CN1302294C - 适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪，包括一呈倒置式L型支撑架，其内穿入带有插头的电缆，底端固定在底座上，另一端口与外壳的凸口连通，在其内壁上固定插座，并与探头的内接线电连接；电机支座上安装电机，电机轴穿进固定架上的绝缘柱内与其紧配合；在绝缘柱外有小叶片，在其末端外壁上紧密地套有一转子固定套，转子固定在转子固定套上，固定套穿过部件安装座，以及固定其上的定片的中心孔，前置放大器、转速与同步信号检测电路板和电刷固定在支座上，电刷与转子固定套摩擦接触，转速与同步信号检测电路板上安有槽型光电开关，使小叶片7正好处在光电开关的槽的中线位置。该电场仪探测数据稳定性和可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种恒速旋旋转式电场仪，特别是涉及一种适应于雷电和静电监测与预警、近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪。
背景技术
目前，测量大气电场的常用方法主要有两类(探测深高空中的微弱电场还有电子漂移法)：第一类方法是电位差法。即测量出空间两点间的电位差，电位差法又分单探针(采用单个电位平衡器)和双探针(采用两个电位平衡器)测量法，前者一般用于地面，测量出地面上空某一点对地面的电位差，在70年代中期研制的放射性电位计就基于这种原理，其优点简单，但易受环境条件(尤其是温度)的影响，并有放射性污染；后者是用于测量空间任何两点间的电位差除以两点间的距离获得电场，两个电位平衡器是用导体制成的，并分别安装在固定在飞行上的两伸杆的末端，且与伸杆进行电性隔离。只要伸杆长度足以避开飞行器所产生的等离子鞘，可测量出mV/m量级的电场，它的优点灵敏度高，但伸杆技术复杂。第二类是感应电荷法，即利用导体在电场中感应电荷原理测量电场，我们研制的微火箭电场仪、球载双球电场仪、KDY-I、II、III型旋转式电场仪，采用的都是这种方法，其优点测量范围大，便于理论计算和对仪器的标定，但测量精度和电场数据的可信性受旋转速度影响极大，长时间稳定性也差。还有一种ZL96250898.5所公开的：一种倒置式电场仪，含有壳体、电机、电刷、定片、动片、信号引线及线路板等，在壳体上联有基准座，在定位座上、下两侧分别联有电机架和定片，在与定片的平行正对位置装有联在电机轴上的动片，在与动片的平行正对位置装有联在下盖的简易鉴定板，另在电机轴上还装有与动片相似平行的小叶片，小叶片置于光开关的缺口内，由光电开关输出的电信号及定片上的信号引线输出的电信号一起接入电场测量信号处理电路中。如文献1：罗福山等.KDY型旋转式电场仪.电测与仪表，1993，30(4)：17-21.；就上述所说的大多数电场仪不论正置式还是倒置式，其缺点在于：1，电场仪的驱动电机一般采用有刷直流电机，其额定工作时间(如航空直流电机)为500小时，在应用于雷电监测与预警以及近地大气电环境监测，这种连续性工作是不适应的。2，驱动电机即使采用的是一般无刷直流电机和一般的电机调速控制电路，有抖动，背景噪大，转速随电源电压和负载、环境温度变化大，驱动电机转速的变化不但影响电场幅度的测量，还要影响电场的极性。同时这种电机的外壳一般都用铝材，不能屏蔽电机内磁力对传感器的影响，不利于提高仪器灵敏度。3，仪器的壳体是铝材，传感仪的感应面也一般采用铜或铝材，如只作一般处理，在环境污染较利害的地区或盐雾地区(如沿海地区使用)，易氧化生锈，且外观也不好看。4，防水性能差，连接插头、插座外露，迎雨水面有装配螺钉。5，测量点离地面的高度不能保持一定或传感器面离地面的距离太近，因为电场的测量数值与仪器的放置点离地面高度有关；同时如离地面太近，地面的溅水也会影响仪器的测量。6，结构复杂，设计图纸多，加工装配麻烦；传感器和保护电极各小片都是分散加工装配，难以保持组与组间、台与台间的一致性。7，采用单电刷，信号传输有抖动，对测量信号起关键检测作用的前置放大器直接装在探头内，易受测量环境影响。8，为是电场信号与同步信号处于同一相位，采用机械方法调相，十分麻烦，且不易调准。
发明内容
