CN204256146U - 一种闪电瞬态三维磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种闪电瞬态三维磁场传感器，包括三个结构相同的探测传感单元，每个探测传感单元均包括依次串联的小环天线、天线匹配网络和有源积分电路，所述三个小环天线分布于两两垂直的三个平面；三个小环天线接收三个方向的磁场分量，并传输至对应的天线匹配网络，所述天线匹配网络将收到的信号进行阻抗转换后传输至对应的有源积分电路，所述有源积分电路输出与所述小环天线对应的三个方向的电信号。本实用新型能测量来自空间不同位置的雷电磁场分量，测量精度高、性能稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种闪电瞬态三维磁场传感器，属于雷电科学与技术领域。
背景技术
雷电放电过程产生频谱范围很宽的电磁波，从而为雷电探测提供了重要途径。雷电产生的电磁辐射在无线电频段有很强的辐射，在VLF/LF频段的辐射主要由具有较大空间尺度的放电过程产生，在微波频段也有可探测到的辐射，雷电过程伴随更高频段的X射线和γ射线等高能辐射。
传统的雷电探测传感器主要有场磨式大气平均电场仪、快天线电场变化仪和慢天线电场变化仪、磁场测量仪等。雷电磁场探测仪通常使环形磁天线进行磁场强度的测量，目前仍广泛使用于观测地闪闪电以及地闪的定位系统。但是，传统的雷电磁场探测仪不能测量来自空间不同位置的雷电磁场分量，对研究雷电科学产生影响。
实用新型内容
本实用新型的目的，在于提供一种闪电瞬态三维磁场传感器，能测量来自空间不同位置的雷电磁场分量。
为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：
一种闪电瞬态三维磁场传感器，包括三个结构相同的探测传感单元，每个探测传感单元均包括依次串联的小环天线、天线匹配网络和有源积分电路，所述三个小环天线分布于两两垂直的三个平面；三个小环天线接收三个方向的磁场分量，并传输至对应的天线匹配网络，所述天线匹配网络将收到的信号进行阻抗转换后传输至对应的有源积分电路，所述有源积分电路输出与所述小环天线对应的三个方向的电信号。
进一步，所述每个天线匹配网络包括第一传输线变压器和第二传输线变压器，与之对应的小环天线的两个输出端分别接至第一传输线变压器的第一和第二输入端，第一传输线变压器的第一和第二输出端分别与第二传输线变压器的第一和第二输入端连接，第二传输变压器的第一和第二输出端与有源积分电路模块连接，第一传输线变压器的第二输出端还与第二传输线变压器的第一输出端短接，第一和第二传输线变压器的第二输出端分别接地。
进一步，所述每个有源积分电路包括第一运算放大器、第一至三电阻和第一电容，与之对应的第二传输线变压器的第一和第二输出端分别连接第一和第三电阻的一端，第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第一电容的一端与第一运算放大器的反相输入端共同连接，第 三电阻的另一端与第一运算放大器的正相输入端连接，并共同接地，第一电容的另一端、第二电阻的另一端与第一运算放大器的输出端连接。
进一步，第一运算放大器采用op27集成运算放大器。
进一步，所述小环天线由铜导线制成，铜导线的直径为0.5cm。
进一步，所述小环天线的半径为10cm，小环天线的馈电端平行双线的间隔为1cm，小环天线的阻抗为300Ω。
采用上述方案后，本实用新型三维小环天线阵模块接收闪电三维空间的磁场分量，经天线匹配网络模块实现天线的阻抗交换，再由有源积分电路处理信号，根据磁场分量计算合成出雷电电流的波形及幅值。本实用新型与现有技术比较的优点有：1、闪电瞬态三维磁场传感器具有电路结构简单、安装方便、测量精度高、性能稳定的特点。2、该传感器能够检测三维空间的场分量信号，根据场信号的幅值大小及信号的极性能够识别雷电波的方向。3、该传感器采用传输线变压器匹配网络及有源积分电路，具有较宽的频响特性且输出电压的波形与雷电流波形具有较好的一致性。4、该传感器应用范围广，同时适用于核爆等瞬态三维磁场的测量。
附图说明
图1是本实用新型闪电瞬态三维磁场传感器的原理框图。
图2是本实用新型闪电瞬态三维磁场传感器的局部电路图。
图3是本实用新型三维小环天线阵模块的局部电路图。
图4是本实用新型天线匹配网络模块的局部电路图。
图5是本实用新型有源积分电路模块的局部电路图。
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所示为本实用新型的一种闪电瞬态三维磁场传感器，包括依次串联的三维小环天线阵模块，天线匹配网络模块和有源积分电路模块，有源积分电路模块通过x、y、z三个通道输出。
如图2所示，所述闪电瞬态三维磁场传感器包括三个结构相同的探测传感单元，每个探测传感单元均包括依次串联的小环天线1、天线匹配网络2和有源积分电路3。
结合图3所示，三维小环天线阵模块用于接收x、y、z三个方向的空间雷电磁场分量，所述三个小环天线1分别平行于xoy，xoz，yoz三个平面，馈电端4接平行双线，小环天线1由铜导线制成，小环天线的半径为10cm，铜导线的直径为0.5cm，小环天线的馈电端间隙为 1cm，小环天线的阻抗设计为300Ω，小环天线的尺寸小于信号波长的1/10。
