【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电场探测，尤其涉及一种基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头、其检测电路及其探测方法。
技术介绍
1、电网中交直流电压会产生0 - 50 hz电场，此外双高环境高比例新能源和高比例电力电子器件接入下，电压存在高次谐波，从而会产生几十khz的电场。解决电力系统中宽频电场的测量问题，具有很大的实际工程价值。
2、目前使用的技术大致分为三种：
3、（1）静电感应技术，例如采用d-dot探头来探测空间电场，实现电压反演、状态监测。
4、静电感应技术无法探测直流电场，因为在直流下，探头的等效电容使得容抗达到近乎无穷大，感应电荷无法释放形成感应电流，因此无法测得电场大小。
5、（2）mems技术，此技术是静电感应技术的改进，通过施加激励源，使芯片内的屏蔽电极和感应电极周期运动，从而能够将直流电场下的感应电荷产生交变周期频率，而输出感应电流，从而测得直流电场。
6、mems技术成本高昂、制作工艺复杂，需要纳米级工艺构筑微机电芯片，制备震动膜、屏蔽电极、驱动电极和感应电极，构造十分复杂，适用于对精度要求特别高、场强特别弱的工厂静电探测，对于电力系统的强电场环境适用性较差，容易损坏。
7、（3）光电效应技术，此技术以pockels效应为代表，即光介质在电场中的折射率会发生线性变化，通过外施光源探测偏振角度来间接获得电场大小，实现电场探测。
8、光电效应技术同mems技术，成本高昂，需要特质光介质、激光源和偏振片，整体设备功耗大，适用于研制超特高压
技术实现思路
1、专利技术目的：提出一种基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，并进一步提出一种配合该探测头的检测电路，还提出一种基于该探测头所实现的宽频空间电场探测方法，以实现对宽频空间电场低功耗、高精度的检测。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术的第一方面，提出一种基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，该探测头包括：
3、压电介质；
4、上电极板和下电极板，分别配置在所述压电介质的上下表面；所述上电极板和下电极板的长度超出所述压电介质上下表面的长度；
5、半圆形电极，设置在所述上电极板的上方；所述半圆形电极与所述上电极板之间通过导电介质连接，所述半圆形电极与所述下电极板之间通过绝缘介质支撑相连；
6、所述上电极板和下电极板各自设有一个可变电容基板，两个可变电容基板在位于压电介质的一侧各自弯折后形成第一间隙；在两个可变电容基板向压电介质一侧弯折后的表面各自附有一个导电层；两个导电层在各自可变电容基板上的投影面的重叠面积可在预定范围内变化，从而形成一个可变电容ce；
7、可变电容ce连接检测电路。
8、在第一方面进一步的实施例中，所述可变电容基板呈l形，其第一接触板与上电极板或下电极板贴合，第二接触板与上电极板或下电极板垂直，两个第二接触板之间形成第一间隙。
9、导电层紧密贴合在所述可变电容基板的第二接触板相互背离的一面。位于上电极板处的导电层为可活动的第一导电层；位于下电极板处的导电层为固定的第二导电层，最终形成“第一导电层—接触板—接触板—第二导电层”的样式。第一导电层和第二导电层各自引出一条导线接入外部的检测电路，从而视为一个可变电容。
10、外部施加的空间电场作用在所述半圆形电极之上，在逆压电效应下压电介质发生形变，从而带动两个导电层平行移动，使两个导电层在可变电容基板的第二接触板上的投影面的重叠面积发生改变。压电介质的形变与外部施加的空间电场大小呈函数关系。
11、此外，在第一方面进一步的实施例中，还可以将原先设置在检测电路内的校准电容直接嵌入在宽频空间电场探测头内，得到本探测头的变种方案。在这种方案下，该探测头额外设置第一校准电容基板和第二校准电容基板。
12、第一校准电容基板通过位于半圆形电极与下电极板之间的绝缘介质引出。第一校准电容基板上贴合有第三导电层。
13、第二校准电容基板通过所述下电极板引出。第二校准电容基板上贴合有第四导电层。第三导电层与第四导电层分别在所述第一校准电容基板和第二校准电容基板上的投影面的重叠面积固定不变，从而形成一个校准电容c0。
14、在这种方案下，第一导电层、第三导电层各自引出一条导线接入外部的检测电路，第二导电层、第四导电层接入下电极板。
15、在第一方面及其进一步的实施例所公开的宽频空间电场探测头的结构基础之上，本专利技术的第二方面，提出检测电路的结构。可变电容ce和校准电容c0在该检测电路中并联。该检测电路包括第一电流检测模块、第二电流检测模块、差分放大模块、输出模块。
16、第一电流检测模块与所述可变电容ce串联。所述第二电流检测模块与所述校准电容c0串联。差分放大模块分别与所述第一电流检测模块和第二电流检测模块连接。输出模块与所述差分放大模块连接。