本发明的目的在于克服已有旋转电场仪的缺陷：为了提高旋转电场仪的稳定性和可靠性以及长时间连续运转性能，从而提供一种电缆、插头与插座安装在支撑架内的结构简单、调试方便、由定子和平衡电极做成一体组成定片的适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪。
本发明的目的由以下技术方案来实现的：
本发明提供的一种适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪包括：外壳12、、转子2、定子(A)、平衡电极B、定片3、部件安装支座4、接地电刷5、小叶片7、电机支座11、电机13、探头内接线16、电缆19、底座24、探头；其特征在于：还包括：转速与同步信号检测电路板21；槽型光电开关22；电机转速控制器14；前置放大器10、电绝缘柱8；电刷支架6；所述的定子A与平衡电极B作成一体；所述的支撑架20是一呈倒置式L型金属管，底端固定在底座24上，另一端口与一顶面带有凸口的筒状外壳12的凸口套装连通固定，在其接合部内壁上固定一电缆插座17，支撑架20的管内穿入电缆19，并通过插头18与插座17连接，电缆插座17通过探头内接线16与探头电连接；该筒状外壳12的腔内固定一电机支座11，其上安装直流无刷电机13，该电机上固定一电机转速控制电路14，电机轴9穿进绝缘柱8内，并与其紧配合；绝缘柱8外壁套有与转子2片数相同的一产生同步信号的小叶片7(或称谓“转速与同步信号产生装置”)，在绝缘柱8末端外壁上紧密地套有一转子固定套1，转子固定在转子固定套上，转子固定套穿过部件安装座4以及固定其上的定片3的中心孔，部件安装支座4上还安装有前置放大器10：转速与同步信号检测电路板21，通过电路板固定架23，固定在部件安装支座4(电刷支座)上的接地电刷5与转子固定套摩擦接触，使转子始终处于地电位；转速与同步信号检测电路板21上安有槽型光电开关22，使小叶片7正好处在光电开关的槽内凹处的中线位置。
所述的外壳、外套和支撑架均为不锈钢材料制作的。
所述的定片3由(扇形)形状相同的定子A与平衡电极B作成一体，平衡电极B(保护电极，减小电场畸变)和定子(电场感应电极)的形状相似，且与定子相互倒式交叉排列作成一体，其基片表面镀一金层和中心开有中心孔。
所述的前置放大器为低噪声前置放大器，包括：I/V变换器25、跟随器26、电压放大器27、信号长电缆驱动器28；其中由定子(感应电极)产生的感应电荷流入低噪声前置放大器的I/V变换器25，将信号电流变换成信号电压输入到跟随器26，跟随器是对前级的I/V变换器和后一级的电压放大器27之间起缓冲作用，以减少I/V变换器和电压放大器之间的相互影响，信号经电压放大器放大后再输入到信号电缆驱动器28，该级的作用提供长电缆足够的信号功率和减少电缆对前置放大电路的影响。
所述的转速与同步信号产生电路，它包括小叶片7、光电开关22、脉冲信号放大器29和跟随器30。当小叶片7旋转时，时而让光电开关23中的光电三极管接收来自发光二极管发出的光，时而又阻止光电三极管接收发光二极管的光，这样周而复始产生小脉冲串，输入到脉冲放大器29放大后得到足够幅度的脉冲，经跟随器30与低噪声前置放大电路的电场信号一块通过电缆送入电场仪的主机进行信号处理。
本发明的恒速电场仪电机转速控制是采用锁相技术来进行的，即所述的电机转速控制电路，由晶体振荡器31产生一标准频率的脉冲信号和由转速与同步信号产生电路产生的脉冲信号在相位比较器32中进行相位比较，如果不同步，就有相位差，相位差信号经过低通滤波器33，得到一直流电平增量或减量，用它去控制电机驱动器34的驱动电压使之相应地增加或减少，从而促使电机转速增加或减少。当电机13转速脉冲信号的频率和相位完全和由晶体振荡器产生的标准频率脉冲信号相同时，相位比较器就认为没有误差信号输出了，电机驱动器以恒定电压电平驱动电机。
本发明的优点：
1.发明提供的恒速旋转倒装式电场仪的电机A.采用长寿命(5万小时以上)、无火花、低噪声专用低压直流无刷电机，电机外壳用防磁性材料以减少电机内磁力对传感器的影响，提高测量灵敏度；B，采用对转矩有良好减压特性的调速电路，即应用晶体稳频和锁相技术对无刷电机实现无级调速，确保转速在全天候工作环境下恒速运行(在-30℃～+50℃，转速变化在0.6％左右)，因此大大的提高探测数据的稳定性和可靠性。
