[发明专利]一种空间电荷密度测量的仪器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及空间电荷测量技术领域，特别涉及一种能够实现对空间电荷密度进行测量的仪器及方法，该仪器是一种适用于对气体（如云雾或空气）中空间电荷的密度进行测量的仪器。

背景技术

空气在一定条件下可能会带电产生静电，云层在一定条件下会带电形成雷暴云，由于雷暴云与地面存在电势差，会向地面放电形成雷电。雷电威胁着人类的生命安全，常使建筑，电力，电子，通信和航空，航天等诸多部门遭受严重破坏，用大气电场仪来对雷电进行监测；静电作为一种近场自然灾害，静电的力学效应引起的吸附或排斥作用会给生产带来影响，静电的放电效应会引起电子元件的击穿损害和放电噪声导致计算机误动作。静电放电火花作为点火源所引起的突发性燃爆事件，会使生产设备破坏，造成人员伤亡。静电对人体电击时，放电电流通过人体内部，会对心脏、神经等部位造成伤害。

为了研究雷暴云电荷的发生过程，以及探测空气中静电电荷的存在及空间分布，需要借助一定的仪器完成，目前的静电测量仪器仅能对电荷特别是物体表面所带电荷进行测量，并且只能作定性测量，无法实现定量测量，本发明提供一种能够对空间电荷特别是气体中的静电电荷进行定量测量的方法和仪器。

发明内容

为了解决气体中静电电荷的空间分布的测量问题，本发明提供了一种空间电荷密度测量的仪器。该仪器可以测出气体中相对于绝缘圆筒四个点的电势，根据物理学定律,可以计算出气体中静电电荷的空间密度。

本发明另一目的是提供一种空间电荷密度的测量方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种空间电荷密度测量的仪器，其特征是：它包括空间电荷测量单元、多路信号处理单元和控制单元；

其中，空间电荷测量单元包括感应圆筒和非接触式振动电容传感器，该感应圆筒由绝缘圆筒与带有绝缘涂层的金属圆筒相套装形成的框架结构，金属圆筒通过绝缘支架套装并连接在绝缘圆筒外圈，两者之间密闭，不会有气体流过，绝缘圆筒的外壁上分别安装四块金属片，四块金属片分别与四个非接触式振动电容传感器的金属探头电连接，所述绝缘圆筒一端设置一风扇；

其中多路信号处理单元包括四路由可调增益放大电路，相敏检波和低通滤波电路组成的信号处理电路；

所述控制单元包括电源、微处理器及附属电路、传感器驱动电路、风扇驱动电路以及AD采样电路；

所述四个非接触式振动电容传感器的信号输出端分别接入多路信号处理单元中的一路，多路信号处理单元的输出经AD采样电路与微处理器相连；所述风扇经风扇驱动电路与微片理器相连。

所述四块金属片位于感应圆筒中的金属套筒与绝缘套筒之间，均匀固定或粘贴在绝缘套筒的外侧筒壁上。

所述非接触式振动电容传感器，包括一个定极片与金属探头，金属探头与定极片相连，用于感应空间电荷的电场，一个动极片与压电陶瓷通过一层绝缘层相连，定极片与动极片极片相互平行，距离较近，但相互绝缘，定、动极片与金属外壳固定在一起，压电陶瓷片受交流信号驱动，当压电陶瓷受到驱动信号驱动时，动极片随压电陶瓷一块振动，此时定极片保持不动。

该仪器还设有传感器信号调理单元，它包括放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路；放大电路的输入端连接到动极片上，输出端与低通滤波电路相连。

该仪器还设有温湿度传感器，该温湿度传感器与微处理器相连。

该仪器还包括液晶屏，该液晶屏与微处理器相连。

所述控制电路板还设有与上位机通信的接口电路。

微处理器及附属电路、传感器驱动电路、风扇驱动电路、信号采集电路以及多路信号处理单元都封装在屏蔽壳内。

一种空间电荷密度测量的方法，该方法包括以下步骤：

用微处理器驱动转速可控的风扇以10-500转/秒的速度转动，将带电云雾或气体吸入绝缘圆筒内，通过四个金属电极感应筒内电荷的电势，经由空间电荷测量单元测量，并经多路信号处理单元处理，送给控制单元，通过利用高斯定律以及电势和电场强度之间的对应关系得出电荷密度的计算公式：

其中ρ表示空间电荷密度，ε₀表示气体的介电常数，V是多路信号处理单元测得的电势值，R是绝缘圆筒的半径；

若四路信号测得电势值不同，V为四路电势值的平均值。