CN204202756U - 一种闪电通道的温度测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种闪电通道的温度测试装置，包含红外光滤光片、可见光滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光电管、第二光电管、第一放大电路、第二放大电路、差分放大电路、真有效值检波电路、数据运算模块和显示模块，第一光电管的输出端经第一放大电路连接差分放大电路的输入端，第二光电管的输出端经第二放大电路连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端依次连接真有效值检波电路、数据运算模块和显示模块。本实用新型以saha方程为基础，在局部热力学平衡条件近似下，根据闪电通道发出的红外波段和可见光波段的光谱线相对强度，反演计算出闪电通道的温度。

Description

一种闪电通道的温度测试装置

技术领域

本实用新型属于雷电科学与技术领域，特别涉及了一种闪电通道的温度测试装置。

背景技术

雷击闪电过程具有非常大的瞬时峰值能量，在微秒量级的瞬间可以释放出55kW·H的能量。由于闪电放电过程将产生瞬态强电流，使得峰值温度高达数万摄氏度的闪电通道中聚集着大量等离子体，其特征与闪电通道形成和发展的具体物理过程有着密切联系。由于自然界的闪电过程发生的时间和空间尺度上存在有随机性，且闪电过程在微秒量级上具有高速瞬间变化特征，上述几个因素使得针对闪电通道的探测手段难以实现。然而光谱观测却可以在一定的距离内获取闪电通道内部结构的物理特征及相关信息，通过对光谱相对强度的分析计算，可以直接获得闪电通道的温度，根据闪电通道温度，可以推算出闪电通道的电子密度，电导率、压强、相对质量密度，电离百分率以及同种粒子浓度等与通道放电特征有关的参量，对闪电过程、物理机制的研究有重要的意义。

目前，无狭缝摄谱仪已普遍应用于对单次回击光谱的观测，光谱所反映的闪电通道特征及闪电物理过程的研究也越来越成熟。利用无狭缝摄谱仪获得云对地闪电回击过程400-700mm波长范围的光谱，同时利用光学多通道分析仪OMA，在谱线辨认和光谱特征分析的基础上，在局部热力学平衡(LTE)条件近似下，根据光谱线相对强度，可以计算出闪电通道等离子体的温度，同时根据saha方程可以获得通道等离子体的电子密度。

实用新型内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本实用新型旨在提供一种闪电通道的温度测试装置，以saha方程为基础，在局部热力学平衡条件近似下，根据闪电通道发出的红外波段和可见光波段的光谱线相对强度，反演计算出闪电通道的温度。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案为：

一种闪电通道的温度测试装置，包含红外光滤光片、可见光滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光电管、第二光电管、第一放大电路、第二放大电路、差分放大电路、真有效值检波电路、数据运算模块和显示模块，所述第一光电管的输出端经第一放大电路连接差分放大电路的输入端，第二光电管的输出端经第二放大电路连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端依次连接真有效值检波电路、数据运算模块和显示模块；闪电通道发出的辐射分别经红外光滤光片和可见光滤光片滤除红外波段和可见波段，再分别经第一凸透镜和第二凸透镜聚焦后分别照射在第一光电管和第二光电管上，第一光电管和第二光电管将两束光信号转换为电信号，两个电信号分别经第一放大电路和第二放大电路放大后依次经差分放大电路和真有效值检波电路处理后送入数据运算模块，数据运算模块根据输入的信号计算出闪电通道的温度值并送给显示模块。

其中，上述红外光滤光片和第一凸透镜安装在长度为15cm、壁厚为2mm的光学镜筒内，所述可见光滤光片和第二凸透镜安装在另一个完全相同的光学镜筒内。

其中，上述第一、第二凸透镜的固定焦距为5cm，直径为5.6cm，厚度为2mm。

其中，上述第一、第二光电管采用光电倍增管。

其中，上述第一放大电路与第二放大电路的结构相同，所述第一放大电路包括第一集成运放、第二集成运放、第一～第三电容以及第一～第五电阻，所述第一集成运放的负输入端经第一电容接地，第一集成运放的正输入端经第二电阻接地，第一集成运放的输出端经第三电阻连接第二集成运放的负输入端，第一集成运放的负输入端经第一电阻与第一放大电路的输出端相连，第二集成运放的输出端经第四电阻与第一放大电路的输出端相连，第一集成运放的正输入端经第二电容连接第一集成运放的输出端，第二集成运放的负输入端经第三电容连接第二集成运放的输出端，第五电阻的两端分别连接第二集成运放的负输入端和第一放大电路的输出端，第二集成运放的负输入端连接第一光电管的阴极，第二集成运放的正输入端连接第一光电管的阳极。

其中，上述第一、第二集成运放的型号为LF353。

其中，上述差分放大电路包括第三～第五集成运放以及第六～第九电阻，所述第三集成运放的正输入端连接第一放大电路的输出端，它的负输入端连接它的输出端，第四集成运放的正输入端连接第二放大电路的输出端，第三集成运放的输出端经第六电阻连接第五集成运放的负输入端，第四集成运放的输出端经第七电阻连接第五集成运放的正输入端，第五集成运放的负输入端经第八电阻连接第五集成运放的输出端，第五集成运放的正输入端经第九电阻接地，第五集成运放的输出端连接真有效值检波电路。

