【導讀】中科飛龍利用大氣電場(chǎng)探測 MEMS （Micro-electrolytically United Processing）傳感器設計了一種能夠對大氣電場(chǎng)強度進(jìn)行探測的系統。該系統利用 MEMS工藝，結合電荷測量技術(shù)和高速數據采集技術(shù)，以實(shí)現對大氣電場(chǎng)強度的探測。研究結果表明，系統探測的電場(chǎng)強度為0.68V/m，水平方向的探測深度可達100m。該系統可以實(shí)現在靜止風(fēng)洞中對大氣電場(chǎng)的高靈敏度測量和實(shí)時(shí)檢測，并具有成本低、可集成等優(yōu)點(diǎn)。
隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展和人類(lèi)對能源需求的增加，大氣中的各種物質(zhì)（包括水、冰和碳氫化合物）等發(fā)生電離產(chǎn)生自由電子而對地產(chǎn)生電場(chǎng)，其作用將會(huì )改變地表各種物理參數，如濕度、溫度、鹽度和重力加速度等。大氣電場(chǎng)測量在遙感、水文和氣象等領(lǐng)域應用廣泛。傳統的大氣電場(chǎng)探測方法主要包括無(wú)線(xiàn)電探測方法和可見(jiàn)光探測方法兩大類(lèi)。無(wú)線(xiàn)電探測方法有：低頻射電干涉、地波雷達、閃電定位儀等?？梢?jiàn)光探測方法有：可見(jiàn)光成像光譜儀、激光誘導熒光等。大氣電場(chǎng)的探測主要采用雷達和地面電場(chǎng)傳感器進(jìn)行，由于大氣電場(chǎng)是一種電磁場(chǎng)，其信號具有很強的吸收噪聲，因此目前常用的探測手段主要為雷達探測方式和地面電場(chǎng)傳感器測量方式。
引言
隨著(zhù)人類(lèi)對能源需求的增加，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的可再生能源產(chǎn)業(yè)越來(lái)越受到關(guān)注。由于其固有的自然屬性，風(fēng)和光電系統對周?chē)h(huán)境具有強烈的擾動(dòng)，將會(huì )影響其正常運行和使用。因此需要通過(guò)大氣電場(chǎng)測量手段，實(shí)時(shí)監測并跟蹤風(fēng)和光電系統的工作狀態(tài)，以保證風(fēng)和光電系統的正常運行。
測量原理
大氣電場(chǎng)是一種電磁場(chǎng)，其信號具有很強的吸收噪聲，因此需要在信號經(jīng)過(guò)前級放大器前添加濾波電路以消除噪聲。由于大氣電場(chǎng)在其中心處存在最大值，因此對地電場(chǎng)傳感器的敏感方向要求盡可能接近中心，因此可通過(guò)對敏感方向進(jìn)行探測來(lái)提高探測精度。
地面電場(chǎng)傳感器探測原理如圖1所示：當電勢差為0時(shí)，信號經(jīng)過(guò)前置放大器，輸出端得到的是電壓差成正比的信號。通過(guò)對此電壓差進(jìn)行傅里葉變換即可得到該電場(chǎng)傳感器的等效電容。通過(guò)電容計算公式：
其中： Rp為電場(chǎng)強度，ε為溫度系數， Pn為電阻， Ri為電阻率，Rc為電容率。
實(shí)驗與結果
實(shí)驗中采用的是基于 MEMS技術(shù)的電場(chǎng)傳感器，其測量范圍為-55~+150V/m。為了驗證系統性能，在室外進(jìn)行了實(shí)驗。
在室外環(huán)境下進(jìn)行的實(shí)驗包括：濕度對比測試、溫度對比測試和電荷對比測試等。本文中測量的相對濕度為95%，溫度為15℃，電荷為1000μC/m2?？諝庵械碾姾膳c濕度和溫度有關(guān)，在相對濕度和溫度一致時(shí)，空氣中的電荷為零，而在濕度相同時(shí)，環(huán)境中的電荷為無(wú)窮大。
在實(shí)驗過(guò)程中需要注意以下問(wèn)題：
（1）電極要始終處于穩定狀態(tài)；
（2）電極之間距離不要太大；
（3）使用時(shí)注意避免直接接觸電極；
（4）盡量避免空氣流動(dòng)帶來(lái)的影響。
結論與討論
本文介紹了一種基于 MEMS技術(shù)的大氣電場(chǎng)傳感器，利用電容-電壓轉換結構對電場(chǎng)進(jìn)行測量，在高濕度環(huán)境下，實(shí)現了低噪聲、低功耗的電場(chǎng)測量。由于器件尺寸小，在一些環(huán)境惡劣的場(chǎng)合應用是一種不錯的選擇。此外，該器件還具有較好的可重復性、長(cháng)期穩定性和較高的靈敏度，為大氣電場(chǎng)探測領(lǐng)域提供了一種新的方案。
