一種雷電及地面電場監(jiān)測(cè)一體裝置制造方法及圖紙

本實(shí)用新型專利技術(shù)公開一種雷電及地面電場監(jiān)測(cè)一體裝置，包括地面電場監(jiān)測(cè)單元、雷電探測(cè)單元和信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元；地面電場監(jiān)測(cè)單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊；雷電探測(cè)單元包括天線組件、三個(gè)前置放大電路、三個(gè)信號(hào)調(diào)理電路、波形鑒別電路、光電管和光探測(cè)模塊；所述信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元對(duì)前述接收的信號(hào)進(jìn)行處理，并通過通信接口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。此裝置將雷電預(yù)測(cè)和雷電定位功能集成于一體，克服單一設(shè)備不易攜帶、探測(cè)精度低的缺點(diǎn)，提高雷電監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確度。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于電子領(lǐng)域，特別涉及一種既能記錄閃電發(fā)生前雷暴的電活動(dòng)，又能記錄雷暴過程中發(fā)生的閃電空間位置和放電參數(shù)的具有雷電監(jiān)測(cè)及地面電場測(cè)量功能的一體裝置。
技術(shù)介紹
由雷電而引發(fā)的災(zāi)害現(xiàn)象已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質(zhì)災(zāi)害的第三大氣象災(zāi)害。由于雷電的形成機(jī)理、形成條件極其復(fù)雜，雷電發(fā)生后的衍生物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，單一的僅靠雷電發(fā)生后的衍生物理現(xiàn)象或是雷電發(fā)生不同階段的地面電場情況作為雷電探測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。目前，測(cè)量大氣電場和閃電活動(dòng)的設(shè)備分別是基于通過電場傳感器探頭來對(duì)大氣電場的變化進(jìn)行監(jiān)控的場磨式電場儀和基于單站定位的雷電探測(cè)儀，大氣電場儀是一種通過前置傳感器探頭測(cè)量地面大氣電場強(qiáng)度的設(shè)備，能夠在野外惡劣的環(huán)境下長期對(duì)地面附近的大氣電場強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，通過雷暴發(fā)生過程中地面大氣電場變化對(duì)雷電進(jìn)行預(yù)警；雷電探測(cè)儀利用電磁場信號(hào)和光信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)處發(fā)生的雷電進(jìn)行定向和測(cè)距。兩種設(shè)備的功能不完全相同，大氣電場儀起到前期預(yù)測(cè)的作用，即根據(jù)雷暴發(fā)展過程中各階段電場變化的規(guī)律，判斷雷暴當(dāng)前所處的階段，進(jìn)而判斷出短時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)雷擊發(fā)生的可能性；而雷電探測(cè)儀是對(duì)雷電進(jìn)行準(zhǔn)確定位的裝置。這兩種設(shè)備國際上一般都是分開、獨(dú)立的，尚未出現(xiàn)將兩種功能結(jié)合在一起的一體化測(cè)量裝置。另外，單站模式下，雷電的方向信息及其精度可以直接測(cè)量和滿足要求，但雷電的距離無法直接測(cè)量，精確到Ikm的定位無法實(shí)現(xiàn)。目前，單站精確定位還屬于世界級(jí)的難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的，在于提供一種雷電及地面電場監(jiān)測(cè)一體裝置，其將雷電預(yù)測(cè)和雷電定位功能集成于一體，克服單一設(shè)備不易攜帶、探測(cè)精度低的缺點(diǎn)，提高雷電監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確度。為了達(dá)成上述目的，本技術(shù)的解決方案是一種雷電及地面電場監(jiān)測(cè)一體裝置，包括地面電場監(jiān)測(cè)單元、雷電探測(cè)單元和信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元；地面電場監(jiān)測(cè)單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊，電場儀的輸出端連接放大器的輸入端，將感測(cè)的外電場電流信號(hào)送入放大器進(jìn)行放大，所述放大器的輸出端經(jīng)由濾波器連接MCU模塊，將濾波后得到的正弦波信號(hào)送入MCU模塊；所述MCU模塊將前述正弦波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過RS232送入信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元，所述MCU模塊還將預(yù)設(shè)的設(shè)備自檢參數(shù)值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后控制自檢/自校模塊產(chǎn)生自檢信號(hào)；雷電探測(cè)單元包括天線組件、三個(gè)前置放大電路、三個(gè)信號(hào)調(diào)理電路、波形鑒別電路、光電管和光探測(cè)模塊，其中，天線組件包括分別用于接收磁場信號(hào)的東西環(huán)天線、南北環(huán)天線和用于接收電場信號(hào)的電場天線，所述三個(gè)前置放大電路的輸入端與前述三種天線對(duì)應(yīng)連接，所述前置放大電路的輸出端則與三個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的輸入端 