其中，上述第三～第五集成运放的型号为LMS358。

其中，上述真有效值检波电路为AD536芯片。

其中，上述数据运算模块采用MSP430F20X3单片机，所述显示模块采用液晶显示器。

采用上述技术方案带来的有益效果：

(1)本实用新型的结构简单，工作性能稳定，使用安全可靠，测量精度高，应用广泛；

(2)本实用新型使用两路独立的光学镜筒系统及光电转换电路，减少设备相互间的干扰，性能稳定；

(3)本实用新型的电路结构采用抑制直流背景光电路，提高接收信号的灵敏度，提高电路的抗干扰能力；

(4)本实用新型采用通用的单片机进行数据运算，便于仪器的定标。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中光学元件的结构示意图；

图3是本实用新型第一、第二放大电路的电路图；

图4是本实用新型差分放大电路和有效值检波电路的电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

如图1所示本实用新型的结构示意图，一种闪电通道的温度测试装置，包含红外光滤光片、可见光滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光电管、第二光电管、第一放大电路、第二放大电路、差分放大电路、真有效值检波电路、数据运算模块和显示模块，所述第一光电管的输出端经第一放大电路连接差分放大电路的输入端，第二光电管的输出端经第二放大电路连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端依次连接真有效值检波电路、数据运算模块和显示模块；闪电通道发出的辐射分别经红外光滤光片和可见光滤光片滤除红外波段和可见波段，再分别经第一凸透镜和第二凸透镜聚焦后分别照射在第一光电管和第二光电管上，第一光电管和第二光电管将两束光信号转换为电信号，两个电信号分别经第一放大电路和第二放大电路放大后依次经差分放大电路和真有效值检波电路处理后送入数据运算模块，数据运算模块根据输入的信号计算出闪电通道的温度值并送给显示模块。

如图2所示本实用新型中光学元件的结构示意图，红外光滤光片和第一凸透镜安装在长度为15cm、壁厚为2mm的光学镜筒内，所述可见光滤光片和第二凸透镜安装在另一个完全相同的光学镜筒内。第一、第二凸透镜的固定焦距为5cm，直径为5.6cm，厚度为2mm。

在本实施例中，第一、第二光电管采用光电倍增管。如图3所示本实用新型第一、第二放大电路的电路图，第一放大电路与第二放大电路的结构完全相同。第一放大电路包括第一集成运放IC1、第二集成运放IC2、第一～第三电容C1～C3以及第一～第五电阻R1～R5，所述第一集成运放IC1的负输入端经第一电C1接地，它的正输入端经第二电阻R2接地，第一集成运放IC1的输出端经第三电阻R3连接第二集成运放IC2的负输入端，第一集成运放IC1的负输入端经第一电阻R1与第一放大电路的输出端V_O1相连，第二集成运放IC2的输出端经第四电阻R4与第一放大电路的输出端V_O1相连，第一集成运放IC1的正输入端经第二电容C2连接第一集成运放IC1的输出端，第二集成运放IC2的负输入端经第三电容C3连接第二集成运放IC2的输出端，第五电阻R5的两端分别连接第二集成运放IC2的负输入端和第一放大电路的输出端V_O1，第二集成运放IC2的负输入端连接第一光电管D1的阴极，第二集成运放IC2的正输入端连接第一光电管D1的阳极。IC1同C1、C2、R1、R2、R3、R5组成直流背景光抑制电路，用于去除噪声。在本实施例中，第一、第二集成运放的型号为LF353。

如图4所示本实用新型差分放大电路和有效值检波电路的电路图，所述差分电路包括第三～第五集成运放IC3～IC5以及第六～第九电阻R6～R9，所述第三集成运放IC3的正输入端连接第一放大电路的输出端，第三集成运放IC3的负输入端连接它的输出端，第四集成运放IC4的正输入端连接第二放大电路的输出端，第三集成运放IC3的输出端经第六电阻R6连接第五集成运放IC5的负输入端，第四集成运放IC4的输出端经第七电阻R7连接第五集成运放IC5的正输入端，第五集成运放IC5的负输入端经第八电阻R8连接第五集成运放IC5的输出端，第五集成运放IC5的正输入端经第九电阻R9接地，第五集成运放IC5的输出端连接真有效值检波电路。差分放大电路将两个电信号进一步放大并有效抑制噪声。在本实施例中，第三～第五集成运放的型号为LMS358。所述真有效值检波电路采用AD536芯片，将输入的交流信号转换为直流信号，经第四电容C4滤波后输入数据运算模块。

在本实施例中，数据运算模块采用MSP430F20X3单片机，显示模块采用液晶显示器。该单片机内置有AD转换器，AD转换器与真有效值检波电路的输出端相连，将直流信号转换为数字信号，单片机根据数字信号运算求出闪电通道的温度值，并直接显示在液晶显示器上。

