邢学斌,彭春荣,毋正伟,张洲威,任 仁

(1.中国科学院空天信息创新研究院传感技术联合国家重点实验室,北京 100190;2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院,北京 100049)

0 引言

空中电场探测在石油化工、智能电网、工业生产等领域有大量的需求。传统电场探空仪[1-5]体积大、功耗高、易磨损、施放难度大、组装工艺复杂、成品率低、不易批量生产等因素,是制约传统电场探空仪广泛应用的重要瓶颈。

基于MEMS(micro-electro-mechanical system,微机电系统)技术的电场传感器是电场探测技术领域的重要研究发展方向。与传统电场传感器相比,MEMS电场传感器具有体积小、质量轻、功耗低、空间分辨力高等优点,但目前基于MEMS电场传感器的电场检测系统[6]主要进行一维电场的检测,无法准确反映空间三维电场的全部信息。

为实现空中电场的准确测量,满足功耗低、体积小、易操作等探空需求,对基于MEMS技术的新型三维电场探空仪,开展三维电场探空仪测试标定系统设计,基于跨平台、完整的Qt集成开发环境Qt Creator进行MEMS三维电场探空仪上位机设计,实现多路电场信号采集处理、传感器零点校验、标定测试、性能参数计算等功能,为电场探空仪的高精度三维电场测量及应用奠定了基础。

1 MEMS三维电场探空仪

1.1 MEMS三维电场探空仪总体结构

MEMS三维电场探空仪以MEMS电场传感器为核心,整体结构如图1所示,由感应电极A、感应电极B、感应电极C、感应电极D、MEMS电场传感器、信号处理电路及传输电路、外壳等部分构成,其中感应电极A与感应电极B对称布置构成X方向感应电极对,感应电极C与感应电极D对称布置构成Y方向感应电极对,2对感应电极之间存在一定的高度差。空间三维电场的X分量Ex、Y分量Ey、Z分量Ez及总场Etotal可分别由式(1)～式(4)得到。

图1 MEMS三维电场探空仪结构示意图

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:EA、EB、EC、ED分别为通过外感应电极A、外感应电极B、外感应电极C、外感应电极D获得的电场强度;Ex、Ey、Ez分别为X、Y、Z方向下的电场强度;Etotal为总场电场强度。

1.2 MEMS电场传感器工作原理

MEMS电场传感器敏感结构的工作原理如图2所示。其中,屏蔽电极与正、负感应电极分别构成2个电容器,当屏蔽电极随激励梳齿发生周期性振动时,正负感应电极上的感应电荷量随之发生周期性的改变,从而产生一定频率的感应电流信号,检测该电流信号即可实现电场的检测[7]。

图2 MEMS电场传感器工作原理

2 MEMS三维电场探空仪上位机设计

2.1 MEMS三维电场探空仪上位机软件设计

使用跨平台、完整的Qt集成开发环境Qt Creator完成GUI(graphical user interface)图形用户界面项目的创建、运行和发布,具体实现功能如图3所示,主界面设计如图4所示,子界面设计如图5所示。

图3 MEMS三维电场探空仪上位机功能设计

图4 上位机主界面设计

图5 上位机子界面设计

2.2 数据传输与解析功能设计

经运算放大器放大、A/D转换、数字锁相放大等处理后,三维电场探空仪获得了待测位置的电场信息。为进行数据交互,微处理器将电场信息转换为字节信息,形成特定的数据帧,通过RS485接口完成数据交互。为避免双字节帧头信息误判引起数据丢失的问题,采用帧头、帧尾3字节信息作为数据解析的标志进行如图6所示的动态数据的传输与解析。

图6 数据传输与解析实现

2.3 零点校验功能设计

数据传输与解析实现了MEMS三维电场探空仪的信息获取,但在进行三维标定实验前,还需完成三维电场探空仪传感器的零点校验,即将MEMS三维电场探空仪置于标准电场标定装置中,根据传感器零点校验要求,在上位机界面完成对应操作后实现如图7所示的传感器零点校验。

