一种基于电致伸缩效应的电场传感器的制作方法

本发明涉及电场测量技术领域，具体说是一种基于电致伸缩效应的电场传感器。

背景技术

电场传感器是一种具有良好的抗电磁干扰能力和快速响应速度的传感器，主要用来测量电场强度和电势。电场传感器广泛应用于国防、航空航天、气象探测、电力、地震预报等多个领域。例如，在气象领域，借助电场传感器对地面和空中大气电场变化的监测，可以获取准确的气象信息；在工业领域，利用静电场传感器监测工业环境中的电势分布和电场分布，有助于我们及时采取有效措施预防事故的发生。

目前，我们常用的电场传感器有很多，如电晕探针电场传感器、mems电场传感器、电容式电场传感器和光学电场传感器等。电晕探针电场传感器主要利用阻值较大的电阻使电晕尖端电流与电场强度成线性关系来实现，但是电晕探针电场传感器体积较大，有的探针甚至需要达到2m，而且它容易受到气候条件的影响，在雨雪等天气使用时其可靠性会明显降低；mems电场传感器作为当前比较热门的一种传感器虽说其具有体积小、重量轻、功耗低等优点，但是其制造难度较大，对制作工艺的要求很高且可靠性和精度还无法达到传统工艺的标准；电容式电场传感器也是一种广泛使用的传感器，它结构简单、体积小、适应性强、温度稳定性好，但是在实际使用时易受静电引力和温湿度等外界因素的影响，导致测量不准确，并且它的准确度不够，无法做到精确测量；光学电场传感器是目前所有电场传感其中精度较好的一种，它利用光线通过晶体后相位差会改变这一特点并对光线进行光电转换，这样可以有效的测量出电场的变化，然而这种利用光电效应制成的光学电场传感器本身光路复杂，体积很大，不便于携带，同时也使得这种设备无法大批量生产。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种结构精简、体积小、功耗低能很好实现电场强度测量的电场传感器。

发明的目的是这样实现的：

一种基于电致伸缩效应的电场传感器，它包括由电致伸缩陶瓷块外壳，电致伸缩陶瓷块外壳内设有槽体，在槽体中设有应变片，应变片包括应变片基片，应变片基片上设有栅体结构，栅体结构通过端点与连接导线的一端连接，连接导线的另一端与电桥电路连接，应变片通过粘贴剂贴设在电致伸缩陶瓷块外壳内槽体壁上。

在制作所述电场传感器时，采用以下步骤：

1)把应变片通过粘贴剂贴在电致伸缩陶瓷块外壳内部的槽体壁上，确保黏贴的牢固性以及不会影响到电致伸缩陶瓷块外壳发生形变时应变片形变的精确度；

2)将连接导线焊接在端点上；

3)对整体用高分子聚合物材料进行封装。

上述电场传感器在工作时，采用以下步骤：

1)当电致伸缩陶瓷块外壳受到外部电场时，电致伸缩陶瓷块外壳会发生伸缩型变；

2)当电致伸缩陶瓷块发生型变时，粘贴在电致伸缩陶瓷块外壳槽体中的应变片中的栅体结构会随着电致伸缩陶瓷块外壳一起发生形变；

3)当栅体结构发生型变时，应变片的阻值发生改变，此时电桥电路两端电压不再相等，出现电压差；

4)通过对输出的电压差的测量便能实现对电场的测量。

上述电致伸缩陶瓷块外壳为长方体结构。

上述电致伸缩陶瓷块外壳由高分子聚合材料制成。

上述应变片采用了丝绕式应变片，中间部分由电阻丝构成栅体结构且呈折叠形状。

上述应变片基片为环氧树脂薄膜。

上述栅体结构采用康铜箔制成。

上述导线采用四芯屏蔽线。

采用上述技术方案，能带来以下技术效果：

1)、本发明装置以电致伸缩陶瓷为敏感元件，利用其电致伸缩效应可以在电场环境下把周围存在的电场以机械形变的形式表现出来。相比目前使用的比较广泛的由压电材料，本发明的可靠性更高且迟滞性小，测量准确性更高，更有利于对电场的测量。

2)、本发明装置中粘接一片应变片作为换能元件，通过应变片与电致伸缩陶瓷一起发生机械形变，使得电致伸缩陶瓷的形变量转换为应变片的电阻变化量，这样测量就会更容易，并且由于应变片本身体积也很小，这样就使制成的电场传感器体积更小。

3)、本发明装置使用了610型环氧酚醛树脂粘贴剂来把应变片粘贴在电致伸缩陶瓷上，该粘贴剂的厚度仅为0.005mm，具有迟滞、蜕变小、延伸容量高和适应温度范围广等特点，在保证了粘贴的牢固性的同时有效减小了本发明测量时得误差。

