CN216900721U - 一种集成式的雷电快慢电场测量系统 - Google Patents
一种集成式的雷电快慢电场测量系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN216900721U CN216900721U CN202121208523.7U CN202121208523U CN216900721U CN 216900721 U CN216900721 U CN 216900721U CN 202121208523 U CN202121208523 U CN 202121208523U CN 216900721 U CN216900721 U CN 216900721U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electric field
- amplification circuit
- amplifier
- circuit
- capacitor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种集成式的雷电快慢电场测量系统，包括感应探头、信号前端调理模块、高速A/D转换器和FPGA处理器，其中，信号前端调理模块包括快电场采集模块和慢电场采集模块，快电场调理模块包括第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路和第一差分放大电路，慢电场调理模块包括第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路和第二差分放大电路。本实用新型实现对雷电发生时的快电场与慢电场信号进行数据采集、存储与传输。该系统设备安装便捷易携，可以不受环境因素影响，在不同时间、不同地点全天候的进行工作，采集工作人员需要的大气电场信息。
Description
技术领域
本实用新型涉及气象探测领域，特别是一种集成式的雷电快慢电场测量系统。
背景技术
雷电观测一般主要有以下几个方法：高时间分辨率的特殊高速摄像、声音探测、光谱探测、电场探测、电流以及电磁辐射的探测，其中大气电场探测是雷电观测中最广泛的手段。国内外大气电场的测量方法有平板天线测量法、旋转(场磨)式大气静电场仪及大气电场探空仪三种。
大气电场作为大气电学的一个基本参数，它存在于地球表面与高空电离层之间，在有关大气电场、雷暴及闪电的研究中有重要的意义。大气电场强度的测量对于研究云的电结构，起电理论以及防雷等方面都是不可缺少的。雷电作为扰动大气电场的气象要素之一，它是发生在自然大气中的瞬间放电过程，并同时伴有声、光的出现。一次放电过程一般持续时间为0.1-1.0s，其中可能包括几次大电流脉冲过程，被称为闪击。
通常晴天天气时，地面大气电场变化较为缓慢，采用平均大气电场仪来测量；而雷暴天气时，地面大气电场变化剧烈，采用平均大气电场仪难以实现精细观测。
常见的大气电场测量仪器可以分为准静态电场测量和高速变化电场测量，分别用于不同观测途径，准静态电场测量装置可以测量大气中的平均电场和极性变化，其特点是可以测量到近距离电场的缓慢变化，甚至幅值比较弱的慢变化，能够实时监测记录雷电发生前雷暴云中的电场变化，可以实现雷电预警，但该类设备的采样率比较低。高速变化电场测量仪器是使用在雷电发生的时段，用来记录瞬时放电时的电场细致变化，一般采样率高，工作时间短，用来研究雷电的放电特性。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种集成式的雷电快慢电场测量系统，同时观测到雷电发生时快慢电场信号的变化量。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本实用新型提出的一种集成式的雷电快慢电场测量系统，包括感应探头、信号前端调理模块、高速A/D转换器和FPGA处理器，其中，信号前端调理模块包括快电场采集模块和慢电场采集模块，快电场调理模块包括第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路和第一差分放大电路，慢电场调理模块包括第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路和第二差分放大电路；其中，
感应探头与第一前置放大电路、第二前置放大电路分别连接，第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路、第一差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路、第二差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，高速A/D转换器与FPGA处理器连接。
作为本实用新型所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统进一步优化方案，积分电路包括第一至第四电阻、第一放大器、第二放大器、第一至第五电容、第一二极管和第二二极管；其中，
第二电阻的一端接地，第二电阻的另一端与第一电阻的一端、第一放大器的反相端分别连接，第一放大器的正电源端与第一电容的一端、电源、第二电容的一端分别连接，第一电容的另一端接地，第二电容的另一端接地，第一放大器的负电源端与第三电容的一端、负电源、第四电容的一端分别连接，第三电容的另一端接地，第四电容的另一端接地，第一放大器的输出端与第一电阻的另一端、第三电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端与第一二极管的正极、第二二极管的负极分别连接，第一二极管的负极与第五电容的一端、第四电阻的一端、第二放大器的正相端分别连接，第四电阻的另一端接地，第五电容的另一端与地、第二二极管的正极分别连接，第二放大器的反相端与第二放大器的输出端连接。
