CN103983863A - 一种微型化雷电预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种微型化的雷电预警装置，其特征如下：该微型化雷电预警装置包括高灵敏度微型电场传感器、信号采集与处理单元、报警与显示单元、电源和外壳五部分。所述的高灵敏度微型电场传感器，可采用微型场磨式电场传感器、微型振膜式电场传感器或MEMS电场传感器。所述的信号采集与处理单元，主要完成对传感器的输出信号进行处理，得到大气电场幅值，并且依据幅值作为判断阈值对雷击危险性进行判断。所述的报警与显示单元，主要完成以声光和数值方式把当前电场值和雷击危险性给出提示的功能。本发明将高灵敏度的微型电场传感器和嵌入式系统相结合，组成微型化的雷电预警装置，可随身携带，在各种场合应用，方便没有专业知识的人员使用。

Description

一种微型化雷电预警装置

技术领域

本发明涉及一种雷电预警装置，尤其涉及一种微型化的雷电预警装置，属于雷电预警与探测领域。

背景技术

雷电灾害是最严重的十种自然灾害之一。全球每年因雷击造成人员伤亡，财产损失不计其数，导致火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故频繁发生，卫星、通信、导航、计算机网络，乃至到每个家庭的家用电器都会受到雷电灾害的严重威胁。我国雷暴活动也十分频繁，全国有21个省会城市，雷暴日都在50天以上，最多达134天。随着经济社会发展和现代化水平的不断提高，信息技术的快速发展，城市建设高层建筑，和电子信息系统应用的日益增多，雷电灾害造成的经济损失及社会影响也越来越大，做好防雷减灾工作，不仅是安全生产不可缺少的重要环节，也是经济发展，社会进步和人民生命财产安全的重要保障。

资料显示，在当前全球气候变暖的大背景下，像雷暴这种极端天气出现的频率、强度都不断增加，从我国近30年的气象资料看，雷电灾害造成的经济损失和人员伤亡事故日益严重，具有发生频次多、范围广、危害严重、社会影响大的特点。中国气象局统计，仅2006年，全国就发生雷电灾害近两万起，其中，伤亡事故759起，造成717人死亡， 640人受伤，全年因雷击引起的火灾或爆炸事故234起，造成直接经济损失超过6亿元。数字不小。雷电灾害已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、滑坡塌方的一大气象灾害。

北京地区全年雷暴总数在32天至48天，夏季6月至8月均匀为28天左右。雷暴天数分布上北京西北部山区和东部地区位列榜首，据北京市避雷装置安全检测中心的不完全统计，2012年5月4日到6月30日期间，北京发生的12起雷电灾害中，只有一起发生在城区，另外11起均发生在五环外，并造成1人死亡。

在我国目前的雷电预警体制中，中央气象台只能发布24小时的预报，短时的预报或临近的预报是由地方台、省台、地区台、地方台去负责发布的，但是这种发布是针对未来几个小时，某一个地区范围的预警。但是雷暴的危害是局地性的，很多特殊行业不能因为今天未来几个小时将要有雷暴，就不再进行正常的工作与作业，比如旅游景区、高尔夫球场，不能因为今天将要有雷暴，就全天不营业；山上的小学，不能因为今天将要有雷暴，就全天不上学。因此，对于雷电预警，更需要精细化的短时的预警，比如精确到几公里范围，预警时间在5-30分钟的量级，这样可以告诉人们，在未来5-30分钟内，本地将会有很大的雷击危险性，请大家暂停户外活动和工作，提前躲避到室内，并且使敏感电器断电、化工生产暂停，从而既保证人员、设备安全，又尽量减少对正常工作生活的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计微型化、便携化的雷电预警装置，代替传统雷电预警系统，以满足可随身携带，在各种场合使用的需求。

