CN109738711B - 一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统及方法，包括电荷感应器、运算放大器、A/D转换单元、单片机、上位机、用于实现对空间电场强度的探测量程可调节，确保空间电场强度的输出范围能够调节的量程调节单元以及与上位机相配合，并通过调节系数，实现上位机的输出和显示数值可调节，确保空间电场强度的输出精度的系数调节单元；且所述的系数调节单元与上位机电连接；其中，所述运算放大器的输出依次与A/D转换单元、单片机和上位机电连接，所述的电荷感应器与运算放大器的一个输入端连接，所述运算放大器的另一个输入端与量程调节单元电连接。本发明提高探测精度。
Description
技术领域
本发明涉及雷电预警的技术领域，尤其是一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统及方法。
背景技术
雷电灾害被联合国列为“最严重的十种自然灾害之一”，严重威胁着人类生命及财产安全。但由于雷击危害巨大、成灾迅速，且雷电发生的时间和空间具有很大的随机性，从而给其研究、预报和防治带来了极大的困难。
现有的雷电预警是通过探测空间电场强度的变化，来预警雷电发生的时间和强度，从而可以指导生产、生活避免雷电灾害损失。空间电场强度探测由以下两种方式实现：1.机械式空间电场场磨仪的探测，2.电子式空间电场探测仪的探测。
现有的电子式空间电场探测仪工作原理如下：通过空间电场在电荷感应单元的感应极板上的电荷数量，电荷数量在运算放大单元里以电压值的形式反应出来，这个电压值经过运算放大器(2)的运算、放大，再经过A/D转换单元(3)，把模拟量转换为数字量输出给MCU单元，MCU单元通过处理后，输出给上位机(5)运算和显示。但这种传统的电子式空间电场探测电路，由于其工作原理所决定，因此并不能改变其测量量程和上位机(5)的放大系数和零漂值，因此假如将Vin作为电荷感应单元的感应电荷反应在运算放大单元的电压值，在不同的空间电场环境中，随着Vin的变化，运算放大器(2)的输出值Vo的变化范围为[0-Vcc]，其中Vcc为运算放大器(2)的供电电压，并将运算放大器(2)的Vo作为A/D转换单元(3)的一个输入端，A/D转换单元(3)的另外一个输入端为基准电压Vref，所以A/D转换单元(3)的输出端Vout的输出范围为[Vcc-Vref-Vref]，但由于雷电发生的时间和发生的地点具有很大的随机性，其雷电强度和电场强度类型也具有很大的不确定性，若此时还是通过上述方法的话，就容易导致测量不精准以及测量范围受到限制的问题，因此考虑到雷电发生的时间和发生的地点具有很大的随机性，必然要求探测系统的量程可调节、放大系数和零漂值的可调节，这样才能够保证测量的准确性，所以目前传统的电子式空间电场探测系统在实际应用中，其在不同时间、不同地域、不同类型的空间电场探测中，具有很大的局限性，导致测量范围受限，测量不准确。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种解决现有技术中测量量程不可调节、放大系数和零漂值不可调节的缺陷，并提供一种设计方法简单的测量量程可调节、放大系数和零漂值可调节的可调节的电子式空间电场强度的探测系统及方法。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统，包括以下部件：
一个用于检测雷电发生时空间电场强度变化的电荷感应器；
一个对检测到的电荷感应电压进行放大的运算放大器；
一个用于获取运算放大器的输出信号并将其转换成数字信号的A/D转换单元；
一个用于获取A/D转换单元输出信号的单片机；
一个与单片机连接并能够显示输出数值的上位机；
一个用于实现对空间电场强度的探测量程可调节，确保空间电场强度的输出范围能够调节的量程调节单元；
以及一个与上位机相配合，并通过调节系数，实现上位机的输出和显示数值可调节，确保空间电场强度的输出精度的系数调节单元；且所述的系数调节单元与上位机电连接；
其中，所述运算放大器的输出依次与A/D转换单元、单片机和上位机电连接，所述的电荷感应器与运算放大器的一个输入端连接，所述运算放大器的另一个输入端与量程调节单元电连接。
进一步，所述的量程调节单元是通过两个或两个以上的电阻对供电电压VCC进行分压获得一个可调电阻的量程调节电压Vref来实现的。
进一步，所述的系数调节单元是通过实时调节调节系数，确保位机的输出数据与A/D转换单元的输出数据一致的调节单元。
一种采用一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统的探测方法，其具体包括以下步骤：
①先通过分压方式获得一个可调电阻的电压值作为量程调节电压Vref并输送给运算放大器；
②通过电荷感应器获得雷电发生区域的空间电场强度变化并转化成电压值；
③通过运算放大器分别获取步骤1和步骤2的电压并进行放大后发送给A/D转换单元将获得的输出电压VOUT从模拟信号变成数字信号；
④通过单元机对输出电压VOUT进行储存并发生给上位机；
