测量强电场中的电场强度的方法及其装置

摘要

本发明涉及电场强度测量技术领域，具体提供了一种测量强电场中的电场强度的方法及其装置，首先关闭电场，再通过至少三个拉力计将试探点电荷体平衡在电场中需要测量电场强度的空间位置，分别记录多个拉力计的初始拉力值。其次，再开启电场，调整拉力计的拉力大小使试探点电荷体在原位置重新处于平衡状态，分别记录多个拉力计的实时拉力值。然后，计算出每个拉力计的实时拉力值与初始拉力值之差，得到拉力差值，再计算出多个拉力差值的合力，得到测量的空间位置的电场力F，根据电场力F计算出测量的空间位置的电场强度。从而获得强电场中的高精度电场强度。

说明书

技术领域

本发明涉及电场强度测量技术领域，具体而言，涉及一种测量强电场中的电场强度的方法及其装置。

背景技术

电场强度是用来表示电场的强弱和方向的物理量。在电场中某一点，试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力与其所带电荷的比值是一个与试探点电荷无关的量。于是以试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力的方向为电场方向，以前述比值为大小的矢量定义为该点的电场强度，常用E表示。按照定义，电场中某一点的电场强度的方向可用试探点电荷(正电荷)在该点所受电场力的电场方向来确定；电场强弱可由试探电荷所受的力与试探点电荷带电量的比值确定。试探点电荷应该满足两个条件；(1)它的线度必须小到可以被看作点电荷，以便确定场中每点的性质；(2)它的电量要足够小，使得由于它的置入不引起原有电场的重新分布或对有源电场的影响可忽略不计。

常规电场强度测量都通过天线完成，由于受天线尺寸限制，无法得到空间中各位置的准确电场强度，无法满足强电场中的高精度场强分布的测试需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量强电场中的电场强度的方法及其装置，以获得强电场中的高精度电场强度。

本发明是这样实现的：

首先，在关闭强电场的状态下通过至少三个拉力计将试探点电荷体平衡在需要测量电场强度的空间位置，分别记录每个所述拉力计的初始拉力值。

其次，在开启强电场的状态下，调整所述至少三个拉力计的拉力大小，使试探点电荷体在需要测量电场强度的空间位置重新处于平衡状态，分别记录每个拉力计的实时拉力值。

然后，计算出每个所述拉力计的实时拉力值与初始拉力值之差，得到拉力差值，再根据多个拉力差值计算试探点电荷体在所述需要测量电场强度的空间位置的电场力，再根据电场力计算出该空间位置的电场强度。

进一步地，上述测量强电场中的电场强度的方法，至少三个拉力计的数量为六个，六个拉力计分别设置于以所述试探点电荷体为原点的空间坐标系的三个坐标轴对应的正负方向上。

通过六个拉力计在以试探点电荷体为原点的空间坐标系的三个坐标轴对应的正负方向上对试探点电荷体进行作用，使试探点电荷体处于平衡状态，即合力为零。便于准确方便地测量出电场开启前后的各个方向的拉力值，进而便于计算电场开启前后的拉力的差值，从而计算出电场开启前后改变的合力即电场力的大小以及方向。

进一步地，上述测量强电场中的电场强度的方法，将试探点电荷体平衡在关闭状态的电场中需要测量电场强度的空间位置后，对所述试探点电荷体是否在所述需要测量电场强度的空间位置进行校准标定。

通过对试探点电荷体的所在空间位置进行校准标定，使得对测量的空间位置的准确性进行核准，使得平衡后的试探点电荷体能够准确地位于需要测量的空间位置，以保证最终获得的电场强度的准确性。

进一步地，上述测量强电场中的电场强度的方法，在强电场开启状态，试探点电荷体重新处于平衡状态后，对所述试探点电荷体是否在所述需要测量电场强度的空间位置进行校准标定。

通过上述的设置，使得保证了电场开启前后，试探点电荷体处于的空间位置的一致性，从而最终测出的差值能够准确地反应电场对试探点电荷体的作用力，最终得到较为准确的电场强度。

进一步地，上述测量强电场中的电场强度的方法，空间位置通过激光自准直仪进行校准标定。

通过激光自准直仪对试探点电荷体所在空间位置的校准标定，其精确度非常高，操作方便快捷。

一种强电场中的电场强度的装置包括：试探点电荷体、多个拉力计，试探点电荷体放置在强电场中需要测量电场强度的空间位置，每个拉力计的拉钩与试探点电荷体均通过拉力线固定连接。

