专利名称：非接触式昆虫电荷测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非接触式昆虫电荷测量系统，测量昆虫的带电特性，获得昆虫的
低频电磁特征是昆虫基础理论研究的一个重要方面，同时通过对昆虫带电特性的分析和统 计，可以实现对昆虫电荷特征的提取和对其进行精确高效扑杀。
(二)
背景技术：
目前国内外对昆虫的带电特性研究是通过把待测昆虫放置在法拉第桶内，使昆虫 与法拉第桶直接接触，测量昆虫电荷通过法拉第桶流向大地而产生的电流大小的方式来测 量昆虫的带电特征，该测量方式改变了昆虫的活动环境，改变了昆虫身上的电荷分布，不能 真实地反映昆虫在自然环境下的带电特性。目前尚未有通过非接触的测量昆虫电荷产生的 电场来测量昆虫电荷的装置，而且目前在别的领域应用的测量准静电场的传感器为场磨旋 转式，存在着测量精度低，误差大，使用了接地电刷，寿命较短，测量噪声也较大的弊端，不 适用于对昆虫电荷进行测量。
(三)
发明内容
本发明提出一种非接触式测量昆虫电荷的装置，是通过电场动态感应的原理来非 接触的测量昆虫电荷所形成的电场信号，进而得到昆虫的电荷信号。该装置可以在昆虫的
自然活动状态和正常活动环境下通过测得昆虫电场信号来得到昆虫的电荷信号，该方式不 会改变昆虫身上的电荷分布，能够真实的反映自然情况下昆虫的带电特性，而且通过对采 集数据的分析，还可以获取昆虫的低频电磁特征数据。 本发明针对昆虫带电量小，电场弱的情况，设计了睁眼_闭眼工作模式的摆动式
电场感应传感器，能测得微弱的昆虫电场信号，并且该电场传感器没有使用接地电刷，具有
使用寿命长、噪声低的优点。 该装置的电场动态感应原理如下 —个带电体周围会分布着电场，在电场E中放置一块金属导体，导体表面就会产 生感应电荷，感生电荷密度为
o = e KE 式中￡为空气中的介电常数(近似真空中的介电常数)，K是由于导体放入引起 的电场畸变系数。如果金属导体的面积为S，则感应电荷量为
q = o S = e KES 若感应导体对地的电容量为C，则产生的感应电压U为
c c 该金属导体通过一个电阻接地就会有电流流过，在电场变化时，测出这个电流的 变化就可知道电场的变化。但在静电场中，电场基本不变或变化极为缓慢，要测量这种电 场，必须使处在静电场中的导体内产生动态变化的电荷，为此可以采用某种方式对金属导
3体进行屏蔽和去屏蔽，从而产生动态的与电场相关的电流，从而测量得到电场，这就是电场 动态感应原理。 为了应用电场动态感应原理实现对昆虫电荷的测量，本发明是采用了一种"睁闭 眼"循环采样的准静电场测量装置作为电场传感器单元。
本发明通过以下技术方案实现 本系统由电场传感器单元、控制及信号处理单元、数据存储显示及电源单元组 成； 所述的电场传感器单元由外壳，动作单元，电场测量单元组成。其中 所述的外壳为桶状结构，起到机械保护的电磁屏蔽的作用。内部放置动片，定片，
屏蔽隔板一，伺服电机，伺服电机控制与电源线屏蔽管，电源线及数据线屏蔽管，测量电路，
屏蔽隔板二，信号线屏蔽管，接地游丝，动片转动轴、控制及信号处理单元；并且各个单元间
有屏蔽层，通过屏蔽线缆进行信号连接。外壳外面连接数据存储显示及电源单元。 所述的动作单元，由动片，伺服电机，接地游丝组成。动片为圆形，带扇形开口，扇
形开口之间的未开口部分为同样角度的扇形，即动片是由相同大小的扇形开口和同为相同
角度的扇形未开口部分相间隔均匀分布在圆周上。动片在伺服电机的带动下进行左右摆
动，摆动角度为一个扇形开口的角度。伺服电机可以按照控制指令迅速的旋转一定角度。 所述的电场测量单元，由定片，测量电路组成。定片为敷铜板结构，其表面的敷铜