對(duì)應(yīng)連接；所述各信號(hào)調(diào)理電路的輸出端輸出電磁場信號(hào)，一方面通過總線連接信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元，另一方面連接波形鑒別電路，由波形鑒別電路判斷是否是雷電信號(hào)后，通過總線送入信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元；所述光電管的輸出端連接光探測(cè)模塊，將采集的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電電流，并經(jīng)光探測(cè)模塊轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)后送入信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元；所述信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元對(duì)前述接收的信號(hào)進(jìn)行處理，并通過通信接口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。上述電場儀包括動(dòng)片和感應(yīng)電極，所述動(dòng)片在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，從而在感應(yīng)電極上產(chǎn)生電流信號(hào)，該電流信號(hào)送入放大器的輸入端。上述放大器的輸出端與濾波器的輸入端之間還連接有跟隨器。采用上述方案后，本技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)本技術(shù)將電場強(qiáng)度測(cè)量技術(shù)和雷電定位技術(shù)相結(jié)合，對(duì)局地地面大氣電場強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)遠(yuǎn)距離發(fā)生的雷電進(jìn)行測(cè)向和定距，通過綜合二者信息，對(duì)可能發(fā)生的雷電危害進(jìn)行預(yù)警，在國際上尚屬創(chuàng)新；(2)本技術(shù)利用高速AD和DSP技術(shù)，綜合應(yīng)用電磁場強(qiáng)度法、能譜法和光信號(hào)強(qiáng)度精確計(jì)算雷電距離，提高測(cè)量精度和可靠性。附圖說明圖1是本技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本技術(shù)中地面電場監(jiān)測(cè)單元的原理框圖；圖3是本技術(shù)中雷電探測(cè)單元的原理框圖；圖4是本技術(shù)中信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元的原理框圖。具體實(shí)施方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。本技術(shù)提供一種雷電及地面電場監(jiān)測(cè)一體裝置，包括地面電場監(jiān)測(cè)單元、雷電探測(cè)單元和信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元，下面分別介紹。如圖2所示，是本技術(shù)中地面電場監(jiān)測(cè)單元的結(jié)構(gòu)框圖，所述地面電場監(jiān)測(cè)單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊，其中，電場儀采用JDC-5場磨式電場儀，其由動(dòng)片和感應(yīng)電極組成，動(dòng)片位于裝置最下端，向上一層為標(biāo)定電極板和感應(yīng)電極(即一般所認(rèn)為的定子)，電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)片旋轉(zhuǎn)，動(dòng)片循環(huán)遮擋大氣外電場，從而在感應(yīng)電極上產(chǎn)生電流信號(hào)，該電流信號(hào)的強(qiáng)度正比于外電場強(qiáng)度。放大器的輸入端連接電場儀的輸出端，將電場儀產(chǎn)生的交變微弱電流信號(hào)進(jìn)行放大，然后送入濾波器，在本實(shí)施例中，在放大器的輸出端與濾波器的輸入端之間還采用跟隨器進(jìn)行隔離，以消除前后級(jí)電路之間的相互影響，跟隨器可采用LM148電路；在本實(shí)施例中，放大器采用高速運(yùn)放CA3140，其壓擺率達(dá)9V/ii s，增益帶寬4. 5MHz，輸入偏置電壓不高于5mV，共模抑制比320 yV/V，完全滿足電路要求，而且，該運(yùn)放可在-55° 125°溫度范圍內(nèi)正常工作。電路連接采用單端輸入負(fù)反饋放大。作為小信號(hào)放大器，CA3140對(duì)工作電源要求精度很高，所以CA3140的正負(fù)電源輸入采用5V穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓。濾波器接收前級(jí)放大器輸出的放大信號(hào)，該放大信號(hào)為帶有50Hz和其它一些頻率成分的雜波干擾信號(hào)，濾波器對(duì)該放大信號(hào)進(jìn)行帶通濾波得到干凈的正弦波信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入MCU模塊。在本實(shí)施例中，MCU模塊采用C8051F020，其是一個(gè)完全集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在一個(gè)芯片內(nèi)結(jié)合了高性能的自校準(zhǔn)多通道12位ADC、雙12位DAC和可編程8位微控制器，該微控制器具有看門狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器和ADC DMA功能；其中，前級(jí)濾波器濾波后得到的正弦波信號(hào)可采用MCU模塊中自帶的ADC進(jìn)行模擬量數(shù)字化后再進(jìn)行預(yù)處理，然后通過RS232送入信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行交互計(jì)算；此外，MCU模塊還利用自身所帶的雙12位DAC將用戶設(shè)定的設(shè)備自檢參數(shù)值(數(shù)字量)轉(zhuǎn)換為模擬量后，控制自檢/自校模塊產(chǎn)生自檢信號(hào)。