【毕业学位论文】（Word原稿）基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计

兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 第一章 绪论 1 1 风沙电场现象的研究目的与意义 空间电场，作为一种常见的 物理 现象广泛存在于 自然 界 中， 不论 是 晴朗天气 ，雷雨天气或是沙尘天气 ， 大 气中都存在电场 。对于空间 大气 电场的 科学研究广泛开展 于工业 、 气象 、 通讯 、 农业、国防等各个领域。 而对于带电颗粒 产生 电场 现象 的科学研究也于近代迅速开展， 特别是风沙电场方面的研究。风沙电场是指在风沙环境中 由于运动 的 沙粒带电荷而形成 的空间电场， 这种环境条件下形成的大气电场 的量级 将 高于晴天大气电场 2类似的风沙 电场现象已经在野外环境 1风洞实验 3风 沙流中、以及 现实 发生的沙尘暴 天气 5尘卷 中11观测到，因风沙电场 会对 风沙流运动 4,13及通过空间媒介传播的 通讯信号 造成 影响 17引起越来越多的学者对其开展了研究。 早在 1940年代，就有科学家发现 了 风沙流中的颗粒带电现象 19自 此对于沙尘中 电场现象以及 颗粒带电形成机理的研究便开始起步 。 对于风沙流中颗粒带电 现象以及电场规律研究，和沙粒带电 对于风沙流运动影响的实验和理论研究也于近年来达到了一个新的高度 21而对于地球上风沙运动环境中 沙粒带电和 风沙 电 场规律及其对风沙流运动影响 的研究，更 有利于 对于火星风沙 流 运动的 电现象和 力学 分析 的研究 21很多 科研工作者 都投入到了对 风沙流中沙粒带电现象 的研究中来，对于风沙流中电场变化规律的研究也广泛开展起来。 国内学者，兰州大学郑晓静 教授 的风沙环境力学小组长期以来对于大尺度当下的风沙电场时空规律进行了不懈的研究， 对风沙带电规律以及风沙电场的分布分别进行了风洞的实验测量和理论分析，也研究了沙粒电荷量对于沙粒运动的影响问题337在通过实验研究和理论分析，数值模拟计算后发现，风沙流中，沙粒的荷质比会随着沙粒的粒径增大而减小，也会随着风速的增大而减小，而随着离地表高度的增加而增加。更为重要的是，在经过风场与沙粒的耦合作用数学模型进行了定量分析后发现，沙粒带电对于风沙运动有明显的影响，表现为对于沙粒的跃移运动轨迹以及输沙率的影响，这一研究成果取得了学界的广泛认可。因此，研究风沙电场时空规律以及沙粒带电现象对于研究风沙运动有着不可磨灭的意义。 我们知道，对于风沙电场和沙粒带电现象的研究，主要手段为在野外和风洞进行测量实验，因此，对于能够测量在风沙环境下的电场仪器的选择就尤为重要。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 沙电场测量仪的研发现状 目前市面上常见的 大型 电场测量仪，主要有几种 主流 形式 ，而每种形式的电场仪都有其技术特点，和适用范围，以及其用于风沙环境下电场测量的局限性。我们将在这里一一说明。 球 型大气电场仪 该种电场仪主要采用仪器天线上的球状导体来产生感应电荷，将感应电荷 产生 的 电流信号 并将其 积分，得到大气电场强度的测量值。 球载双球电场仪 主要 为了 探测 大气中 雷暴 的 状态，以及探测 雷雨云 而研发 ， 该种大气电场仪 主要 应用在为 卫星升空时对于空间电场的监测，以及气象环境监测部门用来雷电预警 时 使用，结构较为复杂，不适合 用于风沙环境下的电场测量。 图 双球型大气电场仪结构 旋转电极式大气电场测量仪 该种电场仪主要采取旋转屏蔽式电极作为电场测量探头， 通过旋转屏蔽电极来采集 与 空间电场呈线性关系的感应电流 ，其主要采用的测量原理为通过感应片在空间电场中感应到一定数量的感应电荷，然后以旋转电机连接感应片其上的屏蔽电极，使得感应电极通过：暴露 屏蔽，这一过程来实现感应电荷 Q 的变化，因而采集到变化的感应电荷产生的感应电流，用于后期信号处理，得到可用于测量的输出量。 此种电场仪的探头形式如图 示： 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 图 旋转屏蔽式 大气电场仪 探头 结构 在国内，已有很多科研 工作者 致力于设计屏蔽旋转式大气电场仪，此种电场仪的技术发展的较为成熟。