CN207882349U - 一种电子式大气静电场检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电子式大气静电场检测装置，包括传感模块、检测电路、有线传输模块和保护壳，检测电路包括运算放大电路、AD转换电路和数据采集与处理模块，传感模块与运算放大电路的输入端连接，运算放大电路的输出端和AD转换电路连接，数据采集与处理模块与AD转换电路连接，有线传输模块和数据采集与处理模块连接，传感模块、检测电路和有线传输模块安装在保护壳内。本实用新型的有益效果是通过对大气中的温度，静电场强度进行采集和计算，判断大气中雷电在发生时所处的阶段；提前预警，预知雷电的发生、检测雷电产生的情况；不存在机械运行寿命的问题，受外部环境影响较小，并且安装简单，维护成本低。

Description

一种电子式大气静电场检测装置

技术领域

本实用新型涉及雷电探测预警技术领域，具体涉及一种电子式大气静电场检测装置。

背景技术

在自然灾害中，雷电引起的灾害是世界上十大自然灾害之一。雷电发生的频率较高，据估计，全世界每年约有10亿次雷暴发生，平均每小时发生 2000次雷暴，而每分钟平均发生1～3次云对地闪电。整个地球表面而言，每秒钟的地闪就有30～100次，而在地球表面各地，又是顷刻间就有2000个左右的闪电，平均每天发生闪电800万次，每次闪电在微秒量级的瞬间释放出约1.98×10⁸J的能量。

随着经济和现代科学技术的发展，雷电灾害造成的经济损失更加严重。据有关资料统计，全世界每年因雷击造成的经济损失达10亿美元以上，同时，从事户外活动的人和畜遭遇雷击伤亡人数逐年增多，我国每年因雷击的伤亡人数达10500人左右。雷电灾害具有巨大的破坏性，它的产生是目前人类无法控制和阻止的。因此，如何准确预测雷电，指导企业安排生产计划，避免不必要的生产事故，保障人身和财产安全，具有积极的现实意义。

目前主要有下列几种方法用于探测雷电：

1)通过检测空气的电离作用或电晕效应

在雷电形成时，起电过程逐渐增强，电荷逐渐积累，地面电场强度会逐渐增强达到一定幅值。在雷电发生时，云中发生的云地闪等放电会造成云中电荷量瞬间变化。探测器通过电场变化，电路中引起电流变化，从而判断大气电场情况。这种方法的缺点是只能探测到磁场的突然变化，不存在提前预警的功能。

2)通过无线射频方式探测

通过有源射频天线对大气中的温度、湿度、大气压、经纬度及电磁场强度等指标进行采集和计算。判断大气中雷电产生的概率安全阈值的大小关系，并通过电子开关的断开和闭合，对需要防雷的电路进行有效的保护。这种方法通过也是只能探测雷电发生时的磁场变化，无法提前预警。

3)静电场方式探测大气雷电

通过对大气中静电场的检测，能够准确有效的提前预知雷电的发生情况。从而通过判断大气中雷电产生的电场强度，设置合适的安全阈值，通过电子开关的通断，提前保护防雷电路。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用于雷电预警的电子式大气电场检测装置，通过对大气中的温度，静电场强度进行采集和计算，判断大气中雷电在发生时所处的阶段。

本实用新型的为达到上述目的，具体通过以下技术方案得以实现的：

一种电子式大气静电场检测装置，包括传感模块、检测电路、有线传输模块和保护壳，检测电路包括运算放大电路、AD转换电路和数据采集与处理模块，运算放大电路的输入端和传感模块连接，运算放大电路的输出端和 AD转换电路连接，数据采集与处理模块与AD转换电路连接，数据采集与处理模块包括控制芯片和继电器，控制芯片连接继电器的控制端，有线传输模块和数据采集与处理模块连接，传感模块、检测电路和有线传输模块安装在保护壳内。

进一步地，传感模块为若干组传感器，其布置在电路板上。

进一步地，传感器包括感应极板、支撑板、支撑柱和导线，感应极板为上层极板和下层极板，下层极板通过支撑板与支撑柱固定，支撑柱为中空结构且外部接地，导线通过感应极板中部的穿孔与上层极板连接，穿过支撑柱中空腔后与检测电路连接。

进一步地，感应极板的上层极板采用金属材料，其下层极板采用绝缘材料。

进一步地，传感器为2组，分布在电路板上。

进一步地，运算放大电路包括差分放大电路和积分放大电路。

进一步地，数据采集与处理模块采用PIC16F88控制芯片。

进一步地，有线传输模块采用RS232串口与上位机进行有线连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型适合于大气电场检测和监控，通过对大气中的温度，静电场强度进行采集和计算，判断大气中雷电在发生时所处的阶段。并对不同阶段的雷电进行安全阈值的大小关联，通过有线传输模块发送信号到上位机，并控制保护电路的断开和闭合，对需要雷电防护的电路有效处理。本实用新型能提前15～30分钟提前预警，预知雷电的发生、检测雷电产生的情况。相比于传统的静电场检测都是依靠机械调制式的场磨式结构或动电容结构，本实用新型不存在机械运行寿命的问题，受外部环境影响较小，并且安装简单，维护成本低。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中传感器的结构示意图；

