用于磁场和电场的各向同性传感器

摘要

本发明涉及各向同性的传感器(1)，其包括三个传感器单元(2)，传感器单元(2)设置有由传导屏(4)包围的导线绕组(3)，所述屏(4)在直径上对置的两个第一区域(11、12)处断开，在所述区域(I1、I2)中的一个中包括用于测量感应电流的测量端子V

说明书

本发明涉及用于在电场和磁场的特性未知的地方同时并高精度地 测量所述地方中的电场和磁场的各向同性传感器。

背景技术

对于在几千赫兹以下的频率下运行电场和磁场传感器，存在不同的 解决方案。这些传感器覆盖范围从3Hz到3kHz的ELF带、SLF带和ULF 带，在下文中这些带被称为低频率(LF)。电场(E)传感器基于诸如 平行电容器和平板电容器的电容元件。磁场(B)传感器基于绕组，其 中场B基于法拉第电磁感应定律感应电流。为使此绕组免受E场的影响， 借助于金属屏屏蔽该绕组。该金属屏趋向于具有开口或缺口,该开口或 缺口的功能是防止B场感应的电流在屏中的环流。

一些探索性设计提供同时测量低频E场和B场的方法。这些传感器 包括具有直径上对置的两个缺口的线圈，其中布置有平衡元件(平衡- 不平衡变压器)以将在两个缺口内测量的电压传递到用于加上和减去其 输出信号与E场和B场成比例的电流的电路。

此设计的缺点除了由不平衡变压器以及信号添加和减去电路引起 的额外复杂性之外，该设计对B场的响应仅在频率远高于LF范围时是 显著的。这是因为传感器是由单线圈组成的。

最后，存在测量低频E场和B场的解决方案，其提出借助于具有使 用有两个缺口的屏屏蔽的若干匝的绕组来提高对B场的敏感性。

具体地，这些是磁场B和电场E的各向同性传感器，其包括三个传 感器单元，每个传感器单元包括一个由传导屏包围的引线绕组，该屏在 直径上对置的两个第一区域中断开，以此方式限定两个独立的屏段，在 所述区域中一个内有用于测量由引线绕组中的磁场感应的电流的端子， 以及在另一区域内有用于测量在屏中由电场感应的电压的端子。

此屏蔽作为E场传感器，方式类似于上述段落中描述的具有两个缺 口的线圈。像这样被视为最接近的现有技术的传感器在图1中被示出。

然而，这些设计不允许同时测量E和B，原因在于它们使用必须由 传感器的操作者驱动的移动或机械部件(开关)。它们还存在这样的缺 点：电传感器在场幅度和频率方面只能有限地不受B场的影响。这是因 为在这些传感器中，B场感应流过屏蔽的周界的电流。这进而在旨在测 量E的缺口中产生位移电流，而这引起与B场相关而与E场不相关的电 压降。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明提出一种各向同性的磁场和电场传感 器，其包括三个传感器单元，每个传感器单元包括由传导屏包围的引线 绕组，该屏在直径上对置的两个第一区域中断开，以此方式限定两个独 立的屏段，在所述区域中一个内有用于测量磁场在引线绕组中感应的电 流的端子，以及在另一区域中有用于测量由电场在屏中感应的电压的端 子，其特征在于，每个屏段在所述两个第一区域中的两个端部借助于导 体被两两连接，并且包括布置在每个屏段的中间点处的两个断开的第二 区域，以此方式能够同时、独立且精确地基于绕组的端子中的测量来测 量磁场，以及基于两个屏段之间的电势差来测量电场。

本发明的传感器允许同时且独立地测量变化的E场和B场而无需使 用开关或移动部件。这还省却了使用加上和减去信号所需要的电路。这 还有助于克服由屏蔽用作电传感器的传感器呈现的缺点。

如在背景技术中描述的，这一缺点包括,电传感器在场幅度和频率 方面只能有限地不受B场的影响，原因在于：在旨在其中测量E的缺口 中，存在与B场相关而与E场不相关的电压降。在所提出的设计中，由 于屏蔽的特殊几何结构，该电压降被降低至最小，这为B场感应的电流 提供一个阻抗更低的路径(水平的屏蔽元件)，替代了在其中测量E的 缺口。因此获得极不受B场影响的电传感器。

