CN210222127U - 一种闪电电场变化传感器信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种闪电电场变化传感器信号处理电路，包含积分放大电路、低通滤波电路和电压跟随电路，积分放大电路的输入端连接传感器用于将传感器采集到的电场信号放大为电信号，低通滤波电路的输入端与积分放大电路的输出端连接用于将截止频率以上的信号滤除，电压跟随电路的输入端与低通滤波电路的输出端连接用于提高整个电路的带负载能力。本实用新型提高了闪电电场变化传感器的探测效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种信号处理电路，特别是一种闪电电场变化传感器信号处理电路。
背景技术
闪电电场探测设备在大气电学研究领域有着极为重要的作用，是闪电探测领域最主要也是最广泛的探测手段之一。就目前研究而言，陆地表面平均电场为120V/m，海洋表面平均电场为130V/m，地表到电离层总电势差约为300kV。雷暴过程中，闪电电场极剧变化，近地面电场峰值可达几十kV/m，呈现为脉冲状。目前闪电电场探测资料广泛应用于雷电物理、雷电监测预警、全球电路、闪电定位等研究领域，因此闪电探测设备的优化对于闪电研究领域的发展具有重大意义。
近年来，国内使用的闪电电场变化传感器的性能没有取得足够的提高，也没有经过严格的标定实验，输出的电压信号无法与实际电场信号较好的对应。同时这些市场上的闪电电场变化测量系统因为采样率设置较高，记录时间较长(1s)的原因，存在死区时间较长的问题，对闪电资料的分析、雷电物理等方面的研究造成了极大的困扰。因此为了提高传感器的探测效率，有必要对闪电电场变化传感器进行优化。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种闪电电场变化传感器信号处理电路，提高闪电电场变化传感器的探测效率。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
一种闪电电场变化传感器信号处理电路，其特征在于：包含积分放大电路、低通滤波电路和电压跟随电路，积分放大电路的输入端连接传感器用于将传感器采集到的电场信号放大为电信号，低通滤波电路的输入端与积分放大电路的输出端连接用于将截止频率以上的信号滤除，电压跟随电路的输入端与低通滤波电路的输出端连接用于提高整个电路的带负载能力。
进一步地，所述积分放大电路包含运算放大器IC1，运算放大器 IC1的反向输入端连接电阻R1一端、电阻R2一端和电容C1一端，运算放大器IC1的同向输入端接地，电阻R1另一端连接传感器信号 Vin1，运算放大器IC1的输出端连接电阻R2另一端和电容C1另一端并且输出信号Vout1。
进一步地，所述低通滤波电路包含运算放大器IC2，运算放大器 IC2的同向输入端连接电容C2一端和电阻R4一端，电容C2另一端接地，电阻R4另一端连接电阻R3一端和电容C3一端，电阻R3另一端连接输入信号Vin2，运算放大器IC2的反向输入端连接电阻R7一端、电阻R5一端和电容C4一端，电阻R7另一端连接，运算放大器 IC2的输出端连接电阻R5另一端、电容C4另一端和电容C3另一端并输出信号Vout2。
进一步地，所述电压跟随电路包含电压跟随器IC3，电压跟随器 IC3的输入端连接信号Vin3，电压跟随器IC3的输出端连接电阻R6 一端，电阻R6另一端输出信号Vout3。
进一步地，所述积分放大电路增益为25dB，时间频数为0.1ms，最高工作频率为10MHz。
进一步地，所述低通滤波电路截止频率为5MHz。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本实用新型的信号处理电路对传感器增益为25dB，使得传感器的灵敏度达到了0.5V/m，较现有的1.5V/m的灵敏度有所提高，即探测微小闪电电场变化信号的能力变强，增加了探测范围；
2、本实用新型的3dB带宽为1kHz～5MHz，相比现有的传感器1.5kHz～2MHz的3dB带宽更宽，因此可以探测到更多频率的闪电电场信号，使得探测到的闪电电场波形真实度更高；
