CN110231274A - 颗粒带电实验装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种颗粒带电实验装置及测试方法，所述实验装置包括位于上侧的介质颗粒滑落漏斗，滑落板的上端位于所述漏斗内，所述滑落板的下端位于所述漏斗外，所述滑落板的下侧边缘位于法拉第筒的上端开口之上，经所述漏斗排出的介质颗粒经过与所述滑落板上的介质颗粒摩擦后带电，然后从所述滑落板的下侧边缘排入到所述法拉第筒内，在所述滑落板的下侧边缘与所述法拉第筒的上端之间形成带电介质颗粒幕，所述带电介质颗粒幕的左侧设置有发射天线，所述带电介质颗粒幕的右侧设置有接收天线，信号源与所述发射天线的信号输入端连接。通过所述装置能够完成介质颗粒带电对电磁波传播影响的实验，且所述装置结构简单，容易实现。

Description

颗粒带电实验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及静电测量装置及方法技术领域，尤其涉及一种颗粒带电实验装置及测量方法。
背景技术
雨雪、雾霾、沙尘暴等天气现象出现频繁，是影响电磁波传播的主要天气现象。尤其雾霾和沙尘暴近年来出现的越来越频繁，其中的颗粒介质都带有一定的电荷量。实际沙尘暴中沙粒在高速运动中互相摩擦碰撞，可以带有很高的电量，但是有许多不可控因素导致在沙尘暴现场测量时不能排除其他因素引起的带不同电荷的沙粒对电磁波传播的影响，比如沙粒浓度不可控、带电量不可控而且测不准，而且现有文献描述的带电颗粒介质对电磁波传播影响研究理论计算值与实验值不一致，所以能设计在室内模拟颗粒介质带电对电磁波传播的影响实验非常重要。迫于颗粒带电不易实现，目前研究颗粒带电的文献大部分都是通过仿真模拟计算，进行实验研究的很少，从带电机理出发，摩擦起电、颗粒碰撞起电等使颗粒介质带电的方式在实验室实现起来都有一定困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种可实现介质颗粒带电对电磁波传播影响的实验装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种颗粒带电实验装置，其特征在于：包括位于上侧的介质颗粒滑落漏斗，滑落板的上端位于所述漏斗内，并固定在所述漏斗的内壁上，所述滑落板上粘贴有介质颗粒，所述滑落板的下端位于所述漏斗外，且位于所述漏斗外的滑落板倾斜设置，所述滑落板的下侧边缘位于法拉第筒的上端开口之上，经所述漏斗排出的介质颗粒经过与所述滑落板上的介质颗粒摩擦后带电，然后从所述滑落板的下侧边缘排入到所述法拉第筒内，在所述滑落板的下侧边缘与所述法拉第筒的上端之间形成带电介质颗粒幕，所述法拉第筒通过导线连接有静电计；所述带电介质颗粒幕的左侧设置有发射天线，所述带电介质颗粒幕的右侧设置有接收天线，信号源与所述发射天线的信号输入端连接，信号源用于为所述发射天线提供输入信号；接收天线的信号输出端与频谱仪的信号输入端连接，频谱仪用于测量接收到的电磁信号的功率。
优选的，位于所述漏斗外侧的所述滑落板的长度为105mm，倾斜角度为50°。
进一步的技术方案在于：所述装置还包括屏蔽网架，所述介质滑落漏斗、滑落板、发射天线、接收天线、信号源、频谱仪、法拉第筒以及静电计位于所述屏蔽网架内。
进一步的技术方案在于：所述实验装置还包括称重装置，所述称重装置用于称量法拉第筒内介质颗粒的质量。
进一步的技术方案在于：所述漏斗包括竖直筒部分和收口部分，所述收口部分的下端滑落口的宽度可调，用于根据介质颗粒的大小调节所述下端滑落口的宽度，使所述介质颗粒能够顺利的从所述收口部分的下端滑落口中排出。
本发明实施例还公开了一种使用所述颗粒带电实验装置进行测试的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）制作具有不同粒径介质颗粒的滑落板：
