CN104833861A - 一种三维电场强度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维电场强度测量装置，属于电场强度测量技术领域。所述装置包括：三维电场探头、信号接收电路、程控放大电路、模数转换电路、单片机、以及电源，三维电场探头包括：三副相互垂直的偶极子天线，信号接收电路包括：第一信号接收电路、第二信号接收电路、以及第三信号接收电路，程控放大电路包括：第一程控放大电路、第二程控放大电路、以及第三程控放大电路。本发明通过采用由三副相互垂直的偶极子天线组成的三维电场探头，使得该三维电场强度测量装置能够测量三维电场强度，且在测量过程中，单片机与程控放大电路电连接，单片机可以自动调节程控放大电路的放大倍数，使得调节和测量更加方便、快捷。
Description
技术领域
本发明涉及电场强度测量技术领域，特别涉及一种三维电场强度测量装置。
背景技术
随着科学技术的发展，电子电气设备的应用剧增，金融、广电、IT、电力、电信、民航、铁路、医疗等行业均成了电磁辐射的高危行业，对电场强度的检测需求越来越大。环保、计量、安全检测、劳动防护、电厂、输变电等领域都需要用到电场检测设备。
现有的电场传感器(例如：双球式电场仪、火箭电场仪和旋片式电场传感器等)只能探测大气电场强度矢量一维或两维方向分量，而不能同时探测三维电场强度。而且，电场传感器虽然有不同的量程可以人工选择，但是不能由电场传感器根据探测的电场自动调节，使得电场传感器的使用不便捷。
发明内容
本发明实施例提供了一种三维电场强度测量装置，可以解决现有电场传感器只能检测一维或两维电场强度且需要人工调整测量量程的问题。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种三维电场强度测量装置，所述装置包括：
三维电场探头、信号接收电路、程控放大电路、模数转换电路、单片机、以及电源，
所述三维电场探头包括：三副相互垂直的偶极子天线，
所述信号接收电路包括：第一信号接收电路、第二信号接收电路、以及第三信号接收电路，
所述程控放大电路包括：第一程控放大电路、第二程控放大电路、以及第三程控放大电路，
所述模数转换电路包括：第一模数转换电路、第二模数转换电路、以及第三模数转换电路，
所述三维电场探头的三个所述偶极子天线分别与所述第一信号接收电路、所述第二信号接收电路、以及所述第三信号接收电路电连接，
所述第一程控放大电路分别与所述第一信号接收电路、所述第一模数转换电路、以及所述单片机电连接，
所述第二程控放大电路分别与所述第二信号接收电路、所述第二模数转换电路、以及所述单片机电连接，
所述第三程控放大电路分别与所述第三信号接收电路、所述第三模数转换电路、以及所述单片机电连接，
所述第一模数转换电路、所述第二模数转换电路、以及所述第三模数转换电路均与所述单片机电连接，
所述电源与所述单片机电连接。
具体地，三副所述偶极子天线的中点重合，且每两副所述偶极子天线相互垂直；
或者，一副所述偶极子天线的两端的延伸线分别经过另两副所述偶极子天线的中点，且每两副所述偶极子天线相互垂直；
或者，三副所述偶极子天线的一端重合，且每两副所述偶极子天线相互垂直。
具体地，每副所述偶极子天线均包括：
基板、对称安装在所述基板上的两个相同的天线振子、检波二极管、以及信号输出导线，所述检波二极管的两端分别与两个所述天线振子靠近对称中心的一端电连接，所述信号输出导线与所述检波二极管的两端电连接。
进一步地，所述信号输出导线为柔性碳膜高阻导线，所述检波二极管为肖特基检波二极管。
具体地，所述第一程控放大电路包括：第一运算放大器和第一模拟开关电路，所述第一模拟开关电路分别与所述第一运算放大器和所述单片机电连接；
所述第二程控放大电路包括：第二运算放大器和第二模拟开关电路，所述第二模拟开关电路分别与所述第二运算放大器和所述单片机电连接；
所述第三程控放大电路包括：第三运算放大器和第三模拟开关电路，所述第三模拟开关电路分别与所述第三运算放大器和所述单片机电连接。
具体地，所述电源包括：可充电电池、电池充放电管理电路、以及稳压电路，所述电池充放电管理电路分别与所述可充电电池、所述稳压电路、以及所述单片机电连接。
进一步地，所述装置还包括：二级放大电路，所述二级放大电路包括：第一二级放大电路、第二二级放大电路、以及第三二级放大电路，
所述第一二级放大电路分别与所述第一程控放大电路和所述第一模数转换电路电连接，
所述第二二级放大电路分别与所述第二程控放大电路和所述第二模数转换电路电连接，
