CN100394203C

CN100394203C - 快电场变化探测仪

Info

Publication number: CN100394203C
Application number: CNB021394733A
Authority: CN
Inventors: 张广庶; 王怀斌; 郄秀书; 张义军
Original assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Current assignee: Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of CAS
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2022-10-11
Also published as: CN1488949A

Abstract

本发明涉及一种快电场变化探测仪，包括平板天线和快电场变化探测电路；平板天线的信号与快电场变化探测电路相连；其中快电场变化探测电路包括一快充电电路和一慢放电电路，且两电路的时间常数的比值很大，并具有较宽的频率范围，可测量电场变化范围宽且变化快的电磁或电场信号；本发明为研究闪电的电磁辐射、放电能量、通道电流以及防雷提供了一种具有突破性的探测手段；还可用于核爆电磁脉冲产生的辐射场探测，在国防建设中有重要应用前景。

Description

快电场变化探测仪

技术领域

本发明型涉及一种快电场变化探测仪，尤其是一种适用于闪电及核爆快速变化电磁脉冲的快电场变化探测仪。

背景技术

闪电是一种在时间和空间上都有很大随机性的快速放电现象。闪电又分云闪和地闪，云闪指的是云内放电，地闪则是云对地的放电。强雷暴过程中瞬间放电所产生的高电压大电流对人们构成了直接或间接的极大威胁，一次放电辐射的电磁波脉冲有很宽的频谱，可从直流到几百兆赫兹，放电产生的电流一般在几kA到几百kA范围，对森林、油库、高压输电线路及铁路运输等领域有很强的直接破坏力，其强电磁波辐射(俗称感应雷)对航空、航天、通信以及交通等领域以微电子器件为基础的所有设备或设施会造成严重干扰，以至于造成毁灭性的损坏。只有掌握和了解闪电对地放电所产生的高时间分辨率的电场变化精细结构，研究其发生、发展规律，才能有效地防止或减少闪电对人类造成的危害。

一般一次闪电放电的持续时间从几十微秒到几秒不等，其子放电过程有些只有微秒甚至亚微秒量级，用常规的观测手段难以捕捉。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种快电场变化探测仪，该探测仪在很宽的频段范围内有效地捕捉闪电放电产生的快速电场变化信号，可精确测量闪电放电产生的快速变化辐射场强，为计算反演闪电通道的电流和闪电能量提供了一种突破性的探测手段。该探测仪还可以有效地捕捉核实验和模拟核爆炸所产生的快速变化电磁辐射脉冲，也是进一步研究闪电和核爆电磁脉冲波形差别的重要手段。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种快电场变化探测仪，该探测仪包括：

一平板天线；置放于变化电场中，等效于平板电容；及

一快电场变化探测电路，该平板天线感应的电场信号与该电路相连；该电路包括一快充电电路和一慢放电电路；快充电电路和慢放电电路的充电电容和放电电容为同一电容；其中慢放电电路的放电时间常数与快充电电路的充电时间常数的比值大于等于4×10⁴。

所述的快充电电路是由输入电阻Ri、运算放大器IC和充放电电容C组成；其中输入电阻Ri与运算放大器IC的反相端相连，在运算放大器IC的反相端与输出端之间并接有充放电电容C。

所述的慢放电电路是由放电电阻R、运算放大器IC和充放电电容C组成，在运算放大器IC的反相输入端和输出端之间并接有充放电电容C和放电电阻R。

所述的慢放电电路的放电时间常数为2ms。

所述的平板天线包括感应板、接地平板、绝缘柱及支撑座；其中感应板固定在接地平板中，并通过绝缘柱固定在支撑支撑座上。

所述的快电场变化探测电路还包括信号记录存贮电路。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明包含一个快充电和慢放电的特别电路，该两电路的充放电时间常数比值大，因而其响应速度快，可适用于快速变化的电场的信号的测量。

