CN204903661U - 一种用于大气电场仪的探头以及大气电场仪 - Google Patents

Abstract

一种用于大气电场仪的探头以及大气电场仪，该探头包括：电场感应器，其用于根据自身周围电场产生相应的电场感应信号；感应器控制电路，其与电场感应器连接，用于控制电场感应器的转速；信号处理电路，其与电场感应器连接，用于对电场感应信号进行处理并得到对应的数字电场信号；数据处理电路，其与信号处理电路连接，用于根据数字电场信号确定出电场值数据。大气电场仪能够通过探头准确、有效地检测出探头周围地区电场的情况，并利用所得到的电场情况真实反映出周围地区雷暴活动状况，从而为预测暴风雨等天气变化提供了依据。

Description

一种用于大气电场仪的探头以及大气电场仪

技术领域

本实用新型涉及气象监测技术领域，具体地说，涉及一种用于大气电场仪的探头以及大气电场仪。

背景技术

雷暴是人类至今无法控制的自然灾害之一，这是因为雷暴的形成和消失过程十分复杂，雷暴经过之处所造成的直接和间接破坏规模令人恐惧，它已成为影响经济的重要危险因素。人类的活动(如经济以及民事、军事活动)以及地球上任何一个地区都面临着雷暴的威胁，而雷电监测预警则是减少及控制雷暴造成的直接损失以及间接损失的有效手段。

在雷电监测预警中，大气电场仪是最为常用的一种装置。大气电场仪可用于常规气象业务预报、森林雷击火灾预警、机场及航空航天保障、电力系统安全、油田油库石油钻井平台、高尔夫球场、大型游乐场、海滨浴场、野外采矿区等重要场所的短时雷暴检测和预警。得到预警信息以后，现场操作人员可根据大气电场仪显示的预警等级，来决定采取事先做好的何种应急预案，从而降低雷暴天气对人员、建筑物、用电设备等造成的影响和损害。

太阳风、等离子体以及磁气圈中地磁场的交互作用，形成了太阳风与磁气圈之间的大气电场层。正常条件下，大气电场强度为每米几百伏，但是暴风雨的来临能将大气电场强度推进到每米几千伏。在晴朗的天气里，电场强度范围是+500V/m～-500V/m。接近雷暴的时候，电场强度随着闪电能量的增加而逐渐增加。电场强度达到±2KV/m时，说明闪电的能量很高。而当雷暴产生时，大气电场强度能增达到15KV/m以上。由于这个变化过程较为缓慢(大概需要30分钟左右的时间)，因此可以使用地面大气电场仪来了解其周围地区雷暴的发展活动状况，并预测严厉暴风雨发生的可能性。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型首先在一个实施例中提供了一种用于大气电场仪的探头，所述探头包括：

电场感应器，其用于根据自身周围电场产生相应的电场感应信号；

感应器控制电路，其与所述电场感应器连接，用于控制所述电场感应器的转速；

信号处理电路，其与所述电场感应器连接，用于对所述电场感应信号进行处理并得到对应的数字电场信号；

数据处理电路，其与所述信号处理电路连接，用于根据所述数字电场信号确定出电场值数据。

根据本实用新型的一个实施例，所述电场感应器包括定子和转子，所述感应器控制电路与所述电场感应器的转子连接，用于控制所述转子的转速。

根据本实用新型的一个实施例，所述感应器控制电路包括：

电机，其与所述转子连接；

转速测量电路，其用于测量所述电机的转速，从而得到所述转子的实际转速；

转速控制电路，其与所述转速测量电路和电机连接，用于根据预设目标转速和所述实际转速，调节所述电机的运行状态，进而调节所述转子的转速。

根据本实用新型的一个实施例，所述转速测量电路包括光电开关。

根据本实用新型的一个实施例，所述信号处理电路包括：

电流电压转换电路，其与所述电场感应器连接，用于将所述电场感应器输出的电场感应信号转换为感应电压信号；

信号增强电路，其与所述电流电压转换电路连接，用于对所述感应电压信号进行增强并消除共模干扰；

移相电路，其与所述信号增强电路连接连接，用于将所述信号增强电路输出的信号增加预设相位值；

检波电路，其与所述移相电路连接，用于从所述移相电路输出的信号中检测与预设同步信号匹配的信号并将其转换为直流感应信号；

放大抬升电路和模数转换电路，所述放大抬升电路连接在所述检波电路与模数转换电路之间。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据处理电路包括：