所述第三二级放大电路分别与所述第三程控放大电路和所述第三模数转换电路电连接。
进一步地，所述装置还包括：
光纤通信接口，所述光纤通信接口与所述单片机电连接。
进一步地，所述装置还包括：
显示模块，所述显示模块与所述单片机电连接。
进一步地，所述装置还包括：
报警模块，所述报警模块与所述单片机电连接。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过由三副相互垂直的偶极子天线组成的三维电场探头，可以同时测量到待测电场在三副偶极子天线方向上的电场强度分量信息，这三个电场强度分量信息通过三条独立的传输线路后传输至单片机中，再经过单片机的计算处理即可得到待测电场的电场强度，使得该三维电场强度测量装置能够测量三维电场强度，其中，三条独立的传输线路包括：经第一信号接收电路、第一程控放大电路、以及第一模数转换电路的传输线路；经第二信号接收电路、第二程控放大电路、以及第二模数转换电路的传输线路；以及经第三信号接收电路、第三程控放大电路、以及第三模数转换电路的传输线路。此外，在测量过程中，单片机与程控放大电路电连接，单片机可以自动调节程控放大电路的放大倍数，使得调节和测量更加方便、快捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种三维电场强度测量装置结构示意图；
图2a是本发明实施例提供的三副相互垂直的偶极子天线的一种位置关系示意图；
图2b是本发明实施例提供的三副相互垂直的偶极子天线的另一种位置关系示意图；
图2c本发明实施例提供的三副相互垂直的偶极子天线的又一种位置关系示意图；
图3是本发明实施例提供的一种偶极子天线结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种电源的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种三维电场强度测量装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例
本发明实施例提供了一种三维电场强度测量装置，参见图1，该装置包括：
三维电场探头1、信号接收电路2、程控放大电路3、模数转换电路4、单片机5、以及电源6。
其中，信号接收电路2包括：第一信号接收电路21、第二信号接收电路22、以及第三信号接收电路23，程控放大电路3包括：第一程控放大电路31、第二程控放大电路32、以及第三程控放大电路33，模数转换电路4包括：第一模数转换电路41、第二模数转换电路42、以及第三模数转换电路43。
三维电场探头1分别与第一信号接收电路21、第二信号接收电路22、以及第三信号接收电路23电连接；第一程控放大电路31分别与第一信号接收电路21、第一模数转换电路41、以及单片机5电连接；第二程控放大电路32分别与第二信号接收电路22、第二模数转换电路42、以及单片机5电连接；第三程控放大电路33分别与第三信号接收电路23、第三模数转换电路43、以及单片机5电连接；第一模数转换电路41、第二模数转换电路42、以及第三模数转换电路43均与单片机5电连接，电源6与单片机5电连接。
结合图2，三维电场探头1包括：三副相互垂直的偶极子天线11，其中一个偶极子天线11与第一信号接收电路21电连接，另一个偶极子天线11与第二信号接收电路22电连接，剩下一个偶极子天线11与第三信号接收电路23电连接。
需要说明的是，第一信号接收电路21、第二信号接收电路22、以及第三信号接收电路23可以采用相同的信号接收电路设计；第一程控放大电路31、第二程控放大电路32、以及第三程控放大电路33可以采用相同的程控放大电路设计；第一模数转换电路41、第二模数转换电路42、以及第三模数转换电路43可以采用相同的模数转换电路设计。
在本实施例中，三维电场探头1包括：三副相互垂直的偶极子天线11，使得三维电场强度测量装置在测量待测电场时，可以同时测得待测电场在三副相互垂直的偶极子天线11方向上的电场强度分量信息。其中一个偶极子天线11与第一信号接收电路21电连接，另一个偶极子天线11与第二信号接收电路22电连接，剩下一个偶极子天线11与第三信号接收电路23电连接。
从而各个相互独立的电场强度分量信息可以经过各自独立的传输线路(例如：经第一信号接收电路21、第一程控放大电路31、以及第一模数转换电路41的传输线路)进入单片机中，由单片机对三个电场强度分量信息进行计算处理，以得到待测电场的电场强度。