3、本实用新型的传感器时间常数为0.1ms，与现有的传感器一致，方便进行数据交换、对比和组网观测；
4、本实用新型的传感器输出电压动态范围扩大到了-12V～ 12V，相比于与现有的传感器电压输出范围-5V～5V，在探测距离近且强度很大的闪电电场信号时不容易出现饱和失真，保持了波形的完整性和真实性。
附图说明
图1是本实用新型的一种闪电电场变化传感器信号处理电路的示意图。
图2是现有技术的闪电电场变化传感器的示意图。
图3是优化后的传感器与现有的传感器相关参数对比表。
具体实施方式
下面通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。
现有技术的闪电电场变化传感器的基本原理图如图2所示，根据电荷感应原理，圆板天线上的会产生对应的感应电荷，而变化的电荷将产生电流信号，该电流信号将会由信号处理电路获取并转化为电压信号，根据所获得的电压信号就可反演出对应的垂直电场信号。
对雷电电场变化的测量通常采用负反馈放大电路。将面积为A 的金属平板感应天线连接到一运算放大器的输入端，感应版维持到“虚地”状态。RC负反馈电路的电阻R2和电容C1跨接于运算放大器的输入和输出端。在外界电场E的作用下感应板会产生感应电荷Q(Q＝εAE，ε为空气中介电常数，A为金属平板感应天线面积)。当雷电发生并引起地面电场变化时，因感应电荷变化而引起的感应电流 i将流过积分电路中的R2和C1，于是有：
将
代入式(1)中，当所考虑的放电过程持续时间△t<<R2C1时，输出电压：
即运算放大器的输出与电场变化呈现线性关系，而极性相反。
因此基于上述基本原理，本实用新型对闪电电场变化传感器信号处理电路进行优化，以提高传感器的探测效率。
如图1所示，本实用新型的一种闪电电场变化传感器信号处理电路，包含积分放大电路、低通滤波电路和电压跟随电路，积分放大电路的输入端连接传感器用于将传感器采集到的电场信号放大为电信号，低通滤波电路的输入端与积分放大电路的输出端连接用于将截止频率以上的信号滤除，电压跟随电路的输入端与低通滤波电路的输出端连接用于提高整个电路的带负载能力。
积分放大电路包含运算放大器IC1，运算放大器IC1的反向输入端连接电阻R1一端、电阻R2一端和电容C1一端，运算放大器IC1 的同向输入端接地，电阻R1另一端连接传感器信号Vin1，运算放大器IC1的输出端连接电阻R2另一端和电容C1另一端并且输出信号Vout1。
低通滤波电路包含运算放大器IC2，运算放大器IC2的同向输入端连接电容C2一端和电阻R4一端，电容C2另一端接地，电阻R4另一端连接电阻R3一端和电容C3一端，电阻R3另一端连接输入信号 Vin2(即积分放大电路的输出信号Vout1)，运算放大器IC2的反向输入端连接电阻R7一端、电阻R5一端和电容C4一端，电阻R7另一端连接，运算放大器IC2的输出端连接电阻R5另一端、电容C4另一端和电容C3另一端并输出信号Vout2。
电压跟随电路包含电压跟随器IC3，电压跟随器IC3的输入端连接信号Vin3(即低通滤波电路的输出信号Vout2)，电压跟随器IC3 的输出端连接电阻R6一端，电阻R6另一端输出信号Vout3。
其中，电阻R1＝R7＝57Ω，R2＝R3＝R4＝150Ω，R5＝R6＝100Ω。电容C1＝C2＝C3＝C4＝220μf。
本实用新型的一种闪电电场变化传感器信号处理电路分为三级，第一级为积分放大电路，第二级为信号滤波电路，第三级为电压跟随电路。第一级积分放大电路与基本原理中的电路相似，为整个电路中的基础与核心部分，主要负责将传感器采集到的电场信号放大为电信号。经过大量调试后，第一级电路的增益提高到了25dB，时间频数设置为0.1ms，最高工作频率可达10MHz；第二级电路为低通滤波电路，其作用是将截止频率以上的信号滤除。通过改变R3、R4、R5和 C4等参数可以调整截止频率。本方法考虑到闪电地闪信号的特点，将截止频率设置到5MHz，减少了高频信号的影响；第三级电路为电压跟随电路，其目的是为了提高整个电路的带负载能力。在信号处理电路中，电压放大器和滤波器的输出阻抗一般较高，输出阻抗则比较小，如果不加入电压跟随器电路，那么信号将会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中，加入电压跟随器就能减少信号在传输过程的损耗，保证信号的稳定性。由于二级电路和三级电路均为线性电路，因此输出与电场变化仍呈线性关系。
