静电场传感器、基于静电场传感器的静电报警系统及方法

摘要

本发明公开了一种静电场传感器、基于静电场传感器的静电报警系统及方法，包括固定端、第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端、第五接线端、第六接线端、悬梁、第一电极板、第二电极板、第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻、第四压敏电阻、恒压源、振动传感器、单片机以及终端，终端包括报警器及显示器。本发明可以有效的测量出产生静电场的静电电位值，并在超过阈值时进行报警，并且结构简单，灵敏度高，操作方便，适应性强。

说明书

技术领域

本发明属于静电荷感测技术领域，涉及一种静电场传感器、基于静 电场传感器的静电报警系统及方法。

背景技术

电场由电荷产生，产生静电场的电荷处于静止的状态，很难被一般 的测量方式所感知，同时，很多情况下静电场的存在又在实际生产生活 中为现场人员、设备带来了重大的安全隐患，因此静电场感测技术在工 业领域有着广泛的应用需求。

目前在电气工程中消除静电场危害主要从“防”和“放”两个方面 进行，即在非工作状态时将设备可靠接地，防止静电荷的积累；在工作 结束后或需要接触时首先接地，放掉可能存在其上的电荷。无论“防” 还是“放”都无法直观了解电气设备上是否存在电荷、累积了多少电荷， 只能凭借充分的保护预防措施保护现场工作人员的安全。

2005年美国特瑞克股份有限公司提出了一种应用高阶振动悬臂梁 进行非接触静电测量的方案，并申请了相关测量方案的专利。2013年， 日本产业技术综合研究所根据以上原理，采用了MEMS(微电子机械系 统)技术制作的静电传感器在日本“Nano Micro Business”展上进行了 展示。

然而，这种振动式感测方式，由于温度、湿度、机械封装等因素会 干扰到传感器的谐振频率，从而在复杂工况下其运行稳定性无法得到保 证。且振动式传感器结构复杂，对工作环境要求高，这些都限制了其大 规模装配，无法满足工程需要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种静电场传 感器、基于静电场传感器的静电报警系统及方法，传感器、系统及方法 可以有效的测量出产生静电场的静电电位值，并且结构简单，灵敏度高， 操作方便，适应性强。

为达到上述目的，本发明所述的静电场传感器包括固定端、第一接 线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端、第五接线端、第六接线 端、悬梁、第一电极板、第二电极板、第一压敏电阻、第二压敏电阻、 第三压敏电阻、第四压敏电阻以及恒压源，悬梁的一端固定于固定端上， 第二电极板固定于悬梁另一端的侧面，第一压敏电阻、第二压敏电阻、 第三压敏电阻及第四压敏电阻均沿轴向设置于悬梁的侧面，且固定端、 第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻均位于悬 梁的同一侧，第一电极板与第二电极板之间有间隙，第一电极板固定于 第二电极板的正上方，第一接线端与第一压敏电阻的一端相连接，第二 接线端与第一压敏电阻的另一端及第二压敏电阻的一端相连接，第六接 线端与第二压敏电阻的另一端及第四压敏电阻的一端相连接，第五接线 端与第四压敏电阻的另一端及第三压敏电阻的一端相连接，第四接线端 与第三压敏电阻的另一端相连接，第三接线端与第二电极板相连接；

检测时，将产生静电场的静电电位引入到第一电极板上，并将产生 静电场的静电电位引入经第三接线端引入到第二电极板上，第一接线端 与第四接线端相连接，恒压源的两端分别与第二接线柱及第五接线柱相 连接，第六接线柱与第一接线柱或第四接线柱作为所述静电场传感器的 输出端。

还包括硅基微机电芯片，第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏 电阻及第四压敏电阻均采用离子注入或者扩散加工的方法制作在硅基微 机电芯片上。

本发明所述的静电报警系统包括静电场传感器、振动传感器、单片 机以及终端，终端包括报警器及显示器，静电场传感器中的第六接线端 及第四接线端、以及振动传感器的输出端均与单片机的输入端相连接， 单片机的输出端与警报器的控制端及显示器的输入端相连接。

还包括滤波电路、放大电路及A/D转换电路，静电场传感器中的第 六接线端及第四接线端、以及振动传感器的输出端均依次通过滤波电路、 放大电路及A/D转换电路与单片机的输入端相连接，振动传感器固定于 悬梁上。

