CN106908860A - 一种雷电预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种雷电预警系统，包括：电荷感应收集装置、连接装置和信号处理装置，其中，电荷感应收集装置用于感应和收集自身所处空间的电荷；连接装置用于连接电荷感应收集装置和信号处理装置，并将电荷感应收集装置收集的电荷传输至信号处理装置；信号处理装置用于对电荷感应收集装置收集的电荷进行数据分析处理，计算电荷感应收集装置所处空间的电场强度，并生成相应的雷电预警信息。通过电荷感应收集装置来对预设监测地区的空间电荷进行感应和收集，并通过信号处理装置来将收集的电荷进行信号处理，以获得该监测区域的相应的电场强度，从而预测出该监测区域的雷电生成情况，实现雷电预警。

Description

一种雷电预警系统

技术领域

本发明涉及雷电感测技术领域，特别是涉及一种雷电预警系统。

背景技术

雷电是雷雨云中的电荷发生转移或者聚集到一定程度时，在云与云之间或云与地之间发生的放电现象，即雷电的发生来源于雷雨云内部的电荷累积。同时在云内不同部位之间或云与地面之间会形成很强的电场，即只要能够准确检测到空间电场的变化，就可以间接了解雷云电荷累积的情况，进而得知雷电情况，为雷电预警提供可靠依据。

根据多年来世界各地所记录的相关气象资料表明，雷电的发生需要一定条件，并且具有规律性：在以平地距离地面约1.5米处设立的监测点为例，当雷云靠近或形成的时候，地面电场按照一定的规律发生剧烈变化。在通常的标准测量状态下(平原，平地，无尖端效应)，电场在天气晴好时的场强平均值约为150V/m，当雷雨云出现时，电场的电场强度及变化率急剧增大，甚至会达到±14KV/m以上。一般情况下，独立雷云(对流雷云)或雷云群的产生需要大约15-20分钟。依据多年实验观察数据分析，我们认为电场强度超过2KV/m时，该地点就会受到其上方的雷云影响，雷雨云正在逐渐形成或正在靠近。

因此，如何对雷电情况进行预警，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种雷电预警系统，可以对雷电情况进行预警。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种雷电预警系统，包括：电荷感应收集装置、连接装置和信号处理装置，其中，所述电荷感应收集装置用于感应和收集自身所处空间的电荷；所述连接装置用于连接所述电荷感应收集装置和所述信号处理装置，并将所述电荷感应收集装置收集的电荷传输至所述信号处理装置；所述信号处理装置用于对所述电荷感应收集装置收集的电荷进行数据分析处理，计算所述电荷感应收集装置所处空间的电场强度，并生成相应的雷电预警信息。

优选地，所述电荷感应收集装置包括：用于感应和收集空间电荷的金属壳体，所述金属壳体呈规则对称形，所述金属壳体的一端封闭，所述金属壳体的另一端设有用于将所述金属壳体收集的电荷导出的电荷导出部。

优选地，所述金属壳体为圆筒型，所述电荷导出部为阶梯轴型。

优选地，所述连接装置的底部设有若干固定孔，所述电荷感应收集装置的电荷导出部设有和各所述固定孔位置一一相对的固定螺纹孔，通过预设个数的绝缘支撑柱固定对应的固定孔和相对的固定螺纹孔。

优选地，所述绝缘支撑柱包括空心的塑料螺钉和塑料螺套，所述塑料螺套和所述塑料螺钉套接，所述连接装置设有一根贯穿预设塑料螺钉的屏蔽电缆，所述屏蔽电缆的一端线芯和所述金属壳体的内表面电连接，所述屏蔽电缆的该端屏蔽层悬空且不与电荷感应装置接触，所述屏蔽电缆的另一端线芯和所述信号收集装置电连接。

优选地，所述连接装置包括第一连接座和第二连接座，所述第一连接座和所述电荷感应收集装置连接，所述第二连接座和所述信号处理装置连接，所述第一连接座和所述第二连接座螺纹连接。

优选地，所述信号处理装置包括：密封壳体、传感器、金属屏蔽罩和数据处理器，其中，所述密封壳体用于容纳所述传感器、金属屏蔽罩和数据处理器；所述传感器用于接收所述电荷感应收集装置收集的电荷，并将该电荷转换为电信号；所述金属屏蔽罩用于罩盖所述传感器；所述数据处理器用于对所述电信号进行预设的电信号处理，以生成相应的雷电预警信息。