进一步地，上述装置，拉力计的数量为六个，六个拉力计分别设置于以试探点电荷体为原点的空间坐标系的六个坐标轴方向上。

上述六个拉力计以及各自方向的设置，使得可以准确快捷地使试探点电荷体处于合力为零的平衡状态。也便于后续电场力的计算，使得整个计算过程更加简单。

进一步地，上述装置，拉力计是最小读数为0.001N的高精度拉力计。

上述拉力计的设置，使得拉力计对试探点电荷体的拉力可以非常精确地表示出，从而计算得到的电场力以及电场强度更加精确。

进一步地，上述装置，试探点电荷体为带电球体，带电球体的直径小于或等于2mm，电荷量为1×10^-8C～1×10^-2C。

使用带电球体作为试探点电荷体能够非常准确方便地进行测试，其原因为球体各个方向的形状均相同，便于拉力计进行调整，使之平衡，带电球体的直径越小，得到的测试结果越准确有效，上述带电球体的直径以及电荷量的设置，使得通过上述装置可以很好的测出准确有效的电场强度。

进一步地，上述装置还包括两个激光自准直仪，两个激光自准直仪设置于以试探点电荷体为原点的空间坐标系的其中两个坐标轴上，两个激光自准直仪发出的激光相互垂直。

上述两个激光自准直仪的设置，可以使得两个激光自准直仪可以快速准确地对试探点电荷体的空间位置进行快速校准标定，操作方便快捷。

需要说明的是其中强电场是指电场强度大于等于5kV/m的电场。试探点电荷体的电荷量为1×10-8C～1×10-2C。

本发明实现的有益效果：通过在电场中设置试探点电荷体，并通过至少三个拉力计对试探点电荷体进行固定，使得试探点电荷体始终处于平衡状态，即合力为零。从而得到电场开启前后的各个拉力计拉力值，再计算得到电场开启前后各个拉力计的变化差值，再通过变化差值计算得到合力，从而得到试探点电荷体在电场的作用下受到的电场力，再通过电场强度的计算公式计算出电场强度，这种方法简单方便，能够非常准确地测量出电场中各个空间位置的电场强度，特别是对强电场中的电场强度的测量，并且，测量所需的装置的结构简单，便于安装使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的实施例提供的测量强电场中的电场强度的装置的结构示意图。

附图标记汇总：测量强电场中的电场强度的装置100；拉力计110；拉力线111；试探点电荷体120；激光自准直仪130。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

一种测量强电场中的电场强度的方法：

首先，先关闭强电场，此时强电场中没有电场线，试探点电荷体不受电场力的作用，通过至少三个拉力计将试探点电荷体平衡在电场中需要测量电场强度的空间位置，即试探点电荷体在多个拉力计的作用下，各个方向受到的力的合力为零。然后分别记录多个拉力计的初始拉力值。

具体地，本实施例中，拉力计的数量为六个，六个拉力计分别设置于以试探点电荷体为原点的空间坐标系的三个个坐标轴对应的正负方向上，即分别位于X轴的正负方向、Y轴的正负方向、Z轴的正负方向上。试探点电荷体平衡(即合力为零)后，得到的初始拉力值为N_x+、N_x-、N_y+、N_y-、N_z+、N_z-。通过六个拉力计在以试探点电荷体为原点的空间坐标系的六个坐标轴方向上对试探点电荷体进行作用，使试探点电荷体处于平衡状态，即合力为零。便于准确方便地测量出电场开启前后的各个方向的拉力值，进而便于计算电场开启前后的拉力的差值，从而计算出电场开启前后改变的合力即电场力的大小以及方向。

进一步地，本实施例中，将试探点电荷体平衡在关闭状态的强电场中需要测量电场强度的空间位置后，再对试探点电荷体是否在所述测量电场强度的空间位置进行校准标定，将试探点电荷体的空间位置坐标与所需测量电场强度的空间位置坐标进行比较，若不同则重新固定试探点电荷体的位置，直至相同。通过对空间位置进行校准标定，使得可以对需要测量的空间位置的准确性进行核准，使得平衡后的试探点电荷体能够准确地位于需要测量的空间位置，以保证最终获得的电场强度的准确性。

其次，重新平衡电场中的试探点电荷体：开启放置有处于平衡状态试探点电荷体的强电场，由于试探点电荷体在电场中受到电场力的作用，从而试探点电荷体的位置发生变化，因此，此时再通过调整六个拉力计的拉力大小使试探点电荷体重新处于平衡状态，且处于平衡状态的位置与电场未开启时处于的位置一致，然后再分别记录多个拉力计的实时拉力值，多个实时拉力值分别为N'_x+、N'_x-、N'_y+、N'_y-、N'_z+、N'_z-。

进一步地，本实施例中，在强电场开启状态下，试探点电荷体重新处于平衡状态后，再对试探点电荷体所在的空间位置进行再次校准标定。以保证了电场开启前后，试探点电荷体处于的位置的一致性，从而最终测出的差值能够准确地反应电场对试探点电荷体的作用力，最终得到较为准确的电场强度。

