[发明专利]一种基于电荷感应的低频宽带电场仪

权利要求书

1.一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，可探测电场信号的强度范围为20μV/m至60kV/m，频率范围为1Hz至16kHz，探测介质可以为空气、海水、真空，包括依次连接的前端探测电极、电荷感知芯片、高通滤波电路、模数转换电路、微控制器电路、上位机：

所述前端探测电极将不同介质中的电场信号感应为电荷信号，并通过同轴电缆连接至电荷感知芯片，可通过更换不同增益的前端探测电极实现宽电场强度范围检测；所述前端探测 电极不同增益在于电极形状和表面积的不同；电极1为最低增益电极，由一个长度为8mm，直径为1mm的铜柱构成，对应可探测电场的强度为20mV/m至60kV/m；电极2为中间增益电极，由一个直径为2.54cm，表面镀铜的圆电极构成，对应可探测电场的强度为100μV/m至400V/m；电极3为最高增益电极，由一个直径为7.6cm，表面镀铜的圆形电极构成，对应可探测电场的强度为20μV/m至60V/m；

所述电荷感知芯片将前端探测电极感应出的电荷信号转换为模拟电压信号，电荷感知芯片的输入阻抗为数百GΩ量级，输入电容为pF量级；

所述高通滤波电路将电荷感知芯片输出的模拟电压信号进行截止频率为1Hz的高通滤波；

所述模数转换电路将高通滤波电路输出的电压信号进行分辨率24位，最高采样率32kHz的模数转换；

所述微控制器电路将模数转换电路转换的数字信号传输至上位机；

所述上位机实时显示微控制器上传信号的时域波形和FFT频谱图，并根据使用的前端探测电极不同，可设定1Hz至16kHz带宽间不同频率的标定值，进而标定计算出所探测电场信号的强度。

2.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，所述上位机可选择当前探测前端电极型号，电极1，电极2和电极3，每种电极型号都对应一组标定值，即在1V/m的标准场强下，该电极在1Hz-16kHz带宽间不同频率电场下的标定值，用于计算出所探测电场信号的强度。

3.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，所述上位机可实时显示微控制器上传信号的时域波形和FFT频谱图，可以通过鼠标点击FFT频谱图选择频率或者在对话框中输入选择频率，会得到该频率对应幅值，点击标定计算，可以得到该频率下探测的电场强度大小。

4.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，所述电极的标定值，使用TEM Transmission Cell腔体设备在空气中标定得出，标定过程为：

1)将所选电极1放入腔体设备的中间位置，探测面平行于腔体设备的两个平行极板；

2)在腔体设备的两个平行极板上加1kHz的交流电压，调整其大小，使得在极板间产生1V/m的匀强电场，测量电场仪在该频率下的输出值，即1kHz频率下的标定值；

3)在1Hz至16kHz带宽内，以1Hz为步进频率，分别调整加在腔体设备两个平行极板的交流电压频率和大小，使得在极板间产生1V/m的匀强电场，可以得到不同频率下的电场仪输出值，即不同频率的标定值；

4)更换电极2，重复步骤1)-3)，得到电极2的标定值；

5)更换电极3，重复步骤1)-3)，得到电极3的标定值。

5.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的低频宽带电场仪，其特征在于，计算所探测电场信号强度的方法为所选择频率的对应幅值除以所选电极在该频率下的标定值之后再除以探测介质的介电常数。