数据处理模块，其与所述信号处理电路连接，用于根据所述数字电场信号计算得到电场值数据；

数据通信模块，其与所述数据处理模块连接，用于将得到的所述电场值数据向外发送。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据处理电路还包括：

温度测量电路，其与所述数据处理模块连接，用于测量所述数据处理电路的温度；和/或，

供电电压监测电路，其与所述数据处理模块连接，用于检测所述探头的供电电压。

根据本实用新型的一个实施例，所述探头还包括屏蔽罩，所述电场感应器、感应器控制电路、信号处理电路和数据处理电路密封于所述屏蔽罩内，以阻隔外界环境和电磁干扰的影响。

根据本实用新型的一个实施例，所述屏蔽罩为不锈钢屏蔽罩。

本实用新型还提供了一种大气电场仪，所述大气电场仪包括包括如上任一项所述的探头。

根据本实用新型的一个实施例，所述大气电场仪还包括：

数据采集器，其与所述数据处理电路连接，用于根据所述数据处理电路传输来的电场值数据计算预设时长内的特征电场值数据。

根据本实用新型的一个实施例，数据采集器还根据所述数据处理电路传输来的数据得到状态信息。

根据本实用新型的一个实施例，所述大气电场仪还包括：

数据存储电路，其与所述数据采集器连接，用于存储所述特征电场值数据和状态信息；和/或，

通信电路，其与所述数据采集连接，用于将所述数据采集器传输来的特征电场值数据和状态信息向外发送。

本实用新型所提供的大气电场仪能够通过探头准确、有效地检测出探头周围地区电场的情况，并利用所得到的电场情况真实反映出周围地区雷暴活动状况，从而为预测暴风雨等天气变化提供了依据。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图示出了本实用新型的各方面的各种实施例，并且它们与说明书一起用于解释本实用新型的原理。本技术领域内的技术人员明白，附图所示的特定实施例仅是实例性的，并且它们无意限制本实用新型的范围。应该认识到，在某些示例中，被示出的一个元件也可以被设计为多个元件，或者多个元件也可以被设计为一个元件。在某些示例中，被示出为另一元件的内部部件的元件也可以被实现为该另一元件的外部部件，反之亦然。为了更加清楚、详细地本实用新型的示例性实施例以使本领域技术人员能够对本实用新型的各方面及其特征的优点理解得更加透彻，现对附图进行介绍，在附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的探头的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的感应器控制电路的结构示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的信号处理电路的结构示意图；

图4是根据本实用新型一个实施例的数据处理电路的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本实用新型实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

大气电场用大气电场的强度和方向来描述。大气电场方向用正负来表示，习惯上将晴天大气电场(即方向垂直向下的大气电场)规定为正电场，而将方向垂直向上的大气电场定义为负电场。

大气电场仪利用置于电场中的导体上产生感应电荷的原理来测量电场强度和方向。电场仪探头中定子上的感应电荷Q为时间t的函数，它的值与外界电场强度E成正比，即存在：

Q(t)＝-ε₀·E·A(t)(1)

其中，ε₀表示自由空间介电常数，A(t)表示定子暴露在电场中的表面积。

因此，当定子的暴露在电场中的面积A(t)随时间t不断变化时，定子上的感应电荷Q则能够形成一交变电流信号。由于电场强度E与感应电流成比例关系，因此通过测量感应电流流经一个大电阻所产生的等效电压值，即可以得到外界电场强度值E。感应电流流经一个大电阻产生的等效电压值与外界电场强度值之间的比例系数可以通过标定得到。