部分是作为感应电荷的金属导体来用，敷铜部分形状与动片的扇形开口相对应。所述的测
量电路由硬件信号保持系统、高阻抗跟随级、固定增益和可控增益放大级、滤波级、缓冲输
出级、电压信号差分传输部分组成。 所述的控制及信号处理单元，由控制和数据传输单元，数字信号处理单元组成，控 制伺服电机和测量电路的同步工作，对电场测量单元的信号进行采样、数字信号处理以及 电场强度与电荷量的对应转化和数据传输。 所述的数据存储显示和电源单元，有两个功能，一是接收控制及信号处理单元的 电场数据进行显示和存储；二是给所有的电路提供符合要求的不同电压轨的稳定电源。
所述的动片通过动片固定孔固定在动片转动轴上，动片转动轴穿过定片和屏蔽隔 板一的开口连接到伺服电机上，在伺服电机的上部与接地游丝相连接。伺服电机固定在屏 蔽隔板二上面，并且通过伺服电机控制电源线屏蔽管与控制及信号处理单元相连接。定片 通过高绝缘物体固定在屏蔽隔板一上面，并且通过信号线屏蔽管把信号传递给测量电路， 测量电路与控制及信号处理单元共同放置在外壳与屏蔽隔板二构成的密封腔里；测量电路 和控制及信号处理单元分别通过穿过外壳的电源线及数据线屏蔽管与外面的数据存储显 示及电源单元相连接。 本发明使用"睁眼"-"睁闭过渡"-"闭眼"-"闭睁过渡"四种状态循环完成一次电
场测量，能够在"削艮"的情况下感应电场信号，完成硬件的信号保持，在"闭眼"的状态，也
就是内部电路处于屏蔽的状态下来进行微弱信号的测量，能够消除外界各种噪声的干扰，
相应的提高信噪比，使得该传感器的灵敏度大幅度提高。 本发明的创新点为 1测量原理及方式的创新。对昆虫电荷测量采用的是通过非接触式的动态感应原 理对昆虫电荷形成的电场进行测量，然后通过对电场信号进行处理得到昆虫的电荷信号。该测量原理可以实现对昆虫非接触非影响的进行电荷测量。
2测量用电场传感器的创新。本发明中使用的电场传感器有两个创新点 (1)摆动式测量。该传感器是采用动片以摆动的方式来实现对电场的屏蔽与去屏
蔽，摆动式动片结构可以配合游丝来进行接地，从而实现了接地系统的连续可靠和长寿命
的工作，避免了旋转式结构的接地电刷带来的寿命短接地不良的缺点。 (2)使用了 "睁眼"-"睁闭过渡"-"闭眼"-"闭睁过渡"四种状态循环的测量方 式，使得感应电场信号和测量电场信号分开进行，能够在屏蔽状态下进行电场信号的测量， 减弱了外界干扰噪声，提高了信噪比和测量灵敏度。 本发明应用领域实现对昆虫带电特性的非接触测量，获得昆虫的带电特性和低 频电磁辐射特征，能够促进昆虫基础理论的研究；在昆虫防治领域，根据测得昆虫的带电特 性，使得农药或某些昆虫病毒带上和昆虫相反极性的电荷，提高其对昆虫附着力和附着数 量，从而实现对害虫的精确、高效扑杀。因此不论在昆虫的基础理论研究还是在昆虫的扑杀 和农作物及环境的保护方面都有着广阔的应用前景。
(四)
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为传统的基于法拉第桶的昆虫电荷测量装置示意图。 图2为本发明的系统框图。 图3是本发明的整体结构图。 图4为动片结构图。 图5为本发明的电场测量电路以及控制及信号处理单元信号链路图。
图1中1法拉第桶 2前置放大器 3测量电路 图2中4电场传感器单元5控制及信号处理单元6数据存储显示及电源单元
图3中5.控制及信号处理单元6数据存储显示及电源单元7动片8定片9屏 蔽隔板一 IO伺服电机11伺服电机控制电源线屏蔽管12外壳13电源线及数据线屏蔽管 14测量电路15屏蔽隔板二 16信号线屏蔽管17接地游丝18动片转动轴。
图4中19未开口金属部分20扇形开口部分21动片固定孔。
