技術(shù)特征：

1.基于超材料的新型靜電場傳感探針，其特征是將傳統(tǒng)的金屬探針在靜電場感應(yīng)信號不變的情況下用球形介質(zhì)殼層包裹金屬或純介質(zhì)替代，當(dāng)新型傳感器存在于靜電場時，與金屬傳感器的存在于靜電場中的對場的感應(yīng)是一致的。

2.基于超材料的新型靜電場傳感探針的設(shè)計方法，其特征是包括如下步驟：

1)計算均勻電場中金屬球的場分布和電勢分布；

2)在相同的均勻電場中，推導(dǎo)計算獲得覆蓋在小金屬球上的人工介質(zhì)殼層的電磁參數(shù)或人工介質(zhì)球的電磁參數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超材料的新型靜電場傳感探針的設(shè)計方法，其特征是所述的計算均勻電場中金屬球的場分布和電勢分布：根據(jù)經(jīng)典的電磁場理論，獲得一個在均勻的靜電場中金屬球及其附近的靜電場的電勢的分布；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)靜電場中場和勢的關(guān)系推到出金屬球附近的電場分布規(guī)律。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超材料的新型靜電場傳感探針的設(shè)計方法，其特征是所述的在相同的均勻電場中，推導(dǎo)計算獲得覆蓋在小金屬球上的人工介質(zhì)殼層的電磁參數(shù)或人工介質(zhì)球的電磁參數(shù)：根據(jù)經(jīng)典的電磁場理論，獲得一個在均勻的靜電場中介質(zhì)球殼覆蓋金屬球的復(fù)合結(jié)構(gòu)的靜電場的電勢的分布，在此情形中，介質(zhì)球殼的尺寸和介質(zhì)的介電常數(shù)決定了其內(nèi)部和周圍的勢分布；要求在介質(zhì)覆蓋金屬球的勢分布與已定尺寸的金屬球的勢分布一致或相等，就可獲得介質(zhì)球殼的介電常數(shù)與介質(zhì)球殼尺寸和金屬球的尺寸的關(guān)系，從而獲得所需要的介電常數(shù)；當(dāng)覆蓋介質(zhì)球殼的金屬球的半徑等于零，也可以獲得與金屬球勢分布一致的純介質(zhì)球的介電常數(shù)。

5.設(shè)計基于超材料的新型靜電場傳感探針的方法，其特征是

1）設(shè)自由空間中存在一個沿z方向的均勻電場E₀，位于坐標(biāo)原點的球體處在該均勻靜電場中；根據(jù)經(jīng)典電磁場理論，電位φ寫成如下形式：

（1）

其中n為整數(shù)，P_n為n階勒讓德函數(shù)；A_1n和A_2n由邊界條件確定待定常數(shù)；

如果球體是接地的金屬球，電動勢的邊界條件是：當(dāng)r=a時，電位φ(a)=0；當(dāng)r→∞時，φ(∞)=-E₀rcosθ；因此，未知的常數(shù)很容易地求出，并且公式（1）簡化為：

（2）

（3）

對于處在均勻靜電場E₀中，被相對介電常數(shù)是ε_r的介質(zhì)球殼包裹的小金屬球，介質(zhì)球殼將空間劃分為三個區(qū)域：內(nèi)部區(qū)域r≤b、中間區(qū)域c≥r>b和外部區(qū)域r>c，假設(shè)內(nèi)部金屬球區(qū)域的電位φ₁等于零，在中間區(qū)域，根據(jù)內(nèi)邊界的電勢連續(xù)邊界條件，電介質(zhì)球的電勢寫為：；根據(jù)r→∞，φ₃(r,θ)=-E₀rcosθ，電介質(zhì)球殼外的電勢表達(dá)式如下：；未知常數(shù)A_1n和A_2n由介質(zhì)球殼的外邊界條件求解；電勢寫成：