本实用新型的工作原理为：

闪电发生时，闪电通道发出的辐射分别经红外光(930nm)和可见光(648.2nm)两个滤光片，分别得到滤除930nm波长和648.2nm波长的两束光信号。两束不同波长的光信号经过第一凸透镜和第二凸透镜聚焦，聚焦后的两个光信号分别照射在光电管I和光电管II上，光电管将光信号转换成电信号，电信号幅值的大小反映光的强弱，两路电信号分别经过第一放大电路和第二放大电路进行首次放大，之后再经差分放大电路进行差分放大，差分放大电路放大后的电信号反映了闪电通道单独一段的温度。其工作原理是利用对于同种原子的两条谱线而言，两条谱线的强度必满足：

$\frac{I_{{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{{\mathrm{\λ}}_2}}=\frac{A_1{g}_1{\mathrm{\λ}}_2}{A_2{g}_2{\mathrm{\λ}}_1}\exp [-\frac{E_1-E_2}{\mathrm{kT}}]$

经过变化得：

$T=\frac{1}{k}\·\frac{E_2-E_1}{\ln \left(\frac{I_{{\mathrm{\λ}}_1}}{I_{{\mathrm{\λ}}_2}}\right)-\ln \left(\frac{A_1{g}_1{\mathrm{\λ}}_2}{A_2{g}_2{\mathrm{\λ}}_1}\right)}$

上式中，和为两条波长分别为λ₁和λ₂光谱线强度，其值由第一放大电路和第二放大电路输出信号的幅值表示。可以由差分放大电路的输出信号表示，A₁和A₂分别为两条谱线的分别为两条谱线的跃迁几率，g₁和g₂分别为两条谱线激发态的统计权重，E₁和E₂分别为两条谱线的激发态能量，k为Boltzmann常数，T为激发温度，式中A₁,A₂,g₁,g₂,E₁,E₂和k均为可查已知常数，只需测得和两条谱线的谱线强度就可以求得闪电通道的温度T。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：包含红外光滤光片、可见光滤光片、第一凸透镜、第二凸透镜、第一光电管、第二光电管、第一放大电路、第二放大电路、差分放大电路、真有效值检波电路、数据运算模块和显示模块，所述第一光电管的输出端经第一放大电路连接差分放大电路的输入端，第二光电管的输出端经第二放大电路连接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端依次连接真有效值检波电路、数据运算模块和显示模块；闪电通道发出的辐射分别经红外光滤光片和可见光滤光片滤除红外波段和可见波段，再分别经第一凸透镜和第二凸透镜聚焦后分别照射在第一光电管和第二光电管上，第一光电管和第二光电管将两束光信号转换为电信号，两个电信号分别经第一放大电路和第二放大电路放大后依次经差分放大电路和真有效值检波电路处理后送入数据运算模块，数据运算模块根据输入的信号计算出闪电通道的温度值并送给显示模块。

2.根据权利要求1所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述红外光滤光片和第一凸透镜安装在长度为15cm、壁厚为2mm的光学镜筒内，所述可见光滤光片和第二凸透镜安装在另一个完全相同的光学镜筒内。

3.根据权利要求2所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述第一、第二凸透镜的固定焦距为5cm，直径为5.6cm，厚度为2mm。

4.根据权利要求1所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述第一、第二光电管采用光电倍增管。

5.根据权利要求4所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述第一放大电路与第二放大电路的结构相同，所述第一放大电路包括第一集成运放、第二集成运放、第一～第三电容以及第一～第五电阻，所述第一集成运放的负输入端经第一电容接地，它的正输入端经第二电阻接地，第一集成运放的输出端经第三电阻连接第二集成运放的负输入端，第一集成运放的负输入端经第一电阻与第一放大电路的输出端相连，第二集成运放的输出端经第四电阻与第一放大电路的输出端相连，第一集成运放的正输入端经第二电容连接第一集成运放的输出端，第二集成运放的负输入端经第三电容连接第二集成运放的输出端，第五电阻的两端分别连接第二集成运放的负输入端和第一放大电路的输出端，第二集成运放的负输入端连接第一光电管的阴极，第二集成运放的正输入端连接第一光电管的阳极。

6.根据权利要求5所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述第一、第二集成运放的型号为LF353。

7.根据权利要求1所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述差分放大电路包括第三～第五集成运放以及第六～第九电阻，所述第三集成运放的正输入端连接第一放大电路的输出端，第三集成运放的负输入端连接它的输出端，第四集成运放的正输入端连接第二放大电路的输出端，第三集成运放的输出端经第六电阻连接第五集成运放的负输入端，第四集成运放的输出端经第七电阻连接第五集成运放的正输入端，第五集成运放的负输入端经第八电阻连接第五集成运放的输出端，第五集成运放的正输入端经第九电阻接地，第五集成运放的输出端连接真有效值检波电路。

8.根据权利要求7所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述第三～第五集成运放的型号为LMS358。

9.根据权利要求1所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述真有效值检波电路为AD536芯片。

10.根据权利要求1所述一种闪电通道的温度测试装置，其特征在于：所述数据运算模块采用MSP430F20X3单片机，所述显示模块采用液晶显示器。