静电场传感器、基于静电场传感器的静电报警系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于静电荷感测技术领域，涉及一种静电场传感器、基于静电场传感器的静电报警系统及方法。
【背景技术】
[0002]电场由电荷产生，产生静电场的电荷处于静止的状态，很难被一般的测量方式所感知，同时，很多情况下静电场的存在又在实际生产生活中为现场人员、设备带来了重大的安全隐患，因此静电场感测技术在工业领域有着广泛的应用需求。
[0003]目前在电气工程中消除静电场危害主要从“防”和“放”两个方面进行，即在非工作状态时将设备可靠接地，防止静电荷的积累；在工作结束后或需要接触时首先接地，放掉可能存在其上的电荷。无论“防”还是“放”都无法直观了解电气设备上是否存在电荷、累积了多少电荷，只能凭借充分的保护预防措施保护现场工作人员的安全。
[0004]2005年美国特瑞克股份有限公司提出了一种应用高阶振动悬臂梁进行非接触静电测量的方案，并申请了相关测量方案的专利。2013年，日本产业技术综合研宄所根据以上原理，采用了 MEMS(微电子机械系统)技术制作的静电传感器在日本“Nano MicroBusiness”展上进行了展示。
[0005]然而，这种振动式感测方式，由于温度、湿度、机械封装等因素会干扰到传感器的谐振频率，从而在复杂工况下其运行稳定性无法得到保证。且振动式传感器结构复杂，对工作环境要求高，这些都限制了其大规模装配，无法满足工程需要。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种静电场传感器、基于静电场传感器的静电报警系统及方法，传感器、系统及方法可以有效的测量出产生静电场的静电电位值，并且结构简单，灵敏度高，操作方便，适应性强。
[0007]为达到上述目的，本发明所述的静电场传感器包括固定端、第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端、第五接线端、第六接线端、悬梁、第一电极板、第二电极板、第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第四压敏电阻以及恒压源，悬梁的一端固定于固定端上，第二电极板固定于悬梁另一端的侧面，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻均沿轴向设置于悬梁的侧面，且固定端、第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻均位于悬梁的同一侧，第一电极板与第二电极板之间有间隙，第一电极板固定于第二电极板的正上方，第一接线端与第一压敏电阻的一端相连接，第二接线端与第一压敏电阻的另一端及第二压敏电阻的一端相连接，第六接线端与第二压敏电阻的另一端及第四压敏电阻的一端相连接，第五接线端与第四压敏电阻的另一端及第三压敏电阻的一端相连接，第四接线端与第三压敏电阻的另一端相连接，第三接线端与第二电极板相连接；
[0008]检测时，将产生静电场的静电电位引入到第一电极板上，并将产生静电场的静电电位引入经第三接线端引入到第二电极板上，第一接线端与第四接线端相连接，恒压源的两端分别与第二接线柱及第五接线柱相连接，第六接线柱与第一接线柱或第四接线柱作为所述静电场传感器的输出端。
[0009]还包括硅基微机电芯片，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻均采用离子注入或者扩散加工的方法制作在硅基微机电芯片上。
[0010]本发明所述的静电报警系统包括静电场传感器、振动传感器、单片机以及终端，终端包括报警器及显示器，静电场传感器中的第六接线端及第四接线端、以及振动传感器的输出端均与单片机的输入端相连接，单片机的输出端与警报器的控制端及显示器的输入端相连接。
[0011]还包括滤波电路、放大电路及A/D转换电路，静电场传感器中的第六接线端及第四接线端、以及振动传感器的输出端均依次通过滤波电路、放大电路及A/D转换电路与单片机的输入端相连接，振动传感器固定于悬梁上。
[0012]本发明所述的静电报警方法包括以下步骤:
[0013]I)在第一次使用或校准所述静电场传感器时，先获取所述第一压敏电阻正常状态下的电阻值、第二压敏电阻正常状态下的电阻值、第三压敏电阻正常状态下的电阻值以及第四压敏电阻正常状态下的电阻值，然后将第一压敏电阻正常状态下的电阻值、第二压敏电阻正常状态下的电阻值、第三压敏电阻正常状态下的电阻值以及第四压敏电阻正常状态下的电阻值输入到单片机中；
