專利名稱：一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀，適用于閃電電磁脈沖、核電磁脈沖、無線電噪聲監(jiān)測。
背景技術(shù)：
閃電的強(qiáng)電磁脈沖對于電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的毀傷。研究表明，電磁脈沖的毀傷效應(yīng)與電場時(shí)變率(必/di)有密切關(guān)系。以往的觀測設(shè)備更關(guān)注于電場的相對變化測量， 如張廣庶等2002年申請的電場變化測量儀發(fā)明專利(專利號(hào)02139473. 3)，對于電場時(shí)變率的專用測試設(shè)備未見報(bào)道。根據(jù)等效理論，電小尺寸的平板天線具有容性特征，為了能夠使天線輸出電場時(shí)變率信號(hào)，需要匹配負(fù)載阻抗接近零的等效電阻。而野外測試情況下，若直接將天線通過同軸電纜連接接入低阻抗記錄設(shè)備，天線的等效電容、電纜電容，會(huì)與記錄設(shè)備輸入端的輸入電阻和輸入電容構(gòu)成時(shí)間常數(shù)電路，使電場變化率波形畸變。由于這些等效參數(shù)和工作頻率、測試環(huán)境相關(guān)，而閃電的電磁脈沖頻譜范圍從直流一直延伸至甚高頻以上，使得等效電路并不能簡單的描述。此外，野外觀測條件惡劣，通常需要獨(dú)立的供電電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸能力，以實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的無人值守，這對于大范圍組網(wǎng)觀測更有意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀，該測量儀可以在寬頻帶內(nèi)測量閃電的電場變化率波形，記錄波形可以存儲(chǔ)在本地，也可以通過通信設(shè)備傳輸。 測量儀能夠在野外無人值守的條件下工作，提供閃電電場時(shí)變率波形，并可應(yīng)用于核電磁脈沖、無線電噪聲監(jiān)測。本發(fā)明的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)
一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀，包括平板天線、信號(hào)調(diào)理單元、供電單元、記錄和通信設(shè)備；
所述的平板天線等效為容性電小尺寸天線，用于接收電場信號(hào)； 由平板天線引出短導(dǎo)線電性接入后續(xù)的信號(hào)調(diào)理單元。信號(hào)調(diào)理單元主要包含一個(gè)由寬帶運(yùn)算放大器和第一電阻、電容構(gòu)成的互阻抗放大電路，用于實(shí)現(xiàn)電場變化率信號(hào)的形成。運(yùn)放同相輸入端接地，反向輸入端連接平板天線，第一電阻和電容并聯(lián)在反向輸入端和輸出端之間構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。由于運(yùn)放的同相輸入端接地，為反向輸入端提供了理想的‘虛地’，使得信號(hào)調(diào)理單元對平板天線等效為零阻抗負(fù)載，因而平板天線的輸出電流正比于電場變化率。運(yùn)放‘虛斷’的特征又使得該電流直接通過反饋網(wǎng)絡(luò)流向輸出端，在輸出端形成正比于反饋?zhàn)杩购屯饨珉妶鲎兓食朔e的電壓輸出。其中反饋?zhàn)杩怪饕傻谝浑娮铔Q定， 而反饋電容容量在皮法量級(jí)，主要用于相位補(bǔ)償。通過優(yōu)選運(yùn)算放大器增益帶寬積、壓擺率等參數(shù)以及反饋電阻和電容值，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋(包含)HF頻帶以下的高靈敏度、寬帶測試范圍。通過調(diào)整反饋電阻，可以同時(shí)改變電路的帶寬和靈敏度，較高的電阻值會(huì)產(chǎn)生較窄的帶寬和較高的靈敏度，反之亦然。所述的記錄和通信設(shè)備用于數(shù)據(jù)資料的保存和傳輸。記錄和通信設(shè)備可以采用工控機(jī)平臺(tái)，也可以采用微處理器平臺(tái)。前者可以通過同軸電纜連接放于室內(nèi)，后者可與信號(hào)調(diào)理單元集成。優(yōu)選地，后者更容易實(shí)現(xiàn)無人值守。通信設(shè)備可以選用當(dāng)前較為成熟的3G 網(wǎng)絡(luò)、WiFi或GPRS等技術(shù)設(shè)備。所述的供電單元包括太陽能電池板、蓄電池組和電源模塊三部分。其中電源模塊控制太陽能電池板對蓄電池組充電，并完成電源濾波和穩(wěn)壓，可以對測量儀提供獨(dú)立的不間斷電源。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、設(shè)計(jì)了可以獲取閃電電場變化率波形的專用測量儀；
2、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于實(shí)現(xiàn)野外無人值守情況下電場變化率波形的長期監(jiān)測；
3、測量頻帶覆蓋了從直流至HF頻段，靈敏度可調(diào)。


圖1是本發(fā)明的一種實(shí)施方式的系統(tǒng)構(gòu)成框圖
1-平板天線2-絕緣立柱3-連接導(dǎo)線4-信號(hào)調(diào)理單元5-同軸電纜6-記錄和通信設(shè)備7-供電單元
圖2是本發(fā)明的信號(hào)調(diào)理單元的一種實(shí)施方式原理圖
圖3是本發(fā)明的供電單元的一種實(shí)施方式構(gòu)成框圖
8-太陽能電池板9-充電控制電路10-蓄電池組11-電源濾波和穩(wěn)壓電路