其中，三条独立的传输线路包括：经第一信号接收电路21、第一程控放大电路31、以及第一模数转换电路41的传输线路；经第二信号接收电路22、第二程控放大电路32、以及第二模数转换电路42的传输线路；以及经第三信号接收电路23、第三程控放大电路33、以及第三模数转换电路43的传输线路。三维电场探头1测得的电场强度分量信息，在经过上述传输线路时，会经过放大和模数转化，得到电压数字信号，该电压数字信号传输至单片机后，经计算，得到待测电场的电场强度分量，单片机在接收到三个电场强度分量后，根据如下公式来计算待测电场的电场强度：
其中，E为待测电场的电场强度，EX为单片机5接收到第一模数转换电路41传输的电场强度分量；EY为单片机5接收到第二模数转换电路42传输的电场强度分量；EZ为单片机5接收到第三模数转换电路43传输的电场强度分量。
此外，单片机5在接收到三个电场强度分量后，会先判断这些电场强度分量是否低于第一标准(例如：低于三维电场强度测量装置量程的10％)，如果低于上述第一标准，则单片机5发送第一控制信号，用于增大程控放大电路3的放大倍数(其中，第一程控放大电路31、第二程控放大电路32、以及第三程控放大电路33同时调节)；如果不低于上述第一标准，单片机5会再判断接收到的电场强度分量是否高于第二标准(例如：高于三维电场强度测量装置量程的90％)，如果高于上述第二标准，则单片机5发送第二控制信号，用于减小程控放大电路3的放大倍数；如果既不低于第一标准，也不高于上述第二标准，则单片机5会采用上述公式来计算待测电场的电场强度。通过上述步骤，单片机5可以根据接收到的电场强度分量的大小是否超出预设标准(包括上述的第一标准和第二标准)，来自动调节程控放大电路3的放大倍数，进而能实现自动调节三维电场强度测量装置的量程。在上述调节过程中，单片机5会判断得到的三个电场强度分量的大小是否超出预设标准，如果其中有任一个电场强度分量超出预设标准，单片机5会同时调整第一程控放大电路31、第二程控放大电路32、以及第三程控放大电路33，使它们的放大倍数相同。
在本实施例中，模数转换电路4可以采用24位高精度、多通道、低功耗的芯片来制备，以提高三维电场强度测量装置的测量精度。
具体地，参见图2，三副偶极子天线11的中点重合，且每两副偶极子天线11相互垂直；
或者，一副偶极子天线11的两端的延伸线分别经过另两副偶极子天线11的中点，且每两副偶极子天线11相互垂直；
或者，三副偶极子天线11的一端重合，且每两副偶极子天线11相互垂直。
在本实施例中，三维电场探头1的三副偶极子天线11可以按照上述任一种方式来设置安装。
具体地，参见图3，每副偶极子天线11均包括：
基板111、对称安装在基板111上的两个相同的天线振子112、检波二极管113、以及信号输出导线114，检波二极管113的两端分别与两个天线振子112靠近对称中心的一端电连接，信号输出导线114与检波二极管113的两端电连接。
进一步地，信号输出导线114可以为柔性碳膜高阻导线，检波二极管113可以为肖特基检波二极管。
在本实施例中，基板111可以采用0.05mm-0.1mm镀银覆铜板，天线振子112可以采用镀银铜箔。
需要说明的是，为了减少偶极子天线11之间的互耦，需要将偶极子天线11的宽度设置为远小于偶极子天线11的长度。
具体地，第一程控放大电路31包括：第一运算放大器311和第一模拟开关电路312，第一模拟开关电路312分别与第一运算放大器311和单片机5电连接；
第二程控放大电路32包括：第二运算放大器321和第二模拟开关电路322，第二模拟开关电路322分别与第二运算放大器321和单片机5电连接；
第三程控放大电路33包括：第三运算放大器331和第三模拟开关电路332，第三模拟开关电路332分别与第三运算放大器331和单片机5电连接。
在本实施例中，运算放大器301可以采用低功耗、零漂移、轨到轨输出的仪表放大器INA333；模拟开关电路302可以采用低导通电阻的CD4052模拟开关，该CD4052模拟开关可以切换4个不同的量程。
具体地，参见图4，该电源6包括：可充电电池61、电池充放电管理电路62、以及稳压电路63，电池充放电管理电路62分别与可充电电池61、稳压电路63、以及单片机电连接。
在本实施例中，电源6为可以充电电源，可以重复使用。
进一步地，参见图5，该装置还包括：二级放大电路7，二级放大电路7包括：第一二级放大电路71、第二二级放大电路72、以及第三二级放大电路73，
第一二级放大电路71分别与第一程控放大电路31和第一模数转换电路41电连接，
