空中三维电场传感器及其标定方法研究

新洁电子

作者：郑凤杰，白 强，张 星，汪祖民，夏善红
1 引 言
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随着空间科学技术的飞速发展，为了保障航天器的安全升空与运行，对空间环境的探测越来越引起人们的重视。大气电场是空间物理和空间环境的一个很重要的参数，飞行器穿越强电场区域时，有可能遭到雷击或诱发闪电，造成飞行器的损坏，监测和探测电场的数值及其变化对飞行器发射升空意义重大。国内外先后研制出多种电场探测装置对大气电场进行监测，主要有双球式电场仪、火箭电场仪和旋片式电场传感器等，探测方向一般与传感器主轴方向平行或垂直，实现空中矢量电场的一个或两个分量的探测。而大气电场是以三维矢量形式存在的，只对矢量电场的一个或两个分量探测时，探测到的电场值可能有较大的偏差。
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本文首先介绍新型空中三维矢量电场传感器独特的敏感结构设计；然后根据三维电场传感器的结构特点及信号处理方法，对传感器输出结果进行了理论分析；并对三维电场传感器的标定方法进行了计算机仿真，设计出传感器的专用标定装置，对三维电场传感器三维方向感应电极分别进行标定，保证了三维电场传感器的测量精度。
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/ b1 \8 A2 m  u- O6 d3 F1 F2 三维电场传感器
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2.1 工作原理

该三维电场传感器基于导体在电场中感应电荷的原理，利用接地屏蔽导体对感应电极的交替屏蔽作用，使感应电极交替暴露在外电场中，感应电极上的感应电荷发生周期性变化，形成了交变的电流信号，其大小与外部电场成一定的比例关系，通过检测该电流的大小来检测电场强度。
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传感器的结构部分如图1所示，主要包括三对感应电极(轴向Z感应电极、径向X感应电极、径向Y感应电极)、屏蔽转子、驱动电机等。三对感应电极互相垂直的分布在空间三维方向，其中轴向Z感应电极由一对旋叶片组成，径向X，Y感应电极分别由一对矩形铜片组成。传感器工作时，由驱动电机带动屏蔽转子旋转，屏蔽转子对三维方向的感应电极同时进行交替屏蔽，感应电极表面产生感应电流，该感应电流大小与外部电场成一定的比例关系。

式中：iZ(t)为感应电流；QZ为感应电极上感应电荷量；EZ为外部电场；ε为空气的介电常数；r1，r2分别为内外半径；f为电极旋转频率；T／2为屏蔽转子暴露出整个感应电极的时间。
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对于径向感应电极
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式中，A0为径向(X)感应电极的面积，其他参数同式(1)。

从式(1)，(2)可以看出，电机转速频率f恒定时，电极上的感应电流的幅度值与外部电场成线性关系，所以通过对感应电流的检测实现对外部电场的检测。
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2.2 传感器输出信号的理论分析
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由于电场传感器感应电极输出的是微弱的nA量级的交变电流信号，直接检测该电流信号非常困难，这里采用信号处理电路，将弱电流信号转变成容易检测的电压信号。

/ c; @/ S; h' N" n) B信号处理部分，首先将三维方向的三对感应电极输出的电流信号分别进行I-V转换，然后将每对感应电极输出的电压信号进行差分放大，采用差分放大部分用来减小噪声，提高信噪比。最后取出放大后电压信号的幅度值，输出三路与外电场成线性关系的直流电压信号。

理论分析中，电极输出的感应电流与外部电场强度成线性关系是以电机转速恒定为前提的，实际传感器工作时，很难保证电机转速的恒定不变，电机转速的扰动带来外部电场与传感器输出的非线性，容易造成传感器的测量误差。这里，在信号处理电路的I-V转换部分，采用电容作为反馈回路的负载，由于轴向感应电极被转子的4个叶片交替屏蔽，其电极输出信号的频率为电机转速的4倍；径向感应电极被转子的2个叶片交替屏蔽，其电极输出的信号频率为电机转速的2倍。则轴向信号ZC(Z)与径向信号ZC(X、Y)对应的容抗分别为
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式(5)中的AZ为轴向的系数，为固定值；式(6)中的AX(Y)为径向的系数，也为固定值。

从式(5)，(6)可以看出，输出电压信号与外部电场成线性关系，解决了电机转速扰动的影响。虽然可以在理论上计算出传感器输出电压与外部电场之间的系数，但由于各个电场传感器的结构及信号处理部分的各个元器件参数不是完全一样的，因此对每个电场传感器，其输出电压与外部电场之间的线性系数需要通过标定来确定。
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3 三维电场传感器标定方法研究

