一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器的制作方法

1.本发明属于检测技术与自动化装置领域，具体涉及一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器，包含该装置的结构和实现原理，发明适用于测量存在三维电场的待测电场环境。


背景技术：

2.随着国家电网技术的不断发展，特高压输电线路在整个输电电网系统中的地位也越来越重要。特高压输电线路的实施较现有的超高压输电线有更高可靠性，然而，特高压输电线路有着电磁环境污染和强电晕放电等问题，对广大人民群众的生产和生活可能带来不良的影响，这就要求我们完善对输电线路周围电场环境的精准检测，以保证线路的稳定运行和对周围电场环境安全的精准把控。因此如何检测特高压输电线路周围的电场环境是一个值得研究的问题。
3.传统的电场测量传感器一般只能测量一个维度的电场环境，从而难以全面感知真实三维环境中的多维电场，这使得测量会存在一定的缺陷。为了解决此问题，三维电场传感器相继得到了发展，但是传统的三维电场传感器大多存在体积大以及可能在雨天因雨水沉积而影响传感器运行等问题。在现代电场测量中，传感器往往在一些狭小环境中难以获得待测电场，这使得传感器的小型化显得尤为重要。与此同时，在我国部分地区存在连年多雨的情况，这使得保证传感器在雨天正常运行也变得尤为重要。因此为了精准分析不同复杂环境中的三维电场强度，所采用的电场传感器的设计方案需要全面考虑多种实际因素的影响。