图7 零点校验信号和槽函数关联图

2.4 标定测试功能设计

2.4.1 标准电场标定装置控制

如图8所示的标准电场标定装置采用平行极板法[8]进行电场传感器的标定,标准电场标定装置由平行极板和高压源表两部分构成。

图8 标准电场标定装置

MEMS三维电场探空仪上位机可通过RS232接口实现与正、负高压源表的串口通讯。根据标定使用的高压源表及高压源表所对应的COM端口,进行高压源表与MEMS三维电场探空仪上位机的连接,在写入COM端口、波特率、数据位、校验位、停止位等初始化参数,成功实现串口连接后,通过串口写入高压源表控制命令,实现MEMS三维电场探空仪上位机对高压源表的电压设置和电压回显的操作。

2.4.2 传感器标定测试及性能指标处理

如图9所示的实验标定功能模块由生成输入电压序列、发送输入电压值、输出高压源表电压值、接收电场传感器测量数据、构成输入输出数据点5部分构成。

图9 实验标定

根据传感器的测量范围,在上位机界面的标定测试中,输入标定电压的初值、标定电压的终值、平行极板间距、标定点数等信息,完成将传感器全量程分为若干个等间距点的操作;根据输入的往返行程个数进行标准输入量的构建,同时为保障标定数据的准确性、减小电压源表输出电压在转换过程中对传感器输出值的影响,在剔除平滑数目前10%及后10%的数据后进行算术平均,得到标定电场下传感器的输出值,完成标定数据点的构建,具体实现过程如图10所示。根据传感器性能参数的相关标准[9-10],对标定实验数据进行处理,获得如图11所示的传感器性能参数。

图10 实验标定信号和槽函数的关联图

图11 性能参数

3 实验结果

3.1 测试系统搭建

将MEMS三维电场探空仪水平静置于标准电场标定装置的平行极板上,通过RS232接口、RS485接口实现MEMS三维电场探空仪上位机终端与负高压源表、MEMS三维电场探空仪的连接。

根据MEMS三维电场探空仪使用的端口、波特率和高压源表使用的端口、波特率进行MEMS三维电场探空仪上位机串口通讯设置,实现MEMS三维电场探空仪的数据传递与解析和高压源表的电压控制,根据传感器零点校验要求,输入平滑点数完成如图12所示的传感器零点校验。

图12 零点校验结果显示

根据标定需求,在MEMS三维电场探空仪上位机界面输入初值、终值、显示点数、平滑点数、极板间距、往返行程等信息后实现标准电场标定装置电压范围输入、传感器性能参数校准点、校准循环等信息的录入,通过高压源表的自动控制及MEMS三维电场探空仪的数据接收,完成标定测试实验。

3.2 实验结果

3.2.1 电场仪单个传感器性能标定测试

根据MEMS三维电场探空仪标定测试实验数据,获得如图13所示的电场传感器A、如图14所示的电场传感器B、如图15所示的电场传感器C、如图16所示的电场传感器D的标定测试结果,如表1所示的性能参数。

图13 传感器A标定测试结果

图14 传感器B标定测试结果

图15 传感器C标定测试结果

图16 传感器D标定测试结果

3.2.2 三维电场探空仪标定测试

根据电场传感器A、电场传感器B、电场传感器C、电场传感器D的标定实验,获得电场传感器A、电场传感器B、电场传感器C、电场传感器D的标定系数后,进行三维电场试验验证。试验结果如图17所示,其中Etotal拟合直线的表达式如式(5)所示。

图17 施加电场后电场探空仪三分量及总场强试验结果

y=-0.743-1.072x

(5)

式中:y为MEMS三维电场探空仪总场强的输出值;x为施加的标定场强。

试验结果表明:经测试系统标定后的三维电场探空仪可实现三维电场的检测,MEMS三维电场探空仪的总场强的线性度为1.32%、总场强的重复性为3.6%、总场强的准确度为5.68%。

4 结束语

为实现空中大气电场的准确探测,开展基于MEMS技术的新型三维电场探空仪测试系统的设计,实现了电场探空仪多路电场信号采集、传感器零点校验、标定测试、性能参数计算等功能,完成了该测试系统对研制的MEMS三维电场探空仪的标定与性能测试。实验结果表明,该测试系统能够实现三维电场探空仪的标定与性能测试,经测试系统标定后的三维电场探空仪总场强的线性度为1.32%、总场强的重复性为3.6%、总场强的准确度为5.68%。