优选地，所述传感器为MEMS传感器，所述MEMS传感器的屏蔽电极接地，所述MEMS传感器的感应电极接收所述所述电荷感应收集装置收集的电荷。

优选地，所述密封壳体的一端设有金属堵头，且所述金属堵头中心设有用于安装预设的插接件以及电源输入和信号输出线的圆形孔。

优选地，所述数据处理器包括：对所述电信号进行阻抗变换的阻抗变换器；对所述电信号进行滤波的滤波器；用于将所述电信号进行信号放大的差分放大器；用于对所述电信号进行电流信号转电压信号的I/V转换电路。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的一种雷电预警系统，包括：电荷感应收集装置、连接装置和信号处理装置，其中，电荷感应收集装置用于感应和收集自身所处空间的电荷；连接装置用于连接电荷感应收集装置和信号处理装置，并将电荷感应收集装置收集的电荷传输至信号处理装置；信号处理装置用于对电荷感应收集装置收集的电荷进行数据分析处理，计算电荷感应收集装置所处空间的电场强度，并生成相应的雷电预警信息。通过电荷感应收集装置来对预设监测地区的空间电荷进行感应和收集，并通过信号处理装置来将收集的电荷进行信号处理，以获得该监测区域的相应的电场强度，从而预测出该监测区域的雷电生成情况，实现雷电预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统结构示意图；

图2为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的电荷感应收集装置结构示意图；

图3为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的电荷感应收集装置的电荷导出部俯视图；

图4为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的连接装置结构示意图；

图5为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的信号处理装置结构示意图；

图6为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的金属堵头俯视图；

图7为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的传感器和金属屏蔽罩的结构示意图；

图8为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的传感器内电场敏感元件的工作原理图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种雷电预警系统，可以对雷电情况进行预警。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统结构示意图。

本发明的一种具体实施方式提供了一种雷电预警系统，包括：电荷感应收集装置11、连接装置12和信号处理装置13，其中，电荷感应收集装置11用于感应和收集自身所处空间的电荷；连接装置12用于连接电荷感应收集装置11和信号处理装置13，并将电荷感应收集装置11收集的电荷传输至信号处理装置13；信号处理装置13用于对电荷感应收集装置11收集的电荷进行数据分析处理，计算电荷感应收集装置11所处空间的电场强度，并生成相应的雷电预警信息。

在本实施方式中，优选连接装置包括一根线缆，来将电荷感应收集装置收集的电荷传输至信号处理装置。通过电荷感应收集装置来对预设监测地区的空间电荷进行感应和收集，并通过信号处理装置来将收集的电荷进行信号处理，以获得该监测区域的相应的电场强度，从而预测出该监测区域的雷电生成情况，实现雷电预警。

请参考图2、图3和图4，图2为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的电荷感应收集装置结构示意图；图3为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的电荷感应收集装置的电荷导出部俯视图；图4为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的连接装置结构示意图。

在本发明的一种实施方式中，电荷感应收集装置11包括：用于感应和收集空间电荷的金属壳体111，金属壳体111呈规则对称形，金属壳体111的一端封闭，金属壳体的另一端设有用于将金属壳体111收集的电荷导出的电荷导出部112。如图2和图3所示，金属壳体111优选为圆筒型，电荷导出部112为阶梯轴型。

在本实施方式中，电荷感应收集装置通过金属壳体来感应和收集空间内的电荷，当将电荷感应收集装置置于预设的监测区域时，当雷云靠近该监测区域，或者在该监测区域附近形成时，会使得监测区域内游离大量的电荷，而金属壳体位于该监测区域内时，金属壳体会感应这些电荷而使得表面聚集大量的对应电荷，而由于要实现静电平衡，则在金属壳体的内侧会感应出与金属壳体外侧相对的电荷，从而实现了空间电荷的采集，其中，由于对称结构可以尽可能的防止金属壳体周围电场的畸变，因此，优选金属壳体呈规则对称形。