技术实现要素：

4.针对以上提到的问题，本发明设计了一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器，分析了传感器结构和测量原理，实现了电场传感器在复杂环境下对三维电场的测量。
5.本发明具体采用以下技术方案：
6.一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器。由一维测量单元1、一维测量单元2、一维测量单元3、万向节1、万向节2、万向节3、电机1、电机2和电机3构成一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器。一维测量单元1由圆形金属屏蔽片1、圆形金属感应片1和光电码盘1构成；一维测量单元2由圆形金属屏蔽片2、圆形金属感应片2和光电码盘2构成；一维测量单元3由圆形金属屏蔽片3、圆形金属感应片3和光电码盘3构成。所述一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器和信号处理单元构成完整的测量系统。根据一维测量单元1、一维测量单元2和一维测量单元3所感知的x、y和z方向的电场强度，根据高斯定理可得出对应的x、y和z方向上的感应电流。再根据矢量叠加原理在信号处理单元中合成x、y和z方向的感应电流，可以得到总的感应电流，
并通过高斯定理的原理得到最终总的待测电场强度。其特征在于：
7.所述一维测量单元1、一维测量单元2和一维测量单元3固定于一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器的三个互相垂直的正方体金属外壳面上。所述一维测量单元1、一维测量单元2和一维测量单元3中用来连接圆形金属屏蔽片1和光电码盘1、圆形金属屏蔽片2和光电码盘2以及圆形金属屏蔽片3和光电码盘3的转轴分别分别与万向节1、万向节2以及万向节3的一个端子相连接。所述电机1、电机2和电机3分别固定于相异于一维测量单元1、一维测量单元2和一维测量单元3的正方体金属外壳面上，且电机1与一维测量单元1、电机2与测量单元2以及电机3与测量单元3所固定金属面不为对面。所述电机1、电机2和电机3分别与万向节1、万向节2和万向节3的另一个端子相连接，使得万向节1、万向节2和万向节3的两个端子轴心呈现90度的夹角，使得电机1、电机2和电机3不存在于圆形金属感应片1、圆形金属感应片2和圆形金属感应片3的同轴方向，从而可以实现传感器尺寸的小型化以及电机不积水。
8.所述圆形金属感应片1、圆形金属感应片2和圆形金属感应片3通过轴承和绝缘套嵌套于带动圆形金属屏蔽片1、圆形金属屏蔽片2和圆形金属屏蔽片3转动的转轴上，并作为定子固定于一维测量单元1、一维测量单元2和一维测量单元3对应固定的金属外壳面上。所述光电码盘1、光电码盘2和光电码盘3固定于带动圆形金属屏蔽片1、圆形金属屏蔽片2和圆形金属屏蔽片3转动的转轴上。所述圆形金属感应片1、圆形金属感应片2、圆形金属感应片3、光电码盘1、光电码盘2和光电码盘3分别通过信号线与信号处理单元相连，并通过信号处理单元实现对待测三维电场强度的模值和相角的分析及计算。
9.本发明具有以下技术效果：
10.1、通过圆形金属屏蔽片1、圆形金属屏蔽片2和圆形金属屏蔽片3的转动周期性地遮挡圆形金属感应片1、圆形金属感应片2和圆形金属感应片3，具有能分别且同时感知来自x、y和z方向电场强度的能力，并且可以产生与电场强度相对应的感应电流的特点，具有三维电场测量能力。
11.2、由于传统的场磨型三维电场传感器的带动屏蔽片旋转的旋转轴，为完全垂直于屏蔽片表面的竖直轴，若使一维测量单元1、一维测量单元2和一维测量单元3相切安装，则三个分别带动圆形金属屏蔽片1、圆形金属屏蔽片2和圆形金属屏蔽片3的旋转轴，将会相交，而这在实际中是不可能存在的，所以传统的场磨型三维电场传感器为了保证各旋转轴不相交，其总体积可能较大，而本发明利用万向轴使得场磨型三维电场传感器的传动方式实现不同轴传动，从而可以进一步实现传感器的小型化。
12.3、本发明采用信号处理单元对圆形金属感应片1、圆形金属感应片2、圆形金属感应片3、光电码盘1、光电码盘2和光电码盘3产生的感应电流进行处理，可以获得x、y和z方向三维电场强度的幅度和相位特性。
附图说明
13.图1是本发明的系统构架示意图；
14.图2是本发明的一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器(1)结构示意图。
15.其中，1-一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器，2-一维
测量单元1，3-一维测量单元2，4-一维测量单元3，5-圆形金属屏蔽片1，6-圆形金属感应片1，7-光电码盘1，8-圆形金属屏蔽片2，9-圆形金属感应片2，10-光电码盘2，11-圆形金属屏蔽片3，12-圆形金属感应片3，13-光电码盘3，14-万向节1，15-万向节2，16-万向节3，17-电机1，18-电机2，19-电机3，20-信号处理单元。
具体实施方式
16.下面结合说明书中的附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
17.本发明为一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器。如图1所示，传感器由以下几部分构成：包括一维测量单元1(2)、一维测量单元2(3)、一维测量单元3(4)、万向节1(14)、万向节2(15)、万向节3(16)、电机1(17)、电机2(18)、电机3(19)和信号处理单元(20)；在进行场强矢量的测试时，首先，将所述一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器(1)安装于任意固定装置上。然后，处于三维电场环境的一种采用电机带动万向节传动实现三维电场测量的电场传感器(1)会感知来自x、y和z方向的三维电场的辐射，其中一维测量单元1(2)、一维测量单元2(3)和一维测量单元3(4)中的圆形金属屏蔽片1(5)和光电码盘1(7)、圆形金属屏蔽片2(8)和光电码盘2(10)以及圆形金属屏蔽片3(11)和光电码盘3(13)，会跟随转轴分别在万向节1(14)、万向节2(15)以及万向节3(16)的传动下，分别跟随电机1(17)、电机2(18)以及电机3(19)的转子进行顺时针的转动，实现圆形金属屏蔽片1(5)、圆形金属屏蔽片2(8)以及圆形金属屏蔽片3(11)对圆形金属感应片1(6)、圆形金属感应片2(9)以及圆形金属感应片3(12)进行周期性地遮挡，从而分别产生对应于x、y以及z方向电场强度的感应电流。最后，所述光电码盘1(7)、光电码盘2(10)和光电码盘3(13)的转动会使其被圆形金属感应片1(6)、圆形金属感应片2(9)和圆形金属感应片3(12)周期性地遮挡，从而使得光电码盘1(7)、光电码盘2(10)和光电码盘3(13)中的光敏晶体管周期性地开关，并分别产生与x、y和z方向感应电流频率相同的电压信号，此电压信号作为参考信号输入信号处理单元(20)中的相敏检波电路并与经过i-v转换等处理的感应片输出的感应电流信号所对应的电压信号进行比较，即可实现对外界待测三维电场强度的模值和方向的检测。
18.如图2所示，所述圆形金属感应片1(6)、圆形金属感应片2(9)以及圆形金属感应片3(12)被作为定子分别固定于传感器的正方体金属外壳的三个相互垂直的金属面上，并与圆形金属屏蔽片1(5)、圆形金属屏蔽片2(8)和圆形金属屏蔽片3(11)同轴。所述电机1(17)、电机2(18)和电机3(19)分别固定于与所述圆形金属感应片1(6)、圆形金属感应片2(9)以及圆形金属感应片3(12)所固定的金属面相异且不对面的金属外壳面上，且使得分别连接电机1(17)和圆形金属屏蔽片1(5)、电机2(18)和圆形金属屏蔽片2(8)以及电机3(19)和圆形金属屏蔽片3(11)的万向节1(14)、万向节2(15)以及万向节3(16)的两个端子的中心轴呈现90度的夹角。当万向节1(14)、万向节2(15)和万向节3(16)在跟随电机1(17)、电机2(18)和电机3(19)同时相对于所固定金属面外侧顺时针转动时，不会产生万向节1(14)、万向节2(15)和万向节3(16)之间的相互碰撞和交错，从而不会影响传感器的正常运行，实现更灵活的传动模式，使得电场传感器的体积进一步减小。
19.如图1所示，所述金属感应片1(6)、圆形金属感应片2(9)、圆形金属感应片3(12)、光电码盘1(7)、光电码盘2(10)、光电码盘3(13)、电机1(17)、电机2(18)和电机3(19)与信号
处理单元(20)通信的信号线，由于是简单直接连接且影响图2的直观性，所以未在图2中表示。如图1和图2所示，所述圆形金属感应片1(6)、圆形金属感应片2(9)、圆形金属感应片3(12)上的感应电流可以根据高斯定理获得，其具体可由公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)、公式(5)和公式(6)表示为：
[0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026]
式式中为感应片上的感应电荷，为待测电场强度，为感应片暴露在待测方向电场中的面积，ε为电介质的介电常数，为感应片上产生的感应电流，和分别为x、y和z方向感应片上的感应电荷，和分别为暴露在待测x、y和z方向电场中感应片的裸露面积，和分别为x、y和z方向上感应片的感应电流。表示在x、y和z方向的感应片上产生的总感应电流。根据公式(6)可得到总的感应电流，将其反带入公式(2)便可以得到待测外界三维电场的场强。上述对信号的处理过程均可通过信号处理单元(20)完成。
[0027]
本发明申请人通过结合说明书中的附图，叙述和表明了本发明的具体结构和实现原理。本领域的技术人员应该理解，上述实现过程仅为本发明的较优实现方案，结合公式和附图，是为了使得读者可以更加容易地理解本发明的设计思路，并不是对本发明保护范围的限制。相反，任何基于本发明设计思路的产品，其进行的任何改进或修饰都应当属于本发明的保护范围。