但这类 旋转屏蔽式 大气电场仪器 对于风沙环境下的电场测量工作却表现出了极大的局限性，一是因为这种旋转屏蔽式大气电场仪的探头即便是 做的再小，也要大于 80单向尺寸，对于平常的大气电场测量是足够了 ， 但对于研究风沙电场时空规律就不再适用，在 晓静等人 进行的风沙电场研究中，常常需要测量离地表很近范围内的电场强度值来研究风沙电场与地表高度的变化关系，很多时候测量间隔需要 达到 10量级， 而这种大型探头的电场测量仪本身占据空间过大， 无法实现对于小间隔的风沙电场测量的要求，且探头体积过大，感应金属平片部分会对于电场线的扭曲程度也会增大 ，且探头体积的大小就会干扰其周围风场，进而影响风沙电场的大小，因为风沙电场的大小与风沙流的速度直接相关。 这里的研究就需要电场测量仪的探头具有尽可能小的体积，能充分分布在不同高度的空间点进行测量，以取到足够的电场测量值来进行大尺度的电场规律变化分析，而旋转电极的大气电场仪，探头的横截面长度都大于 80法测得小间隔高度的电场值。除此之外，对于 风沙环境下的大尺度 风沙 电场研究， 通过郑晓静小组 以往的野外和风洞测试环境 测量风沙电场的经验来说 ， 在此种环境下， 风沙 流会冲击探头，特别是屏蔽式电极 的大气电场仪 ， 由于 感应电极与旋转屏蔽电极都暴露在外环境下，风沙流中大量的颗粒会进入到旋转屏蔽电极与感应电极之间的间隙，影响旋转电极的运行稳定 ，从而干扰测量结果的可靠性 。 在小组以往的测量经历中，使用中国科学院电子所研制的 面电场探测仪，当测量环境中的风场风速超过 s 后，转子转速降至 1200 /分，严重偏离 2000 转 /分的该电场仪的标准工作 转速。 另外一点，因为增加了旋转电机驱动模块，由于需要驱动电机运动旋转，电场仪所需的功耗也很大，不利于延长仪器的寿命，也不利于仪器的稳定。 2007兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 年 ，国外学者 人研发了一种小型的旋转式电场测量探头 34，采用了一种更为微小的驱动电极。 改进了旋转屏蔽式大气电场测量仪体积过大的不足，但同样因为要有驱动电极旋转的电机设置于其中，依旧会增大电场测量仪的功耗，且受到旋转这一驱动方式的影响，所有采用屏蔽式电极的大气电场仪都只能达到最高 30上的采样频率。 图 人研 发 的 一种小型的旋转式电场测量探头 动电容式电场测量仪 振动电容式 静 电 场 测量 探头 35和开尔文探针 (36。这类电场测量探头 的测量 原理 主要 依据 动态电容技术 38 令 带电物体表面与固定在电场仪 探头顶部并在受 后端激励信号 驱动 而 振动的一个金属 感应板 构成一个电容 传感器 。当 外环境 存在电场 时 ， 也 即振动 的感应 极板前方 存在有 带 一定电荷量的带 电体时，振动 感应 极板上 将会在电场中 感应出 一定量的感应 电荷。当振动 感应极 板 开始受后端激励驱动而 做周期性的振动时， 将 会导致 探头与前 方带电体所构成的 电容器 的 电容 值 改变而向外放电， 因此 产生 可被检测到的交流感应 电 流信号。然后， 后端的信号处理装置将 采集 前端感应极板上流出的交流感应电流 信号，并通过一系列信号处理得出与 环境电场 呈线性关系的输出量，因此测出实时的外环境电场值 。 图 振动电容式大气电场仪探头形式 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 振动电容式电场测量仪 在国内外 的电场测量中 主要用于工业测量， 比如用于测量某种 材料 的 表面电势 40测量某种材料的 表面电荷及其分布 42以及测量两种 材料间的接触 电 势 45,46等。北京亿艾迪科技有限公司 2010 年新 研发的动电容式 电场测量仪 ， 也以 测量绝缘体、半导体或导体的表面电位 为主，或者用于 集成电路 造与处理、激光复印 环境中监测各类静电起电过程，以及用于 大气、云层静电场 的 监测。目前 还没有 将这类振动电容式静电测量仪用于风沙电场的测量 的实例 ，通过 郑晓静小组用此种电场测量仪在多次风沙环境以及风洞 测试 中 发现 ，现有的这种 振动电容式 电场 测量仪 无法 适 用于风沙电场的测量。 原因有二：其一，该种电场测量 仪器的量程范围小于 200kV/m，而 风沙电场往往可以达到高达 200kV/m 的量级 。 经过以往的实验数据分析发现， 当 实验环境中 的 外界 电场强度超过 20kV/m 时， 这种振动时电场测量仪测得 的电场值与实际值有较大偏差。 其二：该种电场测量仪器采用模拟信号传输模式，通过在探头取得处理完成后的感应电荷测量模拟信号，然后通过一段长导线输送回数据采集主机。这样往往造成了很大干扰，通过实际测量，可以看出在各个通道处的电场测量值都具有较大的波动特性。