CN109188108A - 一种小型轻便易安装的雷电探测系统 - Google Patents

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韩峰
左海勇
张奇英
陈延锦
刘海
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Abstract

本发明公开了一种小型轻便易安装的雷电探测系统，包括，电场探测器、上可调控机械托盘、磁场探测器、电子系统、太阳能供电系统的电源仓，所述电场探测器垂直放置在上可调控机械托盘的上端，所述上可调控机械托盘和下可调控机械托盘之间用金属柱牢固连接，所述下可调控机械托盘上端固定设置电子系统；所述上可调控机械托盘上面刻有深度为1mm的互相正交的凹槽，中心处有通孔；凹槽的两端安装了卡槽用来固定磁场探测器，互相正交的凹槽的作用是让两个磁场探测器分别对准南北方向和东西方向。本发明具有，体积小、重量轻的特点。

Description

一种小型轻便易安装的雷电探测系统
技术领域
本发明涉及雷电检测与定位技术领域，具体为一种小型轻便易安装的雷电探测系统。
背景技术
雷电是大气中瞬时的并伴随着强大电流的放电过程，对人类的生命财产有极大的威胁，因此已经被人们广泛的研究。对雷电的探测，最常用的方式是多个台站同时检测雷电激发的电磁波，然后通过交叉定位的方式确定其发生的经纬度，最后再推算出其发生的时间和峰值电流强度。最典型的雷电探测网是美国的国家闪电探测网(National LightningDetection Network,NLDN)，它由100多个基站组成，分布在全美50多个州，实时的雷电检测数据通过卫星网络上传到数据服务器。
传统的雷电探测器都是由电场探测器和磁场探测器组成。电场探测器通常为长度较大的偶极子天线，用来感应和大地垂直的电场；而磁场探测器为空气芯多匝线圈。由于许多雷电发生在距离探测基站较远的地方，探测器测量到的磁场较弱，因此空气芯线圈面积大，匝数多，因此略显笨重，不便于安装。而连接在探测器后端的输出数据常常先经过计算机预处理，然后再通过因特网上传到服务器。这样的后端数据系统大大制约了雷电探测器的安装，他们常常只能安装在具有50Hz市电的地方，并且必须有网络接口来保证数据传输。虽然后来人们对这样的系统做了一定的改进，比如使用工控机代替了计算机，但是系统的功耗始终较高，安装地点还是受到了一定的限制。
因此，开发一种小型化的，轻便而易于安装的，低功耗的雷电探测系统，不仅具有一定的研究意义，而且具有广阔的工程应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型轻便易安装的雷电探测系统，用于解决背景技术提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种小型轻便易安装的雷电探测系统，包括，电场探测器、上可调控机械托盘、磁场探测器、电子系统、太阳能供电系统的电源仓，所述电场探测器垂直放置在上可调控机械托盘的上端，所述上可调控机械托盘和下可调控机械托盘之间用金属柱牢固连接，所述下可调控机械托盘上端固定设置电子系统；所述上可调控机械托盘上面刻有深度为1mm的互相正交的凹槽，中心处有通孔；凹槽的两端安装了卡槽用来固定磁场探测器，互相正交的凹槽的作用是让两个磁场探测器分别对准南北方向和东西方向。
优选的，所述电场探测器是两块镀有铜膜的圆形印刷电子线路板的平行放置连接在一起的电容器，雷电激发的电磁波在靠近地球表面时其电场是垂直于大地的，变化的电场在两个圆形印刷电子线路板上会引发电荷的震荡，电子线路收集这些变化的电荷，最后转化为电压信号。
优选的，所述上可调控机械托盘、下可调控机械托盘均为圆形，材质是钢化塑料；所述上可调控机械托盘用来承载电场探测器。
优选的，所述磁场探测器是绕在长度短而直径小的软磁芯上的电感线圈，由于雷电激发的电磁波在靠近地球表面时其磁场是平行于大地的，因此变化的磁场会在电感线圈上诱导出电流，电子线路收集这些变化的电流信号，最后转化为电压信号；软磁芯的作用在于减小磁场探测器的体积，增大诱导电流强度；软磁芯的材质是锰锌，磁导率非常大，因此能对从很远处传来的雷电激发的微弱的磁场信号有效放大。
优选的，所述太阳能供电系统的电源仓用来存放蓄电池，外接到太阳能电池板，所述太阳能供电系统的电源仓中的太阳能控制器型号为KLD1220。