图5中5控制及信号处理单元14测量电路22硬件信号保持系统23高阻抗跟随 级24固定增益和可控增益放大级25滤波级26缓冲输出级27电压信号差分传输部分 28无线数据传输29控制和数据传输单元30数字信号处理单元31控制信号通道
(五)
具体实施例方式
该非接触式昆虫电荷测量系统结构如图2所示，由电场传感器单元4、控制及信号 处理单元5、数据存储显示及电源单元6组成。 如图3所示，外壳12为桶状结构，内部放置有动片7，定片8，屏蔽隔板一 9，伺服电 机IO，伺服电机控制电源线屏蔽管ll，外壳12，电源线及数据线屏蔽管13，测量电路14，屏 蔽隔板二 15，信号线屏蔽管16，接地游丝17，动片转动轴18。其中各部分连接方式如下
动片7通过动片固定孔21固定在动片转动轴18上，动片转动轴18穿过定片8和 屏蔽隔板一9上的开口连接到伺服电机10上，在伺服电机10的上部与接地游丝17相连接。伺服电机10固定在屏蔽隔板二 15上面，并且通过伺服电机控制电源线屏蔽管11与控制及 信号处理单元5相连接。定片8通过高绝缘物体固定在屏蔽隔板一 9上面，并且通过信号 线屏蔽管16把信号传递给测量电路14，测量电路14与控制及信号处理单元5共同放置在 外壳12与隔板二 15构成的密封腔里。测量电路14和控制及信号处理单元5通过穿过外 壳12的电源线及数据线屏蔽管13与外面的数据存储显示及电源单元6相连接。
动作单元，由动片7，伺服电机IO，接地游丝17组成。动片7为圆形，带扇形开口， 如图4所示，扇形开口数量可根据需要设置，扇形开口之间的未开口部分为同样角度的扇 形，即动片7是由相同大小的扇形开口和同为相同角度的扇形未开口部分相间隔均匀分布 在圆周上。动片7在伺服电机10的带动下进行左右摆动，摆动角度为一个扇形开口的角度。
电场测量单元，由定片8，测量电路14组成。定片8为敷铜板结构，其表面的敷铜 部分是作为感应电荷的金属导体来用，敷铜部分形状与动片7的扇形开口相对应。测量电 路14如图5所示由硬件信号保持系统22，高阻抗跟随级23，固定增益和可控增益放大级 24，滤波级25，缓冲输出级26，电压信号差分传输部分27组成。 电场测量单元对电场的测量分四步进行，按照"睁眼"-"睁闭过渡"-"闭眼"-"闭 睁过渡"四种状态进行循环来完成一次测量。 当处在"睁眼"状态时，定片8上的敷铜部分被暴露在外界电场下，在敷铜部分感 应出相应的电荷，将定片8与测量电路14接通，测量电路14的硬件信号保持系统22获得 感应电荷，断开定片8与测量电路14的连接，在控制信号控制下将定片8接地，"睁眼"状态 结束，转入"睁闭过渡"状态。 在"睁闭过渡"状态，此时动片7在伺服电机10带动下转过一个扇形开口的角度， 挡在对应的定片8上时，外界电场被屏蔽，定片8无法感应电荷，进入"闭眼"状态。
在"闭眼"状态时，整个测量系统处在电磁屏蔽的状态下，测量电路14对保存在硬 件信号保持系统22的信号，通过高阻抗跟随级23进行输入输出阻抗的变换，然后由固定增 益和可控增益放大级24进行信号的放大，再经过滤波级25进行滤波，然后信号由缓冲输出 级26驱动，经过电压信号差分传输部分27传出到控制及信号处理单元5来进一步处理。测 得电场后，转入"闭睁过渡"状态。 在"闭睁过渡"状态时，定片8与地的连接断开，动片7逆向摆动，定片8的敷铜部 分重新暴露在电场下，重新感应电荷，然后回至lj"削艮"状态。至此一个测量循环完成，可以 转入下一个测量循环。 在这种摆动式工作模式下，动片7是利用接地游丝17来完成的电路接地，接地游
丝17跟钟表内的游丝类似，在其弹性形变范围内变形时，寿命极其长，并且接地是属于金
属线路接地，非常可靠，能够避免电刷接地的寿命短，接地不平滑的缺点。 控制及信号处理单元5，由控制和数据传输单元29，数字信号处理单元30组成。控
