本發(fā)明設(shè)計傳感器技術(shù)領(lǐng)域和儀器儀表領(lǐng)域，尤其涉及一種電場傳感器動態(tài)測試標定裝置。

背景技術(shù)：

電場傳感器是測量電場強度的儀器，在氣象探測、航空航天、電力電子、智能電網(wǎng)、工業(yè)安全、國防、科學(xué)研究等領(lǐng)域具有非常重要的作用。

電場傳感器動態(tài)測試標定裝置為電場傳感器的特性參數(shù)確定和性能評估提供了有效手段和依據(jù)，對電場傳感器的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。電場傳感器動態(tài)測試標定裝置本身的性能和精度直接影響電場傳感器的實際探測和創(chuàng)新研究。

目前國際上并沒有統(tǒng)一的電場傳感器檢測標準，一般采用在兩塊平行金屬板上加載穩(wěn)定電壓產(chǎn)生均勻電場，而后利用該均勻電場對電場傳感器進行標定。然而現(xiàn)有測試設(shè)備一般僅能進行一維電場測試標定，不能連續(xù)完成三維方向的測試標定；無法調(diào)控測試設(shè)備內(nèi)部的溫度、濕度、氣壓、空間電荷等環(huán)境參數(shù)，不能考察溫度、濕度、氣壓、空間電荷等因素對電場傳感器性能的影響，因而不能對電場傳感器在不同領(lǐng)域應(yīng)用環(huán)境下的性能進行研究、測試和標定；不能對空間電荷效應(yīng)進行動態(tài)實驗，難以對電場傳感器表面電荷積累進行機理研究與分析，不利于探索電場傳感器抗靜電干擾、抑制表面電荷積累的方法和技術(shù)途徑。

當前的電場傳感器動態(tài)測試標定裝置難以滿足電場傳感器研制過程中針對不同應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用環(huán)境下電場傳感器性能的實驗研究和測試標定，更無法用于電場傳感器新結(jié)構(gòu)、新材料、新封裝方法等方面所涉及的各種物理問題的實驗研究和探索，制約了高性能新型電場傳感器的研發(fā)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電場傳感器動態(tài)測試標定裝置。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明實施例的一個方面提供了一種電場傳感器動態(tài)測試標定裝置。該電場傳感器動態(tài)測試標定裝置包括：屏蔽箱體；電場產(chǎn)生組件，固定于所述屏蔽箱體內(nèi)，用于產(chǎn)生電場；運動控制組件，固定于所述屏蔽箱體內(nèi)，實現(xiàn)待測電場傳感器位置和姿態(tài)的調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)采集組件，與所述運動控制組件和待測電場傳感器電性連接，用于采集關(guān)于待測電場傳感器輸出、待測傳感器運動姿態(tài)的數(shù)據(jù)；以及分析控制系統(tǒng)，與所述運動控制組件、數(shù)據(jù)采集組件電性連接，用于待測傳感器位置、姿態(tài)控制和數(shù)據(jù)處理分析。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明電場傳感器動態(tài)測試標定裝置至少具有以下有益效果其中之一：

(1)與已有的電場傳感器標定設(shè)備相比，本發(fā)明可以對一維、三維、微型等多種結(jié)構(gòu)的電場傳感器進行自動化標定測試，獲取電場傳感器靜態(tài)性能指標。

(2)采用運動控制組件能夠?qū)θS電場傳感器進行連續(xù)動態(tài)的測試標定，與傳統(tǒng)人為調(diào)節(jié)傳感器姿態(tài)相比極大地提升了三維電場傳感器的測試效率，減小了操作過程中觸電的危險。

(3)能夠?qū)鞲衅鞅砻骐姾蛇M行監(jiān)測，有利于對傳感器表面電荷積累進行機理研究與分析，探索傳感器抗靜電干擾、抑制表面電荷積累的方法和技術(shù)途徑。

(4)能夠提供均勻的離子流電場環(huán)境，為研究空間電荷對傳感器輸出特性影響，分析直流高壓輸電領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯男阅苄枨?，?chuàng)造了便利條件。

(5)能夠監(jiān)測控制傳感器測試標定過程中的溫度、濕度、氣壓等環(huán)境參數(shù)，為傳感器進行環(huán)境適應(yīng)性試驗提供了可靠的技術(shù)手段。