作为本实用新型所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统进一步优化方案，FPGA处理器为FPGA核心板。
作为本实用新型所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统进一步优化方案，FPGA处核心板包括NIOS II 处理器、SD卡接口、网络接口、 SDRAM存储单元、FLASH存储单元、RTC时钟单元和JTAG接口，其中，SD卡接口、网络接口、SDRAM存储单元、FLASH存储单元、RTC时钟单元和JTAG接口分别与NIOS II 处理器连接。
作为本实用新型所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统进一步优化方案，第一放大器、第二放大器的型号为AD8066AR。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）实现对雷电发生时的快电场与慢电场信号进行数据采集、存储与传输；
（2）该系统设备安装便捷易携，可以不受环境因素影响，在不同时间、不同地点全天候的进行工作，采集工作人员需要的大气电场信息；
（3）在现实生活中应用领域广泛，可为气象行业提供雷电预警服务，帮助林业部门做好雷电防火预警，为电力部门供电安全提供技术保障。
附图说明
图1是系统总体设计框图。
图2是快电场调理模块图。
图3是慢电场调理模块图。
图4是积分电路图。
图5是AD9248外围电路图。
图6是FPGA信号处理框图。
图7是幅值测量与极性检测框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
本实用新型提出的雷电快慢电场数据采集系统包括感应探头、信号前端调理模块、高速A/D转换器和FPGA处理器，其中，信号前端调理模块包括快电场采集模块和慢电场采集模块，快电场调理模块包括第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路和第一差分放大电路，慢电场调理模块包括第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路和第二差分放大电路；其中，
感应探头与第一前置放大电路、第二前置放大电路分别连接，第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路、第一差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路、第二差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，高速A/D转换器与FPGA处理器连接。系统能够对采集到的雷电快慢电场信号进行电场幅值、极性等特性的分析。
系统通过感应探头捕捉到大气中电场对探头产生的微弱电流信号，一路电流信号经过快电场采集模块完成对模拟信号的放大、滤波，一路电流信号经过慢电场采集模块完成对模拟信号的放大、滤波，得到两个与电场强度E成比例的直流电压信号，以保证有足够的动态电压范围，使之符合高速A/D转换器的电压输入范围；高速A/D采集模块采集快、慢调理模块输出的电压信号并完成离散化；FPGA通过设置内部IP核参数实现对电场信号的数字化信号处理，完成大气电场强度的精确测量和电场极性的判断，以及最终数字电场信号的有效输出。SDRAM存储单元主要完成对采集的数据实时传输和保存；显示模块主要完成数据的波形显示。
本集成式雷电快慢电场测量系统以FPGA核心板为中心，高速A/D转换芯片选用ADI公司14位双通道采样速率为20MSPS的AD9248，并通过快、慢电场采集模块为AD9248提供输入范围内的差分信号。数据传输与储存选用RS485接口进行数据传输，并通过USB接口将采集的数据及时存入U盘或者移动硬盘中。
本系统设计是基于FPGA中的IP核，系统初始化后，探头中的定片交替暴露在电场或者被动片屏蔽，定片上将产生微弱电流信号，一路电流信号经过快电场采集模块完成对模拟信号的放大、滤波，一路电流信号经过慢电场采集模块完成对模拟信号的放大、滤波，得到两个与电场强度E成比例的直流电压信号，以保证有足够的动态电压范围，使之符合高速A/D转换电路的电压输入范围；高速A/D采集模块采集快、慢调理电路输出的电压信号并完成离散化；FPGA通过设置内部IP核参数实现对电场信号的数字化信号处理，完成大气电场强度的精确测量和电场极性的判断，以及最终数字电场信号的有效输出。系统总体设计框图如图1所示。
（1）根据雷电信号的特性，设计雷电快慢电场测量系统信号前端调理模块，用于完成信号放大和滤波等，将感应探头接收到的电流信号进行处理，使转换后的电压信号符合高速A/D转换芯片AD9248对输入信号的要求。为同时采集雷电发生时的快慢电场信号，系统A/D转换芯片采用双通道同步采集芯片AD9248，并分别设计快、慢电场信号前端调理模块。快电场调理电路采用低通滤波电路的设计，主要是为了抗信号的混叠，电路图如图2所示。
（2）慢电场调理模块设计与快电场调理模块结构不同，需要在运放电路中增加积分电路和电压跟随电路，电路图如图3所示。
积分电路包括第一至第四电阻R16-R19、第一放大器、第二放大器、第一至第五电容C12-C16、第一二极管D1和第二二极管D2；其中，