2）组装所述实验装置，将滑落板放置在所述介质颗粒滑落漏斗内部上并由滑落口伸出，伸出部分为滑落长度，法拉第筒放置在支撑架上，承接所述滑落漏斗滑落的介质颗粒，分别打开信号源、频谱仪和静电计，使其工作一段时间，待仪器稳定后调整信号源，使其产生一定频率和功率的信号，并通过静电计测量落入法拉第筒内介质颗粒的带电量，并将法拉第筒内的介质颗粒称重计算法拉第筒内的介质颗粒的荷质比；
3）实验时记录无介质颗粒流时的频谱仪测量的功率为PV1，然后将介质颗粒倒入所述漏斗，介质颗粒经滑落板滑下后由法拉第筒承接；在介质颗粒流稳定流速时记录频谱仪测量的功率值为PV3，待所述漏斗内的颗粒流完时再一次记录频谱仪测量的功率值为PV2，其读数应与第一次记录值相等或近似，记录法拉第筒带电量为Q，测量沙粒质量位m，测量多组数据后，改变具有不同粒径介质颗粒的滑落板重新测量；其中，荷质比为Q/m的介质颗粒流对电磁波造成的衰减为：，功率P单位为dBm。
进一步的技术方案在于：测量过程中，初始滑落时介质颗粒流的荷质比较大，随滑落介质颗粒测量的次数增多，其荷质比逐渐减小，直至稳定；刚开始时滑落板不带电，介质颗粒经摩擦后带负电，滑落板带正电，滑落次数增多后，滑落板带电量逐渐增加，直至饱和，介质颗粒流带电量也随之逐渐减小直至稳定；实验中记录该渐变过程中全部数据，直至至少有10组稳定数据为止；介质颗粒流为了防止颗粒流的荷质比波动较大影响对比效果，采用滑落板带电量饱和后所记录数据为准。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过所述装置能够完成介质颗粒带电对电磁波传播影响的实验，且所述装置结构简单，容易实现。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述实验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例所述实验装置的原理框图；
其中：1、介质颗粒滑落漏斗；2、滑落板；3、法拉第筒；4、介质颗粒；5、静电计；6、发射天线；7、接收天线；8、信号源；9、频谱仪；10、屏蔽网架；11、电磁波。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他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例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种颗粒带电实验装置，包括位于上侧的介质颗粒滑落漏斗1，滑落板2的上端位于所述漏斗内，并固定在所述漏斗的内壁上，所述滑落板2上粘贴有介质颗粒，所述滑落板2的下端位于所述漏斗外，且位于所述漏斗外的滑落板2倾斜设置，优选的，位于所述漏斗外侧的所述滑落板2的长度为105mm，倾斜角度为50°。所述滑落板2的下侧边缘位于法拉第筒3的上端开口之上，经所述漏斗排出的介质颗粒4经过与所述滑落板2上的介质颗粒摩擦后带电，然后从所述滑落板2的下侧边缘排入到所述法拉第筒3内，在所述滑落板2的下侧边缘与所述法拉第筒3的上端之间形成带电介质颗粒幕，所述法拉第筒3通过导线连接有静电计5；所述带电介质颗粒幕的左侧设置有发射天线6，所述带电介质颗粒幕的右侧设置有接收天线7，信号源8与所述发射天线6的信号输入端连接，信号源8用于为所述发射天线6提供输入信号；接收天线7的信号输出端与频谱仪9的信号输入端连接，频谱仪用于测量接收到的电磁信号的功率。
进一步的，所述漏斗包括竖直筒部分和收口部分，所述收口部分的下端滑落口的宽度可调，用于根据介质颗粒的大小调节所述下端滑落口的宽度，使所述介质颗粒能够顺利的从所述收口部分的下端滑落口中排出。更进一步的，所述漏斗上部为方形，滑落口为长方形，滑落口长度为30cm，宽度可以在100mm范围内调节，由底部矩形挡板滑动实现。
进一步的，所述装置还包括屏蔽网架10，所述介质滑落漏斗1、滑落板2、发射天线6、接收天线7、信号源8、频谱仪9、法拉第筒3以及静电计5位于所述屏蔽网架10内。此外，所述实验装置还包括称重装置，所述称重装置用于称量法拉第筒3内介质颗粒的质量。