9 z5 `$ ]5 u0 _! s5 P5 \: x( \) ^3.1 标定原理

对电场传感器的准确标定是使其进行精确探测的前提，电场传感器的标定一般在已知数值的均匀电场中进行。一般采用在两块相距一定距离的平板电极上加上稳定电压，电极间即产生均匀的电场，目前一般使用采用该原理设计的电场箱，标定时，将传感器的敏感头部分放入电场箱，传感器的感应面与电场的方向垂直。
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% L* \) I/ T5 R* Q0 \; J% ]) i由于三维电场传感器结构独特，具有三维方向的三对感应电极，因此必须设计专用的标定装置，将整个传感器放置在电场箱中，对每对感应电极分别进行标定。该标定装置的设计应该保证感应电极在标定时均处在一个相对均匀的电场中，并且标定装置的体积越小越好。

/ j% a5 H4 [) p0 i" E! `3 X, P# P3.2 标定装置仿真计算及分析
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( W6 ?& \0 G" Y) M" f* W采用ANSYS软件通过大量模拟计算来分析和设计该标定装置，主要从确定标定装置上下极板的间距和极板的面积两个方面进行计算分析。

/ z: E! R$ G6 ^* E(1)确定极板间距。建立三维电场传感器，对放置在均匀电场中的模型进行计算分析，传感器在电场中的电力线分布图，传感器在电场中的电势云图。可以看出，三维电场传感器在均匀电场中，由于其结构的影响，引起了传感器附近电场的畸变，造成距离传感器较近的等势面不是一个平面。由于标定装置的上下极板一般采用平面金属板，并在其上加上电势，为了保证传感器放在标定装置的极板间和放到均匀电场中时，电场分布是一致的，上下极板所处的位置应该在一个平的等势面上。由模拟计算结果选取传感器上方和下方两个平面，平面中心位置的电势与边缘部分的电势误差约为3 %处，作为上下极板所处的平面。这样，两个极板的间距确定，传感器在极板间的位置也确定。


(2)确定极板的面积。当极板的面积比较小时，边缘效应对极板问电场产生的影响可能导致极板中心处传感器标定时所处区域电场的不均匀，因此极板面积的大小也要通过模拟计算来确定。

为了便于建模以及计算，采用柱状电场箱进行模拟。建立的柱状电场箱模型的半切面图如图4(a)所示（略）。上下极板平行放置，极板外面由屏蔽箱屏蔽，为了减小边缘效应对电场的影响，上下极板间采用19根金属丝进行分压，中间的虚线框为传感器放置区域。因为电场传感器放在标定装置的中间，保证中间部分的电场均匀即可，因此选择标定装置中心区域进行分析，该区域比传感器体积略大。由于极板的间距经计算已经确定，建立不同面积的模型分别进行计算分析。经过大量的模拟计算，确定了合理的电场箱面积，其标定装置中心区域的电势云图如图4(b)所示。计算结果表明，该区域的电场强度的最大误差小于1％，满足作为该电场传感器标定装置的要求。
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+ |9 ^1 P& A0 ~; r8 M8 n  V3.3 标定装置结构设计及测试结果

基于上述标定原理及仿真结果，设计了三维电场传感器专用标定装置。该装置由正、负两台高压电源及电场箱组成。电场箱由三块平行的极板以及屏蔽箱构成，极板间以及极板与屏蔽箱间均采用聚四氟乙烯柱绝缘，传感器标定时放到中间极板上。标定轴向感应电极时，电场传感器正放在中间极板上，感应面与电场强度方向垂直；标定径向感应电极时，电场传感器侧放到中间极板上，待标定的径向电极对称地暴露在电场中，并且与电场强度方向垂直。
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5 y  Y( [- S# d4 G( o采用该标定设备对三维电场传感器进行了标定试验，图5为传感器轴向与径向感应电极的输出电压与外部电场之间的关系曲线。标定数据表明，三维方向的数据曲线均具有良好的线性度，外部电场与传感器的输出为线性关系，与理论分析相吻合。
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4 结 论
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本文介绍的三维电场传感器实现空中矢量的三维探测，有效地减小了空中电场测量的误差，适合该传感器结构特点的标定方法的提出，保证了其探测空中矢量电场的精度。传感器通过其专用标定设备的标定，测试数据表现出良好的线性度，与理论分析一致，证明了三维电场传感器的设计和标定方法的合理性与可行性。另外，该电场传感器具有体积小、重量轻、操作简单等优点，可广泛应用于航天器升空的电场探测，也可用于气象研究部门对雷电及云层带电活动进行监测预警等。
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资料来源《今日电子》