場磨式大氣電場儀及其標校系統

謝 帥 邵碧嘉 盛 暉

(杭州市氣象局，浙江杭州310051)

0 引言

雷電災害是十大自然災害之一，全世界每年都有數千人在雷電中喪生，因雷電而產生的經濟損失數目非常的龐大。隨著經濟與社會的發展，人們對雷電災害的監測、預警和防御的科學認識提出了更高、更廣泛的需求。大氣電場儀作為一種先進的雷電遙感探測技術，已成為雷電探測軌道建設重點開發的手段之一。目前國內大部分省市相關行業都布置了多個閃電探測站，通過網絡建立了一套全方位覆蓋的雷電監測預警系統。

1 場磨式大氣電場儀結構及原理

晴天地面大氣電場值一般在20～300 V/m之間，雷暴活動中能造成地面大氣電場2～10 kV/m(正或負)。通過對地面電場強度的分析可以知道，云團帶電量越大，高度越低，距離電場儀的距離越近，則地面電場儀探測到的電場強度越大。地面電場的強度與該點附近發生閃電的可能性成正相關。

場磨式大氣電場儀采用電場磨狀探頭，圖1展示了探頭的結構，它由兩組大小相同分布均勻的扇形金屬片組成，其中一組幾個扇形片是感應(固定的)片，另一組幾個扇形片是旋轉片。由于大氣靜電場是一個直流分量，在感應片之間感應出的是直流電流，而且這一直流分量很小，需要經過多級信號放大才能測量。電場磨狀探頭通過旋轉片葉片旋轉對感應片上的直流電流信號進行交替阻斷電場線的處理，將微弱的直流電流信號轉換成交流信號以后，再經過電流、電壓轉換、放大、濾波、信號同步、整流等環節，最終輸出符合模數轉換電路的電壓信號。

圖1 場磨狀探頭

場磨式大氣電場儀采用差模測量技術的，有效避免干擾信號，通過RS232/RS485與數據采集處理控制器相連(見圖2)。數據采集處理控制器可以通過INTERNET或SNMP或GPRS與PC機相連，通過監視軟件來監控。該儀器裝置實時測量記錄地面上的靜電場值與變化率通過微處理器數據處理系統，對多個探測點返回的信號進行分析，可以實現區域電場測量、雷電預警和雷電云層走向分析，能連續啟動三級雷電報警，從而實現區域電場測量、雷電預警。單個探頭能夠對半徑15～20 km區域的雷電進行預測。

圖2 場模式大氣電場儀結構

由于大氣電場儀是一種放置野外的探測儀器，隨著時間的推移以及惡劣天氣的影響，其精度會受到一定的影響，特別是應用在因閃電襲擊可能引起爆炸場所的大氣電場儀，更應該確保大氣電場儀探測傳感器的高精度與可靠性;為了提高大氣電場儀、傳感器本身與各個站數據之間穩定性和可靠性，提高預警的準確率，建立大氣電場儀標校系統是非常必要的。由于大氣電場儀測量對象的特殊性，導致大氣電場儀的測量原理，測量技術與通用電子設備有極大的差異，大大增加了標定的難度，目前我國尚未建立電場儀標定的國家標準。浙江省氣象儀器檢定所杭州分所是全國首家引進大氣電場儀標校系統的檢定所。根據原理，為使大氣電場儀保持準確的精度，應該對探測裝置每隔一段時間進行標校。

2 大氣電場儀標校系統工作原理

大氣電場儀標校系統由直徑1.5 m的上下級高壓不銹鋼圓板、直流高壓發生器(0～50 kV)、倍增器屏蔽、直流高壓控制器、通訊控制箱、監控軟件構成，如圖3所示。

圖3 大氣電場儀標定系統

大氣電場儀標校系統的原理:大氣電場儀校驗臺利用高壓直流發生器能達到一個50 kV以上的直流微電流的工作原理，把一個可調高壓加在一個懸掛式隔離絕緣的不銹鋼圓板上，并在其下方放置于一個接地的不銹鋼圓板，從而模擬出一個均勻的電場環境，由單片機控制、施加模擬電場某定值，調節大氣電場儀的探測傳感器位置并調節測試設備運放放大倍數，使得測量電場值與施加模擬電場值一致，即完成了標定。不銹鋼上板加直流高壓，不銹鋼下板接地，兩板水平平行相對放置，相距距離為770 mm。地面不銹鋼板到探頭外殼下方邊緣為330 mm。測試裝置在室內，兩平行不銹鋼板周圍半米內不能有高大遮擋物，遮擋物會引起等勢面的形狀改變。校定系統一次只能對一個探頭進行測試校定，因為構建的模擬電場環境較小，在模擬環境中放置的設備越多，會使等勢面的分布更加的不規律，難以把握。

3 大氣電場標定系統檢測應用

場磨式電場儀是旋轉式的，由數片扇形構成，將其放置在標定平臺上，它基本不會使標?？臻g內的電力線和等位線產生畸變。圖4是在不同電場強度下對大氣電場儀的標校實驗結果。從圖4中能看出場磨式電場儀在標校系統中電場強度線性度好。

圖4 不同電場強度下的標定實驗結果

大氣電場數值的誤差范圍跟其本身旋轉葉片的穩定性、電機轉速的穩定性、電子線路板元器件的精度因子等等有關。表1是大氣電場標校系統中給定電壓對應電場強度的測試，電壓越高電場強度浮動值越小，越趨于穩定。在對場磨式電場儀實際標校過程中，通常給定電壓強度為10kV，誤差范圍為10%，當測出的電場平均值不在這個范圍時，即對該場磨式電場儀進行參數標校。

表1 電壓電場測試標定值

4 結語

雷電的監測與預警對保障人類生命財產極端重要，雷電的探測裝置的精準度就成為雷電監測預警的可靠保障。筆者介紹了場磨式大氣電場儀的結構原理及其標校系統，通過檢測實驗，該標校系統原理直觀，使用方便，標定范圍在0～50 kV/m，標定線性度好，對于長期放置野外的探測設備來說，定期對其進行標定是必要的。

大氣電場儀作為探測大氣中電場強度的主要儀器，應用比較廣泛，但在實際使用中，諸如應用在閃電襲擊可能易燃、易爆場所的大氣電場儀，也許用戶不一定知道什么地方可以標校，什么時間周期應該標校。杭州市氣象儀器檢定所通過對大量的大氣電場儀標校積累實際經驗，希望有需要大氣電場儀標校的用戶單位，可以定期送去進行標校。借此也呼吁相關管理機構盡早出臺標校技術規范或標準，使得大氣電場儀標校規范化。

［1］ 陸新義，文元利，郭鵬，等.場磨式大氣電場儀干擾環境定性測量［C］.第七屆中國國際防雷論壇論文摘編.2008:121－123.

［2］ 陳渭民.雷電學原理［M］.第 2版.北京:氣象出版社，2003.

［3］ 張健，何渝暉，羅福山，等.電場的標定技術［J］.中國空間科學學會空間探測專業委員會第十七次學術會議論文集.2004.

［4］ 羅福山，何渝暉，張健，等.靜電場標定系統［J］.雷電與防護標準化，2004(2):13－16.

［5］ 白強，夏善紅，陳紹鳳，等.新型旋片式空中電場傳感器及應用［J］.電子與信息學報，2004(4):651－654.