本发明还公开了一种使用所述颗粒带电实验装置进行测试的方法，包括如下步骤：
1）制作具有不同粒径介质颗粒的滑落板2，制作方法如下：
分别将不同粒径的介质颗粒均匀地粘在白纸上，等干燥后压平，完成所述滑落板的制作。使用时在所述漏斗内壁上放置硬纸板，然后将滑落板放置在硬纸板上，因为制作滑落板的纸张质地较软，所以用硬纸板作支撑。实验过程中根据需要可以更换不同粒径的滑落板。本实验介质颗粒滑落距离可以为105mm，滑落板倾斜角度可以为50°，漏斗的滑落口为长度为300mm宽度为1mm，能够严格控制颗粒介质流量，使得颗粒介质在滑落过程中所有颗粒介质都经过充分摩擦。
2）组装所述实验装置，将滑落板2放置在所述介质颗粒滑落漏斗1内部上并由滑落口伸出，伸出部分为滑落长度，法拉第筒3放置在支撑架上，承接所述滑落漏斗滑落的介质颗粒，分别打开信号源8、频谱仪9和静电计5，使其工作一段时间，待仪器稳定后调整信号源8，使其产生一定频率和功率的信号，并通过静电计5测量落入法拉第筒3内介质颗粒的带电量，并将法拉第筒3内的介质颗粒称重，计算法拉第筒内的介质颗粒的荷质比；
进一步的，发射天线垂直极化与信号源相连接，接收天线与频谱仪相连，实验时在所述漏斗中装入介质颗粒，颗粒由滑落板滑下，经过其与滑落板的摩擦碰撞带上一定电量，落入法拉第筒内由法拉第筒测量其带电量，电磁波穿过颗粒介质幕后由接收天线接收，接收功率由频谱仪测得。
3）实验时记录无介质颗粒流时的频谱仪9测量的功率为PV1，然后将介质颗粒倒入所述漏斗，介质颗粒经滑落板2滑下后由法拉第筒3承接；在介质颗粒流稳定流速时记录频谱仪9测量的功率值为PV3，待所述漏斗内的颗粒流完时再一次记录频谱仪9测量的功率值为PV2，其读数应与第一次记录值相等或近似，记录法拉第筒3带电量为Q，测量沙粒质量位m，测量多组数据后，改变具有不同粒径介质颗粒的滑落板2重新测量；其中，荷质比为Q/m的介质颗粒流对电磁波造成的衰减为：，功率P单位为dBm。
进一步的，测量时，让颗粒自然滑下，颗粒不重复使用。重复测量15次，前几次测量时，滑落板所带电量不饱和，因此颗粒荷质比值较大且不稳定。等滑落板带电量饱和后颗粒流的荷质比稳定，我们采用此时记录的数据，至少10组。由于滑落板在颗粒滑下后有一些小粒径颗粒残留，因此每一组数据记录完后要轻轻的震动滑落板，使残留的颗粒脱落。
关于荷质比的实验结论：颗粒流的荷质比总体上随滑落板粒径的增加而增大；在颗粒流粒径与滑落板粒径相同的情况下，颗粒流的荷质比会相对下降。在同种材料颗粒碰撞实验研究中有一个结论，两颗粒碰撞时，大颗粒带正电，小颗粒带负电，而相同粒径的颗粒碰撞其带电量是一个平均值为0的随机量，这就解释了本条现象出现的原因；滑落板上残留的颗粒会使颗粒流与自己粒径相同的颗粒碰撞摩擦的几率增加，降低颗粒流的荷质比。
此外，测量过程中，初始滑落时介质颗粒流的荷质比较大，随滑落介质颗粒测量的次数增多，其荷质比逐渐减小，直至稳定；刚开始时滑落板不带电，介质颗粒经摩擦后带负电，滑落板带正电，滑落次数增多后，滑落板带电量逐渐增加，直至饱和，介质颗粒流带电量也随之逐渐减小直至稳定；实验中记录该渐变过程中全部数据，直至至少有10组稳定数据为止；介质颗粒流为了防止颗粒流的荷质比波动较大影响对比效果，采用滑落板带电量饱和后所记录数据为准。
关于所述实验装置的实验结论：随颗粒荷质比的增加，介质颗粒对电磁波的衰减随之增大。当颗粒流的带电量增加到一定程度后，颗粒带电量的多少将决定电磁波的衰减情况。

Claims (8)