第二二级放大电路72分别与第二程控放大电路32和第二模数转换电路42电连接，
第三二级放大电路73分别与第三程控放大电路33和第三模数转换电路43电连接。
在本实施例中，二级放大电路7可以为固定增益的放大电路，以解决程控放大电路3对信号的增益不足的问题。具体地，二级放大电路7可以由固定增益的同相放大器组成，而固定增益的同相放大器可以由精密运算放大器构成。
进一步地，该装置还包括：光纤通信接口8，光纤通信接口8与单片机5电连接。
在本实施例中，为了避免金属导线对待测电场的影响，在该装置中增设光纤通信接口8，使得该装置可以通过光纤与其他设备通信。
进一步地，该装置还包括：显示模块9，显示模块9与单片机5电连接。
在本实施例中，显示模块9可以为点阵液晶显示器，例如：320*240单色液晶显示器。显示模块9可以用于显示该装置测量的电场强度数值，也可以在测量过程中，遇到测量的电场强度超出该装置量程的时候，显示报警信息。
进一步地，该装置还包括：报警模块10，报警模块10与单片机5电连接。
在本实施例中，报警模块10可以为蜂鸣片，用于在测量过程中，遇到测量的电场强度超出该装置量程的时候，发出报警。
需要说明的是，三维电场强度测量装置还可以包括：输入模块(例如有按键的键盘)、数据储存模块(例如：储存芯片)、USB接口、以及时钟电路等，输入模块、数据储存模块、USB接口、以及时钟电路均与单片机电连接。
下面简要介绍一下三维电场强度测量装置的工作原理。
首先，将三维电场探头1放置到待测电场中，三维电场探头1中的三副相互垂直的偶极子天线11会分别测量得到三个相互垂直方向上的电场强度分量信息。
然后，上述三个电场强度分量信息分别经过三条独立的传输线路传输至单片机5中，这三条独立的传输线路包括：经第一信号接收电路21、第一程控放大电路31、以及第一模数转换电路41的传输线路；经第二信号接收电路22、第二程控放大电路32、以及第二模数转换电路42的传输线路；以及经第三信号接收电路23、第三程控放大电路33、以及第三模数转换电路43的传输线路。其中，电场强度分量信息在经过传输线路时，会经过放大和模数转化，转变为相应的电压数字信号。
其次，单片机5在接收到三个电压数字信号后，会对它们进行计算，得到待测电场的电场强度分量。在单片机5得到电场强度分量后，会先判断这些电场强度分量中任一个是否超出上述预设标准，如果有超出的，则单片机5同时调整控制程控放大电路中的各个模拟开关电路，使得第一程控放大电路31、第二程控放大电路32、以及第三程控放大电路33的放大倍数相同。如果没有超出，则单片机5根据上述公式来计算所测电场的电场强度。
最后，单片机5将计算得到的待测电场的电场强度信息发送至显示模块9。
本发明实施例通过由三副相互垂直的偶极子天线组成的三维电场探头，可以同时测量到待测电场在三副偶极子天线方向上的电场强度分量信息，这三个电场强度分量信息通过三条独立的传输线路后传输至单片机中，再经过单片机的计算处理即可得到待测电场的电场强度，使得该三维电场强度测量装置能够测量三维电场强度，其中，三条独立的传输线路包括：经第一信号接收电路、第一程控放大电路、以及第一模数转换电路的传输线路；经第二信号接收电路、第二程控放大电路、以及第二模数转换电路的传输线路；以及经第三信号接收电路、第三程控放大电路、以及第三模数转换电路的传输线路。此外，在测量过程中，单片机与程控放大电路电连接，单片机可以根据接收到的电场强度分量与预设标准相比较，当电场强度分量超出预设标准时，自动调节程控放大电路的放大倍数，可以实现三维电场强度测量装置根据实际测量的待测电场来自动调节量程，无需人工调节，使得测量更加方便、快捷。另外，该三维电场强度测量装置的结构简单、成本低廉、便于大规模推广。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三维电场强度测量装置，其特征在于，所述装置包括：
三维电场探头(1)、信号接收电路(2)、程控放大电路(3)、模数转换电路(4)、单片机(5)、以及电源(6)，
所述三维电场探头(1)包括：三副相互垂直的偶极子天线(11)，
所述信号接收电路(2)包括：第一信号接收电路(21)、第二信号接收电路(22)、以及第三信号接收电路(23)，
所述程控放大电路(3)包括：第一程控放大电路(31)、第二程控放大电路(32)、以及第三程控放大电路(33)，
所述模数转换电路(4)包括：第一模数转换电路(41)、第二模数转换电路(42)、以及第三模数转换电路(43)，