(6)采用工控機和計算機終端對標定裝置中的各個參數(shù)進行分析處理并控制相應(yīng)執(zhí)行器工作，能夠精確地設(shè)定標定測試環(huán)境，提高標定精度。針對傳感器測試標定，計算機終端遠程控制高壓電源，實現(xiàn)測試箱內(nèi)部電場的自動化高精度調(diào)節(jié)，對傳感器輸出數(shù)據(jù)進行自動化采集和數(shù)據(jù)處理，獲取傳感器各項技術(shù)指標，提升測試標定效率。

由于具有上述優(yōu)點，本發(fā)明能夠廣泛用于電場傳感器的批量化標定測試，具有較強的使用價值和較好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例電場傳感器動態(tài)測試標定裝置的整體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為圖1所示電場傳感器動態(tài)測試標定裝置中各組成部分的立體透視圖；

圖3為圖1所示電場傳感器動態(tài)測試標定裝置中屏蔽箱體的立體透視圖；

圖4為圖1所示電場傳感器動態(tài)測試標定裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖5為圖1所示電場傳感器動態(tài)測試標定裝置中運動控制組件與表面電荷測量組件示意圖

圖6為圖1所示電場傳感器動態(tài)測試標定裝置中三種典型的傳感器夾具的示意圖。

【主要元件】

1-屏蔽箱體；

10-環(huán)境變量接口； 11-高壓直流電源接頭； 12-單開門結(jié)構(gòu)；

14-玻璃觀察窗； 13-門把手； 15-不銹鋼承重板；

16-第二承重滑軌組； 17-第一承重滑軌組；

2-離子流電場產(chǎn)生組件；

18-A極板； 19-B極板； 20-C極板；

21-D極板； 22-E極板； 23-絕緣支撐柱

24-單開門絕緣結(jié)構(gòu)； 25-導(dǎo)電金屬絲； 26-等分壓電阻；

3-運動控制組件；

27-伺服電機； 28-電機傳動軸； 29-傳感器連接頭；

33-傳感器夾具； 30-支撐架；

4-表面電荷測量組件；

31-表面電荷測量單元； 32-支架；

33、34和35-傳感器夾具；

5-數(shù)據(jù)采集組件；

6-環(huán)境變量控制組件；

7-計算機終端；

8-直流高壓電源組件；

9-數(shù)據(jù)通訊接口。

具體實施方式

本發(fā)明提出了一種新型的電場傳感器動態(tài)測試標定裝置，其不僅能夠?qū)σ痪S、三維、微型等多種結(jié)構(gòu)電場傳感器進行測試與標定，還能在標定過程中控制電場傳感器的位置和姿態(tài)調(diào)節(jié)空間離子流密度、溫度、濕度和氣壓等環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)不同應(yīng)用環(huán)境下的電場傳感器性能研究和動態(tài)測試標定。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種電場傳感器動態(tài)測試標定裝置。請參照圖1，該電場傳感器動態(tài)測試標定裝置包括：屏蔽箱體1、離子流電場產(chǎn)生組件2、運動控制組件3、表面電荷測量組件4、數(shù)據(jù)采集組件5、環(huán)境變量控制組件6、分析控制系統(tǒng)和直流高壓電源組件8等。

如圖1所示，本實施例中，離子流電場產(chǎn)生組件2固定于屏蔽箱體1內(nèi)，能夠提供高精度均勻電場，同時向該電場內(nèi)發(fā)射離子流。運動控制組件3固定于屏蔽箱體1內(nèi)，用于將待測電場傳感器伸入上述均勻電場內(nèi)，實現(xiàn)在標定過程中待測電場傳感器在所述均勻電場內(nèi)位置和姿態(tài)的三維調(diào)節(jié)。表面電荷測量組件4用于測量待測電場傳感器表面電荷分布；環(huán)境變量控制組件6用于實時調(diào)整屏蔽箱體內(nèi)部的溫度、濕度和氣壓環(huán)境參數(shù)；數(shù)據(jù)采集組件5可以采集屏蔽箱體內(nèi)部傳感器輸出信號、待測電場傳感器的姿態(tài)、待測電場傳感器表面電荷分布和環(huán)境參數(shù)、待測電場傳感器的輸出等數(shù)據(jù)，并采用有線或無線的方式傳輸至分析控制系統(tǒng)。直流高壓電源組件8包括：低端正極性直流高壓電源、低端負極性直流高壓電源、高端正極性直流高壓電源、高端負極性直流高壓電源，該四類電源能夠給離子流電場產(chǎn)生組件2的各個部分提供所需直流高壓電源。分析控制系統(tǒng)對各部分進行控制并對數(shù)據(jù)進行處理分析。

