一種地面電場儀的自檢電路

王 敏，周樹道，陳加清

（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101）

0 引言

雷暴活動(dòng)可以引起地面電場的顯著變化，對人類活動(dòng)影響很大，尤其是建筑物、輸電線網(wǎng)等遭其襲擊，可能造成嚴(yán)重?fù)p失。地面大氣電場儀利用前置傳感器來探測地面大氣的電場強(qiáng)度，并且使用環(huán)境要求低，能夠長期在惡劣的野外環(huán)境下進(jìn)行測量，是研究雷電發(fā)生整個(gè)過程的有利技術(shù)手段［1］。但是，目前廣泛使用的場磨式地面電場儀沒有自檢功能，使得電場儀探測工作的穩(wěn)定性難以保證。

因此，設(shè)計(jì)了一種地面電場儀的自檢電路，此種電路結(jié)構(gòu)能夠?qū)﹄妶鰞x測量的電場值精度進(jìn)行監(jiān)測，保證其探測穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低。

1 地面電場儀

地面大氣電場儀的測量參數(shù)包括地面大氣電場強(qiáng)度以及極性的變化情況，可用來連續(xù)監(jiān)測對流云的起電過程，記錄閃電發(fā)生前雷暴中的電活動(dòng)，又可記錄雷暴過程中發(fā)生的閃電過程（包括云閃和地閃）［2］。該儀器具有安裝簡便，工作時(shí)間長，探測精度較高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合雷電預(yù)警軟件系統(tǒng)，可監(jiān)測到整個(gè)雷暴云的初生、成熟和消散等完整的3個(gè)發(fā)展階段，當(dāng)然還包括閃電的放電過程。將地面電場儀進(jìn)行組網(wǎng)后，還可擴(kuò)大測量范圍，提高其測量精度［3］。

場磨式地面電場儀傳感器探頭由感應(yīng)片、動(dòng)片、小葉片、光電開關(guān)、無刷電機(jī)、前置放大器和信號處理器等組成［1］。感應(yīng)片和動(dòng)片是上下同軸，相互連接在一起的2組形狀相似的導(dǎo)電片，感應(yīng)片因固定不動(dòng)又稱為定子，動(dòng)片又稱之為轉(zhuǎn)子或屏蔽片。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。大氣電場儀主要性能指標(biāo)如表1所示。

圖1 場磨式地面電場儀結(jié)構(gòu)

表1 大氣電場儀主要性能指標(biāo)

場磨式地面電場儀的無刷電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)片旋轉(zhuǎn)，分時(shí)屏蔽下方的感應(yīng)片，使得動(dòng)片循環(huán)規(guī)律地暴露和遮擋大氣外電場，空氣中的靜電場因不斷地被交替暴露和屏蔽，進(jìn)而在感應(yīng)電極上會(huì)產(chǎn)生正比于外電場強(qiáng)度的交流電流信號，再經(jīng)過電場儀后續(xù)電路的處理（如放大、濾波和A／D轉(zhuǎn)換等），得到地面附近的近似直流的靜電場強(qiáng)度值。但是，一般場磨式地面電場儀不具備自我檢測工作狀態(tài)的功能，無法保證電場儀電路精確穩(wěn)定地工作。

2 電路結(jié)構(gòu)及功能

設(shè)計(jì)了一種地面電場儀的自檢電路，組成如圖2所示。該電路使地面電場儀具有自檢功能，并能將設(shè)備狀態(tài)傳送給后面的信號與數(shù)據(jù)處理電路，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)給出報(bào)警信號，信號與數(shù)據(jù)處理電路同時(shí)將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給主控計(jì)算機(jī)。

圖2 組成結(jié)構(gòu)

電場儀控制器中存儲(chǔ)有用戶設(shè)定的設(shè)備自檢參數(shù)值，并控制D／A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

D／A轉(zhuǎn)換器用于將電場儀控制器傳送的自檢參數(shù)值轉(zhuǎn)換為模擬量的自檢控制信號，此自檢控制信號為方波標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，可控制模擬開關(guān)的接通或關(guān)斷。

模擬開關(guān)的接通或關(guān)斷，決定自檢工作的開始和結(jié)束，其輸出端連接放大器的輸入端。

放大器用于對前述方波標(biāo)準(zhǔn)電壓信號進(jìn)行放大，并將放大后的電壓信號加到標(biāo)定電極板上。

標(biāo)定電極板設(shè)于電場儀電機(jī)與定片之間，用于產(chǎn)生一個(gè)電場值，將該電場值與電場儀實(shí)際測得的電場值進(jìn)行比較，檢測二者誤差是否在精度范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)自檢功能［3］。

3 具體實(shí)現(xiàn)方式

電路具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。電場儀控制器采用C8051F020單片機(jī)［4］，其中存儲(chǔ)有用戶設(shè)定的數(shù)字量設(shè)備自檢參數(shù)值，每隔一段時(shí)間自動(dòng)輸出此參數(shù)值給D／A轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生自檢控制信號。D／A轉(zhuǎn)換器為C8051F020單片機(jī)自身所帶的雙12位DAC，將設(shè)備自檢參數(shù)值由數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，用于產(chǎn)生自檢控制信號，轉(zhuǎn)換后的模擬電壓為0～2.5V方波信號，其頻率與電場儀動(dòng)片產(chǎn)生的頻率相同。D／A轉(zhuǎn)換器輸出，控制模擬開關(guān)ADG509接通，開始自檢工作。放大器采用基本運(yùn)算放大器對自檢參數(shù)模擬電壓值放大20倍，即0～50V。放大后的電壓即標(biāo)定信號加到電場儀中定片與電機(jī)之間的標(biāo)定電極板上，標(biāo)定電極板可采用與定片大小相同的金屬片，標(biāo)定電極板產(chǎn)生的電場值為E=V／d，V為標(biāo)定極板與信號定片的壓差，d為2個(gè)極片之間的距離，其范圍為0～50kV／m。將此電場值與電場儀實(shí)測電場值進(jìn)行比較，檢測兩者誤差是否在精度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自檢功能［5-7］。

圖3 實(shí)施結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種供雷電預(yù)警監(jiān)測的場磨式地面電場儀穩(wěn)定工作的自檢電路，能夠自動(dòng)監(jiān)測電場儀工作的異常狀態(tài)，但該電路僅能實(shí)現(xiàn)自檢功能，即對超出電場值誤差警界值或是其他異常狀態(tài)進(jìn)行檢測報(bào)警，并不能實(shí)現(xiàn)自校正功能。今后可對電路做進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其能夠?qū)z測到的異常狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)校正，提高電場儀工作的穩(wěn)定性和精確性。

［1］宋 欣.基于場磨式大氣電場儀的雷擊火預(yù)警系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

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