基于多通道开关的电场传感器系统

摘要

本公开提供了一种基于多通道开关的电场传感器系统，主要通过多通道控制单元实现对多通道开关阵列的控制，进而控制分立电容阵列与信号检测单元连通和/或断开，把待测量值从检测不稳定的直流信号转化为检测交流信号。本公开针对在外界低频电场的作用下，由于电场的变化非常缓慢，多数情况下几近为直流静电场，频率范围最高不超过数百赫兹，电容两端电压U为极小直流值，而且不稳定，难以检测的问题，本公开通过多通道控制单元控制多通道开关阵列按序通断，实现分立电容阵列的总电容值的交流变化，使得相应的电压从直流量变化为交流信号，从而易于检出，实现低频和直流电场的检测。

权利要求

1.一种基于多通道开关的电场传感器系统，包括：

分立电容阵列，包括n个封装电容，所述n个封装电容电性连接；

感应极板，所述分立电容阵列的所述n个封装电容的第一端与所述感应极板连接，用以实现对外界低频电场信号的感应；

多通道开关阵列，包括n个MOS开关管，每个所述MOS开关管的第一连接端分别和一个封装电容的第二端连接；所述每个MOS开关管的开启和/或关闭，分别使得所述分立电容阵列中相应的封装电容连通和/或断开；

信号检测单元，分别与n个所述MOS开关管的第二连接端及所述感应极板连接，用于测量传感器输出电压信号并对输出信号进行信号处理；以及多通道控制单元，与所述n个MOS开关管的控制端连接，用于对多通道开关阵列进行时序控制；

其中，n＞1，所述多通道控制单元通过对多通道开关阵列的时序控制，实现分立电容阵列中接入电容值的变化，并由所述信号检测单元感测电容两端相应电压的变化，进而计算出外界电场大小。

2.根据权利要求1所述的电场传感器系统，

所述信号检测单元包括：

信号放大子单元，用于放大传感器输出信号，获得交流信号的阶梯变化曲线；以及信号调理子单元，用于对阶梯变化的交流信号进行高频谐波成分去除，以及电压幅度调整；

所述信号放大子单元，其分别与所述感应极板和所述MOS开关管的第二连接端连接，所述MOS开关管的开启和/或关闭，分别使得所述分立电容阵列和所述信号检测单元连通和/或断开，以完成对传感器部分输出信号的检测和/或放大，进而获得交流信号的阶梯变化曲线，以计算出外界电场大小。

3.根据权利要求1所述的电场传感器系统，所述信号检测单元，用于按照如下公式计算外界电场：Q＝U×C＝U×n×C1

其中，Q为感应极板上的外界电场感应的电荷大小，U为电压值，C为分立电容阵列的总电容值，C1为分立电容阵列中的单个封装电容的电容值，U1为总电容值为C1时的电压值，ε为介电常数，S为感应电极面积，E为外界电场；

其中，所述多通道控制单元，用于按照时序控制多通道开关阵列按序通断，得到分立电容阵列的总电容值；

所述信号检测单元，用于测量对应电容两端的电压值，通过所述信号检测单元对电压进行差分放大，获得交流信号电压的阶梯变化曲线；进而用于对阶梯变化的交流信号进行高频谐波成分去除以及电压幅度调整，以输出交流电压信号，得到外界电场大小。

4.根据权利要求1所述的电场传感器系统，其中所述多通道控制单元，由FPGA构成，以按序对n个MOS开关管逐步开启和关闭，实现分立电容阵列的电容值有序变化。

5.根据权利要求1所述的电场传感器系统，其中，所述信号检测单元包括由运算放大器构建的滤波电路和信号放大电路，输出信号依次经过运算放大器构建的差分放大电路、滤波电路和信号调理电路。