本发明公开了一种微型化雷电预警装置，该装置将高灵敏度的微型电场传感器和嵌入式系统相结合，组成微型化的雷电预警装置，可随身携带，在各种场合应用。

本发明的目的是通过下述技术方案实现：

本发明公开的一种微型化雷电预警装置，其特征如下：

该微型化雷电预警装置包括高灵敏度微型电场传感器、信号采集与处理单元、报警与显示单元、电源和外壳五部分。

所述的高灵敏度微型电场传感器，可采用微型场磨式电场传感器、微型振膜式电场传感器或MEMS电场传感器，能够以非常小的体积完成对大气电场的测量。所述的微型场磨式电场传感器，是用微型无刷电机驱动屏蔽极板周期性的对传感器感应极板进行屏蔽与去屏蔽，把外界大气电场斩波调制为周期性交变电场，从而实现对大气电场的测量；所述的微型振膜式电场传感器是指用镀金属膜并且打孔的振膜和感应电极组成，振膜可在驱动信号驱动下往复振动，使得与振膜与感应电极距离周期性改变，从而实现把外界大气电场斩波调制为周期性交变电场；所述的MEMS电场传感器，是指应用MEMS技术制作的振膜式电场传感器，体积小于2cm³。

所述的信号采集与处理单元，主要完成对高灵敏度微型电场传感器的输出电压信号进行采集滤波等处理，得到外界大气电场的幅值，并且依据大气电场的幅值大小作为雷击危险性阈值进行判断，雷击危险性阈值的大小根据使用环境和应用场所不同，但大致在5000V/m-20000V/m范围；所述的信号采集与处理单元，具有有线或无线的处理算法更新接口，可方便对处理算法和内置软件进行升级与更新，使得装置应用灵活。

所述的报警与显示单元，主要完成以声光和数值方式把当前电场值和雷击危险性给出提示的功能。

所述的电源为锂电池，为整个装置提供能源。

所述的外壳为金属外壳，为整个装置提供支撑保护和电磁信号屏蔽。

本发明涉及的高灵敏度微型电场传感器，不论是微型场磨式电场传感器、微型振膜式电场传感器或MEMS电场传感器，其电场测量原理如下：

一个带电体周围会分布着电场，在电场中放置一块金属导体,导体表面就会产生感应电荷，感生电荷密度为：                                                

式中ε为介电常数, 是由于导体放入引起的电场畸变系数。如果金属导体的面积为，则感应电荷量为：

若感应导体对地或是另一感应测量端的电容量为c, 则产生的感应电压为：

通过机械运动装置使得外界的准静电场变成交变电场，在很短时间内反复重复出现上述的感应过程，测量这个感应电压，并且进行相应信号处理，即可得到电场数值。

本发明公开的一种微型化雷电预警装置，工作原理如下：

高灵敏度微型电场传感器对大气电场进行探测，将大气电场转换为电压信号传给信号采集与处理单元，信号采集与处理单元对高灵敏度微型电场传感器的输出电压信号进行采集与处理，得到大气电场幅值，与预先设定的雷击危险性等级阈值进行比较，超过相应的阈值就给出相应的预警信号；报警与显示单元根据信号采集与处理单元给出的预警信号，给出声光显示报警提示，电场幅值和雷击危险性显示，提醒人们对终止室外活动，对雷电进行防护。

有益效果：

1、本发明的一种微型化雷电预警装置，将高灵敏度微型电场传感器、信号采集与处理单元、报警与显示单元、电源封装在一个外壳中，能够显著缩小体积，提高雷电预警装置的应用灵活性。

2、本发明的一种微型化雷电预警装置，内置了嵌入式的信号采集与处理单元，可以实时的对电场信号进行处理，给出雷击危险性判断；该信号采集与处理单元可以通过有线或无线接口进行程序升级，提高了使用灵活性。 

3、本发明的一种微型化雷电预警装置，改变了以往气象系统使用的雷电预警系统体积大，操作使用需要专业知识的缺点，具有通过报警与显示单元直接给出雷击危险性提示的功能，方便没有专业知识的人员使用。