基于上述原理，本实施例提供了一种新的电气电场仪，图1示出了该大气电场仪的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的大气电场仪包括：探头101、数据采集器102、通信电路103和数据存储电路104。其中，探头101能够探测自身周围电场的状态并最终计算得到当前电场的强度值。数据采集器102与探头101连接，其能够根据探头所传输来的各个时刻电场的强度值确定出某一时段内的特征电场值数据(例如某一时段的平均电场值、最大电场值和/或最小电场值等)，并将该特征电场值数据存储到数据存储电路104和/或通过通信电路103发送到相应的上位机。

具体地，如图1所示，本实施例中，探头101包括：电场感应器105、感应器控制电路106、信号处理电路107以及数据处理电路108。其中，电场感应器105能够根据周围电场的状态产生相应的感应电流，即产生电场感应信号。本实施例中，电场感应器105包括定子和转子。其中，转子与感应器控制电路106连接，其能够在感应器控制电路106的控制下以一定速度旋转，从而使得电场感应器105产生交变电流信号。

图2示出了本实施例中感应器控制电路106的结构示意图。

如图2所示，感应器控制电路106包括：电机201、转速测量电路202和转速控制电路203。其中，电机201与电场感应器105的转子连接，因此电机201的转速也就是电场感应器105中转子的转速。转速测量电路202能够测量电机的转速，本实施例中，转速测量电路202优选地采用光电开关来对电机的转速进行测量，从而得到能够表征转子转速的转速信号。

具体地，光电开关的光线发射部和光线接收分别设置在电机叶片的两侧，当电机叶片转动时，会切割光电开关的光线从而产生方波信号，该方波信号即为能够表征电场感应器101中转子转速的转速信号。

需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，转速测量电路202还可以采用其他合理的元器件或电路形式来实现，本实用新型不限于此。

转速控制电路203与电机201和转速测量电路202连接，其根据从转速测量电路202传来的转速信号来确定出电场感应器101中转子的当前转速。转速控制电路203还根据预设目标转速和当前转速来向电机201发送电机控制信号，从而将电机201的转速调至预设目标转速，也就是将电场感应器101中转子的转速调至目标转速。

本实施例中，转速控制电路203优选地通过PWM调节的方式来实现对电机转速的控制。当然，在本实用新型的其他实施例中，转速控制电路203还可以采用其他合理的方式来实现对电机转速(即电场感应器105中转子的转速)的控制，本实用新型同样不限于此。

图3示出了本实施例中信号处理电路107的结构示意图。

从图3中可以看出，信号处理电路107包括：电流电压转换电路301、信号增强电路302、移相电路303、检波电路304、滤波电路305、电压放大抬升电路306以及模数转换电路307。由于电场感应器105生成的电场感应信号为电流信号，因此就需要采用与电场感应器105连接的电流电压转换电路301来将该电流信号转换为感应电压信号，以方便后续的处理。

具体地，本实施例中，电流电压转换电路301优选地采用大电阻来实现。当然，在本实用新型的其他实施例中，电流电压转换电路301还可以采用其他合理的元器件或电路来实现，本实用新型不限于此。

信号增强电路302与电流电压转换电路301连接，其用于对电流电压转换电路301输出的感应电压信号进行增强并消除共模干扰。具体地，本实施例中，信号增强电路302采用了减法电路来实现，减法电路能够将两个幅度相同但相位相差180度的两个感应电压信号相减，从而使得感应电压信号得到增强并且消除了感应电压信号中的共模干扰。当然，在本实用新型的其他实施例中，信号增强电路302还可以采用其他合理的元器件或电路来实现，本实用新型不限于此。

移相电路303与信号增强电路302连接，其能够将信号增强电路302所输出的增强后的感应电压信号偏移一个相位。检波电路304与移相电路303连接，其能够从移相电路303所输出的信号中检测与预设同步信号相匹配的信号，并将该信号转换为直流信号。

具体地，本实施例中，与预设同步信号相匹配的信号为与预设同步信号频率相同且相位相同或相差180度的信号。当然，在本实用新型的其他实施例中，与预设同步信号相匹配的信号还可以配置为其他合理信号，本实用新型不限于此。