而且数据采集主机端口采用模数转换模块，而不是在探头内部进行模拟数字信号的转换，缺少对于有效信号的滤波处理，即使是未接入任何一个探头时，数据采集主机空载也会输出高频波动的漂移信号。 综上所述，目前 国内外还未有一款完全符合风沙环境下电场测量的合适仪器，因此，本着开发出可以适用于风沙环境下电场测量的目标，我们将针对现有的一系列电场仪做出设计和改进，为风沙环境下电场测量提供更合适更有效的测量工 具 。 沙电场仪的设计需求 针对风沙环境中电场的特点，新设计的电场仪必须 考虑并设计关注几个问题，下面我们将对其作出简述。 场仪的探头体积问题 尽可能小的探头横截面，不仅可以完成对于小间隔内空间点的电场值采样，而且由于体积减小，使得探头金属部位对于风场的影响减小，因此降低了对于风速和风场廓线在电场测 量探头处的改变程度，这样不会过多的影响探头附近的风沙环境，因而测得的实时空间位置的电场值也更为精确。此外，探头减小，使得探头部位的金属感应片对其周围空间电场线的扭曲也大大减小，在这一层面上，也是更加提高了测量精度。更多的，由于风沙环境中沙粒冲击对于测量探头传感兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 部位的影响，若测量探头体积减小，则有利于降低沙粒冲击影响探头的面积，因而降低沙粒冲击对于传感器灵敏度的影响，也是该校电场仪探头体积可以提高测量精度的另一个原理。 场仪与后端数据采集系统的信号传输方式 通过信号传输模型和原理我们知道，模拟信 号在空间或者导线媒介中传播时，因其幅值为连续的模拟数值，更易受到外界种种环境噪声的干扰。 特别是对于风沙电场环境下的测量，一般需要安装多个探头，探头和数据采集主机之间又通过不同长度的缆线连接，多为大于 1m 的长度电缆线，这样的长度，不仅会使传输的模拟信号被各种杂乱噪声干扰，如果是一般的静风场测量大气电场，虽然存在影响，但没有风沙电场环境影响强烈，首先，探头处探测的是探头所在空间点的电场值，而风沙环境中处处都充满了电场，有时甚至是强度很高的电场，对于风沙电场测量来说，模拟信号的传输缺陷就变得更为致命。除此之外，模 拟信号在到达模数转换端口时幅度也会受到传输距离的影响而发生衰减，模拟信号易受干扰的特性决定了其不能作为风沙电场探测仪的传输信号媒介。因此设计可以使用在风沙环境下的电场测量仪，必须在探头内部短距离内完成电场感应模拟信号的采集和处理，将探头输出信号转变为数字信号的模式，因为数字信号的离散特性，其信号幅值固定为“ 0”，“ 1” ，因此在传输过程中 不易受到外界噪声的影响，即使是在传输过程中出现数位差错，但是几率也很低，在后期可以通过响应的信号处理手段去除传输误码率的影响 47 场仪信号处理模块的 采集频率以及抗干扰技术 因为风沙电场环境的特殊性，电场强度往往在瞬时变化及其迅速，不论是强度亦或是电场方向， 采用普通的电场仪信号处理模块，虽然也能得到可以度量的输出，但是由于常见的电场仪多为稳定的低频变化电场设计，风沙电场的特殊性决定了必须在信号采样频率和抗干扰上加强细节设计，使得极短时间内发生的电场瞬时极性和强度变化也能及时被采样到测量系统中去。另外，由于风沙电场中充满了带电荷的沙粒，带电沙粒对于电场探测探头的冲击会为金属传感部位带来接触电荷形成的接触电流干扰，因此也必须通过一定的电路设计尽可能的降低这种 接触电流混杂在有效信号中的干扰。所以，风沙电场测量仪的信号处理还要比普通的大气电场测量仪考虑更细致的抗干扰处理。 同样，因为空间大尺度下电场分布的复杂性，对于科研要求来说 ，我们 希望电场 测量仪的采样探头点 尽可能的多 ，这样可以提供更充裕的采样数据 ，这样就对三维探头的开发提出了要求 。 另外，针对于风沙电场中电场幅值变化幅度大的特点，开发具有可调节的多量程切换电路也是具有很高的实用价值。因此，本文兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 将针对这里提到的几个关键改进点和延伸设计思想，设计出一套适用于研究大尺度下风沙环境电场测量的新式电场测量仪。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 第二章 风沙电场仪的检测电路设计 场测量 仪 的 测量原理 绪论中 介绍到，在 极端天气环境下 且 变化复杂的大尺度空间电场环境 中测量电场 ， 需要测量探头的体积以及感应部位的横截面尽可能小，以减小对于风场的干扰和对空间电场线的扭曲，藉此提高测量点的电场采样精度，除此之外很多科学课题的研究都 需要测量 以 很小距离间隔 下 分布的各个 空间 采样点的电场强度，所以 本套电场测量 仪 必须将 针对 缩小探头体积 的 设计列入首要完成的目标中。 