制和数据传输单元29控制伺服电机10和测量电路14的同步工作，对电场测量单元的送来
的信号进行采样，交由数字信号处理单元30进行处理，并完成电场强度与电荷量的对应转
化然后进行数据传输。 数据存储显示和电源单元6，有两个功能，一是接收控制及信号处理单元5的电场 数据进行显示和存储，二是给所有的电路提供符合要求的不同电压轨的稳定的电源。
在对昆虫电荷进行测量前，先要对本系统在标准点电荷电场下进行标定，把标定
6系数存到控制及信号处理电路5中,
权利要求
一种非接触式昆虫电荷测量系统，其特征在于该系统由电场传感器单元、控制及信号处理单元、数据存储显示及电源单元组成；电场传感器单元由外壳，动作单元，电场测量单元组成；各个单元间有屏蔽层，通过屏蔽线缆进行信号连接；所述的动作单元，由动片，伺服电机，接地游丝组成；所述的电场测量单元，由定片，测量电路组成，测量电路由硬件信号保持系统，高阻抗跟随级，固定增益和可控增益放大级，滤波级，缓冲输出级，电压信号差分传输部分组成；所述的控制及信号处理单元由控制和数据传输单元和数字信号处理单元组成；所述的外壳为桶状结构，内部放置动片，定片，屏蔽隔板一，伺服电机，伺服电机控制电源线屏蔽管，电源线及数据线屏蔽管，测量电路，屏蔽隔板二，信号线屏蔽管，接地游丝，动片转动轴、控制及信号处理单元；外壳外面连接数据存储显示及电源单元；所述的动片通过动片固定孔固定在动片转动轴上，动片转动轴穿过定片和屏蔽隔板一上的开口连接到伺服电机上，在伺服电机的上部与接地游丝相连接；伺服电机固定在屏蔽隔板二上面，并且通过伺服电机控制电源线屏蔽管与控制及信号处理单元相连接；定片通过高绝缘物体固定在屏蔽隔板一上面，并且通过信号线屏蔽管把信号传递给测量电路，测量电路与控制及信号处理单元共同放置在外壳与隔板二构成的密封腔里；测量电路与控制及信号处理单元通过穿过外壳的电源线及数据线屏蔽管与外面的数据存储显示及电源单元相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种非接触式昆虫电荷测量系统，其特征在于所述的动片为圆形，带扇形开口，扇形开口之间的未开口部分为同样角度的扇形，即动片是由相同大小的扇形开口和同为相同角度的扇形未开口部分相间隔均匀分布在圆周上；动片在伺服电机的带动下进行左右摆动，摆动角度为一个扇形开口的角度；伺服电机可以按照控制指令迅速的旋转一定角度。
3. 根据权利要求1所述的一种非接触式昆虫电荷测量系统，其特征在于所述的定片为敷铜板结构，敷铜部分形状与动片的扇形开口相对应，作为感应电荷的金属导体。
4. 根据权利要求1所述的一种非接触式昆虫电荷测量系统，其特征在于电场测量单元对电场的测量分四步进行，按照"睁眼"-"睁闭过渡"-"闭眼"-"闭睁过渡"四种状态进行循环来完成一次测量。
全文摘要
本发明涉及一种非接触式昆虫电荷测量系统，由电场传感器单元、控制及信号处理单元、数据存储显示及电源单元组成；可通过电场感应的方式来非接触的测量昆虫电荷信号。该系统可以在昆虫的自然活动状态和正常活动环境下下测得昆虫电场信号，不会改变昆虫身上的电荷分布，能够真实的反映自然情况下昆虫的带电特性，而且通过对采集数据的分析，获取昆虫的低频电磁特征数据，可以实现对昆虫电荷特征的提取和对其进行精确高效扑杀。具有使用寿命长的特点，在昆虫基础理论研究和病虫害防治领域有着广阔的应用前景。
文档编号G01R29/12GK101713797SQ200910230400
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月23日 优先权日2009年11月23日
发明者侯加林, 唐凯, 张琪, 王震 申请人:山东农业大学