结合图4所示，每个天线匹配网络2包括第一传输线变压器21和第二传输线变压器22，小环天线的两个输出端分别接至第一传输线变压器的第一和第二输入端1a、1c，第一传输线变压器21的第一和第二输出端1b、1d分别与第二传输线变压器22的第一和第二输入端2a、2c连接，第二传输变压器22的第一和第二输出端2b、2d与有源积分电路3连接，第一传输线变压器21的第二输出端2b与第二传输线变压器22的第一输出端1d短接，第一和第二传输线变压器21、22的第二输出端1d、2b分别接地。天线匹配网络模块的作用是实现小环天线1的阻抗交换，将300Ω小环天线的阻抗转换为75Ω的阻抗，第一传输线变压器21实现平衡-非平衡转换的作用，第二传输线变压器22实现4:1的阻抗转换作用；所述传输线变压器具有很宽的频响特性。
结合图5所示，每个有源积分电路3包括第一运算放大器IC1、第一至三电阻R1、R2、R3和第一电容C1，与之对应的第二传输线变压器22的第一和第二输出端2b、2d分别连接第一R1和第三电阻R3的一端，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端、第一电容C1的一端、第一运算放大器IC1的反相输入端连接，第三电阻R3的另一端与第一运算放大器IC1的正相输入端连接，并共同接地，第一电容C1的另一端、第二电阻R2的另一端与第一运算放大器IC1的输出端连接；三个有源积分电路分别输出x、y、z三个方向的电信号。第一电阻R1、第一电容C1为积分电阻和积分电容，第二电阻R2为反馈电阻，第一、二、三电阻R1、R2、R3取相同的值，第一运算放大器采用op27集成运算放大器。U01、U02、U03分别为三个有源积分电路的输出电压。
本实用新型的闪电瞬态三维磁场传感器由三个小环天线1通过平行双线馈电连接到对应天线匹配网络电路2，对应天线匹配网络2输出的信号通过75Ω同轴电缆连接到对应有源积分电路3的三个输入端，经对信号处理后，分别输出通道x、y、z三个方向的信号。本实用新型的工作过程是：雷电闪电瞬间，闪电通道等效天线向空间辐射电磁场，三维小环天线阵模块接收来自不同方向的磁场分量，并经平行双线馈电传输到天线匹配网络模块，天线匹配网络模块将平衡信号转换为非平衡信号，再经同轴电缆馈电传输至有源积分电路模块进行信号处理，分别输出x、y、z三个不同方向的电信号。所述电信号可直接经数字存储示波器，或者信号处理电路进行处理。根据三个方向的信号可计算出闪电通道的电流波形及雷电电流的幅值。
本实用新型利用三维小环天线阵模块接收闪电三维空间的磁场分量，经天线匹配网络模块实现天线的阻抗交换，再由有源积分电路处理信号，根据磁场分量计算合成出雷电电流 的波形及幅值。本实用新型与现有技术比较的优点有：1、闪电瞬态三维磁场传感器具有电路结构简单、安装方便、测量精度高、性能稳定的特点。2、该传感器能够检测三维空间的场分量信号，根据场信号的幅值大小及信号的极性能够识别雷电波的方向。3、该传感器采用传输线变压器匹配网络及有源积分电路，具有较宽的频响特性且输出电压的波形与雷电流波形具有较好的一致性。4、该传感器应用范围广，同时适用于核爆等瞬态三维磁场的测量。
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 (6)
1.一种闪电瞬态三维磁场传感器，其特征在于：包括三个结构相同的探测传感单元，每个探测传感单元均包括依次串联的小环天线、天线匹配网络和有源积分电路，所述三个小环天线分布于两两垂直的三个平面；三个小环天线接收三个方向的磁场分量，并传输至对应的天线匹配网络，所述天线匹配网络将收到的信号进行阻抗转换后传输至对应的有源积分电路，所述有源积分电路输出与所述小环天线对应的三个方向的电信号。
2.如权利要求1所述的闪电瞬态三维磁场传感器，其特征在于：所述每个天线匹配网络包括第一传输线变压器和第二传输线变压器，与之对应的小环天线的两个输出端分别接至第一传输线变压器的第一和第二输入端，第一传输线变压器的第一和第二输出端分别与第二传输线变压器的第一和第二输入端连接，第二传输变压器的第一和第二输出端与有源积分电路模块连接，第一传输线变压器的第二输出端还与第二传输线变压器的第一输出端短接，第一和第二传输线变压器的第二输出端分别接地。
3.如权利要求2所述的闪电瞬态三维磁场传感器，其特征在于：所述每个有源积分电路包括第一运算放大器、第一至三电阻和第一电容，与之对应的第二传输线变压器的第一和第二输出端分别连接第一和第三电阻的一端，第一电阻的另一端、第二电阻的一端、第一电容的一端与第一运算放大器的反相输入端共同连接，第三电阻的另一端与第一运算放大器的正相输入端连接，并共同接地，第一电容的另一端、第二电阻的另一端与第一运算放大器的输出端连接。
4.如权利要求3所述的闪电瞬态三维磁场传感器，其特征在于：第一运算放大器采用op27集成运算放大器。
5.如权利要求1所述的闪电瞬态三维磁场传感器，其特征在于：所述小环天线由铜导线制成，铜导线的直径为0.5cm。
6.如权利要求5所述的闪电瞬态三维磁场传感器，其特征在于：所述小环天线的半径为10cm，小环天线的馈电端平行双线的间隔为1cm，小环天线的阻抗为300Ω。
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| CN104330751A (zh) * | 2014-10-21 | 2015-02-04 | 南京信息工程大学 | 一种闪电瞬态三维磁场传感器 |
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