优选的，所述电子系统使用太阳能电池板和蓄电池供电；把电子系统安装在远离市区的无市电和居民活动干扰低噪声的区域，提高探测信号的信噪比；电子系统固定在所述下可调控机械托盘上，其数据处理系统采用嵌入式ARM核心、CPU和FPGA外围电路相互结合的方式，既有很强的灵活性，直接对前置电子线路输出的数字化的雷电激发的电场和磁场信号整合处理，同时具有极低的功耗，并且可以利用多CPU复用的方式通过5G通信网络把数据发送到服务器。
优选的，所述下可调控机械托盘通过弹簧和螺丝连接在下端的金属支架上，一天当中，当太阳的高度角最大时，我们只要旋转上可调控机械托盘和下可调控机械托盘，就可以让两个磁场探测器分别对准地球的南北方向和东西方向。上可调控机械托盘和下可调控机械托盘之间用金属柱牢固连接。而下可调控机械托盘通过弹簧和螺丝连接在最下面的金属支架上，所述下可调控机械托盘可以沿着金属支架的滑槽转动让两个磁场探测器分别对准地球的南北方向和东西方向。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：体积小、重量轻和易于安装的特点，同时材质为印刷电子线路板，与传统的空气芯探测器相比，软磁芯的磁场探测器体积要小的多，同时线圈的匝数也要少得多，因此重量非常轻。该系统包含了一个垂直放置的电场探测器和两个正交放置的磁场探测器，用来记录雷电激发的电磁波。两个探测器具有体积小，重量轻的特点，均固定在上可调控机械托盘的上托盘上，下可调控机械托盘可沿着金属支架的滑槽转动。后端的电子系统采取嵌入式ARM核心CPU和FPGA外围电路相互结合的设计方式，既能灵活的处理探测器提供的信号，又具有很低的功耗，因此整个雷电探测系统可以使用太阳能电池供电。同时系统使用5G通信，而非因特网。这两个特点使得整个探测系统可以安装在远离市区的低噪音地区，特别有利于提高雷电信号的质量。
附图说明
图1为本发明一种小型轻便易安装的雷电探测系统的结构示意图；
图2为本发明一种小型轻便易安装的雷电探测系统的上可调控机械托盘结构示意图；
图3为本发明一种小型轻便易安装的雷电探测系统的磁场探测器的结构示意图；
图4为本发明一种小型轻便易安装的雷电探测系统的磁场探测器的太阳能供电系统的电源仓的内部结构示意图；
图5为图4中电路模块内部示意图。
图中：电场探测器1、上可调控机械托盘2、磁场探测器3、电子系统4、太阳能供电系统的电源仓5、下可调控机械托盘6、金属支架7。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1-4，本发明提供一种小型轻便易安装的雷电探测系统，包括，电场探测器1、上可调控机械托盘2、磁场探测器3、电子系统4、太阳能供电系统的电源仓5，所述电场探测器1垂直放置在上可调控机械托盘2的上端，所述上可调控机械托盘2和下可调控机械托盘6之间用金属柱牢固连接，所述下可调控机械托盘6上端固定设置电子系统4；所述上可调控机械托盘2上面刻有深度为1mm的互相正交的凹槽，中心处有通孔；凹槽的两端安装了卡槽用来固定磁场探测器3，互相正交的凹槽的作用是让两个磁场探测器3分别对准南北方向和东西方向。所述电场探测器1是两块镀有铜膜的圆形印刷电子线路板的平行放置连接在一起的电容器，雷电激发的电磁波在靠近地球表面时其电场是垂直于大地的，变化的电场在两个圆形印刷电子线路板上会引发电荷的震荡，电子线路收集这些变化的电荷，最后转化为电压信号。所述上可调控机械托盘2、下可调控机械托盘6均为圆形，材质是钢化塑料；所述上可调控机械托盘2用来承载电场探测器1。所述磁场探测器3是绕在长度短而直径小的软磁芯上的电感线圈，由于雷电激发的电磁波在靠近地球表面时其磁场是平行于大地的，因此变化的磁场会在电感线圈上诱导出电流，电子线路收集这些变化的电流信号，最后转化为电压信号；软磁芯的作用在于减小磁场探测器3的体积，增大诱导电流强度；软磁芯的材质是锰锌，磁导率非常大，因此能对从很远处传来的雷电激发的微弱的磁场信号有效放大。所述太阳能供电系统的电源仓5用来存放蓄电池，外接到太阳能电池板，其中电路模块在元器件的选择上，采用XP Power的IL1205S得到5V的数字电压输出，首先在是用DC/DC转换器ITX1215S输出±15V，然后用LDO稳压器LT3032调节输出12V。所述电子系统4使用太阳能电池板和蓄电池供电；把电子系统4安装在远离市区的无市电和居民活动干扰低噪声的区域，提高探测信号的信噪比；电子系统4固定在所述下可调控机械托盘6上，其数据处理系统采用嵌入式ARM核心、CPU和FPGA外围电路相互结合的方式，既有很强的灵活性，直接对前置电子线路输出的数字化的雷电激发的电场和磁场信号整合处理，同时具有极低的功耗，并且可以利用多CPU复用的方式通过5G通信网络把数据发送到服务器。所述下可调控机械托盘6通过弹簧和螺丝连接在下端的金属支架7上，所述下可调控机械托盘6可以沿着金属支架7的滑槽转动让两个磁场探测器3分别对准地球的南北方向和东西方向。