2.所述的电机13转速控制是采用锁相技术来进行的，电机驱动器以恒定电压电平驱动电机，实现电机恒速旋转。
3.探头和安装支撑杆采用不锈钢材料，并与安装支座做成整体结构，使探测点和地面的距离始终保持在1米，①在环境污染较利害的地区或盐雾地区(如海边地区)，探头和安装支撑杆不易氧化生锈，外观也好看；②避免了因仪器传感器面所处位置离地面高低不一样和地面的溅水对测量值的影响。
4.探头迎水面设置，但无外露装配螺钉，探头与主机的连接插头插座安装在不锈钢支撑杆内，避免了雨水滲入探头影响仪器的正常工作。
5.平衡电极(减小电场畸变)和定子(电场感应电极)的形状(扇形)与转子(电场屏蔽电极)相似，且与定子相互倒式交替排列制于同一基片上，简化了加工和装配程序，避免了加工和装配过程中各扇形片的不一致性对测量的影响；并进行表面镀金处理，提高功函数的均匀性。
6.采用双电刷接地，使信号稳定地传输出；对前置放大等电路进行三防处理，确保测量信号的可信性。
7.本发明的恒速旋转倒装式电场仪结构简单调试方便；机加工图纸减半，机加工费日益高涨的情况下，机加工费比80年代低，灵敏度、线性、可靠性都有提高，具有良好的性能价格比。
8.该电场仪采用电子调节相位法，方便、易实现精确调相的目的。
9.该电场仪具有线性模拟量，折线模拟量、数字量等多种输出方式供用户选择，一旦监测到有雷击或电击危险性数值时，自动发出声、光报警。
附图说明：
图1是本发明的恒速旋转倒装式电场仪结构示意图
图2是本发明的恒速旋转倒装式电场仪中的定片结构示意图
图3是本发明的恒速旋转倒装式电场仪中的低噪声前置放大电路框图
图4是本发明的恒速旋转倒装式电场仪中的同步信号检测电路框图
图5是本发明的恒速旋转倒装式电场仪中的电机转速控制电路框图
图面说明：
转子固定架-1 转子-2 定子-A 平衡电极-B 定片-3
部件安装支座-4 接地电刷-5 电刷支架-6
小叶片-7 电绝缘柱-8 电机轴-9
前置放大器-10 电机支座-11 外壳-12
电机-13 电机转速控制板-14 外套-15
探头内接线-16 插座-17 插头-18
电缆-19 支撑架-20 转速与同步信号检测电路板-21
槽(凹)型光电开关-22 电路板固定架-23 底座-24
I/V变换器-25 跟随器-26 电压放大器-27
信号长电缆驱动器-28 脉冲信号放大器-29 跟随器-30
晶体振荡器-31 相位比较器-32 分频器-33
低通滤波器-34 控制电机驱动器-35
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明进行详细地说明：
参照图1，本实施例的一种恒速倒置式电场仪包括：一顶面带有凸口的筒状不锈钢外壳12、一呈倒置式L型不锈钢管做的支撑架20，该支撑架20底端固定在底座24上，另一端口与外壳12的凸口套装连接固定，并通过一不锈钢外套15(保护联接固定结点)连通固定，在支撑架20与不锈钢外壳12接合部的内壁上固定一电缆插座17，支撑架20的管内穿入电缆19，并通过插头18与插座17连接，电缆插座17通过探头内接线16与探头电连接，其中探头离地面的高度保持在一米；该筒状外壳12的腔内固定一电机支座11，其上安装直流无刷电机13，该电机上固定一电机转速控制板14，电机轴9穿进绝缘柱8内，并与其紧配合；绝缘柱8外壁套有与转子2片数相同的一产生同步信号的小叶片7(或称谓“转速与同步信号产生装置”)，在绝缘柱8末端外壁上紧密地套有一转子固定套1，转子固定在转子固定套上，转子固定套穿过部件安装座4以及固定其上的定片3的中心孔，部件安装支座4上还安装有前置放大器10；转速与同步信号检测电路板21通过电路板固定架23，固定在部件安装支座4(电刷支座)上的接地电刷5与转子固定套摩擦接触，使转子始终处于地电位；转速与同步信号检测电路板21上安有槽(凹)型光电开关22，使小叶片7正好处在光电开关的槽内凹处的中线位置。