需要说明的是，金属壳体可以根据实际需要进行形状的设计，也可以是圆柱体或锥体等形状，本实施方式对此并不做限定，具体视情况而定。

进一步地，连接装置12的底部设有若干固定孔121，电荷感应收集装置11的电荷导出部112设有和各固定孔位置一一相对的固定螺纹孔1121，如图3和图4所示，以包括三个固定螺纹孔1121进行说明，通过预设个数的绝缘支撑柱122固定对应的固定孔121和相对的固定螺纹孔1121。更进一步地，绝缘支撑柱包括空心的塑料螺钉和塑料螺套，塑料螺套和塑料螺钉套接，连接装置设有一根贯穿预设塑料螺钉的屏蔽电缆，屏蔽电缆的一端线芯和金属壳体的内表面电连接，屏蔽电缆的该端屏蔽层悬空且不与电荷感应装置接触，屏蔽电缆的另一端线芯和信号收集装置电连接。

如图4所示，优选连接装置12包括第一连接座1201和第二连接座1202，第一连接座1201和电荷感应收集装置11连接，第二连接座1202和信号处理装置13连接，第一连接座1201和第二连接座1202螺纹连接。优选第一连接座为圆桶型，第一连接座的底部设有上述的固定孔，第一连接座的顶部设有若干螺纹孔，通过金属螺钉等将第一连接座和第二连接座进行螺纹连接。

在本实施方式中，第一连接座和第二连接座均和电荷感应收集装置绝缘，如图1所示，优选连接装置只通过屏蔽电缆和电荷感应收集装置电连接。绝缘支撑柱由中心开孔的塑料螺套和塑料螺钉组成，固定在第一连接座上，采用金属螺钉等穿过绝缘支撑柱将第一连接座固定在电荷感应收集装置上。

请参考图5至图8，图5为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的信号处理装置结构示意图；图6为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的金属堵头俯视图；图7为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的传感器和金属屏蔽罩的结构示意图；图8为本发明一种具体实施方式所提供的雷电预警系统的传感器内电场敏感元件的工作原理图。

在本发明的一种实施方式中，如图5所示，信号处理装置13包括：密封壳体131、传感器132、金属屏蔽罩133和数据处理器134，其中，密封壳体131用于容纳传感器132、金属屏蔽罩133和数据处理器134；传感器132用于接收电荷感应收集装置11收集的电荷，并将该电荷转换为电信号；金属屏蔽罩133用于罩盖传感器132，如图7所示，金属屏蔽罩133焊接在传感器132的外围，将传感器132包裹住，且优选金属屏蔽罩133一侧设有一个用于屏蔽电缆1203穿过的小孔，金属屏蔽罩133与传感器132之间不需要完全屏蔽，且中间有间隙；数据处理器134用于对电信号进行预设的电信号处理，以生成相应的雷电预警信息。

进一步地，优选传感器为MEMS传感器，MEMS传感器的屏蔽电极接地，MEMS传感器的感应电极接收电荷感应收集装置收集的电荷。如图5和图6所示，密封壳体131的一端设有金属堵头135，且金属堵头135中心设有用于安装预设的插接件以及电源输入和信号输出线的圆形孔136，金属堵头的圆形孔四周还设有螺纹孔，通过金属螺钉和该螺纹孔将金属堵头固定在密封壳体上。数据处理器包括：对电信号进行阻抗变换的阻抗变换器，以解决输入阻抗与信号处理电路阻抗不匹配的问题；对电信号进行滤波的滤波器，以滤除干扰信号；用于将电信号进行信号放大的差分放大器，以放大微弱信号，同时除去无用的信号；用于对电信号进行电流信号转电压信号的I/V转换电路。