本文中 我们新设计的电场测量系统 主要 采用 振动式 感应片结构的 电容式传感 装置 作为感应 测量 探头， 利 用动态电容测量原理 来获取在某一空间点处电场影响下的感应电荷 变化量 ， 通过动态电容获取电场感应信号，而不是通过类似于旋转屏蔽电极式电场测量探头的通过采集与探头面积成 正 比的感应信号方式， 这样的 探头 结构 不受感应片面积的影响， 可以选取面积较小的金属片来 实现 。本套电场测量系统的感应探头 使用了 直径 圆形金属 感应片 ， 可以检测到距离地表 度 内 的电场值， 比之市面上已经 存在 的电场仪来说，进一步缩小了探头感应部位的感应面积。 市面上 现有 的 基 于 动态电容 技术的 电场测量仪感应部位直径只有 种尺寸， 我们设计的电场仪探头， 仅仅减小 也 会 对 降低 感应片 对探头周围 风场 廓线 和电场线 的影响 起到很大作用 。 态电容测量原理简述 振动式电容 传感 探头 测量电场 主要利用了动态电容 测量原理 ，即带电物体表面与固定在探头顶部并受后端振子驱动而振动的一个金属 电 极板 A 构成电容 C ，当 探头前方的外环境中 存在电场 E 时，即在探头前方空间 无穷远处， 存在 某带有电量 Q 的等效 带电体， 因此 感应 电极 A 就与前方的大气体构成了电容 C 。 如图 示，我们亦可以将探头前方的空间无穷远处的带电量 Q 的等效带电体等效为一个带电的电容极板（ 图 左侧虚线 所化 部分示意 ），由于空间电场 E 的存在，无穷远处的空间电荷 Q 与感应电极 A 之间 存在电势差 V ，这里的电势差 V 与空间电场 E 呈线性关系 。 由于空间电场 E 的存在，感应电极 A 上 便感应出 一定量的感应电荷根据动态电容测量原理，感应电荷间 电势差V 以及 动态 电容 C 的关系可以表示为 式 1： (1) 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 图 动态电容测量大气电场的原理示意图 如图 示， 其中感应电极 A 与前方的大气体所构成的电容 C 的大小 取决于两个电容极板的间距 d ，在这里 也 就是感应电极 A 与 空间 带电体 Q 的距离 ，或者说是感应电极 A 与空间带电体 形成的 等效极板 的间距 d 。当 两个 电极 的 间距 他们所构成的 电容 C 也发生变化， 则感应电极 A 上的感应电荷之变化 。 由于电荷的变化量生， 感应电极 A 会向后端导线开始充放电过程，即为 感应 电极 A 将对后端输出感应电流 )( 若 某一瞬时的空间 电势差 V 不变时，可以得出感应电荷d 的变化关系 ， 下面我们将对这一过程作出分析： 假设 某一瞬时 内 空间电场 E 的强度和方向不变，空间电势差 V 亦不变，我们设感应 电极 A 静止时与无穷远处带电体 Q 的电容极距为容大小为上文知道，要取得可测量的信号，必须采集到变化的感应电荷形成 的 电流形式的感应信号，此时，若 感应 电极 A 受 一 余弦 信号 激励做周期往复振动 ，并设 当 电极A 受 此 余弦激励 驱动开始振动 后， 其 振幅为 则可以得到 感应电极 距 d 随 电极 A 振动 而变化 的 公 式为： )co s (2) 这里 为 施加的 余弦信号 激励的 角速度， 因此 当感应电极 A 受后端余弦信号驱动 开始振动后，振动过程中 的 感应电极 A 与外电场形成的动电容为 C ， 则 电容C 可以表示为 ： 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 s co (3) 同理可得 感应 电极 A 上 随电极振动而发生改变的 感应电荷： co (4) 本套电场测量 仪 中 驱动感应片振 子振 动的 余弦 信号频率为 占空比为%50 ，因为振动周期较短，假设自然环境下的空间电场即使是在变化迅速的情形下也不会达到高频脉动电场的条件下， 若 在信号 振动往复 的一个周期内电场 E 是不变 的 ，也即 空间 电势差 V 不变 ，那么感应片上的感应电流 )(以写成： i)(5) 将式 (4)对时间做微分运算可得： 222 co s i s1 s i n)( (6) 前面已经设定， 感应电极 A 的振幅为而感应电极 A 在振子驱动后的振幅仅为 级，而 显然 1n ， 此外 1t ， 因此 1 ，且 12 ，因此可以将式 （ 6） 各系数 简化 后得 到 以下近似关系 ： s s (7) 不难看出，这里的 得出了 )( 空间 电势差 V 以及时间项 t 关系，也即为感应电流 )(空间电场 E 以及时间项 t 关系 。 