合附图5和图6，介绍本发明电介质极化电容式静电场测量方法和系统的具体实施方式与步骤：
(1)传感器制作
传感器由一对电极1和电容器芯2构成，一对电极为两块导体板，分别粘结在电容器芯的两侧端面上，两块导体板连接出两根导线形成传感器的端口；传感器用于感知被测静电场，让被测静电场从没有电极的圆柱形电容器芯的侧面进入传感器电容器芯内。
传感器的两个电极1可以是铜板、铝板、不锈钢板；厚度1mm左右即可；形状要与电容器芯2的端面形状一致，可为圆形或方形；大小应略小于电容器芯2的端面。电容器芯2采用电介质材料，可以是去离子水、液态氨、云母、钛酸钡复合材料等介电常数较大的材料，介电常数越大越好、非线性程度越大越好，因为这样电容值和电容的变化量都会较大。对于液态电介质要做一个塑料容器充满该电介质并密封。电容器芯2的形状可以是圆柱体、鼓形体(两圆形端面较小中间较粗的形状)或长方面体。将两个电极1分别用粘结剂牢固固定在端面上。一般电容器芯2的长(两个电极1间的距离)要大于直径(或宽)的2倍。
为了测量高压直流输电线地面静电场，其值一般在4kV/m量级，并考虑到pF量级的电容值在一般的电容器测量仪量程内(如同惠LCR数字电桥测试仪TH2838)，所以传感器的电容器芯可做成面积为100mm2，长度为20mm的长方体形，电容器芯采用烧结钛酸钡片，其最大相对介电常数为160。
(2)电压源3及其换向作用和电压取值策略
在步骤(1)制作的传感器的端口施加一个电压源3，电压源3的作用是使电容器芯2的电介质工作在一个合适的工作点上，并产生横向极化，与被测静电场对电介质的极化构成两个方向上的极化，形成被测静电场与传感器电容值的耦合关系。因此，电压源电压取值除了考虑电介质应工作在合理的工作点之外，还应考虑两个方向的静电场大小的比例关系，目的都是使得传感器的比例系数尽量大。
电压源3可采用正负极换向式结构，如图6所示，第一开关602和第二开关603与一个直流电源601串联，旁边有换向旁路线604；当第一开关602和第二开关603向下方闭合时，电压源3端口的电压为左正右负，都向上方闭合与换向旁路线604连接时，电压源3端口的电压为左负右正，每次换向前后施加在传感器上的电压极性相反，目的是得到不同电压方向下的两个被测静电场值，作为判断传感器横向是否与被测静电场方向正交的依据，当两个值相同时传感器横向与被测静电场方向正交，从而实现对被测静电场的方向测量以及静电场大小的精确测量。为了测量高压直流输电线地面静电场，电压源的电压值取为40V，其产生的电场约为2kV/m，在被测量的1/2左右。对电压源3的性能要求是输出电压要稳定，受温度与外部环境变化的影响尽量小。电压源中的开关可以利用一般的继电器或半导体开关，开关的闭合变化频率可为每秒钟5次左右。
(3)传感器端口的电容变化与被测静电场的关系确定。
将步骤(2)中施加有电压源的传感器置于被测静电场中，让被测静电场从电容器芯圆柱面进入电容芯内，对电容器芯的电介质在竖直方向(即垂直于电压源3对电介质的横向极化方向)上极化，构成电介质在竖直与横向两个方向的极化，形成由被测静电场对电容器芯产生的极化与由电压源对电容器芯产生的极化两个方向极化之间的耦合关系；通过该耦合关系，被测静电场将使传感器端口的电容发生变化；
将被测静电场场强作为传感器的输入量，传感器的电容变化作为输出量，确定输出量与输入量的比例系数，该比例系数采用“标定”法确定，即将已知的标准静电场场源施加到传感器上，通过测量传感器的电容变化得到比例系数，采用不同强度的标准静电场场源，多次重复该过程，得到多个比例系数，或一个比例系数表格。
传感器的输出量即电容变化量与输入量即被测静电场值的比例系数越大越好，其直接影响测量系统的准确度、灵敏度和测量范围等性能。当被测静电场不存在时，由电压源3产生的横向静电场使电容器芯2的电介质材料的极化程度是确定的，其介电常数ε也是一个固定值，在传感器几何结构与电介质材料选定的情况下，传感器具有一个固定的电容值C0。当被测静电场(记为Et)存在时，其会在电介质材料的竖直方向上产生极化，会使得横向极化所产生的极化偶极子的方向和大小发生变化，从而减小电介质材料的介电常数ε，Et的数值越大则对ε的减小程度越大，这样便形成电容的减小量与被测静电场的关系ΔC＝K(Et)Et，系数K(Et)为传感器输出输入比例系数，为Et的函数，其与传感器几何参数、偏置电压源的电压值、电介质材料特性等因素有关。该系数K需要测量系统制作好之后利用已知的标准静电场场源通过标定来获得。
(4)电容测量仪4的选型：
电容测量仪可采用基于电感电容谐振式的任何一款，如同惠LCR数字电桥测试仪TH2838，测量仪通过电压源3连接到电容式传感器的两端来测量传感器两端的电容值；并将测量到的电容值上传至处理器5。
(5)处理器5实现从测量的电容值到静电场值的转换：
将步骤(3)得到的传感器端口电容变化与被测静电场的比例系数注入到处理器5中，并基于这些比例系数拟合出一条比例系数曲线，根据该曲线将测量得到的传感器端口的电容变化值换算成静电场的大小，实现静电场的测量。
(6)制作好测量系统后的调试与测量实施：
测量系统制作好以后要通过标定来获得输出输入比例系数。标定方法可以利用大于探头10倍以上的两个圆形平板电极构成平行板电容器，两板间距小于1/5的极板直径，通过控制极板间所加的直流电压得到不同值的静电场，由此作为标准静电场来进行标定。通过标定可得到多个比例系数，对其进行曲线拟合，以适应于非标定点上的静电场的精确测量。标定时一定要注意传感器的放置方向，要使被测静电场与传感器的横向垂直。
在实施测量时，若被测静电场的方向已知，如测量高压直流输电线下方地表面的静电场时(此为本发明的测量系统的主要测量对象之一)，已知电场方向一定是垂直于大地表面，则此时只要保证传感器水平放置(可在传感器上加装水平仪)，便可获得正确的电场测量结果。由于本发明的传感器是单方向传感器，所以若要测量方向未知的静电场，一定要正确放置传感器，使被测电场与传感器横向垂直，这样才能保证测量状态与传感器的标定状态一致，从而得到准确的测量结果。因为采用了换向电压源，其可使电介质横向极化方向换向，所以若两个方向下测得的电场值不相同，则表明传感器横向与被测静电场方向不垂直，系统会根据两个方向上的测量值得到传感器的方向偏差，并设置提示功能，提示用户应将传感器向哪个方向调整，用户根据提示调整传感器的方向直至达到系统要求，这样便可以实现静电场大小的精确测量，且探头的正上方便是电场的方向，并可根据系统给出的正负得到电场的方向是向上(对应正直)还是向下。