参见图2，取一块圆形的市场购买的高绝缘性的印刷电路板，采用半导体刻蚀工艺在所述的印刷电路板上，刻蚀出形状相同的定子A与平衡电极B其形状为扇形，且与定子相互倒式交叉排列，相互之间留有空隙(在保证相互绝缘的情况下，定子A与平衡电极B之间的空隙可以尽量的小)，其基片表面镀一金层和中心开有中心孔(能让电机轴自由旋转的孔)作成一体的定片3(类似光盘)。
参见图3，本发明的恒速倒置式电场仪中的前置放大器是一低噪声前置放大器，包括：I/V变换器25跟随器26、电压放大器27、信号长电缆驱动器28。由定子(感应电极)产生的感应电荷流入低噪声前置放大器的I/V变换器25，将信号电流变换成信号电压输入到跟随器26，跟随器是对前级的I/V变换器和后一级的电压放大器27之间起缓冲作用，以减少I/V变换器和电压放大器之间的相互影响，信号经电压放大器放大后再输入到信号电缆驱动器28，该级的作用提供长电缆足够的信号功率和减少电缆对前置放大电路的影响。
参见图4，本发明的恒速电场仪另一电路是转速与同步信号产生电路，它包括小叶片7、光电开关22、脉冲信号放大器29和跟随器30。当小叶片7旋转时，时而让光电开关22中的光电三极管接收来自发光二极管发出的光，时而又阻止光电三极管接收发光二极管的光，这样周而复始产生小脉冲串，输入到脉冲放大器29放大后得到足够幅度的脉冲，经跟随器30与低噪声前置放大电路的电场信号一块通过电缆送入电场仪的主机进行信号处理。
参见图5，本发明的恒速电场仪电机13转速控制是采用锁相技术来进行的，即由晶体振荡器31产生一标准频率的脉冲信号和由转速与同步信号产生电路产生的脉冲信号在相位比较器32中进行相位比较，如果不同步，就有相位差，相位差信号经过低通滤波器33，得到一直流电平增量或减量，其去控制电机驱动器34的驱动电压相应地增加或减少，从而促使电机转速增加或减少。当电机转速脉冲信号低频率和相位完全和由晶体振荡器产生的标准频率脉冲信号相同时，相位比较器就没有误差信号输出了，电机驱动器以恒定电压电平驱动电机。
工作原理：本发明的恒速旋转倒装式电场仪是利用置于电场中的导体，其上产生感应电荷的原理进行电场测量。电场传感器为场磨式结构，它由两组形状相似的各为六片相互连接在一起的导电片，并分别称之为“定子”(感应片)和“转子”(接地屏蔽片)所组成。当转子旋转时，使定子交替地暴露在电场中或被接地屏蔽片所遮挡，从而产生交变信号输出。定子上的感应电荷Q(t)的大小与外界电场强度E成正比，
Q(t)＝-εoEA(t) 1
上式为时间的函数，其中εo为自由空间介电常数，一般取εo＝8.754×10-12F/m，A(t)为定子的表面积。电场传感器在周期为2T期间内的输出电压为
V01＝IR[(K+1)-2exp(-t/RC)-1] 0＜t＜T 2
V02＝IR{[(K+1)-2exp(T/RC)]exp(t/RC)+1}T＜t＜2T 3
其中I为电场传感器输出电流幅度，K为无量纲常数，分别为
I＝4πf0εo(r2 2-r1 2)E
K＝[1-2exp(-T/RC)+exp(-2T/RC)]/[1-exp(-2T/RC)]
R、C在一般情况下，可视为电流放大器的反馈电阻和电容，f0＝1/2T为电场信号频率，0为动片完全屏蔽定片的那一瞬间的时间，T为定片完全暴露的那一瞬间。“定子”(感应电极)的感应电荷流向低噪声前置放大电路，经I/V变换(跟随器使I/V变换器工作稳定)，电压放大，电缆驱动器，与小叶片和光电开关产生的同步信号一块经电缆输送到主机进一步处理后，直接可在仪器面板表上读出电场的瞬时有效值及其电场极性；当电场值达到危险预置数值时，同时发出声、光报警；并可通过微机的屏幕显示电场平均值、电场变化量以及它们随时间变化的曲线。
电场仪的标定在一套由两块相互平行的平板导电体组成的电容式模拟电场装置和高压直流可控电源构成的电场标定系统[4]中进行。在不同的模拟电场值下，使仪器显示出的电场值和模拟电场值基本上一致。本仪器有很好的线性和重复性。
Claims (6)