因此只要以 )( 目标 进行相应的信号处理， 通过相应的信号处理手段消去时间项 t 就能得到与 空间电势差 V 呈 线性关系的输出量， 将此输出量在标准电场发生器进行标定，将标定曲线作为测量比对曲线，则 对于空间电场 E 的测量就可以 很好地实现。 场测量仪 测量 模块 的 功能组成与 硬件结构 量探头与后端数据采集系统的功能组成 本套电场测量仪的硬件结构组成简单，主要分为测量探头模块、后端电路处理模块、数据采集主机、以及模块之间的模拟和数字信号连接线、和输入输出端口。每个测量探头处都通过感应电极振动采集空间电场影响下的感应电流 )(兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 再将 )(出到探头前端的信号预处理模块进行初步信号处理，处理后的模拟信号将进入后端电路处理模块内完成二级放大、 模数转换和单片机内的进一步的信号运算。后端电路模块处理完成的数字信号又通过与数据采集主机的接口，输送到数据采集主机内进行数据采集，再由数据采集主机将整合各个探头传回的实时采集数据并存储，然后将所有探头的数据通过人机接口显示在计算机 终端 的主机软件中。 整个 测量 系统的 功能 组成见 下 图 所示： 图 电场仪测量模块功能构成图 量探头与后 端 硬件结构设计 在本套电场测量系统中，对探头整体的机械设计结构形式图 示，由置于测量探头外壳顶端处的金属感应片作为感应机构，其后附有对初始感应信号的预处理电 路。测量探头和后端处理盒之间通过模拟信号传输线连接，后端处理盒接收前端信号线传回的信号进行相应处理，并通过输出端口连至数据采集主机 。其中，对于信号的预处理在测量探头后附带的预处理电路内完成，而对于信号的进一步数字采集处理，将放在后端处理盒内 完成 。这样，有效缩减了测量探头内需包含的元件 数量 ，因此缩小了测量探头的体积，而把其余元件集成在后端处理盒内，连接测量探头和后端处理盒的模拟信号线要求具有良好的屏蔽性，且长度不超过 100 在测量电场时，只需要根据测量位置的需要，将测量后端处理盒悬挂或垂下在测量探头后方 ，而不会将后端处理盒的体积带入到对测量探头处的风场和电场的影响中去。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 图 电场仪探头组成示意图 量探头的测量功能模块机械结构设计 如图 示为单向的探头切面 示意 图：其中 1 为感应金属片 A ，材料为 电路板镀 金属铜； 2 为相同材质相同面积的金属感应片 B ，与 A 平行构成电容来消除对地杂散电场 ； 3 为感应电极 A 与感应片 B 间的绝缘介质， 也即印刷电路板的绝缘介质。 感应片 B 通过连接探头外壳接地； 4 为驱动感应电极 A 振动的振子， 受 频率为 200余弦信号激励 ，工作后带动感应电极 A 振动的振幅为15 为激励信号线，为振子提供激励信号；感应电极 A 上的感应电流 )(过连线 6 输入到前端模拟信号预处理模块 7，以进行感应信号的模拟预处理。 图 电场仪探头切面结构示意图 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 头感应电极对地杂散电容计 从上文中我们知道，本套电场测量 仪 主要基于动态电容 测量 原理，即依靠 探头处的 感应电极 A 与空间无穷远处带电体 Q 构成动态电容 C 来采集某一空间电场下的感应电 流 )(而实际情况中，由于地面也带有相当 数量 的感应电荷，即实际 与感应电极 A 形成 的 空间 电容不仅有 C ，还有对地的杂散电容果不采取相应处理措施， 探头与外空间形成的等效电容将变成 C 与对地杂散电容对地杂散电容 并无可公式化描述的关系，因此采集到的感应电流 )(不再与空间电场 E 呈 函数 关系。这里我们通过将感应片B 接外壳，而外壳又接地的方式消除这一部分杂散电容 如图 示，因为感应 电极 A 、 B 构成的电容极 A 对地的杂散电容此消去了对地杂散电容只有通过这一处理，才可使得电场探头排除对地杂散电容 的影响，这一点也是其余形式电场仪无法用于风沙电场测量的原因，常见的其他电场仪 的感应模块通常都做接地处理，会引入来自地面的电荷干扰。 图 感应电极对地杂散电容的消除示意 场测量仪 探头前端 测量功能模块的电路实现 头单向前端感应信号预处理电路的设计 测量探头前端 中的预处理 电路负责将感应电极 上 采集到的变化感应电荷转换为可以测得的电信号，因此 探头前端部分的信号模拟预处理电路 将肩负着 使 变兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 化感应电荷信号转变为可测信号的任务，也是全套电场仪中最关键的处理机构 结构 。