Датчик электростатического поля
ELECTROSTATIC FIELD SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к средствам измерения напряженности электростатических полей.
Известны датчики электростатического поля, действие которых основано на использовании вибрационного модулятора с подвижным чувствительным электродом и необходимого количества средств обработки информации (см. авторское свидетельство SU 881 628, НПО ИТ, опубл. в 1981; патент US 5 212 451, Xerox, опубл. 1993; патент RU 2 414 717, НГУ, опубл. 2011). В качестве прототипа изобретения может быть выбран, датчик электростатического поля, предложенный в авторском свидетельстве SU 881 628, наиболее близкий к предлагаемому по конструкции. В SU 881 628 описан датчик электростатического поля, содержащий корпус с отверстием из электропроводящего материала, внутри которого расположены микроконтроллер, аналого-цифровой преобразователь, генератор сигнала синусоидальной формы, усилитель и плата-основание (ее наличие подразумевается с очевидностью). На плате основании размещен вибрационный модулятор с катушкой индуктивности и чувствительным электродом.
Датчики электростатического поля, описанные в перечисленных выше аналогах – SU 881 628, US 5 212 451, RU 2 414 717, обладают рядом недостатков, которые делают невозможным их применение в ответственных условиях, например, в условиях открытого космоса, на удаленных контролируемых объектах и т.п. Так, конструкция датчика из US 5 212 451 характеризуется сложностью сборки и низкой помехозащищенностью; конструкция датчика, описанная в RU 2 414 717, характеризуется сложной конструкцией при больших массогабаритных характеристиках. Конструкция датчика из SU 881 628, выбранного в качестве ближайшего аналога, имеет низкую помехозащищенность, несмотря на то, что конструкция этого датчика с большой степенью вероятности была предназначена для использования в условиях космического пространства. В свою очередь, предлагаемый датчик электростатического поля представляет собой дальнейшее совершенствование конструкции данного класса устройств и позволит сочетать технологичность изготовления конструкции с помехоустойчивостью датчика, что позволит его использовать на удаленных контролируемых объектах, в первую очередь, в условиях открытого космического пространства для регистрации напряженности электростатического поля.
Таким образом, предложен датчик электростатического поля, который содержит корпус из электропроводящего материала с отверстием. Корпус датчика используется для расположения микроконтроллера, аналого-цифрового преобразователя, генератора сигнала синусоидальной формы, усилителя и платы-основания. На плате-основании размещен вибрационный модулятор, использующий катушку индуктивности, и чувствительный электрод. В отличие от прототипа и аналогов вибрационный модулятор выполнен в виде конструкции, состоящей из катушки индуктивности, постоянных магнитов, гибкой подвижной балки в виде изогнутой профилированной полосы из ферромагнитного материала, корпуса и платы-основания. В предложенной конструкции гибкая подвижная балка расположена на оси симметрии катушки индуктивности и закреплена вместе с ней на плате-основании. Постоянные магниты расположены симметрично относительно оси катушки индуктивности, ортогонально плоскости гибкой подвижной балки таким образом, что поле постоянного магнита ортогонально магнитному полю катушки индуктивности. В предложенном вибрационном модуляторе могут быть использованы два постоянных магнита в форме параллелепипеда. Катушка индуктивности представляет собой намотку двух изолированных проводов на диэлектрический полый каркас.
Гибкая подвижная балка, использующаяся в конструкции предложенного датчика, выполнена из магнитомягкого фольгированного материала. По своей конструкции гибкая подвижная балка может состоять из: П-образной площадки; основания, параллельного оси катушки индуктивности; средней части, изогнутой относительно катушки индуктивности; хвостовой части, параллельной оси катушки индуктивности. В хвостовой части гибкой подвижной балки выполнено экранирующее отверстие, которое предпочтительно имеет эллиптическую форму. При отсутствии колебаний гибкая балка пересекает чувствительный электрод, проходящий через выполненное в ней отверстие. В целом, гибкая подвижная балка может соответствовать форме, приведенной на фиг. 2 (см. перечень чертежей, приведенный ниже).
Предложенное изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 – датчик электростатического поля в поперечном сечении;
фиг. 2 – конструкция гибкой подвижной балки;
фиг. 3 – вид сбоку датчика электростатического поля.
Особенности конструкции предложенного датчика электростатического поля и его использование могут быть проиллюстрированы следующим образом, не исключающим варианты конструкции и использования, обусловленные особенностями эксплуатации и решаемой при применении датчика задачи. Как и было указано выше, для возможности эксплуатации датчика в условиях открытого космоса (или же при применении в аналогичных условиях и ситуациях) конструкция датчика должна обеспечивать его помехозащищенность (помехоустойчивость). Очевидно, что помехозащищенность должна сочетаться с малыми массогабаритными характеристиками и не приводить к излишнему усложнению конструкции.