⑤上位机通过设置算法公式：V/M＝K*Vout+C，并通过系数调节单元调节系数，使A/D转换单元的输出端的数值来反映空间电场强度；其中K和C是系数调节单元中可调节的系数；
其中在步骤5中系数调节单元调节系数的具体步骤如下：
a.系数K的设置步骤：定义Vout为被探测的空间电场的强度作为测量基值，也表示单片机的输出值，并通过标准测量方法-机械式的大气电场仪来测量，预先来设置一个常数系数K0，使V/M和Vout两者在数值上相近，即小数点后两位均需要相同；
b.分析整套设备外壳厚度对Vout的影响，并根据整套设备外壳厚度预先设置一个系数K1；
c.分析整套设备的安装地点的空间开放性及安装地点对Vout的影响，先分析空间开放性对Vout的影响，用标准测量方法-机械式的大气电场仪来测量，预先来设置一个常数系数K11；再分析不同的安装地点对Vout有影响，预先来设置一个常数系数K12；且K1＝K11*K12；
d.分析整套设备在不同的时间运行对Vout的影响，预先设置一个常数系数K2；综上所述，系数K是个综合系数，它反映了K0、K1、K2；
e.系数C的设置步骤：在出厂前，在标准电场中，先设置好每一个探测电路的补偿系数C的值。
本发明得到的一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统及方法，本发明解决现有技术中测量量程不可调节、放大系数和零漂值不可调节的缺陷，并提供一种设计方法简单的测量量程可调节、放大系数和零漂值可调节，最终实现一种测量探测范围更广，更准确的探测系统。
附图说明
图1是实施例1中一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统的框架示意图。
图中：电荷感应器1、运算放大器2、A/D转换单元3、单片机4、上位机5、量程调节单元6、系数调节单元7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本发明提供的一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统，包括以下部件：
一个用于检测雷电发生时空间电场强度变化的电荷感应器1；
一个对检测到的电荷感应电压进行放大的运算放大器2；
一个用于获取运算放大器2的输出信号并将其转换成数字信号的A/D转换单元3；
一个用于获取A/D转换单元3输出信号的单片机4；
一个与单片机4连接并能够显示输出数值的上位机5；
一个用于实现对空间电场强度的探测量程可调节，确保空间电场强度的输出范围能够调节的量程调节单元6；
以及一个与上位机5相配合，并通过调节系数，实现上位机5的输出和显示数值可调节，确保空间电场强度的输出精度的系数调节单元7；且所述的系数调节单元7与上位机5电连接；
其中，所述运算放大器2的输出依次与A/D转换单元3、单片机4和上位机5电连接，所述的电荷感应器1与运算放大器2的一个输入端连接，所述运算放大器2的另一个输入端与量程调节单元6电连接。
所述的量程调节单元6是通过两个或两个以上的电阻对供电电压VCC进行分压获得一个可调电阻的量程调节电压Vref来实现的。
所述的系数调节单元7是通过实时调节调节系数，确保位机的输出数据与A/D转换单元3的输出数据一致的调节单元。
一种采用一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统的探测方法，其具体包括以下步骤：
①先通过分压方式获得一个可调电阻的电压值作为量程调节电压Vref并输送给运算放大器2；
②通过电荷感应器1获得雷电发生区域的空间电场强度变化并转化成电压值；
③通过运算放大器2分别获取步骤1和步骤2的电压并进行放大后发送给A/D转换单元3将获得的输出电压VOUT从模拟信号变成数字信号；
④通过单元机对输出电压VOUT进行储存并发生给上位机5；
⑤上位机5通过设置算法公式：V/M＝K*Vout+C，并通过系数调节单元7调节系数，使A/D转换单元3的输出端的数值来反映空间电场强度；其中K和C是系数调节单元7中可调节的系数；
其中在步骤5中系数调节单元7调节系数的具体步骤如下：
a.系数K的设置步骤：定义Vout为被探测的空间电场的强度作为测量基值，也表示单片机4的输出值，并通过标准测量方法-机械式的大气电场仪来测量，预先来设置一个常数系数K0，使V/M和Vout两者在数值上相近，即小数点后两位均需要相同；
b.分析整套设备外壳厚度对Vout的影响，并根据整套设备外壳厚度预先设置一个系数K1；举例说明，设备外壳一般为PP聚丙烯材料，外壳的厚度对测量到的基值Vout会有很大的影响，所以在实际应用中，需要设置一个系数K1，来反映不同的设备外壳对Vout的影响；