圖4是本發(fā)明的記錄和通信設(shè)備的一種實(shí)施方式構(gòu)成框圖
12-高速AD芯片13-微處理器14-存儲(chǔ)設(shè)備15-通信模塊
具體的實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種實(shí)施方式進(jìn)一步闡述。測量儀系統(tǒng)構(gòu)成框圖參照圖1，測量儀采用平板天線1接收電場信號(hào)，平板天線1 置于絕緣立柱2上，通過導(dǎo)線3連接至信號(hào)調(diào)理單元4。信號(hào)調(diào)理單元4產(chǎn)生正比于電場變化率的電壓信號(hào)，通過同軸電纜5連接進(jìn)入記錄和通信設(shè)備6。供電單元7對測量儀的信號(hào)調(diào)理單元4和記錄和通信設(shè)備6統(tǒng)一供電。所述的信號(hào)調(diào)理單元4的原理圖參照圖2。圖2中OP運(yùn)放選用寬帶高速運(yùn)放，以實(shí)現(xiàn)電場變化率波形的寬頻帶測量。運(yùn)放同相輸入端接地，反向輸入端連接導(dǎo)線3。反饋電容C和反饋電阻札構(gòu)成反饋回路。小阻值隔離電阻&用于隔離驅(qū)動(dòng)同軸電纜和后續(xù)記錄和通信設(shè)備6。所述的供電單元7的構(gòu)成框圖參照圖3。供電單元通過太陽能電池板8對蓄電池組9充電。充電控制由控制電路9完成。充電控制電路9可以設(shè)置充電方式，控制充電時(shí)間，避免蓄電池組長期浮充影響壽命。電源濾波和穩(wěn)壓電路11將蓄電池組的電壓濾波和穩(wěn)壓后，對信號(hào)調(diào)理單元4和記錄和通信設(shè)備6統(tǒng)一供電。所述的記錄和通信設(shè)備6的構(gòu)成框圖參照圖4。通過微處理器13控制高速AD芯片12采集信號(hào)調(diào)理單元4形成的電壓波形，數(shù)字化波形存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備14中，數(shù)據(jù)資料通過通信模塊15傳輸至遠(yuǎn)程控制單元。 以上所述僅是本發(fā)明的一種優(yōu)選地實(shí)施方式。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員， 在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形(如接收天線形狀等)，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀，該測量儀包括平板天線、信號(hào)調(diào)理單元、供電單元、記錄和通信設(shè)備；所述的平板天線用于接收電場信號(hào)；信號(hào)調(diào)理單元用于實(shí)現(xiàn)電場變化率信號(hào)的形成；記錄和通信設(shè)備用于數(shù)據(jù)資料的保存和傳輸；供電單元可以對測量儀提供獨(dú)立的不間斷電源。
2.如權(quán)利要求1所述的一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀，其特征在于，所述的信號(hào)調(diào)理單元由寬帶運(yùn)算放大器、負(fù)反饋電阻、負(fù)反饋電容構(gòu)成的互阻抗放大電路構(gòu)成，電路利用運(yùn)放的‘虛地’原理，使得信號(hào)調(diào)理單元對平板天線等效為零阻抗負(fù)載，使平板天線的輸出電流正比于電場變化率。
3.如權(quán)利要求1所述的一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀，其特征在于，所述的記錄和通信設(shè)備連接信號(hào)調(diào)理單元，完成信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和傳輸，記錄和通信設(shè)備可以采用工控機(jī)平臺(tái)，也可以采用微處理器平臺(tái)。
4.如權(quán)利要求1所述的一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀，其特征在于，所述的供電單元采用太陽能，通過電源模塊對一組蓄電池充電，由蓄電池對測量儀電路供電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無人值守的電場時(shí)變率測量儀，包括平板天線、信號(hào)調(diào)理單元、供電單元、記錄和通信設(shè)備；平板天線與信號(hào)調(diào)理單元電性連接，信號(hào)調(diào)理單元用于完成電場變化率的轉(zhuǎn)換，并驅(qū)動(dòng)后續(xù)的同軸電纜和記錄設(shè)備；記錄設(shè)備與信號(hào)調(diào)理單元連接，完成波形的數(shù)字化和存儲(chǔ)，并由通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資料的遠(yuǎn)程傳輸；供電單元包含太陽能電池板、電源模塊，用于向測量儀電路提供獨(dú)立的不間斷電源。測量儀依靠太陽能供電，能夠?qū)崿F(xiàn)長期無人值守。優(yōu)選地，測量儀能夠測試(包含)HF頻帶以下的寬帶電場時(shí)變率波形，靈敏度可調(diào)，可廣泛應(yīng)用于閃電探測組網(wǎng)、核電磁脈沖探測、無線電噪聲監(jiān)測等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01R29/08GK102565553SQ201210008228
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者周璧華, 李炎新, 邱實(shí) 申請人:中國人民解放軍理工大學(xué)