综述：三维电场传感器技术与挑战
2025-12-28 15:29:56 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文研究考察了多种三维电场传感器，包括场磨式直流传感器、基于电光效应的光学式传感器、电容式传感器、MEMS传感器，每种传感器都具有独特的优势，并在特定应用中发挥着重要作用。
电场测量对于理解复杂的物理现象、确保工程系统的安全运行、促进前沿科学研究等具有不可替代的重要意义。三维电场传感器（3D EFS）能够同时测量三个相互正交方向上的电场分量，全面捕捉电场的空间分布和动态变化，可以广泛应用于大气科学、智能电网、航空航天、目标探测等领域。
据麦姆斯咨询报道，北京信息科技大学和中国科学院航天信息研究所的研究人员联合在Micromachines期刊上发表了题为“A Review of Three-Dimensional Electric Field Sensors”的综述文章。文中深入分析了三维电场传感器的最新研究进展，重点介绍了四种主要类型的传感器：场磨式直流传感器、基于电光效应的光学式传感器、电容式传感器、微机电系统（MEMS）传感器。详细阐述了它们的工作原理、结构设计和解耦校准方法。同时，分析了各种类型的三维电场传感器的优缺点及其在不同领域的应用。最后，讨论了三维电场传感器技术面临的挑战及其未来的发展方向。
I 场磨式三维直流电场传感器
场磨式三维电场传感器是一种经典的电场测量装置，主要用于基于电荷感应原理测量直流电场。这种传感器主要由屏蔽结构、感应结构、光电编码器和电机等关键部件组成。在设备运行过程中，屏蔽结构（包括球笼结构、电极结构、球形结构和屏蔽罩结构）的不断转动，使感应结构（包括球形结构、电极结构和圆形感应板结构）暴露在电场中的面积呈现出有规律的周期性变化。相应地，感应结构上的感应电荷也会发生变化，从而产生感应电流。借助信号处理单元对感应电流进行精确的分析和处理，可以实现对直流电场的有效测量。场磨式三维电场传感器的基本结构下图所示。
场磨式三维电场传感器的简单示意图
场磨式三维电场传感器在气象、电网和水下电场探测等领域显示出广泛的潜在应用。研究人员讨论了在这些方面的探索和研究。
两种场磨式三维电场传感器结构
一种用于测量高压直流输电线路中合成电场矢量三维分量的新型传感器
II 光学式三维电场传感器
光学式三维电场传感器因其体积小、频率响应范围广、灵敏度高、分辨率高、抗电磁干扰能力强、固有绝缘特性、电气安全性高、适合长距离测量和信号传输等优点，受到广泛关注和应用。目前，这种电场传感器用于评估电力设备的电磁兼容性，测量设备周围的电磁场分布，并帮助改进设备的设计和性能。它还被应用于研究云电荷分布和闪电机制，这有助于提高天气预报的准确性。
光学式三维电场传感器利用线性电光效应（普克尔效应）通过电场影响晶体的折射率来改变光的相位或强度，从而实现电场的非接触式测量。这些传感器大多基于三个集成的光波导马赫-曾德尔干涉仪（MZI）调制器，用于测量三个方向上的电场E（包括Ex、Ey和Ez）。MZI传感器的一种典型结构如下图所示。
MZI传感器的典型结构：（a）MZI的基本结构；（b）横截面图。
光学式三维电场传感器通常包括多个相互垂直的电场检测单元，以确保精确捕获电场的空间分布。这些传感器主要用于测量交流或瞬态电场信号，例如雷电电磁脉冲或电力系统中的瞬态电压。它们具有广阔的应用前景，可用于电力设备监测、电磁兼容性测试和防雷等领域。
四种光学式三维电场传感器
III 电容式三维电场传感器