滤波电路305连接在检波电路304与电压放大提升电路306之间，其能够对检波电路304输出的直流信号进行滤波，并将滤波后的信号传输给电压放大抬升电路306。由于经过滤波电路305后，信号的幅值会存在衰减，因此就需要电压放大抬升电路306来对该信号进行放大，从而保证所测电场值与最终输出电压的比例关系。同时，为了满足与电压抬升放大电路连接的模数转换电路307的输入信号的电压范围，还需要电压放大抬升电路306在一定基准之上对信号进行提升，以方便模数转换电路307将电压抬升放大电路306输出的模拟信号转换为相应的数字电场信号。

图4示出了本实施例中数据处理电路108的结构示意图。

如图4所示，本实施例中，数据处理电路108包括：数据处理模块401、通信模块402、温度测量电路403、供电电压监测电路404。其中，数据处理模块401与信号处理电路107连接，其能够根据信号处理电路107产生的数字电场信号确定出电场值数据。

温度测量电路403和供电电压监测电路404均与数字处理模块401连接，数据处理模块401能够通过温度测量电路403确定出各个时刻的温度。同时，数据处理模块401还可以通过供电电压监测电路404确定出当前输入到装置内的供电电压，从而确保装置可靠、准确地运行。

数据处理模块401能够将得到的电场值数据、温度数据以及供电电压数据通过通信模块402传输给数据采集器102。本实施例中，通信模块402优选地采用RS-232电路。当然，在本实用新型的其他实施例中，通信模块402还可以采用其他合理的元器件或电路形式(例如光纤电路或无线传输电路等)来实现，本实用新型不限于此。

本实施例中，探头部分采用304不锈钢通过精加工制造而成，其能够保证探头内部各个模块以及电路的长时间稳定运行，还能够保证探头内部不受外界环境污染的影响。此外，本实施例中，探头中各个模块以及电路密封于不锈钢屏蔽罩内，从而阻隔外界环境和电磁干扰对探头内部各个模块以及电路的影响，进而保证了探头所产生的数据的准确性和可靠性。需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，用于屏蔽外接环境和电磁干扰的屏蔽罩还可以采用其他合理材料来实现，本实用新型同样不限于此。

再次如图1所示，数据采集器102与探头101中的数据处理电路108连接，其能够对数据处理电路108输出的电场值数据进行处理得到采集值，并通过预设算法得到特征电场值数据。本实施例中，优选地，数据处理模块401能够根据所接收到的数字电场信号确定出某一时间段内的平均电场值、最大电场值和/或最小电场值。当然，在本实用新型的其他实施例中，数据处理模块401所确定出的特征电场值数据还可以包含其他合理值。

具体地，本实施例中，数据采集器102以1秒为步长计算每分钟的电场值数据的平均值，从而得到平均电场值数据。需要指出的是，在需要的情况下，数据采集器102还可以统计出一个或多个时段内的极值数据，以及不同时段内的平均值数据等。

数据采集器102还能够根据数据处理电路108传输来的温度数据以及供电电压数据等信息，确定出设备的状态信息。具体地，本实施例中，数据采集器102每小时测量一次温度数据以及供电电压数据，从而得到小时状态信息。当然，在本实用新型的其他实施例中，数据采集器102所采集的有关设备运行状态的数据还可以包含其他合理数据(例如转速或振动频率等)，同时，数据采集器102测量有关设备运行状态的数据的时间间隔还可以为其他合理值(例如0.5小时或2小时等)，本实用新型不限于此。

数据采集器102得到平均电场值数据和状态信息后，能够通过通信电路103将这些数据和信息发送给上位机，以供上位机进行进一步的处理。本实施例中，通信电路103优选地采用无线通信电路。当然，在本实用新型的其他实施例中，通信电路103还可以采用其他合理的电路形式来实现，本实用新型不限于此。

如图1所示，数据采集器102还可以将得到的平均电场值数据和状态信息发送给数据存储电路104，以由数据存储电路104进行保存。本实施例中，数据存储电路104优选地采用SD卡及相关电路来实现。该电路能够保存至少20天的数据信息，并具备掉电保存功能。