信号模拟预处理模块的电路 处理流程见图 示： 图 向感应探头前端信号预处理流程图 如图 由探头处变化的感应电荷充放电而产生的感应电流信号 )(感应 电极 A 输出后，进入 到 变化模块转换为与 )(频率变化的电压 )(电压 )(通过交流放大器将 )(的交流有效信号放大到 )(后的全波变换模块将 )(一步再通过直流放大 滤波 模块放大并取出以直流信号为主的输出 由式（ 7）可知道，感应电极处获取的感应电流信号 )(分微小，需要前端变换电路将其转化为同频率变化的可测电压信号。 其中 转换模块 和交流放大模块如图 示 ， 从上文可知，运算放大器采用 件， 模块的输入端接入预滤波电容1信号 预 处理之前先行滤除掉一部分高频环境噪声信号 ，将高频干扰作接地处理。通过 变化模块，感应电流信号 )(转换为同频率的交变电压信号 )( 这里我们利用理想运算放大器的特殊性质，采用简单的电路连接方式实现这一转换功能，电路示意如图 图 号预处理电路中的前端 换电路 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 如图可见，感应电极 A 输出端连入运算放大器反向输入端 P ，因常见运算放大器输入电阻012量级以上，这里将 模块中的运放输入电阻据理想运放的虚短性质，将运放同相输入端接地，则反向端 P 点处电位可近似看作为零。当外界垂直于感应片施加电场 E 后，感应电流信号 )(过电阻 *R 在运放的输出端形成交变的电压信号 )(因 *R 为 106量级，远低于运放的输入电阻根据理想运放的虚断性质，前端感应电流 )(R ，在 P 点处的损耗可忽略不计。因此得到的同频率变化电压信号 )(则 )(以表示为： s s (8) 这里的系数 * 。可知通过 转换电路， )(转换成了幅值为 H 倍的同频率交流电压信号 )( 转换模块 和交流放大模块连接电路如图 示 ， 之 后 模块与交流放大模块以耦合电容2阻隔可能存在的直流干扰信号，以此实现交流放大功能。 通过后端的另一只 算放大器， )(放大到 )(里的 )(因此 交流信号 前方与 模块 连接的 耦合电容2 图 号预处理模块的 换电路和交流放大电路 处理电路的全波转换模块与直流放大滤波设计 下面，我们将分析全波转换电路结构和直流放大结构。 如图 示 ： 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 图 号预处理模块中的全波变换与直流放大滤波电路 一、 全波变换电路的实现 ： 如图 示为信号预处理模块的全波转换电路结构和直流放大结构图。 全波转换电路由乘法器构成，乘法器 输入为前端交流放大输出 )(由于系统设计， 单向 感应电流 )(频率为 200即 )(00样的信号频率下，电路元件之间的传输延迟时间可以忽略。可以看到，在进行直流放大之前，全波变换电路的输出 )(C 正弦波发生电路输出 W 与交流放大输出 )(出于精简探头内预处理电路元件数量的考虑， 这里 的 弦波发生电路是设置在 后端综合处理盒 内的综合电路处理模块内，而 为了信号处理方便， 分压电阻 1R 、 2R 则是在单向探头预处理模块中，因为驱动 振子 振动的 激励信号 和乘法器的输入正弦信号 W 都是 由同一个 荡电路产生，因此 )(弦信号 W 的相位和频率 均 相同 。套电场仪对于探头体积的要求要尽可能小 ，所以 信号 预处理模块 只 集成少部分元件 ， 对于 驱动电极振动的振子 激励，则是在弦波发生电路输出后进行移相 和交流放大输出的 余弦信号 ，全部都在后端综合处理盒内 。接着前面的介绍，全波电路由乘法器构成，输出信号为 )( 相乘得到。通过分压电阻 1R 、 2R ， 我们 可以将正弦信号 W 的振幅恰好调整为 1，则 W 可以写成： (9) 则经过 变换和交流放大后的信号为： s )( ， (10) 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 因此全波变换电路的输出为： 2s )( (11) 经过三角变换，此输出可以写作： )2co s (222 )2co s (1)( (12) 可以看出，全波变换后的信号 )(直流分量 2 (13) 交流分量 )2c o s (2 (14) 由于信号预处理电路需要关注和完成的有两点关键，只有这两个关键问题解决才能取得可以被测量的信号：一、如何取得与空间电势差呈线性关系的输出量，或取得包含有与空间电势差呈线性输出量分量的输出量。