[0014]2)将第一接线端及第四接线端相连接，再将产生静电场的静电电位接入到第一电极板及第二电极板上，第一电极板及第二电极板受到力的作用，使悬梁弯曲，进而使第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第四压敏电阻上的电阻发生变化，分别采集第六接线端及第四接线端上的电压信号，然后将所述第六接线端上的电压信号及第四接线端上的电压信号输入到单片机中，单片机根据所述第六接线端上的电压信号、第四接线端上的电压信号、第一压敏电阻正常状态下的电阻值、第二压敏电阻正常状态下的电阻值、第三压敏电阻正常状态下的电阻值及第四压敏电阻正常状态下的电阻值得第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻受到的力的大小，然后根据第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻受到的力的大小得悬梁的弯曲度；同时振动传感器检测悬梁的振动信号，然后将所述振动信号转发至单片机中，单片机根据所述振动信号及悬梁的弯曲度得到产生静电场的静电电位，然后将所述产生静电场的静电电位输入到显示器中，显示器显示产生静电场的静电电位，同时单片机判断产生静电场的静电电位是否大于或等于预设阀值，当产生静电场的静电电位大于或等于预设阀值时，则产生报警信号，然后将所述报警信号输入到报警器中，报警器根据所述报警信号进行报警。
[0015]本发明具有以下有益效果:
[0016]本发明所述的静电场传感器、基于静电场传感器的静电报警系统及方法包括静电场传感器、振动传感器、单片机及终端，在测试过程中，先对所述静电场传感器进行测试，静电场传感器中第一压敏电阻的正常电阻值、第二压敏电阻的正常电阻值、第三压敏电阻的正常电阻值及第四压敏电阻的正常电阻值，然后再将产生静电场的静电电位引入到第一电极板及第二电极板上，使第一电极板及第二电极板上产生相互作用力，从而使悬梁弯曲，计算第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻的电阻变化量，然后根据所述第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻的电阻变化量得到悬梁的弯曲度，然后根据悬梁的弯曲度得到第一电极板及第二电极板之间的相互作用力，并根据第一电极板及第二电极板之间的相互作用力得到产生静电场的静电电位，并产生静电场的静电电位大于或等于预设阀值时，报警器报警，同时，用户可以通过显示器实时查看产生静电场的静电电位值，结构简单，操作方便，灵敏度高，成本低，同时在得到第一电极板及第二电极板之间相互作用力的过程中，振动传感器检测悬梁的振动信号，单片机根据所述振动信号及悬梁的弯曲度得到第一电极板及第二电极板之间的相互作用力，从而消除外界环境振动噪音对静电场传感器的干扰，适应性极强。
[0017]进一步，本发明还包括硅基微机电芯片，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻均采用离子注入或者扩散加工的方法制作在硅基微机电芯片上，从而可实现批量化生产，成本低。
[0018]进一步，静电场传感器的输出端及振动传感器的输出端均依次通过滤波电路、放大电路及A/D转换电路与单片机的输入端相连接，振动传感器固定于悬梁上，从而有效的提高测量产生静电场的静电电位的精度。
【附图说明】
[0019]图1为本发明中静电场传感器6 ；
[0020]图2为本发明中半闭环结构的惠斯通电桥的电路图；
[0021]图3为本发明中基于静电场传感器6的静电报警系统。
[0022]其中，I为固定端、2为终端、3为悬梁、4为第二电极板、5为第一电极板、6为静电场传感器、7为振动传感器、8为滤波电路、9为放大电路、10为A/D转换电路、11为单片机。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0024]参考图1、图2及图3，本发明所述的静电场传感器6包括固定端1、第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端、第五接线端、第六接线端、悬梁3、第一电极板5、第二电极板4、第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4以及恒压源，悬梁3的一端固定于固定端I上，第二电极板4固定于悬梁3另一端的侧面，第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3及第四压敏电阻R4均沿轴向设置于悬梁3的侧面，且固定端1、第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3及第四压敏电阻R4均位于悬梁3的同一侧，第一电极板5与第二电极板4之间有间隙，第一电极板5固定于第二电极板4的正上方，第一接线端与第一压敏电阻Rl的一端相连接，第二接线端与第一压敏电阻Rl的另一端及第二压敏电阻R2的一端相连接，第六接线端与第二压敏电阻R2的另一端及第四压敏电阻R4的一端相连接，第五接线端与第四压敏