如图3所示，是优化后的传感器与现有的传感器相关参数对比表，由表格数据可以看出，优化后的传感器增益为25dB，使得传感器的灵敏度达到了0.5V/m，较现有的1.5V/m的灵敏度有所提高，即探测微小闪电电场变化信号的能力变强，增加了探测范围。优化后的传感器3dB带宽为1kHz～5MHz，相比现有的传感器1.5kHz～2MHz的3dB 带宽更宽，因此可以探测到更多频率的闪电电场信号，使得探测到的闪电电场波形真实度更高。优化后的传感器时间常数为0.1ms，与现有的传感器一致，方便进行数据交换、对比和组网观测。优化后的传感器输出电压动态范围扩大到了-12V～12V，相比于与现有的传感器电压输出范围-5V～5V，在探测距离近且强度很大的闪电电场信号时不容易出现饱和失真，保持了波形的完整性和真实性。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种闪电电场变化传感器信号处理电路，其特征在于：包含积分放大电路、低通滤波电路和电压跟随电路，积分放大电路的输入端连接传感器用于将传感器采集到的电场信号放大为电信号，低通滤波电路的输入端与积分放大电路的输出端连接用于将截止频率以上的信号滤除，电压跟随电路的输入端与低通滤波电路的输出端连接用于提高整个电路的带负载能力。
2.按照权利要求1所述的一种闪电电场变化传感器信号处理电路，其特征在于：所述积分放大电路包含运算放大器IC1，运算放大器IC1的反向输入端连接电阻R1一端、电阻R2一端和电容C1一端，运算放大器IC1的同向输入端接地，电阻R1另一端连接传感器信号Vin1，运算放大器IC1的输出端连接电阻R2另一端和电容C1另一端并且输出信号Vout1。
3.按照权利要求1所述的一种闪电电场变化传感器信号处理电路，其特征在于：所述低通滤波电路包含运算放大器IC2，运算放大器IC2的同向输入端连接电容C2一端和电阻R4一端，电容C2另一端接地，电阻R4另一端连接电阻R3一端和电容C3一端，电阻R3另一端连接输入信号Vin2，运算放大器IC2的反向输入端连接电阻R7一端、电阻R5一端和电容C4一端，电阻R7另一端连接，运算放大器IC2的输出端连接电阻R5另一端、电容C4另一端和电容C3另一端并输出信号Vout2。
4.按照权利要求1所述的一种闪电电场变化传感器信号处理电路，其特征在于：所述电压跟随电路包含电压跟随器IC3，电压跟随器IC3的输入端连接信号Vin3，电压跟随器IC3的输出端连接电阻R6一端，电阻R6另一端输出信号Vout3。
5.按照权利要求2所述的一种闪电电场变化传感器信号处理电路，其特征在于：所述积分放大电路增益为25dB，时间频数为0.1ms，最高工作频率为10MHz。
6.按照权利要求3所述的一种闪电电场变化传感器信号处理电路，其特征在于：所述低通滤波电路截止频率为5MHz。
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Assignee: Nanjing Huagao Ecological Environment Remote Sensing Technology Research Institute Co.,Ltd. Assignor: Nanjing University of Information Science and Technology Contract record no.: X2022980021474 Denomination of utility model: A Signal Processing Circuit of Lightning Electric Field Change Sensor Granted publication date: 20200331 License type: Common License Record date: 20221111 |
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