快電場變化探測儀的製作方法
2023-04-23 22:03:31 2
專利名稱：快電場變化探測儀的製作方法
技術領域：
本發明型涉及一種快電場變化探測儀，尤其是一種適用於閃電及核爆快速變化電磁脈衝的快電場變化探測儀。
背景技術：
閃電是一種在時間和空間上都有很大隨機性的快速放電現象。閃電又分雲閃和地閃，雲閃指的是雲內放電，地閃則是雲對地的放電。強雷暴過程中瞬間放電所產生的高電壓大電流對人們構成了直接或間接的極大威脅，一次放電輻射的電磁波脈衝有很寬的頻譜，可從直流到幾百兆赫茲，放電產生的電流一般在幾kA到幾百kA範圍，對森林、油庫、高壓輸電線路及鐵路運輸等領域有很強的直接破壞力，其強電磁波輻射(俗稱感應雷)對航空、航天、通信以及交通等領域以微電子器件為基礎的所有設備或設施會造成嚴重幹擾，以至於造成毀滅性的損壞。只有掌握和了解閃電對地放電所產生的高時間解析度的電場變化精細結構，研究其發生、發展規律，才能有效地防止或減少閃電對人類造成的危害。
一般一次閃電放電的持續時間從幾十微秒到幾秒不等，其子放電過程有些只有微秒甚至亞微秒量級，用常規的觀測手段難以捕捉。
發明內容
本發明的目的是為了提供一種快電場變化探測儀，該探測儀在很寬的頻段範圍內有效地捕捉閃電放電產生的快速電場變化信號，可精確測量閃電放電產生的快速變化輻射場強，為計算反演閃電通道的電流和閃電能量提供了一種突破性的探測手段。該探測儀還可以有效地捕捉核實驗和模擬核爆炸所產生的快速變化電磁輻射脈衝，也是進一步研究閃電和核爆電磁脈衝波形差別的重要手段。
本發明的目的可通過如下措施來實現一種快電場變化探測儀，該探測儀包括
一平板天線；置放於變化電場中，等效於平板電容；及一快電場變化探測電路，該平板天線感應的電場信號與該電路相連；該電路包括一快充電電路和一慢放電電路；快充電電路和慢放電電路的充電電容和放電電容為同一電容；其中慢放電電路的放電時間常數與快充電電路的充電時間常數的比值大於等於4×104。
所述的快充電電路是由輸入電阻Ri、運算放大器IC和充放電電容C組成；其中輸入電阻Ri與運算放大器IC的反相端相連，在運算放大器IC的反相端與輸出端之間並接有充放電電容C。
所述的慢放電電路是由放電電阻R、運算放大器IC和充放電電容C組成，在運算放大器IC的反相輸入端和輸出端之間並接有充放電電容C和放電電阻R。
所述的慢放電電路的放電時間常數為2ms。
所述的平板天線包括感應板、接地平板、絕緣柱及支撐座；其中感應板固定在接地平板中，並通過絕緣柱固定在支撐支撐座上。
所述的快電場變化探測電路還包括信號記錄存貯電路。
本發明相比現有技術具有如下優點1、本發明包含一個快充電和慢放電的特別電路，該兩電路的充放電時間常數比值大，因而其響應速度快，可適用於快速變化的電場的信號的測量。
2、本發明天線的結構新穎；感應板鑲嵌在接地金屬平板的中央，可防止50Hz的幹擾，並可不失真的探測來自空間任何方向電磁波脈衝的輻射場強。
3、本發明的電路結構具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點，其輸入輸出信號不失真。
4、本發明適用於大風、大雨、冰雹、低溫、低壓、地下等任何惡劣環境的快速電場變化探測。
5、本發明建立的時間常數，可準確測量閃電放電和模擬核爆電磁脈衝等產生的快速電場變化詳細結構，包括一次模擬核爆炸電磁脈衝和一次閃電的全過程和各個子放電過程。
6、本發明具有5MHz以上的較寬的頻帶寬度，測量信號動態範圍0-±12V，可以較準確地反演閃電的電磁輻射能量及時間函數的回擊電流，為雷電防護提供重要數據。
7、本發明是一種測量自然閃電和人工觸發閃電放電過程精細結構的重要手段，是研究雲對地放電機理不可缺少的精密儀器。
8、本發明的探測範圍為2500平方公裡。
9、本發明具有電路結構簡單、成本低廉、易安裝操作等特點。
