專利名稱：一種有源靜電電場探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面電場測定領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種有源靜電電場探頭。
背景技術(shù)：
目前，存在非接觸性地測定對象物表面所帶靜電電場的靜電測定裝置。這種靜電裝置采用如下原理將探頭靠近對象物，因靜電感應(yīng)探頭前端金屬片帶有感應(yīng)電荷；對探頭內(nèi)線圈供電，使其產(chǎn)生反向電場，作用于探頭前端金屬片；利用振蕩器產(chǎn)生高頻電流信號(hào)，使探頭內(nèi)線圈產(chǎn)生的電場快速變化；監(jiān)測探頭前端金屬片電荷，當(dāng)探頭前端金屬片感應(yīng)電荷為零時(shí)，探頭內(nèi)線圈產(chǎn)生的電場與待測外部電場相持平；記錄此時(shí)探頭內(nèi)線圈電流信號(hào)大小，經(jīng)儀器標(biāo)定得到探頭內(nèi)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電場大小，即為待測電場的測量結(jié)果。在上述靜電裝置的測量中，測量精度不僅依賴于高頻電流信號(hào)的精度，也依賴于探頭前端金屬片感應(yīng)電荷的測量精度；而且探頭測量的反應(yīng)時(shí)間依賴于高頻電流信號(hào)的頻率。若在真空條件下使用上述靜電裝置，探頭上高頻電流信號(hào)需要經(jīng)過真空壁轉(zhuǎn)接到外部儀器，真空轉(zhuǎn)接成本高且容易引起信號(hào)失真，進(jìn)而導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此上述靜電裝置不適合于真空條件下直接使用。上述靜電裝置包含感應(yīng)線圈、高頻電流電路、探頭電荷測量電路，信號(hào)處理系統(tǒng)， 以及數(shù)據(jù)讀取和運(yùn)算系統(tǒng)等。測量結(jié)果需專用電路模塊才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，因此裝置的體積比較大而且成本高。而且探頭內(nèi)線圈電流變換期間具有較高電壓，探頭對外界有放電風(fēng)險(xiǎn)，測量期間探頭必須用絕緣材料固定且人體不可觸摸探頭。此外，在申請?zhí)枮?00820108672.4的專利中公開了一種無源非接觸式表面電位探頭，所述的探頭靠近對象物表面時(shí)，在感應(yīng)電極上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，通過感應(yīng)電荷與對象物表面電位之間的關(guān)系，從而得到對象物表面的電位，因此，這種探頭主要應(yīng)用于電位的測定，并不能直接應(yīng)用于電場的測定，因?yàn)槠錅y量結(jié)果為電位值，需要兩點(diǎn)不同位置電位測量結(jié)果除以兩點(diǎn)間距離才能得到平均電場值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服上述問題提供了一種有源靜電電場探頭。根據(jù)本發(fā)明的有源靜電電場探頭，所述探頭包括前端探頭和電荷傳感器，所述前端探頭包括感應(yīng)金屬片1，所述感應(yīng)金屬片1下方設(shè)置有環(huán)形的壓電薄膜2，該壓電薄膜2 通過相應(yīng)的環(huán)形導(dǎo)電環(huán)3經(jīng)電阻14與第一轉(zhuǎn)接頭9連接；所述感應(yīng)金屬片1上加有靜電電壓，并通過導(dǎo)引電極4經(jīng)電阻14與第二轉(zhuǎn)接頭17連接。根據(jù)本發(fā)明的有源靜電電場探頭，所述電荷傳感器采用2132型傳感器，但在本發(fā)明中電荷傳感器不僅僅局限于2132型，采用其他型號(hào)也能實(shí)現(xiàn)該功能，區(qū)別在于電荷分辨率與量程不同，所述電荷傳感器通過同軸電纜與第一轉(zhuǎn)接頭9連接。本發(fā)明的探測裝置包括前端探頭、可調(diào)電源和電荷傳感器，其中可調(diào)電源和電荷傳感器為市場上可購買的商業(yè)產(chǎn)品。