所述三维电场探头(1)的三个所述偶极子天线(11)分别与所述第一信号接收电路(21)、所述第二信号接收电路(22)、以及所述第三信号接收电路(23)电连接，
所述第一程控放大电路(31)分别与所述第一信号接收电路(21)、所述第一模数转换电路(41)、以及所述单片机(5)电连接，
所述第二程控放大电路(32)分别与所述第二信号接收电路(22)、所述第二模数转换电路(42)、以及所述单片机(5)电连接，
所述第三程控放大电路(33)分别与所述第三信号接收电路(23)、所述第三模数转换电路(43)、以及所述单片机电(5)连接，
所述第一模数转换电路(41)、所述第二模数转换电路(42)、以及所述第三模数转换电路(43)均与所述单片机(5)电连接，
所述电源(6)与所述单片机(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，三副所述偶极子天线(11)的中点重合，且每两副所述偶极子天线(11)相互垂直；
或者，一副所述偶极子天线(11)的两端的延伸线分别经过另两副所述偶极子天线(11)的中点，且每两副所述偶极子天线(11)相互垂直；
或者，三副所述偶极子天线(11)的一端重合，且每两副所述偶极子天线(11)相互垂直。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每副所述偶极子天线(11)均包括：
基板(111)、对称安装在所述基板(111)上的两个相同的天线振子(112)、检波二极管(113)、以及信号输出导线(114)，所述检波二极管(113)的两端分别与两个所述天线振子(112)靠近对称中心的一端电连接，所述信号输出导线(114)与所述检波二极管(113)的两端电连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号输出导线(114)为柔性碳膜高阻导线，所述检波二极管(113)为肖特基检波二极管。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一程控放大电路(31)包括：第一运算放大器(311)和第一模拟开关电路(312)，所述第一模拟开关电路(312)分别与所述第一运算放大器(311)和所述单片机(5)电连接；
所述第二程控放大电路(32)包括：第二运算放大器(321)和第二模拟开关电路(322)，所述第二模拟开关电路(322)分别与所述第二运算放大器(321)和所述单片机(5)电连接；
所述第三程控放大电路(33)包括：第三运算放大器(331)和第三模拟开关电路(332)，所述第三模拟开关电路(332)分别与所述第三运算放大器(331)和所述单片机(5)电连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源(6)包括：可充电电池(61)、电池充放电管理电路(62)、以及稳压电路(63)，所述电池充放电管理电路(62)分别与所述可充电电池(61)、所述稳压电路(63)、以及所述单片机(5)电连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：二级放大电路(7)，所述二级放大电路(7)包括：第一二级放大电路(71)、第二二级放大电路(72)、以及第三二级放大电路(73)，
所述第一二级放大电路(71)分别与所述第一程控放大电路(31)和所述第一模数转换电路(41)电连接，
所述第二二级放大电路(72)分别与所述第二程控放大电路(32)和所述第二模数转换电路(42)电连接，
所述第三二级放大电路(73)分别与所述第三程控放大电路(33)和所述第三模数转换电路(43)电连接。
8.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：光纤通信接口(8)，所述光纤通信接口(8)与所述单片机(5)电连接。
9.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：显示模块(9)，所述显示模块(9)与所述单片机(5)电连接。
10.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：报警模块(10)，所述报警模块(10)与所述单片机(5)电连接。
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