以下對本實施例電場傳感器動態(tài)測試標定裝置的各個組成部分進行詳細說明。

本實施例中，如圖3所示，屏蔽箱體1為閉合的長方形箱體，側(cè)面有單開門結(jié)構(gòu)12，門上安裝玻璃觀察窗14和門把手13，用于對電場傳感器動態(tài)測試標定裝置的工作狀態(tài)進行觀察，并方便待測電場傳感器的取放和測試標定裝置內(nèi)部清潔。屏蔽箱體內(nèi)還布置有監(jiān)測溫度、濕度、氣壓的傳感器，用以獲取環(huán)境參數(shù)信息。此外，箱體側(cè)壁連接環(huán)境變量控制組件6用以調(diào)節(jié)箱體內(nèi)溫度、濕度、氣壓等環(huán)境參數(shù)。箱體側(cè)壁上還布置有高壓直流電源接頭11用以將直流高壓電源組件8所提供的直流高壓提供至離子流電場產(chǎn)生組件2的各個部分。箱體側(cè)壁上有布置有數(shù)據(jù)通訊接口9和環(huán)境變量接口10。其中，數(shù)據(jù)通訊接口9用于連接數(shù)據(jù)采集組件5和箱體側(cè)壁的溫度、濕度、氣壓的傳感器；環(huán)境變量接口10作為調(diào)節(jié)箱內(nèi)環(huán)境變量的通道。

需要注意的是，屏蔽箱體1的內(nèi)壁采用無磁性的不銹鋼板材。并且，屏蔽箱體1各個面的結(jié)合處通過箔導(dǎo)電膠帶、焊接金屬、合金或鍍導(dǎo)電膜的方式進行連接，以減小外界電磁環(huán)境對箱體內(nèi)部電場的干擾，實現(xiàn)電磁屏蔽的效果。

本實施例中，電場傳感器動態(tài)測試標定裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。在屏蔽箱體1內(nèi)部，布置有：離子流電場產(chǎn)生組件2、運動控制組件3、表面電荷測量組件4和承重板15。其中，離子流電場產(chǎn)生組件2事實上包括兩部分：電場產(chǎn)生組件和離子流產(chǎn)生組件。在下文中，為方便說明，將離子流電場產(chǎn)生組件2作為一個整體進行說明。

離子流電場產(chǎn)生組件2的整體處于屏蔽箱體內(nèi)，由多層極板結(jié)構(gòu)和絕緣支撐結(jié)構(gòu)組成。

本實施例中，請參照圖2及圖4，離子流電場產(chǎn)生組件2由從上到下依次平行放置的5層金屬極板、5根絕緣支撐柱23與單開門絕緣結(jié)構(gòu)24構(gòu)成。5層金屬測試極板分別為A極板18(作為金屬蓋板)、B極板19(作為電暈絲板)、C極板20(作為離子流控制板)、D極板21(作為第一電場極板)、E極板22(作為第二電場極板)。

其中A極板18、B極板19、C極板20分別加載高精度高穩(wěn)定性的直流高壓電源，用來產(chǎn)生和控制空間離子流，其中：

(1)A極板18作為金屬蓋板，用于吸收異極性的離子，驅(qū)動同極性的離子朝向均勻電場方向運動，形成空間離子流；

(2)B極板19作為電暈絲板，由1條或1條以上電暈絲平行排列而成，用以產(chǎn)生空間離子流；

(3)C極板20作為離子流控制板，用于控制進入均勻電場的空間離子流密度。

D極板21作為第一電場極板、E極板22作為第二電場極板，兩者分別加載高精度高穩(wěn)定性的直流高壓電源，從而在兩者之間形成高精度均勻電場，待測電場傳感器在D極板21和E極板22中間位置進行測試標定。

各層極板的材料選自金屬、合金或表面鍍有導(dǎo)電膜層的材料等。其中，第一電場極板為能使離子流通過的網(wǎng)孔板；第二電場極板可替換為布置有傳感器測試孔的平板或布置有離子流監(jiān)測單元的平板。

請參照圖2及圖4，5層極板依次平行放置，并采用具有良好剛性的若干根絕緣支撐柱隔離固定在不銹鋼承重板15上。

在D極板21和E極板22之間的邊沿處，沿絕緣支撐柱方向設(shè)置若干導(dǎo)電金屬絲25和等分壓電阻26構(gòu)成的等電位結(jié)構(gòu)，以在第一電場極板和第二電場極板之間形成若干個等電位層，從而減少邊緣效應(yīng)的影響。