附图说明

图1是一种微型化雷电预警装置图；

图2是微型场磨式电场传感器图；

图3是微型振膜式电场传感器图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

本实施例的一种微型化雷电预警装置具体实施方式如下：

该微型化雷电预警装置如图1所示，包括高灵敏度微型电场传感器、信号采集与处理单元、报警与显示单元、电源和外壳五部分。其中高灵敏度微型电场传感器置于外壳上部，信号采集与处理单元置于外壳内部高灵敏度微型电场传感器下方，电源置于外壳内部信号采集与处理单元下方，报警与显示单元置于外壳侧方。

所述的高灵敏度微型电场传感器，可采用微型场磨式电场传感器、微型振膜式电场传感器或MEMS电场传感器，能够以非常小的体积完成对大气电场的测量。

所述的微型场磨式电场传感器，如图2所示，是用微型无刷电机驱动屏蔽极板周期性的对传感器感应极板进行屏蔽与去屏蔽，把外界大气电场斩波调制为周期性交变电场，从而实现对大气电场的测量。

所述的微型振膜式电场传感器，如图3所示，是指用镀金属膜并且打孔的振膜和感应电极组成，振膜可在驱动信号驱动下往复振动，使得与振膜与感应电极距离周期性改变，从而实现把外界大气电场斩波调制为周期性交变电场；所述的MEMS电场传感器，是指应用MEMS技术制作的振膜式电场传感器，体积更小。

该微型化雷电预警装置工作过程：高灵敏度微型电场传感器对大气电场进行探测，将大气电场转换为电压信号传给信号采集与处理单元，信号采集与处理单元对高灵敏度微型电场传感器的输出电压信号进行采集与处理，得到大气电场幅值，与预先设定的雷击危险性等级阈值进行比较，超过相应的阈值就给出相应的预警信号；报警与显示单元根据信号采集与处理单元给出的预警信号，给出声光显示报警提示，电场幅值和雷击危险性显示，提醒人们对终止室外活动，对雷电进行防护。

所述的雷击危险性等级阈值的大小根据使用环境和应用场所不同，但大致在5000V/m-20000V/m范围，可以把5000V/m-10000V/m设为一级预警，把10001V/m-15000V/m设为二级预警，把15000V/m-20000V/m设为三级预警，预警级别越高，则雷击危险性越大，雷击来临时间越短。

本发明保护范围不仅局限于本实施例，本实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微型化雷电预警装置，其特征如下：该微型化雷电预警装置包括高灵敏度微型电场传感器、信号采集与处理单元、报警与显示单元、电源和外壳五部分；所述的高灵敏度微型电场传感器，可采用微型场磨式电场传感器、微型振膜式电场传感器或MEMS电场传感器，能够以非常小的体积完成对大气电场的测量；所述的信号采集与处理单元，主要完成对高灵敏度微型电场传感器的输出电压信号进行采集滤波等处理，得到外界大气电场的幅值，并且依据大气电场的幅值大小作为雷击危险性阈值进行判断；所述的信号采集与处理单元，具有有线或无线的处理算法更新接口，可方便对处理算法和内置软件进行升级与更新，使得装置应用灵活；所述的报警与显示单元，主要完成以声光和数值方式把当前电场值和雷击危险性给出提示的功能；所述的电源为锂电池，为整个装置提供能源；所述的外壳为金属外壳，为整个装置提供支撑保护和电磁信号屏蔽。

2.根据权利要求1所述的一种微型化雷电预警装置，其特征在于：所述的微型场磨式电场传感器，是用微型无刷电机驱动屏蔽极板周期性的对传感器感应极板进行屏蔽与去屏蔽，把外界大气电场斩波调制为周期性交变电场，从而实现对大气电场的测量；所述的微型振膜式电场传感器是指用镀金属膜并且打孔的振膜和感应电极组成，振膜可在驱动信号驱动下往复振动，使得与振膜与感应电极距离周期性改变，从而实现把外界大气电场斩波调制为周期性交变电场；所述的MEMS电场传感器，是指应用MEMS技术制作的振膜式电场传感器，体积小于2cm³。

3.根据权利要求1所述的一种微型化雷电预警装置，其特征在于：雷击危险性阈值的大小根据使用环境和应用场所不同，但大致在5000V/m-20000V/m范围。