[发明专利]基于超材料的新型静电场传感探针及设计方法

说明书

本发明是一种基于超材料的新型静电场传感探针及设计方法，其结构是将传统的金属探针在静电场感应信号不变的情况下用球形介质壳层包裹金属或纯介质替代，当新型传感器存在于静电场时，与金属传感器存在于静电场中的对场的感应一致。设计方法，包括：1)计算均匀电场中金属球、人工介质球和覆盖人工介质球壳的金属球场分布和电势分布；2)运用相同的散射静电场，推算获得覆盖在小金属球上的人工介质壳层和人工介质球的电磁参数。优点：代替传统金属传感探针，易由各向同性电磁参数的超材料制作，测试中可视一种新的由人工介质包裹的金属探针或介质探针，减少探头或测试系统的损伤，同时将传统的感应式测量在测量法不变的情况下转化为接触式测量。

技术领域

本发明涉及的是一种基于超材料的新型静电场传感探针及设计方法，属于静电场传感探针技术领域。

背景技术

随着技术的进步，在工业生产和日常生活，静电作为一种不可避免的伴随物随之产生。静电的危害很多，在工业上上，纸页之间的静电会使纸页粘合在一起，难以分开，给印刷带来麻烦；在制药厂里。由于静电吸引尘埃，会使药品达不到标准的纯度；在工厂和在煤矿，静电引起的粉尘和瓦斯爆炸，均导致大量的人员死伤和财产损失；在电子行业静电放电引起的元器件击穿损害是电子工业最普遍、最严重的静电危害等。在日常生活中，在放电视时荧屏表面的静电容易吸附灰尘和油污，形成一层尘埃的薄膜，使图像的清晰程度和亮度降低；在飞机机体与空气、水气、灰尘等微粒摩擦时会使飞机带电，如果不采取措施，将会严重干扰飞机无线电设备的正常工作，使飞机变成聋子和瞎子；穿在身上的混纺衣服上常见而又不易拍掉的灰尘，也是静电捣的鬼，人体运动导致衣服和皮肤的摩擦产生的静电，在脱衣或身体接触到导体时的放电，强烈的电击会导致人体伤害。静电还影响了人的身体健康，长期接触电脑的人，体内会积聚很多静电，时间长了可导致色素沉着；而老年人由于皮肤比年轻人相对干燥，加上心血管系统老化、抗干扰能力减弱等因素，更容易受静电的危害，引发心血管疾病；尤其对有心血管系统疾病的老年人来说，静电更易使病情加重或诱发早搏。因此静电的预防和检测在生产和生活中变得越来越重要。

传统的静电测量法分为感应式（非接触式）和接触式两种，感应式静电测量法是通过电磁感应原理或其他原理，测出待测待测表面的静电场电压，这样的静电测量表主要有电场传感器、距离指示器、测量单元、调零单元和显示单元组成等部分组成，常见的静电场传感器有感应电容式、转子伏特计式和振动电容式等。接触式静电场测量方法是利用等电位原理进行测试，把被测带电体用绝缘电缆直接连在输入阻抗在10¹²Ω以上的静电电压表上的测量电极上，由静电压表直接读出被测带电体的对地电压。

感应式（非接触式）静电场传感器的缺点：金属传感探针在恶劣环境下存在着易磨损、易腐蚀等问题，不仅影响探针的寿命，而且影响了测量的准确性，同时传统的感应式静电场传感器在测量时必须和待测体保持一定的距离（不能接触，否则出现放电，影响测量的结果），通过感应测量，但是静电场的衰减是与距离的平方成反比，不同距离，不同空间湿度和不同环境温度都会对测量会产生很大影响，出现很大的误差。

由于静电场在空间不能远距离传输，随距离的增大衰减明显，因此现有的非接触式静电场传感器还附加了距离测量单元，一方面利用标准的静电场在一定的距离范围内进行校准，另一方面显示现场测试静电场时的距离和位置。在测量过程，电场探针传感器不能离静电体太近或接触，否则会出现电荷的移动和放电现象，影响测量结果，同时测量距离不能太远，一方面静电场下降比较严重，另一方面由于距离较大，空间的湿度和温度，会对测量造成很大的影响。

发明内容

本发明提出的是一种基于超材料的新型静电场传感探针及设计方法，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，充分利用新型人工电磁超材料的介电常数和磁导率可人为调控的特性，在静电场中代替传统金属传感探针，很容易由各向同性电磁参数的超材料制作，它在静电场的测试中可作视为一种新的由人工介质包裹的金属探针或介质探针，不仅减少探头或测试系统的损伤，同时将传统的感应式测量在测量法不变的情况下转化为接触式测量。

本发明的技术解决方案：