ДАТЧИК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
ELECTROSTATIC FIELD SENSOR AND MEASURING METHOD OF ELECTROSTATIC FIELD

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряженности постоянных и квазипостоянных электрических полей при изучении зарядки поверхностей как объектов промышленного и лабораторного назначения, так и объектов, находящихся в разреженной атмосфере и в открытом космосе на борту космических аппаратов.
Уровень техники
Известен датчик электростатического поля (RU № 2020497, 1985) /1/, содержащий экранную крышку, заземленный корпус, в котором соосно расположены имеющие секторные отверстия экранный электрод и колеблющийся измерительный электрод, закрепленный на валу приводного механизма, соединенном с входом усилителя гибким проводником, на металлической поверхности экранной крышки которого нанесен и поляризован электретный материал, выполняющий роль калибратора.
Недостатком этого датчика является сложная конструкция, не рассчитанная на воздействие больших перегрузок, возникающих при транспортировке космических аппаратов.
Наиболее близким к заявляемому техническим решением является датчик электростатического поля, защищенный авторским свидетельством SU № 845119 от 20.03.1978 /2/, и способ измерения внешнего электростатического поля этим датчиком, содержащийся в описании изобретения. Датчик содержит корпус с отверстием (окном), соосно с которым установлены частично выступающий за пределы корпуса чувствительный (измерительный) электрод, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения, электромагнитный возбудитель (привод), соединенный с электродом и предусилитель.
Способ включает возбуждение возвратно-поступательного движения измерительного электрода и регистрацию наведенного сигнала.
Недостатком этого датчика и способа измерения является низкая воспроизводимость результатов измерений, обусловленная зависимостью индуцированного на измерительном электроде напряжения от амплитуды колебаний системы, приводимой в движение электромагнитным приводом.
Задача изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание датчика и способа измерения электростатического поля, которые позволяют устранить зависимость амплитуды колебаний измерительного электрода от колебаний системы электромагнитного привода.
Техническим результатом будет высокая воспроизводимость результатов измерений.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решена тем, что в известный датчик, содержащий корпус с окном, в котором размещены: соосно с отверстием окна с возможностью возвратно-поступательного движения измерительный электрод, выступающий над корпусом, подключенный к предусилителю, и электромагнитный привод, внутрь корпуса введен соосно с измерительным электродом кольцеобразный неподвижно закрепленный нормировочный электрод, задающий нормировочный потенциал, причем измерительный электрод и предусилитель расположены на закрепленной на корпусе ферромагнитной пластине, колебания которой обеспечиваются электромагнитным приводом, состоящим из катушки индуктивности и постоянного магнита, а окно выполнено регулируемым по высоте.
Поскольку результат измерений прямо пропорционально зависит от амплитуды колебаний электромеханической системы, нормирование результата на амплитуду колебаний позволяет выделить величину, зависящую только от напряженности внешнего электрического поля.
Заявляется способ измерения электростатического поля, при котором создают нормировочное поле, коллинеарное с внешним измеряемым полем, и производят два измерения при одинаковых по модулю, но противоположных по знаку нормировочных потенциалах, напряженность внешнего электрического поля определяют как отношение суммы двух измерений к модулю разности этих измерений, с учетом калибровочного коэффициента.
Способ реализован с использованием датчика с нормировочным кольцевым электродом путем определения отклика датчика на некий нормировочный потенциал. Для этого на нормировочный электрод подают нормировочное напряжение, задаваемое так, чтобы величина напряженности электрического поля, создаваемого нормировочным электродом, находилась в середине динамического диапазона датчика, и производят два измерения с одинаковыми по величине, но разными по знаку нормировочными потенциалами и по алгоритму, решаемому управляющим микроконтроллером, находят независящий от амплитуды колебаний результат измерений. Чувствительность датчика может регулироваться размером выступающей над плоскостью окна части измерительного электрода.
Датчик рассчитан на широкий температурный диапазон и удовлетворяет требованиям вибростойкости, что позволяет использовать его на космических аппаратах.
Описание датчика
На фиг.1 изображен датчик электростатического поля, который содержит корпус 1, в регулируемом по высоте окне 2 которого соосно отверстию окна расположены подключенный к предусилителю 4 измерительный электрод 3, установленный на ферромагнитной пластине 5 через керамический изолятор 7, и задающий нормировочный потенциал кольцеобразный нормировочный электрод 6, жестко связанный с основанием корпуса, и обеспечивающий колебательное движение ферромагнитной пластины электромагнитный привод, состоящий из катушки индуктивности 8, подключенной к генератору, и постоянного магнита 9.
изм
ген
норм
На фиг.2 изображена схема подключения устройств. Сигнал с предусилителя U поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП, подключенного к управляющему микроконтроллеру МК. Сигнал с генератора ГС U поступает на катушку индуктивности и на вход АЦП. Напряжение на нормировочном электроде U задается так, чтобы величина напряженности электрического поля, создаваемого нормировочным электродом, находилась в середине динамического диапазона датчика.
Работа датчика
Датчик работает следующим образом. При включении генератора электромагнитный привод возбуждает колебание ферромагнитной пластины 5 и, соответственно, возвратно-поступательное движение измерительного электрода 3. Перемещение электрода в электростатическом поле вызывает наведение на него электрического заряда, в результате чего возникает переменный электрический сигнал, который подается на затвор полевого транзистора, выполняющего роль предусилителя 4. Сигнал регистрируется с помощью АЦП, подключенного к управляющему микроконтроллеру. Уровень чувствительности датчика может регулироваться высотой выступающей над поверхностью окна 2 части измерительного электрода 3.
норм
вн
При реализации способа измерения электростатического поля датчиком кольцеобразный нормировочный электрод 6 создает распределение напряженности Е, аддитивное с напряженностью измеряемого внешнего поля Е. Результат измерения напряженности поля Е на оси отверстия обозначим как R(E). Проводят два измерения с одинаковыми по величине, но разными по знаку нормировочными потенциалами. Сумма двух измерений равна
вн
норм
вн
норм
вн
R(E+E)+R(E-E)=2·R(E),
разность двух измерений равна
вн
норм
вн
норм
норм
R(E+E)-R(E-E)=2·R(E).
вн
норм
норм
Отметим, что значение R(E) прямо пропорционально зависит также и от амплитуды колебаний измерительного электрода. Но поскольку отношение  не зависит от амплитуды колебаний, а лишь от полей E и E, то при постоянстве E рассматриваемое отношение можно считать нормированным на амплитуду колебаний результатом измерений. Таким образом, простейшие арифметические операции над результатами двух измерений, выполняемые управляющим микроконтроллером, позволяют выполнить нормировку показаний датчика на амплитуду колебаний измерительного электрода.
Результат измерения напряженности электрического поля, вычисляемый микроконтроллером, передается пользователю по протоколу RS-232.
Источники информации
1. Патент РФ № 2020497, кл. G01R 29/12, 1985.
2. Авторское свидетельство СССР № 845119, кл. G01R 29/12, 1981.