CN104375012A - 一种闪电瞬态三维电场测试传感器 - Google Patents

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李祥超
陈则煌
李鹏飞
曹洪亮
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Abstract

本发明公开了一种闪电瞬态三维电场测试传感器，包括空间三维天线阵和3个电压跟随器，所述空间三维天线阵包括正方体屏蔽外壳和3个单极子天线，所述单极子天线的长度小于雷电辐射的电磁波波长的1/10，3个单极子天线分别垂直设置在正方体屏蔽外壳任意3个相邻面上，每个单极子天线与正方体屏蔽外壳之间设有绝缘套，所述3个单极子天线经同轴馈线一一对应连接3个电压跟随器的输入端，3个电压跟随器的输出端外接信号分析设备。本发明采用空间三维天线阵测量三维方向的电场分量，为判别雷电闪击的类型、分析雷电流参数和对地面设备造成的危害程度提供数据。

Description

一种闪电瞬态三维电场测试传感器
技术领域
本发明属于雷电科学技术领域，特别涉及了一种闪电瞬态三维电场测试传感器。
背景技术
雷电主放电通道一旦建立，云层电荷迅速与大地或云层异号感应电荷中和，回击电流急剧上升，受电量、电位和通道阻抗的影响，其上升速率最大可达500kA/s。此时，放电通道构成等效天线，产生强烈的电瞬态电磁辐射。在一定范围内产生的电磁作用对三维空间内的各种电子设备产生干扰和破坏作用。对微电子设备而言则会带来更加严重的危害，轻则引起设备功能紊乱，重则使器件烧毁。
雷电电磁脉冲的危害方式是瞬态电磁场的耦合效应，它能够对相关军事和民用设备产生不同的干扰和破坏。因此，研究雷电电磁脉冲的防护具有重要意义。目前，研究雷电电磁脉冲的前提是了解雷电电磁脉冲的基本特性，因此，测量雷电电磁场的时域波形具有十分重要的地位。目前国内外对雷电电场的测量主要是针对雷电发生前的静电场和雷电发生时的一维垂直电场。但是对于空间三维电场的分布以及其他类型雷电的测量技术的研究还很少。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种闪电瞬态三维电场测试传感器，通过空间三维天线阵测量三维方向的电场分量，为判别雷电闪击的类型、分析雷电流参数和对地面设备造成的危害程度提供数据。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种闪电瞬态三维电场测试传感器，包括空间三维天线阵和3个电压跟随器，所述空间三维天线阵包括正方体屏蔽外壳和3个单极子天线，所述单极子天线的长度小于雷电辐射的电磁波波长的1/10，3个单极子天线分别垂直设置在正方体屏蔽外壳任意3个相邻面的外表面上，每个单极子天线与正方体屏蔽外壳之间设有绝缘套，所述3个单极子天线经同轴馈线一一对应连接3个电压跟随器的输入端，3个电压跟随器的输出端外接信号分析设备；所述3个单极子天线分别接收空间三维方向的电场分量，并将三个方向的电场分量转化为电信号后输入电压跟随器，电压跟随器输出电压信号并送给信号分析设备，对电场分量进行分析。
其中，上述电压跟随器包括压控型集成运放、第一穿心电容和第二穿心电容，压控型集成运放的正输入端连接单极子天线，压控型集成运放的负输入端连接它的输出端，压控型集成运放的正、负电源端分别经第一、第二穿心电容接至正、负电源，所述电压跟随器置于正方体屏蔽外壳的内部，第一、第二穿心电容安装在正方体屏蔽外壳的内壁上。
其中，上述正方体屏蔽外壳上设有BNC接口，压控型集成运放的输出端经同轴馈线连接BNC接口，并通过BNC接口与信号分析设备相连。
其中，上述正方体屏蔽外壳的材质为金属铜。
其中，上述单极子天线的材质为金属铜。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明通过空间三维天线阵测量三维电场场分量，从而根据三维电场分量判别雷电闪击类型，分析雷电流参数和对地面设备造成的危害程度，比起现有技术仅对雷电发生前的静电场和雷电发生时的一维垂直电场测量，本发明的适用于各种瞬态场的电场分量的测量，应用广泛；
(2)本发明采用压控性集成运放作为电压跟随器，它能够满足天线接收电路输入阻抗的要求；另外，本发明具有结构简单、安装方便、性能稳定以及测量精度高等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中电压跟随器的电路图；
图3为本发明中单极子天线的等效电路图；
图4为本发明的工作示意图。