本发明所述的静电报警方法包括以下步骤：

1)在第一次使用或校准所述静电场传感器时，先获取所述第一压敏 电阻正常状态下的电阻值、第二压敏电阻正常状态下的电阻值、第三压 敏电阻正常状态下的电阻值以及第四压敏电阻正常状态下的电阻值，然 后将第一压敏电阻正常状态下的电阻值、第二压敏电阻正常状态下的电 阻值、第三压敏电阻正常状态下的电阻值以及第四压敏电阻正常状态下 的电阻值输入到单片机中；

2)将第一接线端及第四接线端相连接，再将产生静电场的静电电位 接入到第一电极板及第二电极板上，第一电极板及第二电极板受到力的 作用，使悬梁弯曲，进而使第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电 阻、第四压敏电阻上的电阻发生变化，分别采集第六接线端及第四接线 端上的电压信号，然后将所述第六接线端上的电压信号及第四接线端上 的电压信号输入到单片机中，单片机根据所述第六接线端上的电压信号、 第四接线端上的电压信号、第一压敏电阻正常状态下的电阻值、第二压 敏电阻正常状态下的电阻值、第三压敏电阻正常状态下的电阻值及第四 压敏电阻正常状态下的电阻值得第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压 敏电阻及第四压敏电阻受到的力的大小，然后根据第一压敏电阻、第二 压敏电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻受到的力的大小得悬梁的弯曲 度；同时振动传感器检测悬梁的振动信号，然后将所述振动信号转发至 单片机中，单片机根据所述振动信号及悬梁的弯曲度得到产生静电场的 静电电位，然后将所述产生静电场的静电电位输入到显示器中，显示器 显示产生静电场的静电电位，同时单片机判断产生静电场的静电电位是 否大于或等于预设阀值，当产生静电场的静电电位大于或等于预设阀值 时，则产生报警信号，然后将所述报警信号输入到报警器中，报警器根 据所述报警信号进行报警。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的静电场传感器、基于静电场传感器的静电报警系统及 方法包括静电场传感器、振动传感器、单片机及终端，在测试过程中， 先对所述静电场传感器进行测试，静电场传感器中第一压敏电阻的正常 电阻值、第二压敏电阻的正常电阻值、第三压敏电阻的正常电阻值及第 四压敏电阻的正常电阻值，然后再将产生静电场的静电电位引入到第一 电极板及第二电极板上，使第一电极板及第二电极板上产生相互作用力， 从而使悬梁弯曲，计算第一压敏电阻、第二压敏电阻、第三压敏电阻及 第四压敏电阻的电阻变化量，然后根据所述第一压敏电阻、第二压敏电 阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻的电阻变化量得到悬梁的弯曲度，然 后根据悬梁的弯曲度得到第一电极板及第二电极板之间的相互作用力， 并根据第一电极板及第二电极板之间的相互作用力得到产生静电场的静 电电位，并产生静电场的静电电位大于或等于预设阀值时，报警器报警， 同时，用户可以通过显示器实时查看产生静电场的静电电位值，结构简 单，操作方便，灵敏度高，成本低，同时在得到第一电极板及第二电极 板之间相互作用力的过程中，振动传感器检测悬梁的振动信号，单片机 根据所述振动信号及悬梁的弯曲度得到第一电极板及第二电极板之间的 相互作用力，从而消除外界环境振动噪音对静电场传感器的干扰，适应 性极强。

进一步，本发明还包括硅基微机电芯片，第一压敏电阻、第二压敏 电阻、第三压敏电阻及第四压敏电阻均采用离子注入或者扩散加工的方 法制作在硅基微机电芯片上，从而可实现批量化生产，成本低。

进一步，静电场传感器的输出端及振动传感器的输出端均依次通过 滤波电路、放大电路及A/D转换电路与单片机的输入端相连接，振动传 感器固定于悬梁上，从而有效的提高测量产生静电场的静电电位的精度。