17、向半圆形电极施加的空间电场e在上电极板和下电极板之间形成均匀、垂直方向的电场e’，从而向该检测电路施加激励电压u；激励电压u经过所述可变电容ce产生容性电流，在回路被所述第一电流检测模块检测到；激励电压u经过所述校准电容c0产生校准电流，在回路被所述第二电流检测模块检测到；校准电流的幅值为起始电流幅值i0。
18、差分放大模块读取所述容性电流，并基于起始电流幅值i0，计算输出电流变化量δi。
19、输出模块根据预先确定的比例系数q，得到空间电场的输出量qδi。
20、本专利技术的第三方面，提出一种基于微电流及逆压电效应的宽频空间电场探测方法，该探测方法需要建立在上述第一方面所公开的探测头，和/或第二方面所公开的检测电路才能实现。该宽频空间电场探测方法包括如下步骤：
21、向半圆形电极施加空间电场e，产生与上电极板等电位的静电感应电荷，从而在上电极板和下电极板之间形成均匀、垂直方向的电场e’；在电场e’的作用下，压电介质发生形变，带动两个可变电容基板活动，使得两个导电层在可变电容基板的第二接触板上的投影面的重叠面积s变化。
22、通过空间电场e与重叠面积s之间的函数关系，确定检测回路电流的变化量δi，并根据预先确定的比例系数q，得到所施加的空间电场的输出量为qδi。
23、在第三方面进一步的实施例中，空间电场e的时变函数和可变电容ce之间满足如下线性关系：
24、
25、式中，ε为可变电容基板的介电常数，l为可变电容ce的厚度，s0为两个导电层在可变电容基板的第二接触板上的投影面的初始重叠面积，k为施加的空间电场e对重叠面积s变化的比例系数；
26、容性电流i的时变函数如下：
27、
28、式中，u为向可变电容ce施加的激励电压，c0为校准电容的稳态初始值。
29、检测回路电流的变化量根据下式计算：...
【技术保护点】
1.一种基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，所述可变电容基板呈L形，其第一接触板与上电极板或下电极板贴合，第二接触板与上电极板或下电极板垂直；两个第二接触板相互平行，之间形成所述第一间隙。
3.根据权利要求2所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，两个导电层各自贴合在所述可变电容基板的第二接触板相互背离的一面；
4.根据权利要求3所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层各自引出一条导线接入外部的检测电路。
5.根据权利要求3所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，还包括：
6.根据权利要求5所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，所述第三导电层引出一条导线接入外部的检测电路；
7.一种应用于权利要求1至6任一项所述宽频空间电场探测头的检测电路，其特征在于，包括：第一电流检测模块、第二电流检测
8.一种基于微电流及逆压电效应的宽频空间电场探测方法，基于权利要求1至6任一项所述的宽频空间电场探测头以实现，其特征在于，该宽频空间电场探测方法包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的基于微电流及逆压电效应的宽频空间电场探测方法，其特征在于，空间电场E的时变函数和可变电容CE之间满足如下线性关系：
10.根据权利要求9所述的基于微电流及逆压电效应的宽频空间电场探测方法，其特征在于，检测回路电流的变化量根据下式计算：
...【技术特征摘要】
1.一种基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，所述可变电容基板呈l形，其第一接触板与上电极板或下电极板贴合，第二接触板与上电极板或下电极板垂直；两个第二接触板相互平行，之间形成所述第一间隙。
3.根据权利要求2所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，两个导电层各自贴合在所述可变电容基板的第二接触板相互背离的一面；
4.根据权利要求3所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层各自引出一条导线接入外部的检测电路。
5.根据权利要求3所述的基于电流检测及压电介质的宽频空间电场探测头，其特征在于，还包括：
6...
【专利技术属性】
技术研发人员：余佶成，张东东，刘海涛，张仰飞，张志劲，李朋波，郭涛，宋恒东，张翼，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：
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