差動式大氣電場傳感器的製作方法

2023-04-23 21:09:06 2

專利名稱：差動式大氣電場傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及大氣電場測量領域。
背景技術：
通過探測帶電雲層及近地面電場環境及其變化，來判斷雷暴活動的發展 趨勢和發生森林雷擊的可能性。結合近地天氣條件和可燃物條件，可推測雷 擊火的發生和預報。目前電場測量有三種方法電暈法靈敏度低，放射線法 比較可靠，但反應速度慢。常用的是機械旋轉式感應器，又稱場磨儀。它靈 敏度高、響應快、動態範圍大，並可以同時測量靜電場。缺點是抗環境幹擾 能力差，在森林、草原等強噪聲環境下，導致解析度降低。並且由於帶電粒 子的碰撞使傳感器電位改變，使測量信號失真。

實用新型內容
本實用新型是為了解決現有大氣電場傳感器抗環境幹擾能力差缺點，而 提出了一種差動式大氣電場傳感器。
本實用新型包括定位座、第一組電極、前置放大器、電機、接地電刷、 第二組電極和屏蔽盤；屏蔽盤為開有2n個扇形孔的環型圓盤，所述的2n個 扇形孔沿屏蔽盤的環型圓盤圓周方向均勻分布，屏蔽盤的上表面每兩個扇形 孔之間設置有凸沿，所述凸沿的外弧面與扇形孔的弧面位於同一圓周面，電 機轉軸穿過定位座和接地電刷中心，電機軸的末端固定連接在所述的屏蔽盤 的中心孔上，定位座為內徑表面開有兩個對稱凹槽下表面設置有凸沿的環型 圓盤，所述的接地電刷嵌放於定位座的兩個對稱凹槽內，電機轉軸與定位座 內的接地電刷摩擦接觸，第一組電極和第二組電極為兩組扇形金屬片，每組 扇形金屬片為2n個，所述的第一組電極和第二組電極沿圓周方向交替均勻分 布在定位座的環型圓盤的下表面的凸沿內，定位座的凸沿位於屏蔽盤的凸沿 的外側，所述的第一組電極和第二組電極與定位座之間絕緣連接，所述的第 一組電極和第二組電極的兩個獨立的輸出端分別連接前置放大器中的差分放 大器的兩個輸入端。
本實用新型的結構特點是，屏蔽盤由電機帶動旋轉，使兩組電極交替地
3暴露在外電場E中，或被屏蔽使E-0。這樣周而復始產生交變信號，使兩個 測量迴路中的信號發生大小相等、方向相反的變化，導致一個迴路的感應電 流增加，另一個迴路的感應電流減小，形成差動形式。由於兩組電極彼此獨 立，即使因外界幹擾噪聲疊加到信號中，也不能直接進入信號處理電路，而 由兩路信號差分輸入被抵消掉。使進入信號處理電路的噪聲小而有節制。因 此，使因外界帶電粒子的影響引起的噪聲明顯減小，並使傳感器靈敏度提高 2倍。