本發(fā)明的靜電電場探頭，包括前端探頭，參考電極5，電阻14，導(dǎo)線7，和第一轉(zhuǎn)接頭9以及第二轉(zhuǎn)接頭17，其中前端探頭包含感應(yīng)金屬片1、壓電薄膜2、導(dǎo)引電極4和導(dǎo)電環(huán)3，所述感應(yīng)金屬片 1由絕緣蓋10固定于探頭的前端，通過絕緣蓋10的前端螺紋11旋緊固定。所述導(dǎo)引電極4緊貼在感應(yīng)金屬片背面提供靜電電位，并通過電阻14與第二轉(zhuǎn)接頭17連通，由帶靜電電位的感應(yīng)金屬片1靠近對象物感應(yīng)電場斥力，壓電薄膜2在感應(yīng)金屬片1斥力下產(chǎn)生感應(yīng)電荷，導(dǎo)電環(huán)收集感應(yīng)電荷；參考電極5為一金屬塊，處于探頭中間；參考電極5通過金屬桿6連接到導(dǎo)線上， 再經(jīng)導(dǎo)線、電阻14連接到轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部電極15上，進(jìn)而與第一轉(zhuǎn)接頭9連通。電阻14連接導(dǎo)電環(huán)3和第一轉(zhuǎn)接頭9、導(dǎo)引電極4和第二轉(zhuǎn)接頭17，對電路起保護(hù)作用；其中所述第二轉(zhuǎn)接頭17和第一轉(zhuǎn)接頭9固定在絕緣塊12上，絕緣塊12通過尾段螺紋18固定。導(dǎo)線將導(dǎo)引電極連接到電阻上后將電阻連接到第一轉(zhuǎn)接頭9的一極，第一轉(zhuǎn)接頭 9的第二根導(dǎo)線連接參考電極；第三根根導(dǎo)線將導(dǎo)電環(huán)連接到電阻上后再連接到第二轉(zhuǎn)接頭17的一極，第二轉(zhuǎn)接頭17的第二根導(dǎo)線連接到參考電極；第二轉(zhuǎn)接頭17和第一轉(zhuǎn)接頭9均為標(biāo)準(zhǔn)BNC接頭，在探頭外為同軸電纜線插頭。本發(fā)明的探頭內(nèi)參考電極無需供電，經(jīng)轉(zhuǎn)接頭連接電纜線后作為電纜線陰極接入電荷傳感器和可調(diào)電源；導(dǎo)引電極經(jīng)轉(zhuǎn)接頭接入可調(diào)電源，根據(jù)待測電場方向調(diào)整電位極性和電位大??；導(dǎo)電環(huán)與轉(zhuǎn)接頭連通作為電纜線陽極接入電荷傳感器。本發(fā)明中使用的電荷傳感器可以經(jīng)USB插口接入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)上相應(yīng)軟件處理測量結(jié)果。本發(fā)明的探測方法原理是使用電荷傳感器測量導(dǎo)電環(huán)上感應(yīng)電荷的大小，輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)相應(yīng)軟件處理得到對象物表面電場的測量結(jié)果，同時(shí)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對測量結(jié)果的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。本發(fā)明提供的有源靜電電場探頭，在測量期間，使用計(jì)算機(jī)直接與探測裝置相連， 探測裝置小巧方便，測量數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。因此，本發(fā)明的測量精度僅依賴于電荷傳感器的電荷分辨率，其精度得到進(jìn)一步提高；測量反應(yīng)時(shí)間僅依賴于感應(yīng)金屬片受到電場作用時(shí)間，因此測量反應(yīng)快；而且其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，適用于真空轉(zhuǎn)接環(huán)境。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、探頭內(nèi)部參考電極不需供電，探頭前端采用靜電供電，可以用各種材料固定。2、探頭內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)簡單，探頭外有兩個(gè)同軸電纜插頭，適用于真空環(huán)境等各種需轉(zhuǎn)接的場合。3、探測裝置僅包含探頭、可調(diào)電源和電荷傳感器，小巧方便，成本低廉。4、探測裝置與計(jì)算機(jī)相連，可以直接處理和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)測量結(jié)果。