本实用新型所提供的大气电场仪能够通过探头准确、有效地检测出探头周围地区电场的情况，并利用所得到的电场情况真实反映出周围地区雷暴活动状况，从而为预测暴风雨等天气变化提供了依据。

应该理解的是，本实用新型所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本实用新型在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本实用新型由所附的权利要求书来限定。

Claims (13)

1.一种用于大气电场仪的探头，其特征在于，所述探头包括：

电场感应器，其用于根据自身周围电场产生相应的电场感应信号；

感应器控制电路，其与所述电场感应器连接，用于控制所述电场感应器的转速；

信号处理电路，其与所述电场感应器连接，用于对所述电场感应信号进行处理并得到对应的数字电场信号；

数据处理电路，其与所述信号处理电路连接，用于根据所述数字电场信号确定出电场值数据。

2.如权利要求1所述的探头，其特征在于，所述电场感应器包括定子和转子，所述感应器控制电路与所述电场感应器的转子连接，用于控制所述转子的转速。

3.如权利要求2所述的探头，其特征在于，所述感应器控制电路包括：

电机，其与所述转子连接；

转速测量电路，其用于测量所述电机的转速，从而得到所述转子的实际转速；

转速控制电路，其与所述转速测量电路和电机连接，用于根据预设目标转速和所述实际转速，调节所述电机的运行状态，进而调节所述转子的转速。

4.如权利要求3所述的探头，其特征在于，所述转速测量电路包括光电开关。

5.如权利要求1～4中任一项所述的探头，其特征在于，所述信号处理电路包括：

电流电压转换电路，其与所述电场感应器连接，用于将所述电场感应器输出的电场感应信号转换为感应电压信号；

信号增强电路，其与所述电流电压转换电路连接，用于对所述感应电压信号进行增强并消除共模干扰；

移相电路，其与所述信号增强电路连接，用于将所述信号增强电路输出的信号增加预设相位值；

检波电路，其与所述移相电路连接，用于从所述移相电路输出的信号中检测与预设同步信号匹配的信号并将其转换为直流感应信号；

放大抬升电路和模数转换电路，所述放大抬升电路连接在所述检波电路与模数转换电路之间。

6.如权利要求1～4中任一项所述的探头，其特征在于，所述数据处理电路包括：

数据处理模块，其与所述信号处理电路连接，用于根据所述数字电场信号计算得到电场值数据；

数据通信模块，其与所述数据处理模块连接，用于将得到的所述电场值数据向外发送。

7.如权利要求6所述的探头，其特征在于，所述数据处理电路还包括：

温度测量电路，其与所述数据处理模块连接，用于测量所述数据处理电路的温度；和/或，

供电电压监测电路，其与所述数据处理模块连接，用于检测所述探头的供电电压。

8.如权利要求1～4中任一项所述的探头，其特征在于，所述探头还包括屏蔽罩，所述电场感应器、感应器控制电路、信号处理电路和数据处理电路密封于所述屏蔽罩内，以阻隔外界环境和电磁干扰的影响。

9.如权利要求8所述的探头，其特征在于，所述屏蔽罩为不锈钢屏蔽罩。

10.一种大气电场仪，其特征在于，所述大气电场仪包括如权利要求1～9中任一项所述的探头。

11.如权利要求10所述的大气电场仪，其特征在于，所述大气电场仪还包括：

数据采集器，其与所述数据处理电路连接，用于根据所述数据处理电路传输来的电场值数据计算预设时长内的特征电场值数据。

12.如权利要求11所述的大气电场仪，其特征在于，数据采集器还根据所述数据处理电路传输来的数据得到状态信息。

13.如权利要求12所述的大气电场仪，其特征在于，所述大气电场仪还包括：

数据存储电路，其与所述数据采集器连接，用于存储所述特征电场值数据和状态信息；和/或，

通信电路，其与所述数据采集连接，用于将所述数据采集器传输来的特征电场值数据和状态信息向外发送。