电容式三维电场传感器的核心原理是通过多轴、正交分布的感测电极捕获空间电场分量，并通过应用信号处理和校准算法重建3D电场矢量。电极结构可以包括球形设计、平行板或PCB铜箔。电场在电极表面感应出电荷，通过测量电容变化或电荷积分将其转换为电压信号，然后，该信号通过光学（光纤传输）或电路系统（差分积分电路）转换为可测量的电信号，从而实现电场信息的测量。
四种电容式三维电场传感器
IV MEMS三维电场传感器
基于MEMS技术的三维电场传感器因其体积小、功耗低、适用于大规模传感器阵列而成为研究热点。在过去的二十年里，主要由中国科学院领导的团队开发了几种典型的基于电荷感应原理的MEMS三维电场传感器结构，以实现高精度的电场测量。电荷感应原理与场磨式三维电场传感器的工作原理相似。它需要一个驱动结构来周期性地移动屏蔽电极，从而周期性地屏蔽感测电极上的电场，持续产生感应电流。该方法解决了静电场和低频电场不能连续提供能量的问题。MEMS三维电场传感器的主要类型是单芯片结构和组装结构。单芯片结构主要基于共面电极，而组装结构包括平面、三角棱镜和立方体结构。
基于单芯片结构的两种MEMS三维电场传感器
基于组装结构的三种MEMS三维电场传感器
V 解耦校准方法
三维电场传感器通常至少包括三个独立的传感单元，用于测量直角坐标系中沿X、Y、Z轴方向的电场强度分量。在实际应用中，单个传感单元的输出信号不仅受到沿指定测量轴的电场分量的影响，还受到另外两个非对应轴的电场分量的交叉干扰。测量沿X轴的电场分量的传感单元的响应特性与X方向上的电场强度错综复杂地联系在一起，并且还受到沿Y轴和Z轴的电场分量干扰的影响。轴间耦合效应对三维电场测量的精度构成了相当大的障碍。为了有效缓解这一问题并提高测量数据的可靠性，通常采用两种方法来减少轴间耦合干扰的影响：从算法的角度开发解耦矩阵或从结构的角度创建对称性。
电场传感器的灵敏度矩阵K可以通过实验校准获得。耦合矩阵的校准过程如下图所示。
耦合矩阵校准流程图
解耦矩阵校准技术广泛应用于三维电场传感器的校准过程中。这种方法可以有效地减轻轴间耦合干扰；尽管如此，在实际应用中仍存在许多障碍和限制。
近年来，在各科学与工业应用中对高精度、大范围电场测量的需求驱动下，三维电场传感器的开发取得了长足的进步。本研究考察了多种三维电场传感器，包括场磨式直流传感器、基于电光效应的光学式传感器、电容式传感器、MEMS传感器，每种传感器都具有独特的优势，并在特定应用中发挥着重要作用。
场磨式直流传感器具有出色的稳定性和抗干扰能力，使其特别适合在恶劣条件下进行长时间监测，例如高压输电线路。它们具有测量直流电场的能力；尽管如此，它们复杂的设计和机械旋转的必要性可能会限制它们在特定情况下的适用性。基于电光效应的光学式传感器提供非接触式测量能力。它们对电磁干扰的强大抵抗力使其适用于检测高压环境中的交流和瞬态电场；主要缺点包括高昂的费用和对环境因素的严重依赖，包括温度、湿度和光照。电容式电场传感器擅长测量快速变化的电场，特别是那些存在于短暂电磁事件中的电场；尽管如此，与其它类型传感器相比，它的测量范围有限，抗干扰能力减弱。MEMS传感器以其紧凑性、高灵敏度和低功耗等特点，非常适合紧凑型可穿戴系统或嵌入式系统。
尽管取得了重大进展，但在三维电场传感器的开发和应用中仍然存在一些挑战。未来研究方向包括:（1）人工智能（AI）增强信号处理；（2）多源传感器融合；（3）智能医疗/环境系统级集成应用；（4）三维电场传感器产品化/标准化。
论文链接：https://www.mdpi.com/2072-666X/16/7/737
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