所述自檢/自校模塊包括模擬開關(guān)ADG509及外圍電路，所述ADG509在MCU模塊提供的自檢控制信號(hào)控制下關(guān)斷與接通，從而控制其外圍電路產(chǎn)生的模擬電場信號(hào)輸入到地面電場監(jiān)測(cè)單元電路中，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。如圖3所示，是本技術(shù)中雷電探測(cè)單元的結(jié)構(gòu)框圖，所述雷電探測(cè)單元包括天線組件、三個(gè)前置放大電路、三個(gè)信號(hào)調(diào)理電路、波形鑒別電路、標(biāo)定信號(hào)發(fā)生器、光電管和光探測(cè)模塊，其中，天線組件包括東西環(huán)天線、南北環(huán)天線和電場天線，東西環(huán)天線和南北環(huán)天線用于接收磁場信號(hào)，電場天線用于接收電場信號(hào)，三個(gè)前置放大電路的輸入端與前述三種天線一一對(duì)應(yīng)連接，所述前置放大電路的輸出端則與三個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的輸入端一一對(duì)應(yīng)連接；所述天線組件接收到的電磁場信號(hào)分別通過各自的模擬通道傳送至與其連接的前置放大電路，進(jìn)行前置放大后再送入各自連接的信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行可選增益放大(高、中、低三檔，增益之比大約為4:2:1)和濾波后，一方面通過總線送入信號(hào)與數(shù)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種雷電及地面電場監(jiān)測(cè)一體裝置，其特征在于：包括地面電場監(jiān)測(cè)單元、雷電探測(cè)單元和信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元；地面電場監(jiān)測(cè)單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊，電場儀的輸出端連接放大器的輸入端，將感測(cè)的外電場電流信號(hào)送入放大器進(jìn)行放大，所述放大器的輸出端經(jīng)由濾波器連接MCU模塊，將濾波后得到的正弦波信號(hào)送入MCU模塊；所述MCU模塊將前述正弦波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過RS232送入信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元，所述MCU模塊還將預(yù)設(shè)的設(shè)備自檢參數(shù)值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后控制自檢/自校模塊產(chǎn)生自檢信號(hào)；雷電探測(cè)單元包括天線組件、三個(gè)前置放大電路、三個(gè)信號(hào)調(diào)理電路、波形鑒別電路、光電管和光探測(cè)模塊，其中，天線組件包括分別用于接收磁場信號(hào)的東西環(huán)天線、南北環(huán)天線和用于接收電場信號(hào)的電場天線，所述三個(gè)前置放大電路的輸入端與前述三種天線一一對(duì)應(yīng)連接，所述前置放大電路的輸出端則與三個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的輸入端一一對(duì)應(yīng)連接；所述各信號(hào)調(diào)理電路的輸出端輸出電磁場信號(hào)，一方面通過總線連接信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元，另一方面連接波形鑒別電路，由波形鑒別電路判斷是否是雷電信號(hào)后，通過總線送入信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元；所述光電管的輸出端連接光探測(cè)模塊，將采集的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電電流，并經(jīng)光探測(cè)模塊轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)后送入信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元；所述信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元對(duì)前述接收的信號(hào)進(jìn)行處理，并通過通信接口傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種雷電及地面電場監(jiān)測(cè)一體裝置，其特征在于包括地面電場監(jiān)測(cè)單元、雷電探測(cè)單元和信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元； 地面電場監(jiān)測(cè)單元包括MCU模塊、電場儀、放大器、濾波器和自檢/自校模塊，電場儀的輸出端連接放大器的輸入端，將感測(cè)的外電場電流信號(hào)送入放大器進(jìn)行放大，所述放大器的輸出端經(jīng)由濾波器連接MCU模塊，將濾波后得到的正弦波信號(hào)送入MCU模塊；所述MCU模塊將前述正弦波信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過RS232送入信號(hào)與數(shù)據(jù)處理單元，所述MCU模塊還將預(yù)設(shè)的設(shè)備自檢參數(shù)值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后控制自檢/自校模塊產(chǎn)生自檢信號(hào)； 雷電探測(cè)單元包括天線組件、三個(gè)前置放大電路、三個(gè)信號(hào)調(diào)理電路、波形鑒別電路、光電管和光探測(cè)模塊，其中，天線組件包括分別用于接收磁場信號(hào)的東西環(huán)天線、南北環(huán)天線和用于接收電場信號(hào)的電場天線，所述三個(gè)前置放大電路的輸入端與前述三種天線一一對(duì)應(yīng)連接，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周樹道，陳加清，王敏，寧軍，程聰穎，張國勇，周賢哲，金永奇，劉星，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國人民解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，
類型：實(shí)用新型
國別省市：