[发明专利]一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置。本发明将悬浮的微纳颗粒带上一定数量的电荷，根据微粒在待测电场中的位移功率谱密度信号可得到微粒所受电场力，结合微粒所带电荷量即可计算出待测电场强度。本发明可以在不改变原有悬浮微粒的状态下实现电场探测，借助悬浮谐振子的高灵敏力学检测性能，可以在几赫兹至兆赫兹的宽频带范围内实现电场探测的高灵敏度。通过测量微粒在三个正交方向上的位移功率谱密度，可以实现微粒所处位置的矢量电场探测，由于悬浮微粒的尺寸很小，电场探测的空间分辨率可达百纳米级。因此，本发明通过悬浮微粒谐振子，提供了一种原位、无损、高探测灵敏度、高空间分辨率的测量矢量电场的方法和装置。

技术领域

本发明涉及一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置。

背景技术

电场是描述电磁场最基本的物理量，在许多领域有着广泛的应用与意义。射频电场是现代通信的基础，同时也在遥感技术、物理研究、医学科学等领域具有广泛的应用。在电力系统中，精确测得电气设备周围的电场对电力系统的安全与稳定运行有着非常重要的意义。通过电场可以检测“接触电压（contact voltages）”，这是由于布线的绝缘问题导致的无意中通电的导体，是许多城市一个重要的环境安全问题。此外。随着现代工业的发展，射频电场的强度和密度大幅度增高，会影响一些昆虫等动物的行为。因此，对电场的检测，特别是弱电场的精密测量具有现实意义。

目前的电场测量主要有金刚石NV色心固态自旋测量、里德堡原子（Rydbergatoms）测量、天线耦合无源电子器件测量、以及电光晶体测量等方法。

天线耦合电路的电场测量灵敏度较低，在1~10 V/m/Hz^1/2范围；电光晶体的探测灵敏度可以达到10^-3 V/m/Hz^1/2，但是只能探测某一个方向上的电场；金刚石NV色心和里德堡原子法的探测灵敏度与原子能级有关，最佳探测频段集中在微波频段以及GHz-THz频段。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种基于悬浮微粒测量电场的方法及装置。

本发明实现发明目的的技术方案如下：

一种基于悬浮微粒测量电场的方法，

1）捕获微粒并悬浮微粒；

2）调节悬浮微粒所带的电荷量；

3）测得悬浮微粒的电荷数N；

4）将悬浮微粒放置于待测电场中，测得悬浮微粒在电场作用下的位移功率谱密度响应，得到电场力F_el；

5）根据公式E=F_el/Nq_e，得到电场强度。

所述的微粒为质量已知的标准光学均匀介质球，形状为球型，材料是二氧化硅。

步骤1）捕获微粒并悬浮微粒的方式包括光悬浮、磁悬浮或者电悬浮。

步骤2）调节微粒带电量的方式包括紫外光激发或者高压电晕放电；

步骤3）测量微粒带电量的方式为，在一对平行电极上施加频率为ω_dr的交流驱动电压，以形成交变电场，悬浮微粒的位置处于电场覆盖范围内；

通过解调ω_dr处的信号获得悬浮微粒对电场力的响应幅值，根据该响应值的变化即可测出微粒所带的电荷数N。