进一步地，本实施例中，试探点电荷体所在的空间位置通过激光自准直仪进行校准标定。激光自准直仪通过激光对物体的位置进行定位标定，通过多个激光自准直仪确定所需测量电场强度的空间位置，多个激光自准直仪发出的激光汇聚到一点，得到该空间位置的空间坐标，再通过激光自准直仪确定试探点电荷体是否在所需测量电场强度的空间位置处。这种校准方式精确度非常高，操作也方便快捷。因此，通过激光自准直仪对试探点电荷体所在空间位置的校准标定能够进一步保证试探点电荷体位置的准确性。

然后，计算电场强度：计算出每个拉力计的实时拉力值与初始拉力值之差，得到拉力差值，所述拉力差值分别为(N'_x+-N_x+)、(N'_x--N_x-)、(N'_y+-N_y+)、(N'_y--N_y-)、(N'_z+-N_z+)、(N'_z--N_z-)，再计算出六个拉力差值的合力，得到试探点电荷体在该空间位置的电场力，六个拉力差值各为一个分力，六个分力的方向分别为三个坐标轴的正负方向，根据六个分力进行合成，从而得到试探点电荷体在该空间位置受到的电场力F，再根据电场力F计算出该空间位置的电场强度E，其计算公式为E＝F/q，即试探点电荷体受到的电场力F除以试探点电荷体带有的电荷量q。

需要说明的是其中强电场是指电场强度大于等于5kV/m的电场。试探点电荷体的电荷量为1×10-8C～1×10-2C。

通过在强电场中设置试探点电荷体，并通过六个拉力计对试探点电荷体进行固定，使得试探点电荷体始终处于平衡状态，即合力为零。从而得到电场开启前后的各个拉力计的拉力值，再计算得到电场开启前后各个拉力计的拉力变化差值，再通过拉力化差值计算得到合力，从而得到试探点电荷体在电场的作用下受到的电场力，再通过电场强度的计算公式计算出电场强度，这种方法简单方便，能够非常准确地测量出电场中各个空间位置的电场强度，特别是对强电场中的电场强度的测量，并且，测量所需的装置的结构简单，便于安装使用。

一种测量强电场中的电场强度的装置100包括：试探点电荷体120、多个拉力计110，试探点电荷体120放置在电场中需要测量电场强度的空间位置，多个拉力计110的拉钩与试探点电荷体120均通过拉力线111固定连接，拉力计110的拉钩与拉力线111的一端连接，拉力线111的另一端与试探点电荷体120通过粘连等方式进行连接，拉力计110固定在可移动的实验架上，可以通过移动实验架来调整拉力计110的拉力大小。本实施例中，拉力计110的数量为六个，六个拉力计110分别设置于以试探点电荷体120为原点的空间坐标系的三个坐标轴对应的正负方向上。上述六个拉力计110以及各自方向的设置，使得可以准确快捷地使试探点电荷体120处于合力为零的平衡状态。也便于电场力F的计算，使得整个计算过程更加简单。其中，拉力线111的介电常数应当尽可能接近空气的介电常数1，以减小测试带来的仪器误差。

进一步地，本实施例中，试探点电荷体120为带电球体，带电球体的直径小于等于2mm，电荷量为1×10-8C～1×10-2C。使用带电球体作为试探点电荷体120能够非常准确方便地进行测试，其原因为球体各个方向的形状均相同，便于对拉力计110的拉力进行调整，使之平衡，带电球体的直径越小，得到的测试结果越准确有效。因此，上述带电球体的直径以及电荷量的设置，使得通过上述装置可以很好的测出准确有效的电场强度。在其他实施例中，也可以根据实际的需要选择其他形状的试探点电荷体120等，例如，带电的正方体等。

进一步地，本实施例中，拉力计110是最小读数为0.001N的高精度拉力计。在测试中使用上述高精度拉力计进行操作，使得拉力计110对试探点电荷体120的拉力可以非常精确地表示出，从而计算得到的电场力以及电场强度更加精确。

进一步地，本实施例中，测量强电场中的电场强度的装置100还包括两个激光自准直仪130，并且两个激光自准直仪130设置于以试探点电荷为原点的空间坐标系的其中两个坐标轴上，两个激光自准直仪130发出的激光相互垂直。上述两个激光自准直仪130的设置，可以使得两个激光自准直仪130可以快速准确地对试探点电荷体120所在的空间位置进行快速校准标定，并且操作方便快捷。当然其他实施例中，也可以增加激光自准直仪130的数量，以及对其位置进行调整。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。