Датчик электростатического поля включает корпус 1 из электропроводящего материала, в котором выполнено отверстие 2. Корпус 1 служит для размещения микроконтроллера, аналого-цифрового преобразователя, генератора сигнала синусоидальной формы, усилителя (на чертежах не показаны) и платы-основания 3 (фиг. 1, 2). На плате-основании 3 закреплена катушка индуктивности 4 и расположенная на ее оси симметрии гибкая подвижная балка 5 вибрационного модулятора. Расположение гибкой подвижной балки 5 на оси симметрии катушки индуктивности 4 и крепление вместе с ней на плате-основании 3 обеспечат удобство сборки датчика – один из факторов оптимизации его конструкции. Катушка индуктивности 4 представляет собой намотку двух изолированных проводов на диэлектрический полый каркас – вторичную катушку обратной связи.
1
2
1
2
Вибрационный модулятор, при этом, состоит из корпуса 1 с отверстием 2, платы-основания 3, катушки индуктивности 4, двух постоянных магнитов 6, 6, развернутых противоположными полюсами друг к другу, гибкой подвижной балки 5. Использование постоянных магнитов позволяет отказаться от применения магнитопровода, что позволит уменьшить габариты датчика в целом. Постоянные магниты 6 расположены симметрично относительно оси катушки индуктивности 4, а также ортогонально плоскости гибкой подвижной балки 5 таким образом, что поле постоянного магнита 6, 6 ортогонально магнитному полю катушки индуктивности 4. Поле постоянного магнита 6 ортогональное магнитному полю катушки индуктивности 4 обеспечивает максимальный момент сил, что также позволяет минимизировать конструкцию датчика.
Гибкая подвижная балка 5 выполнена в виде изогнутой профилированной полосы из ферромагнитного материала. Изгиб конструкции подвижной балки 5 позволит уменьшить влияние помех от магнитного поля катушки индуктивности 4 и повысить точность измерений. Предложено изготовление гибкой подвижной балки 5 из магнитомягкого фольгированного материала, например железо-никелевого сплава типа пермаллоев или электротехнических сталей. В реализованном изделии применялся сплав 79НМ. Использование магнитомягкого фольгированного материала позволит уменьшить потерю энергии на перемагничивание.
п
о
с
х
х
Гибкая подвижная балка 5 состоит (см. фиг 2) из: П-образной площадки 5, обеспечивающей пайку на печатную плату; основания 5, параллельного оси катушки индуктивности 4, благодаря которому при колебании  возникает модуляция ЭДС во вторичной катушке; средней части 5, изогнутой относительно катушки индуктивности 4, что позволит уменьшить помехи на чувствительном электроде (измерительном штыре) и повысить точность измерений; хвостовой части 5, параллельной оси катушки индуктивности 4, что обеспечивает взаимное удобство при расположении чувствительного электрода и модулятора электростатического поля. То есть использование гибкой подвижной балки 5 заданного профиля позволит сочетать помехозащищенность и оптимальные габариты конструкции датчика. В хвостовой части 5 гибкой подвижной балки 5 выполнено экранирующее отверстие 7 эллиптической или круглой формы. Предпочтительно использование эллиптической формы отверстия 7, эллиптическая форма обеспечивает большую чувствительность датчика: расстояние между чувствительным электродом и балкой 5 должно быть минимальным, при этом чувствительный элемент движется по окружности, перемещаясь по двум осям.
При отсутствии колебаний гибкая балка 5 пересекает чувствительный электрод (на схеме не показан), проходящий через отверстие 7. Таким образом, появляется возможность модулировать заряд на чувствительном электроде не только за счет колебания гибкой подвижной балки 5, но и за счет колебания емкости межэлектродного расстояния, частота которого при таком расположении в два раза выше. В результате будет получено результирующее колебание, которое при выделении более высоких гармоник позволит повысить соотношение сигнал-шум и тем самым повысить чувствительность датчика. Экранирующее отверстие 7 обеспечивает минимальный заряд на чувствительном электроде, если подвижная заземленная балка находится между чувствительным электродом и источником внешнего поля, когда экранирующее отверстие 7 опускается вниз, заряд увеличивается.
Предложенный датчик электростатического поля обеспечивает измерение электростатических и квазиэлектростатических полей, в том числе в условиях космического пространства. Как и было пояснено выше, использование датчика предложенной конструкции позволит уменьшить массогабаритные параметры измерительных устройств за счет использования предложенной конструкции датчика, что требует применения методов микрообработки; увеличить точность измерения, помехоустойчивость (соотношение сигнал/шум) и разрешающую способность за счет использования профилированной гибкой подвижной балки и изменения синусоидальной формы сигнала и его частоты. Кроме того, использование предложенного датчика позволит повысить технологичность изделия за счет изготовления групповым методом отдельных элементов конструкции.