第二电阻的一端接地，第二电阻的另一端与第一电阻的一端、第一放大器的反相端分别连接，第一放大器的正电源端与第一电容的一端、电源、第二电容的一端分别连接，第一电容的另一端接地，第二电容的另一端接地，第一放大器的负电源端与第三电容的一端、负电源、第四电容的一端分别连接，第三电容的另一端接地，第四电容的另一端接地，第一放大器的输出端与第一电阻的另一端、第三电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端与第一二极管的正极、第二二极管的负极分别连接，第一二极管的负极与第五电容的一端、第四电阻的一端、第二放大器的正相端分别连接，第四电阻的另一端接地，第五电容的另一端与地、第二二极管的正极分别连接，第二放大器的反相端与第二放大器的输出端连接。
利用积分电路充放电过程可以实现对信号的延时、定时以及各种波形的产生；一般情况下电压放大器的输入阻抗比较高，若后级的输出阻抗比较小，信号就会大部分的消耗在前级的输出电阻中，因此，需要跟随器在中间进行缓冲，起到承上启下的作用，慢电场积分放大电路图如图4所示。
（3）AD9248外围电路以及与FPGA主要接口电路图如图5所示。AD9248-20工作模式采用单端输入模式，把两路雷电电场信号通过前端信号调理电路得到的电压信号分别与AD9248的输入通道连接。其中CLK _A和CLK _B为FPGA输出的采样时钟信号，CS是低电平有效的片选信号，DOUT为AD9248输出到FPGA的数据流。
（4）PDWN_A和PDWN_B分别是AD9248的A通道和B通道的工作使能端。当该引脚为低时，A通道和B通道开始进行模数转换。D0_A~D13_A和D0_B~D13 _B为数字数据输出，可以直接与FPGA相连。
（5）引脚CLK _A和CLK _B分别为AD9248的2个通道时钟信号的输入端，当两个通道的采样时钟同频同相时会有比较好的性能，因此由FPGA提供20MHz的同步时钟控制信号。MUX_ SELECT是数据复用模式选择位，当该引脚与CLK _A和CLK _B接相同的时钟信号时，AD9248工作在多路复用模式下，当时钟上升沿到来时，A、B通道的数据端口数据为各自通道的数据，当时钟下降沿到来时，通道的数据会交替地出现在总线上。
（6）SHARED_REF是共享电压参考模式控制引脚，当该引脚为低电平时，A、B两通道工作在独立的参考模式，当该引脚为高电平时，A、B两通道工作在共享电压参考模式，本数据采集系统的AD9248采用内部电压参考，两通道工作在共享电压参考模式。
（7）信号处理单元框图如图6所示，主要包括：A/D转换控制单元、极性检测单元、峰值检测单元、NIOS II处理器、UART输出单元等。在QUARTUS II中将A/D转换控制单元、极性检测单元、峰值测量等电路单元封装为IP核，在NIOS II 处理器读取这些IP核的值，计算出电场强度和极性，最后将数据通过UART串口单元向上位机传输。SDRAM存储单元为编译环境及嵌入式代码提供足够的运行空间，FLASH存储单元保存FPGA配置代码、嵌入式代码以及电场数据。RTC时钟单元为系统测量提供时钟参考，JTAG提供程序下载和调试的接口。
（8）电压幅值测量与极性检测框图如图7所示。峰值电压和电场强度E存在线性的比例关系，通过测量峰值电压的大小，便可得到相对应的电场强度E。FPGA在峰值检测领域应用广泛，进行数字电路设计具有很高的灵活性。在一个同步信号CLKREF周期内，利用FPGA内部的比较器、计数器、减法器等IP核可完成输入信号幅值的采样。
本数据采集系统分为快采集通道和慢采集通道，分别采集雷电发生时的快电场和慢电场信号，快电场信号用于分析雷电发生过程中多次回击的瞬态变化趋势，慢电场信号用于分析雷电单次回击发生过程中电场的累积效应。系统单通道采样率为12.5MSPS，且在工作过程中，两通道可同时完成信号的采集，系统分辨率为14bits，并具有64M内存，因此通过在系统内存中开辟缓存，从而在利用USB闪存盘实现数据的高速大容量存储，而且能够利用网络进行数据的远程传输。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (5)
1.一种集成式的雷电快慢电场测量系统，其特征在于，包括感应探头、信号前端调理模块、高速A/D转换器和FPGA处理器，其中，信号前端调理模块包括快电场采集模块和慢电场采集模块，快电场调理模块包括第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路和第一差分放大电路，慢电场调理模块包括第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路和第二差分放大电路；其中，
感应探头与第一前置放大电路、第二前置放大电路分别连接，第一前置放大电路、滤波电路、主放大电路、第一差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，第二前置放大电路、积分电路、电压跟随电路、第二差分放大电路和高速A/D转换器依次顺序连接，高速A/D转换器与FPGA处理器连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统，其特征在于，积分电路包括第一至第四电阻、第一放大器、第二放大器、第一至第五电容、第一二极管和第二二极管；其中，