6.根据权利要求1所述的电场传感器系统，其中，所述低频电场的频率不超过1000Hz。

7.根据权利要求1所述的电场传感器系统，其中，所述分立电容阵列的阵列排布为并联阵列排布；所述多通道开关阵列的阵列排布为并联阵列排布。

8.根据权利要求1所述的电场传感器系统，其中，所述感应极板为金属极板，其材料为金属导体。

9.根据权利要求1所述的电场传感器系统，其中，所述感应极板基于印刷电路板制作，所述感应极板不与所述分立电容阵列相连的一面覆铜。

10.根据权利要求1所述的电场传感器系统，其中，所述分立电容阵列与所述感应极板通过焊接连接。

说明书

基于多通道开关的电场传感器系统

技术领域

[0001] 本公开涉及低频电场测量用传感器领域，尤其涉及一种基于多通道开关的电场传感器系统。

背景技术

[0002] 电场测量技术的应用非常广泛，采用电场传感器对电离层的电场进行探测，可以获取全球的电磁场分布信息，可以获取地震、火山、海啸爆发前电离层中电磁场变化的异常，为自然灾害的预报提供重要依据，可以研究空间天气对电离层及其人类活动如通讯导航、卫星定位的影响，对地球物理科学研究工作、指导人类工业活动都具有重要的意义。

[0003] 静电对人类生产和生活的危害日益引起关注。静电场作为一种近场危害源，在某些条件下，可以对军事和工业带来重大的损失和伤害，造成生命和经济损失。因此，精确测量静电参数，特别是静电电位值非常必要。静电测试可以为静电防护工程设计提供数据和支撑，可以用来判别实际环境中的静电放电危害源，也可以用来评价静电防护措施的效果。

[0004] 电场传感器是测量电场强度仪器，在气象探测、航空航天、电力电子、智能电网、工业安全、国防、科学研究等领域具有非常重要的作用。电场传感器通过工作原理的不同，主要分为电荷感应式电场传感器和光学式电场传感器。光学式电场传感器具有响应速度快、噪声低的优点，但这类传感器只适用于高频电场、交流电场的测量，造价高且温度稳定性差。低频电场的检测是一个难点，而电荷感应式电场传感器中的机电式电场传感器可以实现对直流静电场的测量，适用于低频电场测量领域。

[0005] 现有的机电式电场传感器和振动电容式静电计均包含机械运动部件，部件易耗损，工作点漂移大，并且检测方法复杂，不利于使用和小型化。此外，现有的采用变容二极管方式的电场传感器结构复杂，必须采用变压器实现驱动信号的隔离，并且工作曲线不一致，而且温度稳定性差导致工作点漂移。因此，本发明方案针对以上电场传感器的不足，提出一种新型结构的低频电场传感器。

发明内容

[0006] (一)要解决的技术问题

[0007] 本公开提供了一种基于多通道开关的电场传感器系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

[0008] (二)技术方案

[0009] 根据本公开的一个方面，提供了一种基于多通道开关的电场传感器系统，包括：分立电容阵列，包括n个封装电容，n个封装电容电性连接，其中，感应极板，分立电容阵列的n个封装电容的第一端与感应极板连接，用以实现对外界低频电场信号的感应；多通道开关阵列，包括n个MOS开关管，每个MOS开关管的第一连接端分别和一个封装电容的第二端连接；每个MOS开关管的开启和/或关闭，分别使得分立电容阵列中相应的封装电容连通和/或断开；信号检测单元，分别与n个MOS开关管的第二连接端及感应极板连接，用于测量传感器输出电压信号并对输出信号进行信号处理；多通道控制单元，与n个MOS开关管的控制端连接，用于对多通道开关阵列进行时序控制；其中，n＞1，多通道控制单元通过对多通道开关阵列的时序控制，实现分立电容阵列中接入电容值的变化，并由信号检测单元感测电容两端相应电压的变化，进而计算出外界电场大小。

[0010] 在本公开的一些实施例中，信号检测单元包括：信号放大子单元，用于放大传感器输出信号，获得交流信号的阶梯变化曲线。信号调理子单元，用于对阶梯变化的交流信号进行高频谐波成分去除，以及电压幅度调整。信号放大子单元，其分别与感应极板和MOS开关管的第二连接端连接，MOS开关管的开启和/或关闭，分别使得分立电容阵列和信号检测单元连通和/或断开，以完成对传感器部分输出信号的检测和/或放大，进而获得交流信号的阶梯变化曲线，以计算出外界电场大小。

