[发明专利]一种MEMS电场传感器及其无线供能系统与方法

说明书

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及到电场传感器，特别涉及一种无线供能的MEMS电场传感器。

背景技术

高压输电线路地面电磁场强度是确定线路最小对地高度及规划线路走廊宽度的重要依据。高压输电线路下的电磁环境受到越来越多的关注，特别是高压线下的电场强度，已成为环境保护和电磁兼容技术领域中不可忽视的问题。合成电场是高压输电线路运行状态、输电线路附近电磁环境的直接反应，对于输电线路的在线监测与故障诊断、雷电预警、电力系统设备的绝缘设计等领域有巨大的应用价值。准确测量获取输电线路附近空间的电场值，是了解输电线路工程限制、监测输电线路工作状态的基本工具，也是评估输电系统电磁环境的重要方法。

输电线附近电场测量方法常用的主要有旋转静电计、旋转场磨仪、柱状电场探针、光电传感器、微机电系统电场传感器等。这些传感器大多体积较大，引起电场较大畸变，电位不独立，测量的对象是地面合成场强，针对空间全场域内的测量需求存在局限性。旋转场磨仪主要由可动的遮蔽叶片和位于遮蔽叶片下方的感应叶片构成，遮蔽叶片周期性旋转，感应叶片产生幅值与待测电场强度成正比的正弦信号。由于离子注入电流和感应电流存在相位差，通过后端滤波技术可以测得地面含离子流的合成电场。柱状电场探针是依据旋转场磨仪的原理发展而来，利用一定高度的探针使得畸变后的电场等于原空间电场，实现了空间电场的测量，但是只能用于特定高度的电场测量。光电集成传感器利用了泡耳克斯效应，即利用晶体在电场作用下的折射求得外加电场。但是光电集成传感器需要配合光纤使用，不能做到电位完全独立，难以实现空间电场的测量。微机电系统传感器具有体积小、功耗低、集成度高、空间分辨率高等优点。

MEMS电场传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。我国中国科学院电子所已经研究出基于MEMS技术的地面大气电场传感器、探空大气电场传感器、三维电场传感器和智能电网应用电场传感器。但是目前这些MEMS电场传感器都是用电池供能，存在更换电池带来的安全隐患问题，不能实现电场的在线实时监测。

发明内容

解决现有技术方案的缺陷与不足，本发明提出一种MEMS电场传感器的无线供能系统，采用无线供能方式，满足了远距离下能量的无线传输，使得传感器电位完全独立，便于合成空间电场的测量；采用IOS集成方案设计，传感器整体尺寸小至1cm³，在合成电场中引起的畸变问题可以忽略，实现电场的精确测量。

本发明的MEMS电场传感器的无线供能系统的技术方案如下：系统包括信号源、功率放大器、发射天线、接收天线、电源后端处理电路和负载；其中，信号源发生的高频交流信号经过功率放大器放大，然后经过发射天线发出高频电磁波，高频电磁波在自由空间中传播，接收天线接收射频能量并转为电能，经过电源后端处理电路一系列的整流、滤波，电压电流变化为满足负载所需的电压电流的能量形式后稳压输出。

本发明的MEMS电场传感器的无线供能系统供能方法的技术方案如下：无线供能系统包括信号源、功率放大器、发射天线、接收天线、电源后端处理电路和负载；方法包括：1)、信号源发生的高频交流信号经过功率放大器放大；2)、放大后信号经过发射天线发出高频电磁波，高频电磁波在自由空间中传播；3)、接收天线接收高频电磁波射频能量并转为了电能；4)、电源后端处理电路将接收信号经过一系列的整流、滤波、电压电流变化为满足负载所需的电压电流的能量形式后稳压输出。

本发明提出一种MEMS电场传感器，该传感器包括外壳；外壳的长方体上表面和下表面为金属板，用于积累离子流中的电荷；金属板内侧为绝缘材料；四周为天线部分，利用所述绝缘材料将金属板和天线部分电气隔离。

其中，接收天线采用一种开槽的矩形微带贴片天线。该天线底部是一个金属板，起反射作用；表面是一个金属贴片，其长度设置为1.5λ，其中λ为天线谐振功率对应的波长，使微带贴片天线工作在高TM模式；中间为介质材料。在金属贴片表面设置开缝，形成开槽天线，用于补偿天线在高TM模式工作下的损耗。金属板下方设置同轴馈线。所形成的开槽的矩形微带贴片天线具有辐射和接收无线电波，实现电流和电磁波之间相互转换的功能。

本发明的无线供能系统不仅可以用于MEMS电场传感器，而且可以用于其他功能的传感器或者其他微小的电子产品。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：