（4）

（5）

（6）

其中，，，ε_r是介質(zhì)球殼的相對介電常數(shù)；

在均勻的靜電場中，一個金屬球的電場以及電位和內(nèi)半徑為r=b、外半徑為r=c的被人工介質(zhì)球殼包裹的金屬球一樣，在數(shù)學(xué)上，這意味著當(dāng)半徑r大于c和a時，φ₂₃₌φ₁₂；那么替代裝置的介質(zhì)球殼必須滿足已定的條件，且介質(zhì)球殼的相對各向同性介電常數(shù)通過簡單的計算獲得，即：

（7）

相對介電常數(shù)的大小是由金屬球和介質(zhì)球殼的大小確定的，如果半徑b小于a，該結(jié)構(gòu)看作是一個放大裝置，即有介質(zhì)球殼包裹的小金屬球周圍的電場看成一個大一些的純金屬球的電場；如果b大于a，該結(jié)構(gòu)被看作是一個縮小裝置，含有介質(zhì)球殼的較大的金屬球周圍電場和一個小一些純金屬球周圍的電場相同；

當(dāng)半徑b = 0時，替代裝置演變成純?nèi)斯そ橘|(zhì)球，且ε_r化簡為：，同時，均勻靜電場中介質(zhì)球的電勢很容易得到：

（8）

（9）

當(dāng)c>a時，相對介電常數(shù)為正值，一個較大介質(zhì)球可替代金屬球；如果半徑c小于a，相對介電常數(shù)為負(fù)，小介質(zhì)球就像個超散射體；此外，當(dāng)a=c時，相對介電常數(shù)趨向無窮大，介電球的電勢減小到和相同大小的金屬球一樣；

2）金屬球體的等電位線沿y-z平面的分布，這里金屬球位于坐標(biāo)原點，取半徑r=0.1m，可以看到，電位沿z方向逐漸降低，且金屬球附近的等電位線發(fā)生了彎曲；因為零電位的位置為坐標(biāo)原點，且金屬球是零電位的等電位體；

包裹了介質(zhì)球殼的金屬球的等電位線在y-z平面上的分布，替代裝置的內(nèi)半徑r＝0.08m、外半徑r=0.12m，也位于坐標(biāo)原點，根據(jù)公式（7），介質(zhì)球殼填充的是各向同性超材料，其相對介電常數(shù)是ε_r = 5.121；在球殼中，左半球殼中的電勢先減小后急劇增加到零，右半球殼中的電勢先從零電位急劇增加，然后再減?。辉谇驓さ耐獠繀^(qū)域，電位沿z方向也逐漸減小，且金屬球附近的等勢線是彎曲的；當(dāng)r≥0.14m時，涂有人工介質(zhì)球殼的金屬球體電位分布與金屬球一樣；

3）當(dāng)y = 0和x = 0時，電勢沿z方向分布，介質(zhì)球殼包覆了的小金屬球的電位分布和純介質(zhì)球的電位分布；結(jié)果表明，兩種情況的電位分布與金屬球在外層區(qū)域的電位分布完全一致；根據(jù)電場和電勢之間的關(guān)系，電場可以通過公式計算：；

4）處于均勻靜電場中的兩個不同的對象的電場E_y分布；當(dāng)r≥0.14m時，兩種情況的電場E_y的分布相同，電位也相同；這意味著，金屬球的散射場可以由涂有人工介質(zhì)球殼填充特殊材料的小金屬球取代；

5）當(dāng)y = 0和x = 0時，電位和沿z方向的電場E_z的分布，數(shù)值結(jié)果表明，一個包裹了虛擬介質(zhì)球殼的小金屬球和純粹的人工介質(zhì)球散射的外場和一個金屬球的散射場完全一致；

對于由人工介質(zhì)球殼包覆的金屬球，若金屬球半徑等于零，則成為純粹的人工介質(zhì)球；當(dāng)半徑C＝0.14m，虛擬介質(zhì)球的相對介電常數(shù)是ε_r=1.611；金屬球體的半徑r= 0.1m；很顯然，當(dāng)r≥c時，虛擬介質(zhì)球的電性能也和金屬球一樣。