根据第一可替代方案，绕组是矩形的或方形的，第一断开区域和第 二断开区域布置在侧部的中间。

根据另一可替代方案，绕组是圆形的，第一断开区域和第二断开区 域被布置为互相分开90°。

附图说明

为了更好地理解已被描述的内容，附上一组附图，其中示意性地且 仅仅通过非限制实施例的方式，实施方案的实际情况是实施方案0。

图1是现有技术的各向同性传感器的传感器单元中一个的轮廓；

图2是根据本发明的各向同性传感器的传感器单元中一个的轮廓；

图3是传感器单元原型的正视图，其中可观察到在传导屏段的端部 之间的短路。

图4是各向同性传感器的立体图，其中可观察到三个传感器单元的 相对布置。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的传感器的轮廓。借助于箭头示出了由磁场 在电传感器中感应的电流的方向。传导电流流经屏和电阻R，且电路利 用流经位于屏右边的缺口的位移电流导通。在低频率(10Hz)下，缺口 表现为防止电流存在的开口。然而，在高频率(3kHz)下，缺口的电容 阻抗减小，以此它允许存在可观察到的位移电流。此电流在经过电阻R 时引起电压降V_R，该电压降V_R可表示与该电传感器相关联的电压测量 V_E。

为解决此缺点，本发明提出如图4中所示的各向同性的磁场B和电 场E传感器1，该传感器包括三个传感器单元2，每个传感器单元2包 括被传导屏4包围的引线绕组3，屏4在直径上对置的两个第一区域I1、 I2处断开，以此限定两个独立的屏段41、42，在区域I1、I2的一个中， 有用于测量磁场B在引线绕组3中感应的电流的端子V_B，以及在区域 I1、I2的另一个中，有用于测量由电场在屏4中感应的电压的端子V_E。

每个屏段41、42在两个第一区域l1、l2中的两个端部借助于导体 5、6被两两连接，并包括布置在每个屏段41、42的中间点处的两个断 开的第二区域l3、l4，以此方式能够在高频率下同时、独立并精确地 基于绕组的端子中V_B的测量来测量磁场B，以及基于两个屏段41、42 之间的电势差V_E的测量来测量电场E。根据所示的优选实施方案，所述 绕组是圆形的，断开的第一区域l1、l2和断开的第二区域l3、l4被布 置为互相分开90°。

本发明的传感器在只有B场存在(缺乏E场)的情况下消除压降 V_R。目的是向由屏蔽中的磁场感应的电流提供不穿过电阻R的阻抗更低 的路径。用这种方式，电传感器不受磁场影响的能力极大提高。该改型 是基于：借助于将传感器的两个原始缺口互连的两个导线使得电阻R的 两端短路。用这种方式，实际上没有与磁场相关的电流流过电阻R，意 味着在缺乏E场的情况下电压降V_R是零。

所以测量磁场的绕组被充分保护，有必要制造两个新缺口l3、l4 (位于图2中的顶端和底端处)，以此方式这些新缺口的电容阻抗使得 可能流经屏蔽的电流减小，这是必要的，以使得绕组仅仅对旨在被测量 的磁场是敏感的而对由可流经屏蔽的显著电流产生的磁场是不敏感的。

从电传感器的响应的观点看，一对线的引入转换成并联弱电容的出 现，该并联弱电容被加入屏蔽的电容，该弱电容以可忽略的方式增大电 压V_E。关于所述两个新缺口，它们的效果是将屏蔽的电容减半，这可通 过使得电阻R的值加倍来补偿。这仍是可接受的，因为新电阻仍比屏蔽 的电容阻抗低的多。

尽管已参考本发明的具体实施方案，但对本领域技术人员显而易见 的是，所描述的各向同性传感器容许有很多变体和改型，并且在不偏离 由所附权利要求书限定的保护范围的情况下，所提到的所有细节可以由 其他技术上等同的细节所替代。