专利名称：振动屏蔽式电场传感器的制作方法
技术领域：
本发明属电学领域，涉及到传感器技术和静电场的测量。
背景技术：
在工业生产中，静电有一定的危害，静电的监测是关系到产品质量、生产安全的一项重要的工作，在气象上，大气静电场又是雷暴、闪电监测的关键特征参数，在地震预警， 石油矿山等行业静电监测也都是一项重要工作。目前，对静电场的监测主要采用感应式静电测试仪和场磨式静电测试仪，感应式静电测试仪有规定的测试距离的限制，并且存在电荷泄漏；场磨式电场仪不受距离限制也无电荷泄漏，但驱动电机影响其长时间连续工作，不稳定、功耗较大。
发明内容
本发明根据目前的技术状况，提供一种振动屏蔽式电场传感器，该电场传感器不需电机驱动，功耗小，可直接测量电场。本发明的目的是通过以下措施实现的
一种振动屏蔽式电场传感器，其特性在于它包括弹性部件、柔性铰链和压电叠堆、底座，以及成对设置的屏蔽电极与感应电极；所述柔性铰链X方向一端固定在底座上，感应电极绝缘地固定在底座上；
压电叠堆两端固装于柔性铰链X方向的两侧内壁上，屏蔽电极设置于柔性铰链Y方向外端，并通过弹性部件压紧在柔性铰链Y方向外表面上，屏蔽电极接地且置于成对设置的感应电极上方。成对设置的屏蔽电极和感应电极设置一对或二对，二对时分别设置于柔性铰链Y 方向的两侧。感应电极与屏蔽电极均采用形状相同的E形结构。成对的感应电极与屏蔽电极二者错位或正对设置。以实现不同的屏蔽面积。弹性部件采用为压簧或U形弹簧结构，弹性部件一端固定，另一端连接屏蔽电极。 弹性部件一端固定连接压紧螺母，另一端固定连接屏蔽电极。柔性铰链外形呈椭圆形，X方向对应长轴，Y方向对应长轴。柔性铰链可采用单轴结构。屏蔽电极、压紧螺母和感应电极都为金属材质；柔性铰链由弹簧钢、45钢、或铍青铜制成；压电叠堆由多层具有压电效应的材料堆叠而成。本发明相比现有技术具有如下优点
1、本发明可直接测量电场，测量时不需要确定与带电体距离。2、不需要场磨式电场仪中的驱动电机，故功耗小，体积小，基本无机械磨损。本发明采用压电材料电致伸缩的原理，产生机械运动，机械运动通过柔性铰链进行放大，推动接地的屏蔽电极作周期性地往复运动，感应电电极上感应电荷出现周期性的变化，其感应电荷与电场成正比，电荷的变化形成电流，经后续电路放大处理，确定其和电场的关系。
图1震荡屏蔽式静电传感器结构原理平面示意图； 图2柔性铰链放大机构工作原理示意图。图中1-压紧螺母；2-屏蔽电极；3-柔性铰链；4-压电叠堆；5-感应电极；6_U形弹簧。
具体实施例方式下面以图1为例，说明压电式静电传感器结构原理。在图1中，传感器在XOY平面内水平放置。传感器由屏蔽电极2、压紧螺母1、柔性铰链3、压电叠堆4、底座、感应电极5、 U型弹簧6部分构成。屏蔽电极2、压紧螺母1、感应电极5都由金属构成，U型弹簧6、柔性铰链由弹簧钢，45钢，或铍青铜等弹性材料制成，压电叠堆4由多层具有压电效应的材料堆叠而成。柔性铰链3采用单轴结构，切口形式采用椭圆形结构，其输出位移较大，最大应力适中。在图1中，屏蔽电极2和感应电极5设置两对，均采用E形电极，两对沿Y方向分别置于柔性铰链3的两侧。(设置一对也可，但设置两对更佳，可减小误差)。压电叠堆4置于柔性铰链中间，与柔性铰链3内侧左右两端(X方向)固定，并在压紧螺母1的作用下，将屏蔽电极2与柔性铰链3上、下方向压紧。屏蔽电极2接地，屏蔽电极2下方是感应电极5， 感应电极5绝缘地固定在底座上。屏蔽电极2可以在感应电极2上方往复移动，以遮挡感应电极5。在静电场中工作时，柔性铰链3x方向一端固定在底座上，交流信号电压加在压电叠堆上，压电叠堆产生X方向微小振动，该微小振动经柔性铰链放大后，推动屏蔽电极在y 方向往复运动，由于屏蔽电极2接地，就造成对感应电极5的周期性屏蔽，使感应电极5上产生周期性的感应电荷，此感应电荷与电场成正比，并会形成电流，感应电极用屏蔽电缆接入电子电路，接入电路微弱电流经I-V变换，滤波，放大，相敏检波后得到与电场成正比的电压信号。本发明的工作原理如下