二，通过何种方式可以测得空间电势差影响下的 输出量极性，以反映空间实时电场的矢量方向。这里的全波电路就很好的解决了以上的问题。不难看出，上式 （ 13） 中 直流 分量 呈 很好的 线性关系，可以作为测量 参量 。这里的全部波变换电路针对于我们要测量的感应有效信号有两个设计功能： 1 通过全波变化得到 包含有与 电势差 V 呈 良好 线性关系且易于抽取直流信号的全波信号 )( 2 通过全波变换测得空间电 场 E 的矢量方向，从式 （ 11） 可以看出，全波输出信号中 t2大于零，而 于零的 常数，那么全波输出信号 )( 的极性，通过这样一个巧妙地变换，将原来 以 正负极性变化的感应信号，不失真的转换为仅依赖空间电场方向的单极性感应信号， 这样就实现了电场矢量方向的测量。 二、 直流分量分离与 放大电路的实现 ： 由于 直流信号更方便进行 A/D 转换和数据处理， 且只有直流信号才能得到与空间电场的线性标定关系。 下一步将采用直流放大电路对直流信号体的电路连接如图 示： 设直流放大电路的输出流分量为： 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 435 (15) 那么对于交流信号 ，则有： )(1( 4343152 5 (16) 在电路中，我们选取 5 43 21 F，而有效信号的频率 f 200经过全波变换后变为 f 400将以上参数分别代入式（ 15） 、式 （ 16） ，计算可得电路对直流分量放大倍数为 5对交流分量的放大倍数 0000157.0此可见， 此处 电路对于交流分 量的放大系数非常小，可近似认为交流分量而直流分量此，此处的电路不仅取出并放大了直流信号分量滤除了大部分交流信号分量，进一步消除了各种噪声和随机干扰。 这里的直流放大电路设计，基于抗干扰的角度进行了考虑，即通过直流和交流放大两部分放大电路，分流了一部分交流放大电路的压力，由于电路中的大电阻容易产生噪声，通过设置直流放大和交流放大同时存在的电 路，即避免了交流放大电路的反馈电阻过大造成对微小感应信号的干扰。 处理电路对于感应电极接触电流的处理 我们知道，感应金属片不仅因为空间电场的存在而产生感应电荷因为空间中各种带电颗粒对于感应金属片的接触，也会发生接触电荷(其是在引言中提到的风沙环境，沙粒普遍带有电荷。对于本套电场测量仪来说，除去前文中提到的对地杂散电容触电流 )(为接触电流 )(有固定的频率，令 )()( c (17) ()(么可以知道，在前端滤波电容 1C 处，下的C 阻挡而不能通过。经过上面两步，)(仅剩下 )(分为主。设 )(过 变换，且通过交流放大被放大到 )()( 相乘时，因为正弦信号的特殊性，仅在特定的时间点上 W 才可以达到最大值 1，其余时刻 W 的绝对值均小于 1，而)(为其随机性，与 W 的频率不同步，也即大部分时间 )( 都小于)(在全波变换模块， )(衰减到 )(其后的直流放大电路对交流信号 )(此 )(妨举兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 例说明：假设 )(交流分量，那么通过式 (14)计算可得直流放大电路对其的交流放大系数为 01921.0频交流信号也可以被很大 幅度 的衰减。 因此 设置交流放大和直流放大而非交流放大和低通滤波取出有效信号的还有一个更重要的目的，也是更为关键的设计目标，就是进一步降低带电颗粒对于感应片的接触电流 )(通过这一分析可知，若将放大功能全 部集中于交流放大部分，那么 )(果单单采用低通滤波去除直流分量， )(利于降低接触电流 )(影响结果造成失真。 理盒内 综合电路模块的 电路设计 以及数据采集系统传输设计 如前文所描述的，处理盒内主要完成信号的进一步加工以及对于振子的激励信号产生，电源稳压等工作。对于前端预处理模块处理完成的信号的数字加工，将在下一 章进行描述，这里给出综合电路处理盒内对于激励信号的产生电路。 子激励信号产生电路 如图 示， 本套电场测量仪采用三只 放，依靠电压信号形成激 振荡电路 产生正弦波信号并做后期移相和放大处理 ， 使得 初始形成的正弦波信号经过处理，转换为余弦信号，输出到振子提供 振动 激励，这样振子可以在余弦信号的作用下做周期往复振动。除此之外，由上文我们知道， 荡电路产生的信号的另一功能，便是为全波转换模块提供乘算子 W ，如图所示， 经过探头前端预处理电路盒内的分压电阻，将此信号转换为振幅为 1 的正弦信号 W 与探头前端感应信号做乘法运算，便可以得到全波输出波形。 