[0011] 在本公开的一些实施例中，信号检测单元，用于按照如下公式计算外界电场：

[0012] Q＝U×C＝U×n×C1

[0013]

[0014] 其中，Q为感应极板上的外界电场感应的电荷大小，U为电压值，C为分立电容阵列的总电容值，C1为分立电容阵列中的单个封装电容的电容值，U1为总电容值为C1时的电压值，ε为介电常数，S为感应电极面积，E为外界电场；其中，多通道控制单元，用于按照时序控制多通道开关阵列按序通断，得到分立电容阵列的总电容值；信号检测单元，用于测量对应电容两端的电压值，通过信号检测单元对电压进行差分放大，获得交流信号电压的阶梯变化曲线；进而用于对阶梯变化的交流信号进行高频谐波成分去除以及电压幅度调整，以交流输出电压信号，得到外界电场大小。

[0015] 在本公开的一些实施例中，多通道控制单元，由FPGA构成，以按序对n个MOS开关管逐步开启和关闭，实现分立电容阵列的电容值有序变化。

[0016] 在本公开的一些实施例中，信号检测单元包括由运算放大器构建的滤波电路和信号放大电路，输出信号依次经过运算放大器构建的差分放大电路、滤波电路和信号调理电路。

[0017] 在本公开的一些实施例中，低频电场的频率不超过1000Hz。

[0018] 在本公开的一些实施例中，分立电容阵列的阵列排布为并联阵列排布；多通道开关阵列的阵列排布为并联阵列排布。

[0019] 在本公开的一些实施例中，感应极板为金属极板，其材料为锡、金、不锈钢、铝等金属导体。

[0020] 在本公开的一些实施例中，感应极板基于印刷电路板制作，感应极板不与分立电容阵列相连的一面覆铜。

[0021] 在本公开的一些实施例中，分立电容阵列与感应极板通过焊接连接。

[0022] (三)有益效果

[0023] 从上述技术方案可以看出，本公开基于多通道开关的电场传感器系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

[0024] (1)分立电容阵列设计，可以实现电容的有效宽范围变化，没有机械运动部件，没有耗损，可以长时间工作。

[0025] (2)分立电容阵列设计，配合多通道开关控制，结构一致性强，温度稳定性高，有利于批量化生产加工。

[0026] (3)信号检测单元的设置，实现了对传感器部分输出信号的检测和放大。

[0027] (4)多通道控制单元，实现对多通道开关阵列的时序控制，实现分立电容阵列的电容值有序变化。

附图说明

[0028] 图1为本公开实施例基于多通道开关的电场传感器系统的结构示意图。

[0029] 【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

[0030] 1-感应极板；              2-分立电容阵列；

[0031] 3-多通道开关阵列；        4-信号检测单元；

[0032] 5-多通道控制单元。

具体实施方式

[0033] 本公开提供了一种基于多通道开关的电场传感器系统，主要通过多通道控制单元实现对多通道开关阵列的控制，进而控制分立电容阵列与信号检测单元连通和/或断开，把待测量值从检测不稳定的直流信号转化为检测交流信号。本公开主要解决的问题为在外界低频电场的作用下，电场的变化非常缓慢，多数情况下几近为直流静电场，频率范围最高不超过数百赫兹，电容两端电压U为极小直流值，而且不稳定，难以检测。本公开中多通道控制单元控制多通道开关阵列按序通断，实现分立电容阵列的总电容值的交流变化，使得相应的U从直流量变化为交流信号，从而易于检出，实现低频和直流电场的检测。

[0034] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

[0035] 本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

[0036] 在本公开所提供的低频电场传感器系统置于外界电场E中，基于电磁学原理如下：

[0037]