c.分析整套设备的安装地点的空间开放性及安装地点对Vout的影响，先分析空间开放性对Vout的影响，用标准测量方法-机械式的大气电场仪来测量，预先来设置一个常数系数K11；再分析不同的安装地点对Vout有影响，预先来设置一个常数系数K12；且K1＝K11*K12；举例说明，设备安装空旷的区域与设备安装在建筑密集的区域，同样的空间电场，此时测量基值Vout会有很大差别，这个时候必须需要在安装的时候，用标准测量方法(机械式的大气电场仪)先来设置系数K11，来修正空间开放性的不同，对测量结果的影响。同理，不同的安装地点(海拔高度的不同等)也会对测量的基值Vout有影响，所以会设置一个系数K12，在雨天和晴天；在春季和夏季；在白天和晚上，同样的空间电场中的测量基值Vout也会有很大的差别，这个时候就必须设置一个系数K2，来修正这种现象，与K0、K1不同的是，K0、K1是用标准测量方法(机械式的大气电场仪)先来设置的系数，而K2是个经验值系数，是通过雷电预警及另外的空间电场探测的大数据建模来不断修正的一个系数；
d.分析整套设备在不同的时间运行对Vout的影响，预先设置一个常数系数K2；综上所述，系数K是个综合系数，它反映了K0、K1、K2；
e.系数C的设置步骤：在出厂前，在标准电场中，先设置好每一个探测电路的补偿系数C的值。出厂后，在实际应用中，按上述K系数的修正方法来修正这个系数C，最终来保证V/M＝K*Vout+C的公式成立即可认定为修正完成，具体方法如下：在出厂后，由于C是一个补偿系数，它是个常数。这个系数反映的是空间电场强度探测电路的不同批号的电子元器件的差别而引起的不同的零漂(批号不同的电阻、电容的偏差以及不同批号的运放的offset不同等)，在出厂前设置好每一个探测电路的C值就可以了，出厂后就无需修改了。
上述结构中通过将参考量程设置后可变化、系数设置成可调节，从而实现在不同时间、不同地点、不同类型的空间电场下的空间电场强度的探测测量，同时将量程调节单元6与运算放大器2相连接，实现电子式空间电场探测电路的探测量程可调节，保证空间电场强度的输出范围可调节，并通过调节系数，实现上位机5输出和显示数值可调节，保证空间电场强度的输出的精度，因此本实施例解决现有技术中测量量程不可调节、放大系数和零漂值不可调节的缺陷，并提供一种设计方法简单的测量量程可调节、放大系数和零漂值可调节，最终实现一种测量探测范围更广，更准确的探测系统。
Claims (1)
1.一种可调节的电子式空间电场强度的探测系统的探测方法，包括探测系统，探测系统包括一个用于检测雷电发生时空间电场强度变化的电荷感应器(1)；一个对检测到的电荷感应电压进行放大的运算放大器(2)；一个用于获取运算放大器(2)的输出信号并将其转换成数字信号的A/D转换单元(3)；一个用于获取A/D转换单元(3)输出信号的单片机(4)；一个与单片机(4)连接并能够显示输出数值的上位机(5)；一个用于实现对空间电场强度的探测量程可调节，确保空间电场强度的输出范围能够调节的量程调节单元(6)以及一个与上位机(5)相配合，并通过调节系数，实现上位机(5)的输出和显示数值可调节，确保空间电场强度的输出精度的系数调节单元(7)；且所述的系数调节单元(7)与上位机(5)电连接；所述运算放大器(2)的输出依次与A/D转换单元(3)、单片机和上位机(5)电连接，所述的电荷感应器(1)与运算放大器(2)的一个输入端连接，所述运算放大器(2)的另一个输入端与量程调节单元(6)电连接，所述的量程调节单元(6)是通过两个或两个以上的电阻对供电电压VCC进行分压获得一个可调电阻的量程调节电压Vref来实现的，所述的系数调节单元(7)是通过实时调节调节系数，确保上 位机的输出数据与A/D转换单元(3)的输出数据一致的调节单元； 其特征在于， 具体包括以下步骤：
①先通过分压方式获得一个可调电阻的电压值作为量程调节电压Vref并输送给运算放大器(2)；
②通过电荷感应器(1)获得雷电发生区域的空间电场强度变化并转化成电压值；
③通过运算放大器(2)分别获取步骤1和步骤2的电压并进行放大后发送给A/D转换单元(3)将获得的输出电压VOUT从模拟信号变成数字信号；
④通过单片 机对输出电压VOUT进行储存并发生给上位机(5)；
⑤上位机(5)通过设置算法公式：V/M＝K*Vout+C，并通过系数调节单元(7)调节系数，使A/D转换单元(3)的输出端的数值来反映空间电场强度；其中K和C是系数调节单元(7)中可调节的系数；
其中在步骤⑤ 中系数调节单元(7)调节系数的具体步骤如下：
a.系数K的设置步骤：定义Vout为被探测的空间电场的强度作为测量基值，也表示单片机(4)的输出值，并通过标准测量方法-机械式的大气电场仪来测量，预先来设置一个常数系数K0，使V/M和Vout两者在数值上相近，即小数点后两位均需要相同；
b.分析整套设备外壳厚度对Vout的影响，并根据整套设备外壳厚度预先设置一个系数K1；
c.分析整套设备的安装地点的空间开放性及安装地点对Vout的影响，先分析空间开放性对Vout的影响，用标准测量方法-机械式的大气电场仪来测量，预先来设置一个常数系数K11；再分析不同的安装地点对Vout有影响，预先来设置一个常数系数K12；且K1＝K11*K12；
d.分析整套设备在不同的时间运行对Vout的影响，预先设置一个常数系数K2；综上所述，系数K是个综合系数，它反映了K0、K1、K2；
e.系数C的设置步骤：在出厂前，先设置好每一个探测电路的补偿系数C的值。
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