圖1是本實用新型的縱向階梯剖視圖；圖2是兩組電極的仰視圖；圖3 是屏蔽盤15的仰視圖。
具體實施方式

具體實施方式
一結合圖1、圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式 由定位座l、第一組電極2、前置放大器9、電機ll、接地電刷12、第二組 電極13和屏蔽盤15組成；屏蔽盤15為開有2n個扇形孔的環型圓盤，所述 的2n個扇形孔沿屏蔽盤15的環型圓盤圓周方向均勻分布，屏蔽盤15的上表 面每兩個扇形孔之間設置有凸沿，所述凸沿的外弧面與扇形孔的弧面位於同 一圓周面，電機11轉軸穿過定位座1和接地電刷12中心，電機軸的末端固 定連接在所述的屏蔽盤15的中心孔上，定位座1為內徑表面開有兩個對稱凹 槽下表面設置有凸沿的環型圓盤，所述的接地電刷12嵌放於定位座1的兩個 對稱凹槽內，電機11轉軸與定位座1內的接地電刷12摩擦接觸，第一組電 極2和第二組電極13為兩組扇形金屬片，每組扇形金屬片為2n個，所述的 第一組電極2和第二組電極13沿圓周方向交替均勻分布在定位座1的環型圓 盤的下表面的凸沿內，定位座1的凸沿位於屏蔽盤15的凸沿的外側，構成差 動式感應結構，所述的第一組電極2和第二組電極13與定位座1之間絕緣連 接，所述的第一組電極2和第二組電極13的兩個獨立的輸出端分別連接前置 放大器9中的差分放大器的兩個輸入端。
具體實施方式
二結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在於第一組電極2和第二組電極13與定位座1之間絕緣連接是由 下絕緣墊3、絕緣套4、上絕緣墊5、外環6、接線柱7和內環8連接組成的，兩組電極與定位座1之間設置有下絕緣墊3，外環6和內環8與定位座1之 間設置有上絕緣墊5，接線柱7為4n個，其中2n個接線柱7穿過定位座1 固定連接外環6與第一組電極2，另外2n個接線柱7穿過定位座1固定連接 內環8與第二組電極13，絕緣套4設置在接線柱7和定位座1之間。其它組 成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在於增加了光電開關14，定位座1的凸沿上開有圓孔，圓孔上安 裝有光電開關14，屏蔽盤15凸沿位於定位座1的凸沿圓孔的內側，屏蔽盤 15凸沿垂直阻擋光電開關14的信號光，產生同步參考脈衝信號，用於鑑別 電場信號的極性。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方 式一不同點在於接地電刷12由碳塊和彈簧組成；碳塊的一端與電機11的轉 軸接觸，碳塊另一端與彈簧的一端連接，彈簧的另一端擠壓在凹槽底部。通 過彈簧使碳塊與電機11轉軸摩擦接觸更為緊密。其它組成和連接方式與具體 實施方式一相同。
本實用新型內容不僅限於上述各實施方式的內容，其中一個或幾個具體 實施方式的組合同樣也可以實現實用新型的目的。
導體在電場中產生感應電荷的大小與電場強度E成正比，即Q(t)=-e EA(t)，其中e為自由空間介電常數，A(t)為導體的表面積。如果導體與接地 電阻相接，則當導體完全屏蔽時，其上的電荷經電阻流向大地形成感應電流。 如果以一塊接地金屬板不斷屏蔽它，就可以使帶電板交替地充放電，產生一 個交變電流，其數值與E成正比，即i(t)=dQ(t)/dt=-e EdA(t)/dt，由此可以測 出E值。通過上述理論設計出本實用新型的差動式大氣電場傳感器，其工作 原理如下
在1=0，屏蔽盤15完全遮住第一組電極2、完全暴露第二組電極13時， 開始轉動，在0<1<1=1/12時間內，屏蔽盤15朝第二組電極13處運動，使 第一組電極2整個面積ji (r22-ri2)/2逐漸露出，使第二組電極13的面積逐漸遮 擋住。在此期間第一組電極2的面積增長率為dA(t)/dt= Ji (r22-ri2)/2( t /12)= 6 Jifo(r2、n2)，而第二組電極13面積減少率為-6JifQ(i^-r )式中r,、 1"2分別為電極和屏蔽盤15的內外半徑，fb和1=1/&分別是電機11的旋轉頻率和旋轉周 期，f-l/2T為電場信號頻率，0或2T時為第一組電極2完全屏蔽那瞬間的時 間，T為第一組電極2完全暴露的一瞬間。