圖1為本發(fā)明的探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的探測方法原理圖3為本發(fā)明的比例系數(shù)修正圖。
1、感應(yīng)金屬片2、壓電薄膜3、導(dǎo)電環(huán)
4、導(dǎo)引電極5、參考電極6、金屬桿
7、導(dǎo)線9、第一轉(zhuǎn)接頭10、絕緣蓋
11、前端螺紋12、絕緣塊13、探頭金屬殼
14、電阻15、轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部電極
17、第二轉(zhuǎn)接頭18、尾端螺紋
具體實(shí)施例方式下面參照附圖對本發(fā)明的有源靜電探頭及探測方法作進(jìn)一步詳細(xì)描述。電荷傳感器可以采用美國PASCO公司的2132型傳感器，當(dāng)然也可以采用其它具有數(shù)據(jù)傳輸功能的電荷傳感器。圖1為無源非接觸式探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，導(dǎo)引電極4根據(jù)電場極性對感應(yīng)金屬片 1施加穩(wěn)定的相同極性靜電電壓，感應(yīng)金屬片1在電場中受到斥力作用擠壓壓電薄膜2產(chǎn)生感應(yīng)電荷。導(dǎo)電環(huán)3靠近壓電薄膜2收集其產(chǎn)生的感應(yīng)電荷。感應(yīng)金屬片1通過絕緣蓋 10從前端螺紋11旋緊固定。導(dǎo)引電極4接上導(dǎo)線經(jīng)過電阻14連通到轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部電極15上。參考電極5固定在探頭內(nèi)絕緣塊12中，透過金屬桿6連接到導(dǎo)線7上，再經(jīng)導(dǎo)線連接到轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部電極15上。第二轉(zhuǎn)接頭17和第一轉(zhuǎn)接頭9固定在絕緣塊12上，絕緣塊12通過尾段螺紋18固定。用探頭探測對象物時(shí)，導(dǎo)引電極4向感應(yīng)金屬片1提供偏壓，使感應(yīng)金屬片1在電場中受到電場斥力擠壓壓電薄膜2，壓電薄膜2受擠壓在背部產(chǎn)生感應(yīng)電荷。此時(shí)導(dǎo)電環(huán)3 由于緊貼著壓電薄膜2背面，導(dǎo)電環(huán)3上具有固定比例的感應(yīng)電荷。由于參考電極5受到探頭金屬殼13的屏蔽作用，不產(chǎn)生感應(yīng)電荷。因此參考電極5與導(dǎo)電環(huán)3上存在電荷差量。導(dǎo)電環(huán)3與參考電極5經(jīng)電阻接入第一轉(zhuǎn)接頭9，第一轉(zhuǎn)接頭9連接同軸電纜，同軸電纜另一端連接電荷傳感器。探頭內(nèi)電阻對電荷傳感器起保護(hù)作用。如圖2所示，可調(diào)電源經(jīng)同軸電纜連接第二轉(zhuǎn)接頭17，可以給導(dǎo)引電極4提供靜電電壓；電荷傳感器經(jīng)同軸電纜連接第一轉(zhuǎn)接頭9并且直接探測到導(dǎo)電環(huán)3與參考電極5間的電荷差量。電荷差量大小在電荷傳感器內(nèi)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)經(jīng)USB接口輸入計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)上配套軟件實(shí)時(shí)記錄。探測裝置的調(diào)零功能在計(jì)算機(jī)軟件上實(shí)現(xiàn)。固定探頭與對象物距離和感應(yīng)金屬片1的電位，當(dāng)對象物表面電場越大，感應(yīng)金屬片1受到斥力約大，壓電薄膜2在導(dǎo)電環(huán)3上的感應(yīng)電荷越多，感應(yīng)電荷量與對象物表面電場的大小呈線性關(guān)系。若增加感應(yīng)金屬片1電位，感應(yīng)電荷量呈線性增加，如圖3所示。 感應(yīng)電荷量與對象物表面電場大小的比例系數(shù)依賴于感應(yīng)金屬片上靜電電壓，因此在該實(shí)施方案中，必須先根據(jù)電場極性調(diào)整感應(yīng)金屬片上電壓極性，使感應(yīng)金屬片受到電場斥力作用，對不同電位的比例系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，制定比例系數(shù)修正表后進(jìn)行測量。獲得比例系數(shù)修正表后，通過計(jì)算機(jī)編程對實(shí)時(shí)記錄的電荷差量轉(zhuǎn)化為對象表面電場，實(shí)現(xiàn)對象物表面電場測量結(jié)果的實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)。