圖1是本發明的結構示意圖1-金屬平板感應天線2-天線支撐座3-接地金屬平板4-連接插座5-同軸電纜6-信號插座7-輸出插座8-探測儀機箱9-監測表頭10-指示燈11-電源開關12-監測開關13-數位化記錄設備圖2是本發明快電場變化探測電路原理圖具體的實施方式本發明還結合附圖1、2實施例作進一步闡述參照圖1，快電場變化探測儀由平板天線和快電場探測電路組成。平板天線包括感應平板1、支撐座2、接地平板3；其中天線感應平板1鑲嵌在接地金屬平板3中央，通過絕緣柱固定在天線支撐座2上，感應板1與支撐座2上的輸出插座4連接，輸出插座4通過同軸電纜線5與探測儀信號插座6相連。探測儀信號插座6與快電場變化探測電路相連。參照圖2，所述的快電場變化探測電路包括一快充電電路和一慢放電電路；快充電電路和慢放電電路的充電電容和放電電容為同一電容；其中慢放電電路的放電時間常數與快充電電路的充電時間常數的比值大於等於4×104。所述的快充電電路是由輸入電阻Ri、運算放大器IC和充放電電容C組成；其中輸入電阻Ri與運算放大器IC的反相端相連，在運算放大器IC的反相端與輸出端之間並接有充放電電容C。所述的慢放電電路是由放電電阻R、運算放大器IC和充放電電容C組成，在運算放大器IC的反相輸入端和輸出端之間並接有充放電電容C和放電電阻R。運算放大器IC的輸出端通過輸出電阻Ro再與輸出插座7及負載電阻連接，電源輸出的正負電壓端+V和-V向探測儀的電路供電。信號輸出插座7輸出信號與數位化記錄設備13相連。
探測儀機箱8上的K是一個單刀雙擲開關，開關12的中心端通過一個限流電阻接電壓表頭9(U)的正端；一端接+V電源；另一端接-V電源，(U)的另外一端接地，以監測探測儀內的±V電源是否正常，LED與-V電源相接以指示工作電壓。
探測儀的探測電路原理如下金屬平板天線1暴露在變化的電場E中，等效為平板電容器，平板天線1感應的電荷Q＝EAε0，感應的閃電快變化的電流信號i＝dQ/dt＝AdEε0/dt(當CiRi＜＜RC)，經過積分電路後輸出電壓V0＝ΔEAε0/C，其中E為電場強度；A為天線面積；ε0為空氣介電常數；C為積分電容；Ci為輸入電容；Ri為輸入電阻。
天線感應的閃電回擊電流信號經同軸電纜和Ri電阻向C快速充電，充電時間常數為RiC，當信號充到最大值後，由R、C、IC組成的放電電路向R放電，放電時間常數為RC。因一次雲對地放電可產生一到幾十次回擊，而且閃電回擊的持續時間從幾十微秒到幾毫秒，為了準確測量閃電回擊的快速變化電場的波形，選取放電時間常數RC＝2ms。探測儀響應信號的速度由時間常數RiC及它的頻響等參數確定，RiC越小並且帶寬越寬響應信號的速度越快。
權利要求
1.一種快電場變化探測儀，該探測儀包括一平板天線；置放於變化電場中，等效於平板電容；及一快電場變化探測電路，該平板天線感應的電場信號與該電路相連；該電路包括一快充電電路和一慢放電電路；快充電電路和慢放電電路的充電電容和放電電容為同一電容；其中慢放電電路的放電時間常數與快充電電路的充電時間常數的比值大於等於4×104。
2.如權利要求1所述的快電場變化探測儀，其特徵在於所述的快充電電路是由輸入電阻Ri、運算放大器IC和充放電電容C組成；其中輸入電阻Ri與運算放大器IC的反相端相連，在運算放大器IC的反相端與輸出端之間並接有充放電電容C。
3.如權利要求1所述的快電場變化探測儀，其特徵在於所述的慢放電電路是由放電電阻R、運算放大器IC和充放電電容C組成，在運算放大器IC的反相輸入端和輸出端之間並接有充放電電容C和放電電阻R。
4.如權利要求1所述的快電場變化探測儀，其特徵在於所述的慢放電電路的放電時間常數為2ms。
5.如權利要求1所述的快電場變化探測儀，其特徵在於所述的平板天線包括感應板、接地平板、絕緣柱及支撐座；其中感應板固定在接地平板中，並通過絕緣柱固定在支撐支撐座上。
6.如權利要求1所述的快電場變化探測儀，其特徵在於所述的快電場變化探測電路還包括信號記錄存貯電路。
全文摘要
本發明涉及一種快電場變化探測儀，包括平板天線和快電場變化探測電路；平板天線的信號與快電場變化探測電路相連；其中快電場變化探測電路包括一快充電電路和一慢放電電路，且兩電路的時間常數的比值很大，並具有較寬的頻率範圍，可測量電場變化範圍寬且變化快的電磁或電場信號；本發明為研究閃電的電磁輻射、放電能量、通道電流以及防雷提供了一種具有突破性的探測手段；還可用於核爆電磁脈衝產生的輻射場探測，在國防建設中有重要應用前景。
文檔編號G01R29/00GK1488949SQ0213947
公開日2004年4月14日 申請日期2002年10月11日 優先權日2002年10月11日
發明者張廣庶, 王懷斌, 郄秀書, 張義軍 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所