[0038] 其中D为电位移矢量。

[0039] D＝εE

[0040] ε为介电常数，E为外界电场，Q为感应极板1上的外界电场E感应的电荷大小。

[0041] 可以看出，Q由外部电场E感应得出，在感应极板1面积固定不变时，Q的大小正比于外界电场。

[0042] 分立电容阵列2中的单个电容值为C1，由于电路形式为并联，所以总电容值为C＝nC1，两端电压为U，根据电路原理，Q大小为：

[0043] Q＝U×C＝U×n×C1

[0044] 由于Q在待测静电场中不发生变化，本发明通过有效改变C的大小，可以导致U的变化，所以，检测交流信号U就可以反应出外界电场的大小。

[0045] 在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于多通道开关的电场传感器系统。图1为本公开实施例基于多通道开关的电场传感器系统的结构示意图。如图1所示，具体包括：分立电容阵列2、感应极板1、多通道开关阵列3和信号检测单元4；分立电容阵列2，包括n个封装电容，分立电容阵列2的阵列排布为并联阵列排布；感应极板1，其与分立电容阵列2第一端连接，用以实现对外界低频电场信号的感应。感应极板1为金属极板，其材料为锡、金、不锈钢、铝等金属导体。感应极板1还可以基于印刷电路板制作，感应极板1不与分立电容阵列2相连的一面覆铜，制作方便，易于加工，成本低，并且背面的分立电容阵列2和正面的覆铜直接通过通孔连接，信号完整性更好。多通道开关阵列3，其与分立电容阵列2第二端连接，多通道开关阵列3的阵列排布为并联阵列排布；以及信号检测单元4，其分别与感应极板1和多通道开关阵列3连接，以完成对传感器部分输出信号的检测和放大，信号检测单元4由运算放大器构建的滤波电路和信号放大电路，输出信号依次经过运算放大器构建的差分放大电路、滤波电路和信号调理电路。

[0046] 多通道开关阵列3包括n个MOS开关管，每个MOS开关管的第一连接端分别和一个封装电容连接，MOS开关管的第二连接端分别与信号检测单元4连接，MOS开关管的开启和/或关闭，分别使得分立电容阵列2和信号检测单元4连通和/或断开。本公开还包括多通道控制单元4，与n个MOS开关管的控制端连接，用于对多通道开关阵列3进行时序控制。本公开中多通道控制单元，由FPGA构成，以按序对个MOS开关管逐步开启和关闭，实现分立电容阵列的电容值有序变化。

[0047] 实际使用中的具体操作可以为，具体操作为，通过多通道控制单元5控制多通道开关阵列3按序通断，这时，分立电容阵列2的总电容值依次变化为C1、2C1、......、nC1、(n-1)C1、......、2C1、C1。由于电容值的交流变化，使得电容两端电压U也相应变化为为U1、U1/2、……、U1/n、U1/(n-1)、......、U1/2、U1，所以，通过信号检测单元4对电压U进行差分放大，可以获得交流信号U的阶梯变化曲线；通过信号调理电路对阶梯变化的电压信号U去除高频谐波成分，得到线性平滑交流电压信号。此信号为交流形式，不易受噪声干扰，易于检测。对此信号的峰值进行检测和提取，可以解算出U1，所以可以计算出外界电场的大小为：

[0048]

[0049] 其中，S为感应电极面积。

[0050] 在实际操作和使用中，将所发明传感器放置于规定标准电场中，改变电场值，记录检测电压值，从而建立起检测电压值和外界电场值的对应关系，实现所发明传感器的标定和检测工作。

[0051] 至此，本公开一实施例基于多通道开关的电场传感器系统介绍完毕。

[0052] 至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

[0053] 依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于多通道开关的电场传感器系统有了清楚的认识。

[0054] 综上所述，本公开提供一种基于多通道开关的电场传感器系统。通过多通道控制单元控制多通道开关阵列按序通断，实现分立电容阵列的总电容值交流变化，使得相应的U从直流量变化为交流信号，易于检出，实现低频和直流电场的检测。

[0055] 还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

[0056] 并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

[0057] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

[0058] 再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

[0059] 说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

[0060] 类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

[0061] 以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。