用一个固定的金属感应片(定片)和一个固定频率震动的接地动片，交替地使感应片在电场中被屏蔽和暴露，由静电感应原理，在感应片上就会产生变化的感应电荷根据高斯定理，可以得到感应片上的感应电荷Q(t)的大小与外界待测电场强度E成正比。即
权利要求
1.一种振动屏蔽式电场传感器，其特性在于它包括弹性部件、柔性铰链(3)和压电叠堆(4)、底座，以及成对设置的屏蔽电极(2)与感应电极(5);所述柔性铰链X方向一端固定在底座上，感应电极绝缘地固定在底座上；所述压电叠堆(4)两端固装于柔性铰链(3)X方向的两侧内壁上，屏蔽电极(2)设置于柔性铰链(3) Y方向外端，并通过弹性部件压紧在柔性铰链(3) Y方向外表面上，屏蔽电极 (2)接地且置于成对设置的感应电极(5)上方。
2.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于所述成对设置的屏蔽电极(2 )和感应电极(5 )设置一对或二对，二对时分别设置于柔性铰链Y方向的两侧。
3.根据权利要求2所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于所述感应电极(5)与屏蔽电极(2)采用形状相同的E形结构。
4.根据权利要求3所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于所述成对的感应电极 (5)与屏蔽电极(2) 二者错位或正对设置。
5.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于所述弹性部件采用为压簧或U形弹簧结构，弹性部件一端固定，另一端连接屏蔽电极(2)。
6.根据权利要求5所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于所述弹性部件一端固定连接压紧螺母(1)，另一端固定连接屏蔽电极(2)。
7.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于所述柔性铰链(3)外形呈椭圆形，X方向对应长轴，Y方向对应长轴。
8.根据权利要求7所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于所述屏蔽电极(2)、压紧螺母(1)和感应电极(5)都为金属材质；柔性铰链(3)由弹簧钢、45钢、或铍青铜制成；压电叠堆(4)由多层具有压电效应的材料堆叠而成。
9.根据权利要求1所述的振动屏蔽式电场传感器，其特征在于所述柔性铰链采用单轴结构。
全文摘要
本发明提供一种振动屏蔽式电场传感器，它包括弹性部件、柔性铰链和压电叠堆、底座，以及成对设置的屏蔽电极与感应电极；所述柔性铰链X方向一端固定在底座上，感应电极绝缘地固定在底座上；压电叠堆两端固装于柔性铰链X方向的两侧内壁上，屏蔽电极设置于柔性铰链Y方向外端，并通过弹性部件压紧在柔性铰链Y方向外表面上，屏蔽电极接地且置于成对设置的感应电极上方。它采用压电材料电致伸缩的原理，产生机械运动，机械运动通过柔性铰链进行放大，推动接地的屏蔽电极作周期性地往复运动，感应电电极上感应电荷出现周期性的变化，其感应电荷与电场成正比，电荷的变化形成电流，经后续电路放大处理，得到其和电场的关系。
文档编号G01R29/12GK102169143SQ201110099538
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者季鑫源, 行鸿彦 申请人:南京信息工程大学