附图说明

图1为本发明中静电场传感器6；

图2为本发明中半闭环结构的惠斯通电桥的电路图；

图3为本发明中基于静电场传感器6的静电报警系统。

其中，1为固定端、2为终端、3为悬梁、4为第二电极板、5为第 一电极板、6为静电场传感器、7为振动传感器、8为滤波电路、9为放 大电路、10为A/D转换电路、11为单片机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2及图3，本发明所述的静电场传感器6包括固定端1、 第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端、第五接线端、第 六接线端、悬梁3、第一电极板5、第二电极板4、第一压敏电阻R1、第 二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4以及恒压源，悬梁 3的一端固定于固定端1上，第二电极板4固定于悬梁3另一端的侧面， 第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3及第四压敏电阻 R4均沿轴向设置于悬梁3的侧面，且固定端1、第一压敏电阻R1、第二 压敏电阻R2、第三压敏电阻R3及第四压敏电阻R4均位于悬梁3的同一 侧，第一电极板5与第二电极板4之间有间隙，第一电极板5固定于第 二电极板4的正上方，第一接线端与第一压敏电阻R1的一端相连接，第 二接线端与第一压敏电阻R1的另一端及第二压敏电阻R2的一端相连接， 第六接线端与第二压敏电阻R2的另一端及第四压敏电阻R4的一端相连 接，第五接线端与第四压敏电阻R4的另一端及第三压敏电阻R3的一端 相连接，第四接线端与第三压敏电阻R3的另一端相连接，第三接线端与 第二电极板4相连接；检测时，将产生静电场的静电电位引入到第一电 极板5上，并将产生静电场的静电电位引入经第三接线端引入到第二电 极板4上，第一接线端与第四接线端相连接，恒压源的两端分别与第二 接线柱及第五接线柱相连接，第六接线柱与第一接线柱或第四接线柱作 为所述静电场传感器的输出端。所述第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、 第三压敏电阻R3及第四压敏电阻R4组成了一个闭环结构的惠斯通电桥。 另外，本发明还包括硅基微机电芯片，第一压敏电阻R1、第二压敏电阻 R2、第三压敏电阻R3及第四压敏电阻R4均采用离子注入或者扩散加工 的方法制作在硅基微机电芯片上，所述硅基微机电芯片具有四臂梁结构。

相应的，本发明所述的静电报警系统包括静电场传感器6、振动传 感器7、单片机11以及终端2，终端2包括报警器及显示器，静电场传 感器6中的第六接线端及第四接线端、以及振动传感器7的输出端均与 单片机11的输入端相连接，单片机11的输出端与警报器的控制端及显 示器的输入端相连接。另外，本发明所述的静电报警系统还包括滤波电 路8、放大电路9及A/D转换电路10，静电场传感器6中的第六接线端 及第四接线端、以及振动传感器7的输出端均依次通过滤波电路8、放 大电路9及A/D转换电路10与单片机11的输入端相连接，振动传感器 7固定于悬梁3上。

本发明所述的静电报警方法包括以下步骤：

1)在第一次使用或校准所述静电场传感器时，先获取所述第一压敏 电阻R1正常状态下的电阻值、第二压敏电阻R2正常状态下的电阻值、 第三压敏电阻R3正常状态下的电阻值以及第四压敏电阻R4正常状态下 的电阻值，然后将第一压敏电阻R1正常状态下的电阻值、第二压敏电阻 R2正常状态下的电阻值、第三压敏电阻R3正常状态下的电阻值以及第 四压敏电阻R4正常状态下的电阻值输入到单片机11中；

2)将第一接线端及第四接线端相连接，再将产生静电场的静电电位 接入到第一电极板5及第二电极板4上，第一电极板5及第二电极板4 受到力的作用，使悬梁3弯曲，进而使第一压敏电阻R1、第二压敏电阻 R2、第三压敏电阻R3、第四压敏电阻R4上的电阻发生变化，分别采集 第六接线端及第四接线端上的电压信号，然后将所述第六接线端上的电 压信号及第四接线端上的电压信号输入到单片机11中，单片机11根据 所述第六接线端上的电压信号、第四接线端上的电压信号、第一压敏电 阻R1正常状态下的电阻值、第二压敏电阻R2正常状态下的电阻值、第 三压敏电阻R3正常状态下的电阻值及第四压敏电阻R4正常状态下的电 阻值得第一压敏电阻R1、第二压敏电阻R2、第三压敏电阻R3及第四压 敏电阻R4受到的力的大小，然后根据第一压敏电阻R1、第二压敏电阻 R2、第三压敏电阻R3及第四压敏电阻R4受到的力的大小得悬梁3的弯 曲度；同时振动传感器7检测悬梁3的振动信号，然后将所述振动信号 转发至单片机11中，单片机11根据所述振动信号及悬梁3的弯曲度得 到产生静电场的静电电位，然后将所述产生静电场的静电电位输入到显 示器中，显示器显示产生静电场的静电电位，同时单片机11判断产生静 电场的静电电位是否大于或等于预设阀值，当产生静电场的静电电位大 于或等于预设阀值时，则产生报警信号，然后将所述报警信号输入到报 警器中，报警器根据所述报警信号进行报警。