在上述實(shí)施方式中，對象物表面電場的測量精度和量程取決于電荷傳感器的電荷分辨率和量程?？梢酝ㄟ^更換不同型號(hào)的電荷傳感器來實(shí)現(xiàn)探測裝置精度和量程的改變。
權(quán)利要求
1.一種有源靜電電場探頭，所述探頭包括前端探頭和電荷傳感器，所述前端探頭包括感應(yīng)金屬片(1)，其特征在于，所述感應(yīng)金屬片(1)下方設(shè)置有環(huán)形的壓電薄膜O)，該壓電薄膜( 通過相應(yīng)的環(huán)形導(dǎo)電環(huán)(3)經(jīng)電阻(14)與第一轉(zhuǎn)接頭(9)連接；所述感應(yīng)金屬片(1)上加有靜電電壓，并通過導(dǎo)引電極(4)經(jīng)電阻(14)與第二轉(zhuǎn)接頭 (17)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源靜電電場探頭，其特征在于，所述電荷傳感器通過同軸電纜與第一轉(zhuǎn)接頭(9)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源靜電電場探頭，其特征在于，所述前端頭還包括所述參考電極(5)，所述參考電極( 設(shè)置于探頭上部的絕緣塊(1 中，通過電阻(14)與第一轉(zhuǎn)接頭(9)連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源靜電電場探頭，其特征在于，所述感應(yīng)金屬片(1)由絕緣蓋(10)固定于探頭的前端，所述導(dǎo)引電極(4)設(shè)置于感應(yīng)金屬片(1)下面中心處通過電阻 (14)與第二轉(zhuǎn)接頭(17)連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源靜電電場探頭，其特征在于，所述的參考電極( 通過金屬桿(6)連接到導(dǎo)線上，再經(jīng)導(dǎo)線連接到轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部電極(15)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源靜電電場探頭，其特征在于，所述第二轉(zhuǎn)接頭(17)和第一轉(zhuǎn)接頭(9)固定在絕緣塊(1 上，絕緣塊(1 通過尾段螺紋(18)固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源靜電電場探頭，其特征在于，所述感應(yīng)金屬片(1)通過絕緣蓋(10)的前端螺紋(11)旋緊固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有源靜電電場探頭。所述探頭包括前端探頭和電荷傳感器，所述前端探頭包括感應(yīng)金屬片(1)，所述感應(yīng)金屬片(1)下方設(shè)置有環(huán)形的壓電薄膜(2)，該壓電薄膜(2)通過相應(yīng)的環(huán)形導(dǎo)電環(huán)(3)經(jīng)電阻(14)與第一轉(zhuǎn)接頭(9)連接；所述感應(yīng)金屬片(1)上加有靜電電壓，并通過導(dǎo)引電極(4)經(jīng)電阻(14)與第二轉(zhuǎn)接頭(17)連接。本發(fā)明的有源靜電電場探頭，其測量精度僅依賴于感應(yīng)金屬片電荷分辨率，其精度得到進(jìn)一步提高；測量反應(yīng)時(shí)間僅依賴于感應(yīng)金屬片受到電場作用時(shí)間，因此測量反應(yīng)快；而且其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，適用于真空轉(zhuǎn)接環(huán)境。
文檔編號(hào)G01R29/24GK102411095SQ20111022890
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者全榮輝, 封國強(qiáng), 張振龍, 李宏偉, 韓建偉, 黃建國 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心