當t-T時，第一組電極2暴露出最大面積、第二組電極13被完全遮擋。 屏蔽盤15又向遮擋第一組電極2暴露第二組電極13的方向運動，在T至2T 期間，第一組電極2面積減少率為-6Jif。(r厶r。，第二組電極13的面積增長 率為6 Ji fo(f22-r卩)。
在不考慮電極邊緣效應的前提下，
第一組電極2迴路的電流為
i(t) = dQ(t)/dt = - e EdA(t)/dt=國6 Ji f e (r^-r^E^I, 第二組電極13迴路的電流為
i2(t)= dQ(t)/dt =- e EdA(t)/dt =6 Ji f e (i^-i^^I; 兩個迴路的電流大小相等、方向相反。 於是，傳感器輸出電流
i(t)= i丄(t)- i2(t)= -I-I=-2I 0<t<T i(t)= (t)- i2(t)=I-(-I)=2I T<t<2T
靈敏度提高2倍。
設外界帶電粒子打在J電極第一組電極2上產生的噪聲電流為』Ii ，打 在電極第二組電極13上產生的噪聲電流為Ztl2則」h"Z！12,
因此」I二ZI1,—」I2"0。
權利要求1、差動式大氣電場傳感器，其特徵在於它包括定位座(1)、第一組電極(2)、前置放大器(9)、電機(11)、接地電刷(12)、第二組電極(13)和屏蔽盤(15)；屏蔽盤(15)為開有2n個扇形孔的環型圓盤，所述的2n個扇形孔沿屏蔽盤(15)的環型圓盤圓周方向均勻分布，屏蔽盤(15)的上表面每兩個扇形孔之間設置有凸沿，所述凸沿的外弧面與扇形孔的弧面位於同一圓周面，電機(11)轉軸穿過定位座(1)和接地電刷(12)中心，電機軸的末端固定連接在所述的屏蔽盤(15)的中心孔上，定位座(1)為內徑表面開有兩個對稱凹槽下表面設置有凸沿的環型圓盤，所述的接地電刷(12)嵌放於定位座(1)的兩個對稱凹槽內，電機(11)轉軸與定位座(1)內的接地電刷(12)摩擦接觸，第一組電極(2)和第二組電極(13)為兩組扇形金屬片，每組扇形金屬片為2n個，所述的第一組電極(2)和第二組電極(13)沿圓周方向交替均勻分布在定位座(1)的環型圓盤的下表面的凸沿內，定位座(1)的凸沿位於屏蔽盤(15)的凸沿的外側，所述的第一組電極(2)和第二組電極(13)與定位座(1)之間絕緣連接，所述的第一組電極(2)和第二組電極(13)的兩個獨立的輸出端分別連接前置放大器(9)中的差分放大器的兩個輸入端。
2、 根據權利要求1所述的差動式大氣電場傳感器，其特徵在於第一組電 極(2)和第二組電極(13)與定位座(1)之間絕緣連接是由下絕緣墊(3)、絕緣套(4)、 上絕緣墊(5)、外環(6)、接線柱(7)和內環(8)連接組成的，兩組電極與定位座(l) 之間設置有下絕緣墊(3)，外環(6)和內環(8)與定位座(1)之間設置有上絕緣墊 (5)，接線柱(7)為4n個，其中2n個接線柱(7)穿過定位座(1)固定連接外環(6) 與第一組電極(2)，另外2n個接線柱(7)穿過定位座(1)固定連接內環(8)與第二 組電極(13)，絕緣套(4)設置在接線柱(7)和定位座(1)之間。
3、 根據權利要求1所述的差動式大氣電場傳感器，其特徵在於它還包括 光電開關(14),定位座(l)的凸沿上開有圓孔，圓孔上安裝有光電開關(14)，屏 蔽盤(15)凸沿位於定位座(1)的凸沿圓孔的內側。
4、 根據權利要求1所述的差動式大氣電場傳感器，其特徵在於它接地電 刷(12)由碳塊和彈簧組成；碳塊的一端與電機(ll)的轉軸接觸，碳塊另一端與 彈簧的一端連接，彈簧的另一端擠壓在凹槽底部。
專利摘要差動式大氣電場傳感器，它涉及大氣電場測量領域，解決了現有大氣電場傳感器抗環境幹擾能力差缺點。它的屏蔽盤為開有2n個圓周方向均勻分布扇形孔的環型圓盤，其上表面每兩個扇形孔之間設置有與其的弧面位於同一圓周面凸沿，電機轉軸穿過定位座和接地電刷連在屏蔽盤中心孔上，定位座為內徑表面開有凹槽下表面設置有凸沿的環型圓盤，接地電刷嵌放於凹槽內與電機轉軸摩擦接觸，兩組電極分別為2n個扇形金屬片，其沿圓周方向交替均勻分布在定位座的下表面的凸沿內，定位座的凸沿位於屏蔽盤的凸沿的外側，兩組電極與定位座之間絕緣連接，其兩個的輸出端分別連接前置放大器中的兩個輸入端。本實用新型的噪聲明顯減小，並使傳感器靈敏度提高2倍。
文檔編號G01R29/12GK201255750SQ20082009119
公開日2009年6月10日 申請日期2008年10月23日 優先權日2008年10月23日
發明者張明遠, 李迪飛, 武 畢, 王力峰 申請人:國家林業局哈爾濱林業機械研究所