标号说明：1、2、3：单极子天线；4：绝缘套；5：电压跟随器；6：正方体屏蔽外壳；7：BNC接口；8：底部固定端。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示本发明的结构示意图，一种闪电瞬态三维电场测试传感器，包括空间三维天线阵和3个电压跟随器5，所述空间三维天线阵包括正方体屏蔽外壳6和3个单极子天线1、2、3，所述正方体屏蔽外壳6作为整个传感器的地端，所述单极子天线的长度小于雷电辐射的电磁波波长的1/10，3个单极子天线1、2、3分别垂直设置在正方体屏蔽外壳6的任意3个相邻面的外表面上，每个单极子天线与正方体屏蔽外壳6之间设有绝缘套4实现绝缘，所述3个单极子天线1、2、3分别经同轴馈线一一对应连接3个电压跟随器的输入端，3个电压跟随器5的输出端外接信号分析设备。
在本实施例中，电压跟随器5包括压控型集成运放IC1、第一穿心电容C1和第二穿心电容C2，压控型集成运放IC1的正输入端连接单极子天线，压控型集成运放IC1的负输入端连接它的输出端，压控型集成运放IC1的正、负电源端分别经第一、第二穿心电容接至正、负电源，实现对外部电源的滤波。所述电压跟随器5置于正方体屏蔽外壳6的内部，第一、第二穿心电容安装在正方体屏蔽外壳6的内壁上(相当于穿心电容某一极板接地)，其电路结构如图2。所示正方体屏蔽外壳上设有BNC接口7，电压跟随器5的输出端经同轴馈线连接BNC接口7，并通过BNC接口7与信号分析设备相连。正方体屏蔽外6壳的材质为金属铜，单极子天线的材质为金属铜。正方体屏蔽外壳6的外底部设有底部固定端8，用于固定整个装置。
本发明实现闪电瞬态电场测量功能是利用单极子天线感应外界电场，然后对产生的电信号进行相关处理。假设单极子天线的直径为2a，长度为l，如果单极子天线满足电小天线的条件，即天线的长度l远小于雷电辐射的电磁波波长的1/10，则它的输入阻抗等效为一个电容值很小的电容器，电容值的大小通常在pF量级，且与频率无关。当单极子天线接电容器负载时，输出电压与外界电场强度成正比关系。如图3所示单极子天线的等效电路，天线接收电路的输入阻抗(天线负载)是输入电阻Rin和输入电容Cin的并联形式，Ca为单极子天线的等效电容，Ca＝1/{240c[ln(2l/a)-1]}，c为光速。Ua为单极子天线的感应电压，Uin为天线接收电路的输入电压，根据等效电路，Uin＝CaUa/(Ca+Cin)，为了满足这个关系，必须要求天线接收电路具有足够的输入电阻，因此本发明采用压控性集成运放组成的电压跟随器，具有输入阻抗大的特点。
如图4所示，当雷电发生时，产生的雷电电磁场经过三维坐标x、y、z轴方向上的单极子天线将耦合到的雷电电磁场中的电场信号转换为电信号，经过同轴馈线将电信号送入三个电压跟随器产生电压信号，并通过同轴馈电线将x、y、z轴方向的电压信号由BNC接口输出，输出的电压信号经过信号处理电路对电场分量进行分析处理。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种闪电瞬态三维电场测试传感器，其特征在于：包括空间三维天线阵和3个电压跟随器，所述空间三维天线阵包括正方体屏蔽外壳和3个单极子天线，所述单极子天线的长度小于雷电辐射的电磁波波长的1/10，3个单极子天线分别垂直设置在正方体屏蔽外壳任意3个相邻面的外表面上，每个单极子天线与正方体屏蔽外壳之间设有绝缘套，所述3个单极子天线经同轴馈线一一对应连接3个电压跟随器的输入端，3个电压跟随器的输出端外接信号分析设备；所述3个单极子天线分别接收空间三维方向的电场分量，并将三个方向的电场分量转化为电信号后输入电压跟随器，电压跟随器输出电压信号并送给信号分析设备，对电场分量进行分析。
2.根据权利要求1所述一种闪电瞬态三维电场测试传感器，其特征在于：所述电压跟随器包括压控型集成运放、第一穿心电容和第二穿心电容，压控型集成运放的正输入端连接单极子天线，压控型集成运放的负输入端连接它的输出端，压控型集成运放的正、负电源端分别经第一、第二穿心电容接至正、负电源，所述电压跟随器置于正方体屏蔽外壳的内部，第一、第二穿心电容安装在正方体屏蔽外壳的内壁上。
3.根据权利要求2所述一种闪电瞬态三维电场测试传感器，其特征在于：所述正方体屏蔽外壳上设有BNC接口，压控型集成运放的输出端经同轴馈线连接BNC接口，并通过BNC接口与信号分析设备相连。
4.根据权利要求1所述一种闪电瞬态三维电场测试传感器，其特征在于：所述正方体屏蔽外壳的材质为金属铜。
5.根据权利要求1所述一种闪电瞬态三维电场测试传感器，其特征在于：所述单极子天线的材质为金属铜。
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