ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения ортогональных составляющих вектора напряженности электрического поля.
Известен датчик напряженности электрического поля [Юркевич В.М., Кондратьев Б.Л. О методике измерения напряженности и других характеристик электрического поля // Измерительная техника. - 1980. - №5. - С. 57-59], содержащий прямоугольную диэлектрическую подложку с нанесенными на нее основания электродами. Нормаль, проведенная через центр подложки, совпадает с координатной осью датчика. Ориентируя ось датчика по направлению поля, измеряют одну из составляющих модуля вектора напряженности электрического поля Е. Об этой составляющей вектора напряженности судят по величине разности зарядов между электродами, нанесенными на диэлектрическую подложку.
Поскольку датчик напряженности электрического поля имеет только два чувствительных электрода, то к его недостаткам можно отнести сложность процесса нахождения направления вектора напряженности электрического поля, поскольку датчик требует ориентации в электрическом поле.
Наиболее близким устройством к заявляемому является датчик напряженности электрического поля [А.с. 1401407 СССР, МКИ G01R 29/12 Датчик напряженности электрического поля / Юркевич В.М, Климашевский И.Л, Полетаев В.А., Сидоров И.А - №4114543/24-09; Заявл. 09.09.86; Опубл. 09.06.88, Бюл. №21], содержащий диэлектрическую подложку с нанесенными на ее основания электродами, симметрично расположенными по осям координат. Диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской квадратной пластины, электроды на одном основании которой представляют собой четыре проводника, расположенных параллельно сторонам плоской квадратной пластины симметрично по осям координат и относительно ее центра, а на другом основании электрод выполнен в виде сплошного плоского проводника, перекрывающего электроды, расположенные на первом основании.
При измерении датчик напряженности электрического поля располагают перпендикулярно определяемой составляющей вектора напряженности электрического поля. О составляющих X и Y вектора напряженности электрического поля судят по величине разности зарядов между попарно соединенными двумя электродам оси X и Y, расположенными на одном из оснований подложки соответственно, а по координате Z - между соединенными вместе четырех электродов первого основания подложки и одним электродом второго основания подложки. Датчик напряженности электрического поля позволяет раздельно измерять составляющие вектора напряженности электрического поля и имеет простую конструкцию, легко реализуемую методом печатной технологии.
х
у
z
К недостаткам датчика напряженности электрического поля можно отнести невысокую чувствительность и асимметричную систему электродов относительно координатных плоскостей XOZ, YOZ и XOY. Асимметрия системы электродов приводит к разным чувствительностям датчика по составляющим Е, Е и E вектора напряженности электрического поля, и как следствие этого к дополнительной погрешности от неоднородности электрического поля.
Задачей полезной модели является создание датчика с повышенной чувствительностью и с симметричной конструкцией, позволяющей обеспечить равенство чувствительностей датчика по трем координатным осям и снижение его дополнительной погрешности при измерении в неоднородных электрических полях.
Указанная задача достигается тем, что в известном датчике для измерения напряженности электрического поля, содержащем диэлектрическую подложку с нанесенными на нее электродами, симметрично расположенными по осям координат, причем, электроды на одном основании подложки представляют собой четыре проводника, симметрично расположенные относительно краев плоской пластины и ее центра, диэлектрическая подложка выполнена в виде плоской круглой пластины, а электрод другого основания разбивается на четыре электрода, повторяющих электроды первого основания и расположенных под ними.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен датчик напряженности электрического поля (вид с верху и вид снизу), а на фиг. 2 - то же, вид сбоку.
Датчик напряженности электрического поля содержит диэлектрическую подложку, выполненную в виде плоской круглой пластины 1, четыре электрода 2-5, расположенных на одном основании подложки и четыре электрода 6-9, расположенных на другом основании подложки. Каждый электрод выполнен в виде плоского проводника, расположенного симметрично четверти плоской круглой пластины.
Датчик напряженности электрического поля работает следующим образом.
х
у
z
При внесении датчика в электрическое поле на его проводящих электродах 2-9 индуцируются электрические заряды, величина которых пропорциональна измеряемой напряженности электрического поля Е. Одновременно или разновременно формируя из электродов 2-9 противоположные пары групп из четырех электродов: по оси X - 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9; по оси Y - 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9; по оси Z - 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, разделенных координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY, измеряют разности зарядов между электрически соединенными парами составных электродов, пропорциональных составляющим Е, Е и E вектора напряженности электрического поля Е, а по ним определяют его модуль
Для создания симметричной конструкции датчика в него введены дополнительно четыре электрода 6, 7, 8, 9 (фиг. 1). В результате чего из восьми образовавшихся электродов одинаковых по форме и размерам для каждой составляющей электрического поля формируются пары чувствительных элементов, причем каждая пара чувствительного элемента состоит из четырех электродов. Так, по оси X объединяются электроды 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9; по оси Y- 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9; по оси Z- 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, разделенные координатными плоскостями XOZ, YOZ и XOY соответственно. Поскольку каждый чувствительный элемент состоит из четырех одинаковых по форме и размерам электродов, то датчик обладает симметрией относительно координатных плоскостей и имеет одинаковую чувствительность по каждой координатной оси X, Y и Z. На каждой паре чувствительного элемента индуцируются заряды, пропорциональные только одной составляющей напряженности электрического поля. Для подтверждения этого рассмотрим фиг. 3. Из фиг. 3 следует, что если напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9, расположенные по оси Z, то на чувствительном элементе 2, 3, 4, 5 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 6, 7, 8, 9 - положительные. Таким образом, индуцированные на электродах заряды разделяются плоскостью электрической и геометрической нейтрали. При этом на чувствительных элементах 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенных на оси X и чувствительных элементах 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9 расположенных на оси Y суммарный индуцированный заряд равен нулю. Если же напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенные по оси Х, то на чувствительном элементе 2, 3, 6, 7 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 4, 5, 8, 9 - положительные. При этом на чувствительных элементах 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9, расположенных на оси Г и чувствительных элементах 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9 расположенных на оси Z суммарный индуцированный заряд равен нулю. Если же напряженность электрического поля нормально падает на чувствительные элементы 3, 4, 7, 8 и 2, 5, 6, 9, расположенные по оси Y, то на чувствительном элементе 3, 4, 7, 8 индуцируются отрицательные заряды, а на чувствительном элементе 2, 5, 6, 9 - положительные. При этом на чувствительных элементах 2, 3, 6, 7 и 4, 5, 8, 9, расположенных на оси Х и чувствительных элементах 2, 3, 4, 5 и 6, 7, 8, 9 расположенных на оси Z суммарный индуцированный заряд равен нулю.
Эффективным размерам квадратного плоского датчика является его диагональ, поэтому круглый плоский датчик с диаметром, равным диагонали квадрата будет оказывать на электрическое поле такое же воздействие, как и квадратный датчик. При этом площадь поверхности квадратной пластины будет определяться выражением
а площадь поверхности круглой пластины
где в первом случае d - диагональ квадратной, а во втором диаметр круглой пластины. Отсюда следует, что плоский круглый датчик при этом будет иметь в 1,57 раз больше площадь поверхности, занимаемую чувствительными электродами а, следовательно, и большую чувствительность.
Таким образом, предлагаемый датчик имеет большую чувствительность, симметричную конструкцию относительно его координатных осей, позволяет раздельно измерять составляющие вектора напряженности электрического поля и легко реализуется современными методами нанотехнологий.