4)、本发明装置体积小、制作简单，具有分辨率高、稳定性好、精度高、功耗低等优点，且制造成本较低可广泛应用于科研及工程领域，为各研究领域提供良好的实验基础，也能为为电网潮流监测、电网故障检修等方面提供更好的安全保障。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的外部整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明中应变片的结构示意图；

图4为本发明与外部电路连接的示意图。

具体实施方式

如图1至4所示一种基于电致伸缩效应的电场传感器，它包括由电致伸缩陶瓷块外壳1，电致伸缩陶瓷块外壳1内设有槽体，在槽体中设有应变片2，应变片2包括应变片基片5，应变片基片5上设有栅体结构6，栅体结构6通过端点7与连接导线8的一端连接，连接导线8的另一端与电桥电路3连接，应变片2通过粘贴剂4贴设在电致伸缩陶瓷块外壳1内槽体壁上。

具体的，所述电致伸缩陶瓷块外壳采用性能较好的plzt材料制成，其体积为8mm×8mm×20mm。

所述应变片采用了bx120-15aa型应变片，其尺寸可以与电致伸缩陶瓷块外壳相吻合。

所述粘贴剂采用了610型环氧酚醛树脂粘贴剂，该剂厚度仅为0.005mm，具有迟滞、蜕变小、延伸容量高和适应温度范围广等特点。

所述导线需要在应变片粘贴好后再进行焊接。

所述导线表面覆有由聚四氟乙烯材料制成的绝缘层。

所述电致伸缩陶瓷块外壳1为长方体结构，这样能保证电致伸缩陶瓷块外壳1表面积最大化，能更好的感受空间中的电场，电致伸缩陶瓷块外壳1横向设置，槽体的开口朝向水平方向，使应变片2粘贴更容易，应变片插入槽体然后粘贴在电致伸缩陶瓷块上，确保封装不会影响到应变片的伸缩性能。

所述电致伸缩陶瓷块外壳1由高分子聚合材料制成，具有良好的延展性且不会对陶瓷块感受电场造成影响。

所述高分子聚合物材料为酚醛树脂、聚碳酸酯或聚四氟乙烯。

所述应变片2采用了丝绕式应变片，中间部分由电阻丝构成栅体结构6且呈折叠形状，能让应变片有更好的延展性，更容易受力，增快反应速度，还可以更好的散热，而且阻值变化更明显、体积更小。

所述应变片基片5为环氧树脂薄膜，这样具有较好的绝缘性且不会对电阻丝的形变造成影响，应变效果可以最大化同时能起到防护作用。

所述栅体结构6采用康铜箔制成，在保证延展性的同时更容易粘贴。

所述导线8采用四芯屏蔽线，能更好测出应变时的动态变化。

在制作所述电场传感器时，采用以下步骤：

1)把应变片通过粘贴剂贴在电致伸缩陶瓷块外壳内部的槽体壁上，确保黏贴的牢固性以及不会影响到电致伸缩陶瓷块外壳发生形变时应变片形变的精确度；

2)将连接导线焊接在端点上；

3)对整体用高分子聚合物材料进行封装。

所述电场传感器在工作时，采用以下步骤：

1)、当电致伸缩陶瓷块1受到外部电场时，电致伸缩陶瓷块1会发生伸缩型变，其型变量与电场值的关系式如下：

s＝m×e²；

式中，s为电致伸缩陶瓷块的总应变量；m为此电致伸缩材料的电致伸缩系数因子；e为电致伸缩陶瓷受收到的电场值得大小。

其中，电致伸缩系数的因子m＝qε²，q为电致伸缩材料的电致伸缩系数；ε为介电常数。

2)、当电致伸缩陶瓷块发生型变时，粘贴在电致伸缩陶瓷块1上的应变片2中的应变片敏感栅6会随着电致伸缩陶瓷块1一起发生形变。其中，应变片的变化关系式如下：

式中，δr为应变片的电阻变化量；r为应变片原来的阻值，为120ω；k为应变片的比例系数，在本发明涉及中k＝2.05；ε为应变片发生的应变。

3)、当敏感栅6发生型变时，应变片2的阻值发生改变，此时电桥9两端电压不再相等，出现电压差，通过对输出的电压差的测量便能实现本发明提出的电场传感器对电场的测量。

其中，电桥输出电压差计算公式为：

其中，u0为电桥电路的输出电压差；rx为应变片电阻；uin为供电电压，为了方便测量，电桥中电阻r1＝r2＝r3＝120ω。