1.一种适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪，包括：外壳(12)、转子(2)、定子(A)、平衡电极(B)、定片(3)、部件安装支座(4)、接地电刷(5)、小叶片(7)、电机支座(11)、电机(13)、探头内接线(16)、电缆(19)、支撑架(20)、底座(24)、探头、；其特征在于：还包括：转速与同步信号检测电路板(21)；槽型光电开关(22)；电机转速控制电路(14)；前置放大器(10)、电绝缘柱(8)；电刷支架(6)；转速与同步信号产生电路；所述的定子(A)与平衡电极(B)作成一体；所述的支撑架(20)是一呈倒置式L型金属管，底端固定在底座(24)上，另一端口与一顶面带有凸口的筒状外壳(12)的凸口套装连通固定，在所述支撑架(20)与所述外壳(12)的接合部内壁上固定一电缆插座(17)，支撑架(20)的管内穿入电缆(19)，并通过插头(18)与插座(17)连接，电缆插座(17)通过探头内接线(16)与探头电连接；该筒状外壳(12)的腔内固定一电机支座(11)，所述的电机支座(11)上安装直流无刷电机(13)，该电机上固定一电机转速控制电路(14)，电机轴(9)穿进绝缘柱(8)内，并与所述的绝缘柱(8)紧配合；在所述的绝缘柱(8)外壁套有与转子(2)片数相同的一产生同步信号的小叶片(7)，在绝缘柱(8)末端外壁上紧密地套有一转子固定套(1)，转子固定在转子固定套上，转子固定套穿过部件安装座(4)以及固定其上的定片(3)的中心孔，部件安装支座(4)上还安装有前置放大器(10)；所述的转速与同步信号检测电路板(21)附着在电路板固定架(23)上，固定在部件安装支座(4)上的接地电刷(5)与转子固定套摩擦接触，使转子始终处于地电位；转速与同步信号检测电路板(21)上安有槽型光电开关(22)，小叶片(7)处在光电开关的槽内的中线位置。
2.按权利要求1所述的适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪，其特征在于：还包括一外套(15)，所述的外壳(12)、外套(15)和支撑架(20)均为不锈钢材料制作的。
3.按权利要求1所述的适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪，其特征在于：所述的定片(3)由形状相同的定子(A)与平衡电极(B)相互倒式交叉排列作成一体，所述的定片(3)的基片表面镀一金层和中心开有中心孔。
4.按权利要求1所述的适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪，其特征在于：所述的前置放大器(10)包括：I/V变换器(25)、跟随器(26)、电压放大器(27)、信号长电缆驱动器(28)；由定子产生的感应电荷输入低噪声前置放大器的I/V变换器(25)，将信号电流变换成信号电压输入到跟随器(26)，信号经电压放大器放大后再输入到信号电缆驱动器(28)。
5.按权利要求1所述的适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪，其特征在于：所述的转速与同步信号产生电路包括：所述的小叶片(7)、所述的槽型光电开关(22)、脉冲信号放大器(29)和跟随器(30)；当小叶片(7)旋转时，时而让光电开关(22)中的光电三极管接收来自发光二极管发出的光，时而又阻止光电三极管接收发光二极管的光，所产生小脉冲串，输入到脉冲放大器(29)放大后得到足够幅度的脉冲，经跟随器(30)与低噪声前置放大电路的电场信号一块通过电缆送入电场仪的主机进行信号处理。
6.按权利要求1所述的适于雷电和近地大气电环境监测用恒速旋转倒装式电场仪，其特征在于：所述的电机转速控制电路由晶体振荡器(31)产生一标准频率的脉冲信号和由转速与同步信号产生电路产生的脉冲信号在相位比较器(32)中进行相位比较，如果不同步，就有相位差，相位差信号经过低通滤波器(33)，得到一直流电平增量或减量，用它去控制电机驱动器(35)的驱动电压使之相应地增加或减少，从而促使电机转速增加或减少；当电机转速脉冲信号的频率和相位完全和由晶体振荡器产生的标准频率脉冲信号相同时，相位比较器没有误差信号输出，电机驱动器以恒定电压电平驱动电机。
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