離子流電場產(chǎn)生組件雖然沒有側(cè)壁，但是存在等電位結(jié)構(gòu)，不便于待測電場傳感器取放。如圖4所示，在離子流電場產(chǎn)生組件2的一側(cè)面上設(shè)置絕緣單開門結(jié)構(gòu)24，該絕緣單開門結(jié)構(gòu)24中間部分鏤空，鏤空部分同其他側(cè)面一樣設(shè)置等電位層。絕緣單開門結(jié)構(gòu)24的左右邊緣框固定在兩側(cè)的絕緣支撐柱上。在需要取放待測電場傳感器時，將單開門絕緣結(jié)構(gòu)24打開，則鏤空部分的等電位結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電金屬絲和分壓電阻隨之移動到其他位置，從而在取下或安裝待測電場傳感器時不會受到導(dǎo)電金屬絲和分壓電阻等的影響，同時保證了操作的安全性。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，該絕緣單開門結(jié)構(gòu)24還可以采用其他類型的絕緣門狀結(jié)構(gòu)來代替，例如：雙開門、側(cè)向推拉門等等，只要能夠?qū)⑺趥?cè)面的等電位層移開，從而在此側(cè)面提供一操作窗口，便于待測電場傳感器的取放即可。

本實施例中，離子流電場產(chǎn)生組件2由絕緣支撐柱23固定在不銹鋼承重板15上。在屏蔽箱體1的底壁上，安裝有第一承重滑軌組17。在該不銹鋼承重板15上，安裝有與該第一承重滑軌組匹配的滑塊。該滑塊卡嵌至該第一承重滑軌組17中，從而使離子流電場產(chǎn)生組件2可以水平拉出屏蔽箱體1，用于清潔及其它操作。其中，不銹鋼承重板15也是采用無磁性的不銹鋼板材加工而成。

本實施例中，運動控制組件3與表面電荷測量組件4結(jié)構(gòu)圖如圖5和圖6所示。其中：運動控制組件3包括：支撐架30、伺服電機27、電機傳動軸28、傳感器連接頭29和傳感器夾具。

本實施例中，支撐架30處于離子流電場產(chǎn)生組件外部，其在升高至第一電場極板和第二電場極板之間的合適高度后，設(shè)置有一安裝板。伺服電機27固定在該安裝板上，其輸出軸連接電機傳動軸28后朝向電場伸出。電機傳動軸的前端固定傳感器連接頭。傳感器夾具固定于傳感器連接頭上，用于固定待測電場傳感器。通過上述設(shè)計，由伺服電機27控制在標定過程中調(diào)節(jié)傳感器的位置和姿態(tài)。

本實施例中，運動控制組件的電機傳動軸、傳感器連接頭及傳感器夾具33、34和35采用具有良好剛性的絕緣材料加工。

傳感器夾具為可拆卸結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)測試需求和傳感器結(jié)構(gòu)進行加工。圖6為圖1所示電場傳感器動態(tài)測試標定裝置中典型的傳感器夾具的示意圖。如圖6所示，傳感器夾具可以為：一維電場傳感器夾具33，正交三維電場傳感器夾具34，35等。此外，傳感器夾具可根據(jù)所需測試的傳感器結(jié)構(gòu)靈活設(shè)計，并不局限于上文給出的幾種結(jié)構(gòu)。

表面電荷測量組件4與運動控制組件3結(jié)合，能夠?qū)鞲衅鞅砻孢M行掃描式測量，便于研究傳感器表面電荷分布情況。請參照圖5，該表面電荷測量組件4包括：表面電荷測量單元31和支架32。其中，支架32為可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其末端可拆卸地固定至支撐架的安裝板上，其前端固定表面電荷測量單元31。通過該支架32，表面電荷測量單元31移動至靠近待測電場傳感器的位置，從而對待測電場傳感器的表面電荷進行測量。

需要特別注意的是，支架32采用具有良好剛性的絕緣材料加工為可拆卸結(jié)構(gòu)，便于適應(yīng)不同電場傳感器和表面電荷測量單元。并且，可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的支架32可以實現(xiàn)長度方面的調(diào)節(jié)(伸縮調(diào)節(jié))、高度方向的調(diào)節(jié)(俯仰調(diào)節(jié))、水平方向的調(diào)節(jié)(偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié))。

在不銹鋼承重板15上還安裝有第二承重滑軌組16。支撐架30的底部安裝有與該第二承重滑軌組16匹配的滑塊。該滑塊卡嵌至該第二承重滑軌組16中，從而運動控制組件3和表面電荷測量組件4可以從離子流電場產(chǎn)生組件2抽出，便于傳感器取放和其它維護。