图3为本使用新型中传感器的电路示意图；

图4为本实用新型中差分放大电路的电路图；

图5为本实用新型中积分放大电路的电路图。

图中，1、传感模块；11、感应极板；111、上层极板；112、下层极板； 113、穿孔；12、支撑板；13、支撑柱；14、导线；2、检测电路；21、运算放大电路；22、AD转换电路；23、数据采集与处理模块；3、有线传输模块； 4、保护壳。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种电子式大气静电场检测装置，包括传感模块1、检测电路2、有线传输模块3和保护壳4，检测电路2包括运算放大电路21、AD转换电路22和数据采集与处理模块23，传感模块1与运算放大电路21的输入端连接，运算放大电路22的输出端和AD转换电路22连接，数据采集与处理模块23与AD转换电路22连接，数据采集与处理模块 23包括控制芯片和继电器，控制芯片连接继电器的控制端，有线传输模块3 和数据采集与处理模块23连接，传感模块1、检测电路2和有线传输模块3 安装在保护壳4内。优选地，数据采集与处理模块23采用PIC16F88控制芯片。有线传输模块3可以采用RS232串口与上位机进行有线连接。

优选地，传感模块1为若干组传感器，其布置在电路板上；优选地，如图2 所示，传感器包括感应极板11、支撑板12、支撑柱13和导线14，感应极板11为上层极板111和下层极板112，感应极板11的上层极板111采用金属材料，其下层极板112采用绝缘材料。下层极板112通过支撑板12与支撑柱 13固定，支撑柱13为中空结构且外部接地，导线14通过感应极板11中部的穿孔113与上层极板111连接，穿过支撑柱13中空腔后与检测电路2连接，即与检测电路2的运算放大电路21的输入端连接。

上层极板111和支撑柱13之间相距一定距离，优选为0～3cm。传感模块 1采用敏感的传感器，利用外部电场感应产生电信号，输入给运算放大电路 22。优选地，传感器为2组，分布在电路板上。如图4和图5所示，运算放大电路21包括差分放大电路和积分放大电路。

差分放大器的运算放大器负极输入端连接电阻R1，而R1另一端连接信号的输入。R2的一端连接着运算放大器的负极输入，一端连接着运算放大器的输出端。由此产生的输出信号与输入信号之间的关系公式：

Vs＝-Ve*(R1/R2)

通过差分放大电路，将输入信号按电阻比例线性放大。然而电路中的电阻会消耗输入信号。为了减小误差，加入积分放大电路。

积分放大电路的运算放大器负极输入端、输出端连接之间连接电容。其输入和输出的信号的关系是由电容和积累时间共同决定的。

Vs＝-1/C∫Vedt

输出的信号随着输入信号的时间积累而对应，以此补偿差分放大电路中的损耗。

本实用新型具体按照一下步骤实施：

步骤1、雷电产生时，通过传感模块1感应环境信息数据，检测模块2采集电场信息、温度值，将数据采集分析，计算雷电的强度；

步骤2、通过有线传输模块3，向上位机发送检测装置2采集到的雷电信息；

步骤3、当上位机获取到信号后，对数据进行判断，对雷电状状态，针对性的操作电子开关的打开或闭合。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所付的权利要求书及其等效界定。

Claims (8)

1.一种电子式大气静电场检测装置，其特征在于，包括传感模块(1)、检测电路(2)、有线传输模块(3)和保护壳(4)，检测电路包括运算放大电路(21)、AD转换电路(22)和数据采集与处理模块(23)，传感模块与运算放大电路的输入端连接，运算放大电路的输出端和AD转换电路连接，数据采集与处理模块与AD转换电路连接，数据采集与处理模块包括控制芯片和继电器，控制芯片连接继电器的控制端，有线传输模块和数据采集与处理模块连接，传感模块、检测电路和有线传输模块安装在保护壳内。

2.根据权利要求1所述的电子式大气静电场检测装置，其特征在于，传感模块(1)为若干组传感器，其布置在电路板上。

3.根据权利要求2所述的电子式大气静电场检测装置，其特征在于，传感器包括感应极板(11)、支撑板(12)、支撑柱(13)和导线(14)，感应极板为上层极板(111)和下层极板(112)，下层极板通过支撑板与支撑柱固定，支撑柱为中空结构且外部接地，导线通过感应极板中部的穿孔(113)与上层极板连接，穿过支撑柱中空腔后与检测电路连接。

4.根据权利要求3所述的电子式大气静电场检测装置，其特征在于，感应极板的上层极板采用金属材料，其下层极板采用绝缘材料。

5.根据权利要求3所述的电子式大气静电场检测装置，其特征在于，传感器为2组，分布在电路板上。

6.根据权利要求1所述的电子式大气静电场检测装置，其特征在于，运算放大电路(21)包括差分放大电路和积分放大电路。

7.根据权利要求1所述的电子式大气静电场检测装置，其特征在于，数据采集与处理模块(23)采用PIC16F88控制芯片。

8.根据权利要求1所述的电子式大气静电场检测装置，其特征在于，有线传输模块(3)采用RS232串口与上位机进行有线连接。