图 子振动激励信号发生电路 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 场仪数据采集系统概述 如图所示为电场仪的功能组块，但实际上，一个数据采集主机是连有多个电场采集探头， 数 据采集主机将不同的探头数据整理存储后，便输出到计算机端显示。而探头输出端口与数据采集主机的接口便相当于每一个数据通道的开关，当某路探头接入数据采集系统后，此 路 数据通道导通，数据采集系统中 的主 控模块将对所有导通的数据通道，也 即为 各个探头发出地址信号， 再 由各个探头收到地址信号后做出的应答作为响应信号，开始采集并记录显示该通道的实时电场测量值。 所以，最终的电场仪硬件组成形式为 图 示： 在这里，我们的数据采集主机和以往的振动电容式电场仪比，省去了模数转换模块，模数转换分别是在各个探头处就已完成。所以数据采集 主机主要的功能主要就是采集各个探头传回的数字信号，并依据探头通道对每组数据进行编号 。元件组成更为简单，只需要专门的数字信号数据采集卡就可以完成。另外，数据采集主机上包含有与计算机通讯接口，除此之外，还需要将 220V 的交流市电变压成为整套测量系统中元件所需要的直流电压值。 图 据采集主机与探头模块的连接示意图 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 场仪的测量标定 及标定实验结果 场仪的标定环境 经过测量得到后的信号值，并不能直接作为电场强度值使用，必须在匀强电场发生器内进行标定，以标定曲线的关系，对应出某一电压信号 下电场值的输出。其中，标定装置为两个通高压电源的平行金属板构成，根据国标文件要求，对于电场仪的标定器采用如图 机构。由两个 平行金属板通高压后，两板间产生 出电场，而这种情况下产生的 电场在 会在 金属板边缘 形成 边缘效应， 也即金属边的边缘部位电场不是匀强电场， 则能够用于标定的区域仅为中间特定面积部分。这里我们的标定器做成如下形式，两块平行均匀材质的金属板，厚度相同，面积为 500行放置，上下极板间隔为 15中央匀强电场范围为200域，如图 下极板灰色区域 所示的 对应面积 。 图 准电场标定装置 这里，需要标定的探头由左侧一 个 可移动的 机械 抓手固定，抓手所在支架有前后和上下调节阀，将探头固定在抓手上后，放入对准悬空在匀强电场区域内，打开高压开关，则可以开始标定过程。由于高压电具有一定的危险性，为了避免其对空气击穿放电，需要在金属板上下以绝缘良好的材料制作保护层，防止发生意外。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 场仪在标准电场发生器中的标定实验结果 通过电场仪后端的响应信号大小求出空间电场数值，主要依靠电场仪在标准电场中的标定关系实现。整个电场仪的标定过程是在由平行金属板组成的标准电场 发生器内进行的，当两个金属板上所通电压强度一定时，根据两金属板的距离可以计算出平行板间的电场值。将单向的探头垂直于平行板方向，放入电场发生器的中心匀强电场区进行实验。通过改变平行金属板上所通电压的强度，得到不同的场强值，依次测得电场仪后端响应信号值，并求出其与施加电场强度的关系曲线即为标定过程。由于本电场仪探头的三个方向探头元件构成相同，以下给出X 方向的探头标定实验结果做说明： 0 0 25 50 75 100 0 0 0 0 0 0 00500100015002000Uo(k V / m)图 场仪在标准电场发 生器中的标定实验结果 如图 示，横轴为电场发生器中给出的标准电场值，纵轴为电场仪探头的输出。当改变电场发生器平行金属板上施加的电压值后，得到 26 组不同电场值下的电场仪后端的响应 施加电场 E 的关系曲线。又从图 看到，在施加电场为 0kV/m 时电场仪依旧有响应输出，且关系曲线在电场强度为27kV/m 的地方出现了拐点，曲线斜率在此处发生了一定程度内陷。这是因为测试环境并不是完全理想的，由于在开始测试时不断向两平行金属板上通高压电源，在去掉或使金属板上的电压值小于某一强度值后，金属板上存在的残余电荷会产生一个残余电场，表现为如图 特点。只需要对标定曲线进行计算处理，消去残余电场的影响，便可以得到理想的输出特性曲线，呈现非常良好的线性关系。 兰州大学硕士研究生学位论文 基于振动电容传感器的数字电场测量仪设计 章小结 本 章 所设计的两段式 电场测量仪利用了动态电容测量技术，采用了更小体积的振动 电容 式探头实 现了对小间距的空间点电场测量，改进了旋转电极式电场测量仪频率不高于 30缺陷，使得工作采样频率达到