工作原理：该系统包含了一个垂直放置的电场探测器1和两个正交放置的磁场探测器3，用来记录雷电激发的电磁波。其中电场探测器1是两块平行放置的镀有铜膜的圆形印刷电子线路板。与传统的偶极子线天线相比，这种电容式平行板电场探测器体积非常小，同时材质重量非常轻。磁场探测器3是一对绕在长度短而直径小的软磁芯上的电感线圈，与传统的空气芯探测器相比，软磁芯的磁场探测器体积要小的多，同时线圈的匝数也要少得多，因此重量也非常轻。在一天当中太阳的高度角最大时，这时候我们只要旋转托盘上可调控机械托盘2和下可调控机械托盘6，就可以让两个正交的磁场探测器3分辨对准地球的南北方向和东西方向。后端的电子系统4固定在下可调控机械托盘6上，其数据处理系统采用嵌入式ARM核心CPU和FPGA外围电路相互结合的设计方式，既有很强的灵活性，又具有极低的功耗，并且可以利用多CPU复用的方式通过5G通信网络把数据发送到服务器。因此设计了太阳能供电系统，其中太阳能供电系统的电源仓5用来存放蓄电池，其连接到太阳能电池板，由于电子系统采用低功耗ARM和FPGA结合的设计方案，因此直接使用太阳能电池板和蓄电池供电。同时系统使用5G通信，而非因特网。这两个特点使得整个探测系统可以安装在远离市区的低噪音地区，特别有利于提高雷电信号的质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种小型轻便易安装的雷电探测系统，其特征在于，包括，电场探测器(1)、上可调控机械托盘(2)、磁场探测器(3)、电子系统(4)、太阳能供电系统的电源仓(5)，所述电场探测器(1)垂直放置在上可调控机械托盘(2)的上端，所述上可调控机械托盘(2)和下可调控机械托盘(6)之间用金属柱牢固连接，所述下可调控机械托盘(6)上端固定设置电子系统(4)；所述上可调控机械托盘(2)上面刻有深度为1mm的互相正交的凹槽，中心处有通孔；凹槽的两端安装了卡槽用来固定磁场探测器(3)，互相正交的凹槽的作用是让两个磁场探测器(3)分别对准南北方向和东西方向。
2.根据权利要求1所述的一种小型轻便易安装的雷电探测系统，其特征在于，所述电场探测器(1)是两块镀有铜膜的圆形印刷电子线路板的平行放置连接在一起的电容器，雷电激发的电磁波在靠近地球表面时其电场是垂直于大地的，变化的电场在两个圆形印刷电子线路板上会引发电荷的震荡，电子线路收集这些变化的电荷，最后转化为电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种小型轻便易安装的雷电探测系统，其特征在于，所述上可调控机械托盘(2)、下可调控机械托盘(6)均为圆形，材质是钢化塑料；所述上可调控机械托盘(2)用来承载电场探测器(1)。
4.根据权利要求1所述的一种小型轻便易安装的雷电探测系统，其特征在于，所述磁场探测器(3)是绕在长度短而直径小的软磁芯上的电感线圈，由于雷电激发的电磁波在靠近地球表面时其磁场是平行于大地的，因此变化的磁场会在电感线圈上诱导出电流，电子线路收集这些变化的电流信号，最后转化为电压信号；软磁芯的作用在于减小磁场探测器(3)的体积，增大诱导电流强度；软磁芯的材质是锰锌，磁导率非常大，因此能对从很远处传来的雷电激发的微弱的磁场信号有效放大。
5.根据权利要求1所述的一种小型轻便易安装的雷电探测系统，其特征在于，所述太阳能供电系统的电源仓(5)用来存放蓄电池，外接到太阳能电池板。
6.根据权利要求1所述的一种小型轻便易安装的雷电探测系统，其特征在于，所述电子系统(4)使用太阳能电池板和蓄电池供电；把电子系统(4)安装在远离市区的无市电和居民活动干扰低噪声的区域，提高探测信号的信噪比；电子系统(4)固定在所述下可调控机械托盘(6)上，其数据处理系统采用嵌入式ARM核心、CPU和FPGA外围电路相互结合的方式，既有很强的灵活性，直接对前置电子线路输出的数字化的雷电激发的电场和磁场信号整合处理，同时具有极低的功耗，并且可以利用多CPU复用的方式通过5G通信网络把数据发送到服务器。
7.根据权利要求1、3、6任意一项所述的一种小型轻便易安装的雷电探测系统，其特征在于，所述下可调控机械托盘(6)通过弹簧和螺丝连接在下端的金属支架(7)上，所述下可调控机械托盘(6)可以沿着金属支架(7)的滑槽转动让两个磁场探测器(3)分别对准地球的南北方向和东西方向。
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