关于电场传感器的研究分析

关于电场传感器的研究分析

罗步升

广东电网有限责任公司惠州供电局 516000

摘要：电场传感器在测量瞬态电常、交变电场和静电场方面发挥重要作用。由于三种电场所处环境存在差异，所以需要应用到不同原理和不同结构的传感器。在科学技术推动下，虽然很多电场传感器可以同时测量两种或三种电场，但在测量同一类电场时，由于传感器原理和结构不尽相同，所以其用途、准确性、量程等方面也有所差异。基于此，本文将对电场传感器进行深入分析，希望能够为专业人士提供参考、借鉴。

关键词：电场传感器；电厂测量；瞬态电场；交变电场；静电场

引言：

电场测量无论在提高人们生活质量，还是在促进科技进步方面，都具有重大意义。通过电场传感器测量大气，能够获取准确、有效的信息，有利于及时发现大气中存在的地震、沙尘暴等灾害隐患，从而将自然灾害破坏率降到最低。在加油站、面粉厂等容易发生火灾的区域进行电场测量，能够减少火灾事故发生率。另外，在飞机飞行过程中，受气候环境影响容易发引发全问题，导致飞机中的精密电子设备产生故障，利用电场传感器对电场进行测量，能够从根源上减少安全隐患，为飞机稳定运行提供保障。由此可见，对电场传感器进行研究，已经成为促进社会和谐发展、推动科技持续进步的重要手段。

一、测量静电场或低频电场的电场传感器

（一）测量极低频电场的电场传感器

极低频电场传感器能够对电场宽带0.08Hz-2MHz之间的电场进行测量。可以远距离定位雷电或探测大气层附近地场，这种传感器的应用原理，是在极低频电场中设置两个相互平行的导体，通过导体感应出感应电荷。当两个平行导体电容量超出差放输入电容，同时电阻小于差放输入电阻，能够得出以下公式：E=V/d，其中E代表待测低频电场的强度，V代表测量电压，d代表导体之间的距离，测试电压和待测场强为正比关系。采用这种测量方法对电场进行测量时，需要保证电线容量满足一定需求，同时差分放大输入阻抗要很高，电容要很小，只有满足这一需求，才能够确保原波形不失真^[1]。

2. 球型电场传感器

在大气空间静电场测量过程中时常用到球型电场传感器，在实际操作中，需要利用气球将传感器带入空中对大气空间进行探测，测量信号会通过发射装置及时反馈到地面。在球型传感器运行过程中，两个导体会围绕轴体不断旋转，并感应出电场中大小一致、极性相反的电荷，此时反映电荷量会与电场强度形成正比关系。在电路放大的同时，输出电压会与电场强度形成线性关系，从而对空间垂直分量的电场进行准确测量。结合相关研究表明，球型电场传感器在电场测量中测得最大电场强度是100kv/m。

2. 测量交变电场的电场传感器

交变电场测量相对于静电场测量而言难度较小，并且随着科学技术不断进步，市面上涌现出各种类型测量产品。其中大多为国外研发，虽然产品功能丰富、操作便捷、精度较高，但价格昂贵。例如：意大利研发的PMM8053A电场测量仪，其选用的探头为EHP-50C型号，能够在测量50Hz-1Kv电场宽带时，将误差控制在0.5db以下，也正是因为精确度较高，所以在各个领域广泛应用。

交变电场测量方法多种多样，并且这些方法均存在各自优势和不足。其中小球法、点位平衡法等测量方法，需要通过测量分布点位方式测量电场，结合测量结果来看，虽然效率较快，但是准确性不足^[2]。现阶段，在交变电场测量过程中，最常见的方式莫过于电荷感应法和光电效应法，很多电场传感器设备就是基于这两种测量方式研发的，其中包括对空间交流电场进行准确测量的探头，其信号是电场中探头感应电荷在两极间形成的交流感应电流或电压。当内部两个探头电极经过一个电阻短接时，此时感应电流会通过电阻并产生压降，可以将其作为测量信号。当探头两极表现为电容时，可以将感应电压作为电场测量的信号。

2. 测量瞬态电场的电场传感器

在测量脉冲电场或者瞬态电场过程中，需要确保传感器具有较大的动态范围和响应频宽带，只有满足这一需求，才能够避免传感信号失真。结合传感器的不同结构和不同原理，可以将测量方法总结为两种，分别为天线直接感应和光学调制方法，其中光学调制方法是建立在光电效应传感器基础上发展而来的。近年来，我国也进一步加大了相关产品研发力度，但结合实际应用情况来看，性能方面尚不完善。反观发达国家研发的产品已经趋于成品，但引进相对困难。对以上两种方法进行详细分析：第一，天线直接感应，需要利用宽带天线直接获取电场信号，而后通过高频电缆，将获取的信号传入现实设备中进行处理^[3]。第二，光电调制法，利用传感器探头将天线接受的新号转变为光信号，而后由光纤传输到相应控制单元，并对信号进行处理。

（一）球型传感器探头

球型传感器探头能够测量瞬态电场间隙中的某一场点，其信号传输载体是光纤。探头直径为6cm，不会对电场造成不良影响，测量电场强度大概在0.5-10KV/cm之间。在球型传感器探头测量过程中，表面电极距离超过3cm时，测量误差需要控制6%范围内。

美国作为国际范围内技术最先进国家，在球型传感器基础上研发出了一种三维球型电场传感器，能够远程测量瞬态电场，相对于传统探头直径而言，三维球型传感器直径更大，在45cm左右，光线长度大概在100m，能够将电场测量误差控制在0.1%以下。图1为三维球型电场传感器示意图。

图1 三维球型电场传感器示意图

随着科学技术不断进步，我国华北电力大学研究组也研制出了一种新型电场传感器，即球型暂态电场传感器，这种传感器探头直径为6cm，场强测量范围在0.1-10kv/cm，在对均匀工频电场进行测量时，能够将误差率控制在0.1%以下^[4]。

（二）平行板型脉冲电场传感器

我国解放军理工大学研究组曾研制出一种三维平板型结构传感器，主要应用到脉冲电场测量中。这种传感器外形尺寸为正方形，外部一层金属板，测量频率宽带超过600MHz。在实际应用中，需要将三维传感器水平设置在有界波模拟器中，所在位置的电场强度能够达到16.4kv/m。

结束语：

综上所述，本文结合电场传感器在瞬态电场、交变电场和静电场中的测量原理和基本参数进行分析，研究其在不同电场强度发挥的作用和存在的问题。随着科学技术不断进步，越来越多精度高、稳定性强、功耗较低、体积较小的电场传感器应运而生，并在各行各业广泛应用，呈现出了较为广阔的发展前景，吸引国内外专家和学者高度关注，并将研究重点放在电场传感技术研究和讨论中，通过对各种常见电场传感器进行分析，希望能够为研究人员探索奠定基础。

广东电网有限责任公司职创项目资助（项目编号：031300KK52210036）

参考文献：

[1]余洋阳,孙东明,李鹏,等. 阵列中的电场传感器一致性研究[J]. 电子科技,2021,34(6):40-44.

[2]潘生华,肖继忠. 光纤电场传感器的试验测试研究[J]. 通信电源技术,2020,37(8):29-31.

[3]张友志,吴海彬,何可耀,等. 基于双对角匀强电场的柔性触觉传感器研究[J]. 机械工程学报,2019,55(10):17-26.

[4]王志宇,王顺,张群英,等. 一种新型地球物理电容性电场传感器研究[J]. 仪器仪表学报,2019,37(12):2678-2685.