2、本发明天线的结构新颖；感应板镶嵌在接地金属平板的中央，可防止50Hz的干扰，并可不失真的探测来自空间任何方向电磁波脉冲的辐射场强。

3、本发明的电路结构具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，其输入输出信号不失真。

4、本发明适用于大风、大雨、冰雹、低温、低压、地下等任何恶劣环境的快速电场变化探测。

5、本发明建立的时间常数，可准确测量闪电放电和模拟核爆电磁脉冲等产生的快速电场变化详细结构，包括一次模拟核爆炸电磁脉冲和一次闪电的全过程和各个子放电过程。

6、本发明具有5MHz以上的较宽的频带宽度，测量信号动态范围0-±12V，可以较准确地反演闪电的电磁辐射能量及时间函数的回击电流，为雷电防护提供重要数据。

7、本发明是一种测量自然闪电和人工触发闪电放电过程精细结构的重要手段，是研究云对地放电机理不可缺少的精密仪器。

8、本发明的探测范围为2500平方公里。

9、本发明具有电路结构简单、成本低廉、易安装操作等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

1-金属平板感应天线 2-天线支撑座 3-接地金属平板

4-连接插座 5-同轴电缆 6-信号插座 7-输出插座

8-探测仪机箱 9-监测表头 10-指示灯 11-电源开关

12-监测开关 13-数字化记录设备

图2是本发明快电场变化探测电路原理图

具体的实施方式

本发明还结合附图1、2实施例作进一步阐述：

参照图1，快电场变化探测仪由平板天线和快电场探测电路组成。平板天线包括感应平板1、支撑座2、接地平板3；其中天线感应平板1镶嵌在接地金属平板3中央，通过绝缘柱固定在天线支撑座2上，感应板1与支撑座2上的输出插座4连接，输出插座4通过同轴电缆线5与探测仪信号插座6相连。探测仪信号插座6与快电场变化探测电路相连。参照图2，所述的快电场变化探测电路包括一快充电电路和一慢放电电路；快充电电路和慢放电电路的充电电容和放电电容为同一电容；其中慢放电电路的放电时间常数与快充电电路的充电时间常数的比值大于等于4×10⁴。所述的快充电电路是由输入电阻Ri、运算放大器IC和充放电电容C组成；其中输入电阻Ri与运算放大器IC的反相端相连，在运算放大器IC的反相端与输出端之间并接有充放电电容C。所述的慢放电电路是由放电电阻R、运算放大器IC和充放电电容C组成，在运算放大器IC的反相输入端和输出端之间并接有充放电电容C和放电电阻R。运算放大器IC的输出端通过输出电阻Ro再与输出插座7及负载电阻连接，电源输出的正负电压端+V和-V向探测仪的电路供电。信号输出插座7输出信号与数字化记录设备13相连。

探测仪机箱8上的K是一个单刀双掷开关，开关12的中心端通过一个限流电阻接电压表头9(U)的正端；一端接+V电源；另一端接-V电源，(U)的另外一端接地，以监测探测仪内的土V电源是否正常，LED与-V电源相接以指示工作电压。

探测仪的探测电路原理如下：金属平板天线1暴露在变化的电场E中，等效为平板电容器，平板天线1感应的电荷Q＝EAε₀，感应的闪电快变化的电流信号i＝dQ/dt＝AdEε₀/dt(当CiRi＜＜RC)，经过积分电路后输出电压V₀＝ΔEAε₀/C，其中E为电场强度；A为天线面积；ε₀为空气介电常数；C为积分电容Ci为输入电容；Ri为输入电阻。

天线感应的闪电回击电流信号经同轴电缆和Ri电阻向C快速充电，充电时间常数为RiC，当信号充到最大值后，由R、C、IC组成的放电电路向R放电，放电时间常数为RC。因一次云对地放电可产生一到几十次回击，而且闪电回击的持续时间从几十微秒到几毫秒，为了准确测量闪电回击的快速变化电场的波形，选取放电时间常数RC＝2ms。探测仪响应信号的速度由时间常数RiC及它的频响等参数确定，RiC越小并且带宽越宽响应信号的速度越快。

Claims

1.一种快电场变化探测仪，该探测仪包括：

一平板天线；置放于变化电场中，等效于平板电容；及一快电场变化探测电路，该平板天线感应的电场信号与该电路相连；该电路包括一快充电电路和一慢放电电路；快充电电路和慢放电电路的充电电容和放电电容为同一电容；其中慢放电电路的放电时间常数与快充电电路的充电时间常数的比值大于等于4×10⁴。

2.如权利要求1所述的快电场变化探测仪，其特征在于所述的快充电电路是由输入电阻Ri、运算放大器IC和充放电电容C组成；其中输入电阻Ri与运算放大器IC的反相端相连，在运算放大器IC的反相端与输出端之间并接有充放电电容C。

3.如权利要求1所述的快电场变化探测仪，其特征在于所述的慢放电电路是由放电电阻R、运算放大器IC和充放电电容C组成，在运算放大器IC的反相输入端和输出端之间并接有充放电电容C和放电电阻R。

4.如权利要求1所述的快电场变化探测仪，其特征在于所述的慢放电电路的放电时间常数为2ms。

5.如权利要求1所述的快电场变化探测仪，其特征在于所述的平板天线包括感应板、接地平板、绝缘柱及支撑座；其中感应板固定在接地平板中，并通过绝缘柱固定在支撑座上。

6.如权利要求1所述的快电场变化探测仪，其特征在于所述的快电场变化探测电路还包括信号记录存贮电路。