在本实施方式中，密封壳体为金属密封壳体，其一端封闭且中心开有一个圆形的小孔，以用于屏蔽电缆等通过，另一端设有金属堵头，金属堵头的中心开有圆形孔以安装诸如航空插座等接插件以及电源输入线、信号输出线。MEMS传感器中的电场传感器芯片并非传统传感器简单的物理缩小的产物，而是以新的工作机制和物化效应，使用标准半导体工艺兼容的材料，通过MEMS加工技术制备的新一代传感器件，具有小型化、集成化的特点，可以极大地提高传感器性能。在信号传输前就可放大信号，从而减少干扰和传输噪音，提高信噪比；在芯片上集成反馈电路和补偿电路，可改善输出的线性度和频响特性，降低误差，提高灵敏度，具有阵列性。同时，可以在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路。可把多个相同的敏感元件集成在同一芯片上；具有良好的兼容性，便于与微电子器件集成与封装。如图8所示，MEMS传感器132的屏蔽电极1321接地，在激励电压驱动下，激励电极带动屏蔽电极1321以频率ω水平振动，周期性遮挡感应电极，感应电极包括感应电极正极1322和感应电极负极1323。感应电极表面的感应电荷量发生周期性改变，产生感应电流，此电流幅值与被测电场幅值成正比，测量此电流值即可达到测量被测电场的目的。因此采用MEMS传感器无电机等易磨损器件，具有更好的稳定性和更高的可靠性。

综上所述，本发明所提供的雷电预警系统，通过设有金属壳体的电荷感应收集装置来感应和收集电荷，然后通过屏蔽电缆等线缆将收集的电荷传输至信号处理装置上，信号处理装置优选MEMS传感器来将感应电荷转化为电信号，并由数据处理器进行相应的数据处理。屏蔽电缆、密封壳体和金属屏蔽罩的设置避免了外界的电荷对信号处理装置中的传感器和数据处理器造成干扰，使得雷电预警更加准确，提高了雷电预警系统的可靠性，且该系统功耗小，寿命长，价格低廉。

以上对本发明所提供一种雷电预警系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种雷电预警系统，其特征在于，包括：电荷感应收集装置、连接装置和信号处理装置，其中，所述电荷感应收集装置用于感应和收集自身所处空间的电荷；所述连接装置用于连接所述电荷感应收集装置和所述信号处理装置，并将所述电荷感应收集装置收集的电荷传输至所述信号处理装置；所述信号处理装置用于对所述电荷感应收集装置收集的电荷进行数据分析处理，计算所述电荷感应收集装置所处空间的电场强度，并生成相应的雷电预警信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电荷感应收集装置包括：用于感应和收集空间电荷的金属壳体，所述金属壳体呈规则对称形，所述金属壳体的一端封闭，所述金属壳体的另一端设有用于将所述金属壳体收集的电荷导出的电荷导出部。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述金属壳体为圆筒型，所述电荷导出部为阶梯轴型。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述连接装置的底部设有若干固定孔，所述电荷感应收集装置的电荷导出部设有和各所述固定孔位置一一相对的固定螺纹孔，通过预设个数的绝缘支撑柱固定对应的固定孔和相对的固定螺纹孔。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述绝缘支撑柱包括空心的塑料螺钉和塑料螺套，所述塑料螺套和所述塑料螺钉套接，所述连接装置设有一根贯穿预设塑料螺钉的屏蔽电缆，所述屏蔽电缆的一端线芯和所述金属壳体的内表面电连接，所述屏蔽电缆的该端屏蔽层悬空且不与电荷感应装置接触，所述屏蔽电缆的另一端线芯和所述信号收集装置电连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述连接装置包括第一连接座和第二连接座，所述第一连接座和所述电荷感应收集装置连接，所述第二连接座和所述信号处理装置连接，所述第一连接座和所述第二连接座螺纹连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述的系统，其特征在于，所述信号处理装置包括：密封壳体、传感器、金属屏蔽罩和数据处理器，其中，所述密封壳体用于容纳所述传感器、金属屏蔽罩和数据处理器；所述传感器用于接收所述电荷感应收集装置收集的电荷，并将该电荷转换为电信号；所述金属屏蔽罩用于罩盖所述传感器；所述数据处理器用于对所述电信号进行预设的电信号处理，以生成相应的雷电预警信息。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述传感器为MEMS传感器，所述MEMS传感器的屏蔽电极接地，所述MEMS传感器的感应电极接收所述电荷感应收集装置收集的电荷。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述密封壳体的一端设有金属堵头，且所述金属堵头中心设有用于安装预设的插接件以及电源输入和信号输出线的圆形孔。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述数据处理器包括：对所述电信号进行阻抗变换的阻抗变换器；对所述电信号进行滤波的滤波器；用于将所述电信号进行信号放大的差分放大器；用于对所述电信号进行电流信号转电压信号的I/V转换电路。