本實施例中，屏蔽箱體1的箱體側(cè)面，安裝高壓電源接頭11，直流高壓電源組件8通過高壓電源接頭11將電壓引入到箱體內(nèi)部，再通過引線接到各極板上。A極板18與B極板19加載大小相同的高端正極性直流電壓，用以產(chǎn)生空間電荷并驅(qū)動空間電荷向下運動形成空間離子流。C極板20加載高端正極性直流電壓，但是要小于A極板18與B極板19上的電壓。D極板21加載高端正極性直流電壓，E極板22可以接地，也可以加載高端負極性直流電壓。D極板21與E極板22之間形成均勻離子流電場。當不需要離子流環(huán)境時，A極板18、B極板19與C極板20需要接地，D極板21與E極板22此時負極性高壓電源和正極性高壓電源連接位置可互換，互換后，加載在D極板21和E極板22上的電壓極性相反，極板間產(chǎn)生的電場強度極性相反。需特別注意的是，低端高壓電源與高端高壓電源不可同時加載到極板上。

本實施例中，直流高壓電源組件8所采用的高壓電源有6臺，其中高端正極性高壓電源3臺，高端負極性高壓電源1臺，低端正極性高壓電源1臺，低端負極性高壓電源1臺。其中，所述的低端正極性直流高壓電源、低端負極性直流高壓電源用于提供低端高精度電壓；高端正極性直流高壓電源和高端負極性直流高壓電源用于提供高端高精度電壓。

需要注意，當需要產(chǎn)生離子流電場環(huán)境時，A極板18、B極板19與C極板20上所加載電壓都要大于D極板21上電壓。

本實施例中，數(shù)據(jù)采集組件5采集標定裝置內(nèi)部的溫度、濕度、氣壓、離子流密度、電機旋轉(zhuǎn)角度、傳感器表面電荷分布和傳感器輸出等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出到分析控制系統(tǒng)進行分析處理。分析控制系統(tǒng)采用遠程控制方式調(diào)節(jié)加熱器、制冷器、加濕器、除濕器、空氣壓縮機、伺服電機、高壓電源等設(shè)備的工作狀態(tài)。

本實施例中，分析控制系統(tǒng)由計算機終端7來實現(xiàn)，其具有自動化控制和數(shù)據(jù)處理分析功能。通過計算機軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對電場傳感器動態(tài)測試標定裝置的電場強度、電場測量點、時間間隔、傳感器姿態(tài)角度、溫度、濕度、氣壓、離子流密度等參數(shù)的調(diào)節(jié)；同時能夠自動對電場傳感器串行數(shù)據(jù)輸出或模擬電壓電流信號輸出數(shù)據(jù)進行處理分析得到傳感器斜率、截距等參數(shù)；并能進行傳感器不確定度、線性度、重復(fù)性、測量誤差等靜態(tài)性能指標的自動測試。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當對本發(fā)明電場傳感器動態(tài)測試標定裝置有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)傳感器夾具，可以采用可調(diào)節(jié)大小的絕緣夾子或絕緣基座，用以適應(yīng)不同尺寸和形狀的傳感器。

(2)離子流測量部分5層極板的布置方式可以按順序依次平行倒置(即從上到下依次為：22，21，20，19，18)，或平行側(cè)置(即從左到右依次為：18，19，20，21，22；或從左到右依次為：18，19，20，21，22)，在這種情況下，承重板和滑軌結(jié)構(gòu)將會適應(yīng)性調(diào)整。

(3)在不需要離子流的情況下，金屬蓋板、電暈絲板和離子流控制板也可以省略。

(4)關(guān)于等電位層，其還可以是除本發(fā)明實施例給出形式之外的其他形式。

此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)值。并且，實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。

綜上所述，本發(fā)明電場傳感器動態(tài)測試標定裝置通過對離子流電場產(chǎn)生組件以及運動控制組件的獨特設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)對電場傳感器進行連續(xù)動態(tài)的測試標定以及表面電荷積聚消散動態(tài)特性測試，同時能夠通過控制溫度、濕度、氣壓和空間離子流密度等參量模擬高空和地面大氣電場、電網(wǎng)直流輸電線路等應(yīng)用環(huán)境條件，實現(xiàn)不同模擬環(huán)境下電場傳感器性能動態(tài)測試標定，從而滿足不同目的和應(yīng)用場景下電場傳感器研制的需求，具有良好的應(yīng)用前景。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。