【導(dǎo)讀】中科飛龍利用大氣電場探測 MEMS （Micro-electrolytically United Processing）傳感器設(shè)計了一種能夠?qū)Υ髿怆妶鰪?qiáng)度進(jìn)行探測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用 MEMS工藝，結(jié)合電荷測量技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)，以實現(xiàn)對大氣電場強(qiáng)度的探測。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)探測的電場強(qiáng)度為0.68V/m，水平方向的探測深度可達(dá)100m。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在靜止風(fēng)洞中對大氣電場的高靈敏度測量和實時檢測，并具有成本低、可集成等優(yōu)點。
隨著人類社會的發(fā)展和人類對能源需求的增加，大氣中的各種物質(zhì)（包括水、冰和碳?xì)浠衔铮┑劝l(fā)生電離產(chǎn)生自由電子而對地產(chǎn)生電場，其作用將會改變地表各種物理參數(shù)，如濕度、溫度、鹽度和重力加速度等。大氣電場測量在遙感、水文和氣象等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的大氣電場探測方法主要包括無線電探測方法和可見光探測方法兩大類。無線電探測方法有：低頻射電干涉、地波雷達(dá)、閃電定位儀等?？梢姽馓綔y方法有：可見光成像光譜儀、激光誘導(dǎo)熒光等。大氣電場的探測主要采用雷達(dá)和地面電場傳感器進(jìn)行，由于大氣電場是一種電磁場，其信號具有很強(qiáng)的吸收噪聲，因此目前常用的探測手段主要為雷達(dá)探測方式和地面電場傳感器測量方式。
引言
隨著人類對能源需求的增加，以風(fēng)能、太陽能為代表的可再生能源產(chǎn)業(yè)越來越受到關(guān)注。由于其固有的自然屬性，風(fēng)和光電系統(tǒng)對周圍環(huán)境具有強(qiáng)烈的擾動，將會影響其正常運行和使用。因此需要通過大氣電場測量手段，實時監(jiān)測并跟蹤風(fēng)和光電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以保證風(fēng)和光電系統(tǒng)的正常運行。
測量原理
大氣電場是一種電磁場，其信號具有很強(qiáng)的吸收噪聲，因此需要在信號經(jīng)過前級放大器前添加濾波電路以消除噪聲。由于大氣電場在其中心處存在最大值，因此對地電場傳感器的敏感方向要求盡可能接近中心，因此可通過對敏感方向進(jìn)行探測來提高探測精度。
地面電場傳感器探測原理如圖1所示：當(dāng)電勢差為0時，信號經(jīng)過前置放大器，輸出端得到的是電壓差成正比的信號。通過對此電壓差進(jìn)行傅里葉變換即可得到該電場傳感器的等效電容。通過電容計算公式：
其中： Rp為電場強(qiáng)度，ε為溫度系數(shù)， Pn為電阻， Ri為電阻率，Rc為電容率。
實驗與結(jié)果
實驗中采用的是基于 MEMS技術(shù)的電場傳感器，其測量范圍為-55~+150V/m。為了驗證系統(tǒng)性能，在室外進(jìn)行了實驗。
在室外環(huán)境下進(jìn)行的實驗包括：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。空氣中的電荷與濕度和溫度有關(guān)，在相對濕度和溫度一致時，空氣中的電荷為零，而在濕度相同時，環(huán)境中的電荷為無窮大。
在實驗過程中需要注意以下問題：
（1）電極要始終處于穩(wěn)定狀態(tài)；
（2）電極之間距離不要太大；
（3）使用時注意避免直接接觸電極；
（4）盡量避免空氣流動帶來的影響。
結(jié)論與討論
本文介紹了一種基于 MEMS技術(shù)的大氣電場傳感器，利用電容-電壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)對電場進(jìn)行測量，在高濕度環(huán)境下，實現(xiàn)了低噪聲、低功耗的電場測量。由于器件尺寸小，在一些環(huán)境惡劣的場合應(yīng)用是一種不錯的選擇。此外，該器件還具有較好的可重復(fù)性、長期穩(wěn)定性和較高的靈敏度，為大氣電場探測領(lǐng)域提供了一種新的方案。