1.一种颗粒带电实验装置，其特征在于：包括位于上侧的介质颗粒滑落漏斗（1），滑落板（2）的上端位于所述漏斗内，并固定在所述漏斗的内壁上，所述滑落板（2）上粘贴有介质颗粒，所述滑落板（2）的下端位于所述漏斗外，且位于所述漏斗外的滑落板（2）倾斜设置，所述滑落板（2）的下侧边缘位于法拉第筒（3）的上端开口之上，经所述漏斗排出的介质颗粒（4）经过与所述滑落板（2）上的介质颗粒摩擦后带电，然后从所述滑落板（2）的下侧边缘排入到所述法拉第筒（3）内，在所述滑落板（2）的下侧边缘与所述法拉第筒（3）的上端之间形成带电介质颗粒幕，所述法拉第筒（3）通过导线连接有静电计（5）；所述带电介质颗粒幕的左侧设置有发射天线（6），所述带电介质颗粒幕的右侧设置有接收天线（7），信号源（8）与所述发射天线（6）的信号输入端连接，信号源（8）用于为所述发射天线（6）提供输入信号；接收天线（7）的信号输出端与频谱仪（9）的信号输入端连接，频谱仪用于测量接收到的电磁信号的功率。
2.如权利要求1所述的颗粒带电实验装置，其特征在于：位于所述漏斗外侧的所述滑落板（2）的长度为105mm，倾斜角度为50°。
3.如权利要求1所述的颗粒带电实验装置，其特征在于：所述装置还包括屏蔽网架（10），所述介质滑落漏斗（1）、滑落板（2）、发射天线（6）、接收天线（7）、信号源（8）、频谱仪（9）、法拉第筒（3）以及静电计（5）位于所述屏蔽网架（10）内。
4.如权利要求1所述的颗粒带电实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括称重装置，所述称重装置用于称量法拉第筒（3）内介质颗粒的质量。
5.如权利要求1所述的颗粒带电实验装置，其特征在于：所述漏斗包括竖直筒部分和收口部分，所述收口部分的下端滑落口的宽度可调，用于根据介质颗粒的大小调节所述下端滑落口的宽度，使所述介质颗粒能够顺利的从所述收口部分的下端滑落口中排出。
6.一种使用如权利要求1-5中任意一项所述颗粒带电实验装置进行测试的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）制作具有不同粒径介质颗粒的滑落板（2）：
2）组装所述实验装置，将滑落板（2）放置在所述介质颗粒滑落漏斗（1）内部上并由滑落口伸出，伸出部分为滑落长度，法拉第筒（3）放置在支撑架上，承接所述滑落漏斗滑落的介质颗粒，分别打开信号源（8）、频谱仪（9）和静电计（5），使其工作一段时间，待仪器稳定后调整信号源（8），使其产生一定频率和功率的信号，并通过静电计（5）测量落入法拉第筒（3）内介质颗粒的带电量，并将法拉第筒（3）内的介质颗粒称重，计算法拉第筒内的介质颗粒的荷质比；
3）实验时记录无介质颗粒流时的频谱仪（9）测量的功率为PV1，然后将介质颗粒倒入所述漏斗，介质颗粒经滑落板（2）滑下后由法拉第筒（3）承接；在介质颗粒流稳定流速时记录频谱仪（9）测量的功率值为PV3，待所述漏斗内的颗粒流完时再一次记录频谱仪（9）测量的功率值为PV2，其读数应与第一次记录值相等或近似，记录法拉第筒（3）带电量为Q，测量沙粒质量位m，测量多组数据后，改变具有不同粒径介质颗粒的滑落板（2）重新测量；其中，荷质比为Q/m的介质颗粒流对电磁波造成的衰减为：，功率P单位为dBm。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：测量过程中，初始滑落时介质颗粒流的荷质比较大，随滑落介质颗粒测量的次数增多，其荷质比逐渐减小，直至稳定；刚开始时滑落板不带电，介质颗粒经摩擦后带负电，滑落板带正电，滑落次数增多后，滑落板带电量逐渐增加，直至饱和，介质颗粒流带电量也随之逐渐减小直至稳定；实验中记录该渐变过程中全部数据，直至至少有10组稳定数据为止；介质颗粒流为了防止颗粒流的荷质比波动较大影响对比效果，采用滑落板带电量饱和后所记录数据为准。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，制作具有不同粒径介质颗粒的滑落板的方法如下：分别将不同粒径的介质颗粒均匀地粘在白纸上，等干燥后压平，完成所述滑落板的制作。
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