第二电阻的一端接地，第二电阻的另一端与第一电阻的一端、第一放大器的反相端分别连接，第一放大器的正电源端与第一电容的一端、电源、第二电容的一端分别连接，第一电容的另一端接地，第二电容的另一端接地，第一放大器的负电源端与第三电容的一端、负电源、第四电容的一端分别连接，第三电容的另一端接地，第四电容的另一端接地，第一放大器的输出端与第一电阻的另一端、第三电阻的一端分别连接，第三电阻的另一端与第一二极管的正极、第二二极管的负极分别连接，第一二极管的负极与第五电容的一端、第四电阻的一端、第二放大器的正相端分别连接，第四电阻的另一端接地，第五电容的另一端与地、第二二极管的正极分别连接，第二放大器的反相端与第二放大器的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统，其特征在于，FPGA处理器为FPGA核心板。
4.根据权利要求3所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统，其特征在于，FPGA处核心板包括NIOS II 处理器、SD卡接口、网络接口、 SDRAM存储单元、FLASH存储单元、RTC时钟单元和JTAG接口，其中，SD卡接口、网络接口、 SDRAM存储单元、FLASH存储单元、RTC时钟单元和JTAG接口分别与NIOS II 处理器连接。
5.根据权利要求2所述的一种集成式的雷电快慢电场测量系统，其特征在于，第一放大器、第二放大器的型号为AD8066AR。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202121208523.7U CN216900721U (zh) | 2021-06-01 | 2021-06-01 | 一种集成式的雷电快慢电场测量系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202121208523.7U CN216900721U (zh) | 2021-06-01 | 2021-06-01 | 一种集成式的雷电快慢电场测量系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN216900721U true CN216900721U (zh) | 2022-07-05 |
Family
ID=82178723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202121208523.7U Active CN216900721U (zh) | 2021-06-01 | 2021-06-01 | 一种集成式的雷电快慢电场测量系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN216900721U (zh) |
-
2021
- 2021-06-01 CN CN202121208523.7U patent/CN216900721U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102201014B (zh) | 一种多通道数据采集单元 | |
| CN104749498B (zh) | 一种便携式局部放电检测及诊断装置 | |
| CN111965447B (zh) | 一种硬件可组态的模拟信号综合测试系统 | |
| CN201926756U (zh) | 嵌入式电子式互感器校验仪 | |
| CN103513223B (zh) | 一种电能表通信接口带载能力测试系统 | |
| CN201477162U (zh) | 电容型设备介质损耗角在线监测装置 | |
| CN102156272A (zh) | 电能计量检定方法、装置和系统 | |
| CN101839931A (zh) | 一种交流信号测量装置、系统和方法 | |
| CN104698265A (zh) | 一种高压直流输电线路电晕损耗测量系统 | |
| CN216900721U (zh) | 一种集成式的雷电快慢电场测量系统 | |
| CN204462246U (zh) | 一种高压直流输电线路电晕损耗测量系统 | |
| CN105353331A (zh) | 一种电子式互感器计量性能检测系统及方法 | |
| CN201955439U (zh) | 局部放电在线检测系统 | |
| CN102087308A (zh) | 一种电力系统电气量采集测试分析仪及方法 | |
| CN108562800B (zh) | 纳秒时间分辨的脉冲电磁场测量装置及方法 | |
| CN203178378U (zh) | 一种电子式互感器数字量输出校验装置 | |
| CN206470343U (zh) | 高压电容瞬间放电过程的检测系统 | |
| CN205176249U (zh) | 一种电子式互感器计量性能检测装置 | |
| CN108982967A (zh) | 一种船舶电网参数实时监测系统及方法 | |
| CN213986638U (zh) | 一种基于数字滤波技术的高频接地阻抗测试分析仪 | |
| CN207946672U (zh) | 信号采集装置 | |
| Zhang et al. | Development of a full-waveform voltage and current recording device for multichannel transient electromagnetic transmitters | |
| CN204302410U (zh) | 一种智能波形参数自动测试分析仪 | |
| CN208421058U (zh) | 一种电子式避雷器监测装置 | |
| CN201724764U (zh) | 多通道地应力数据采集仪 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |