[发明专利]一种无人值守的电场时变率测量仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种无人值守的电场时变率测量仪，适用于闪电电磁脉冲、核电磁脉冲、无线电噪声监测。

背景技术

闪电的强电磁脉冲对于电子设备会产生严重的毁伤。研究表明，电磁脉冲的毁伤效应与电场时变率（dE/dt）有密切关系。以往的观测设备更关注于电场的相对变化测量，如张广庶等2002年申请的电场变化测量仪发明专利（专利号：02139473.3），对于电场时变率的专用测试设备未见报道。根据等效理论，电小尺寸的平板天线具有容性特征，为了能够使天线输出电场时变率信号，需要匹配负载阻抗接近零的等效电阻。而野外测试情况下，若直接将天线通过同轴电缆连接接入低阻抗记录设备，天线的等效电容、电缆电容，会与记录设备输入端的输入电阻和输入电容构成时间常数电路，使电场变化率波形畸变。由于这些等效参数和工作频率、测试环境相关，而闪电的电磁脉冲频谱范围从直流一直延伸至甚高频以上，使得等效电路并不能简单的描述。

此外，野外观测条件恶劣，通常需要独立的供电电源、数据存储与远程数据传输能力，以实现测量系统的无人值守，这对于大范围组网观测更有意义。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种无人值守的电场时变率测量仪，该测量仪可以在宽频带内测量闪电的电场变化率波形，记录波形可以存储在本地，也可以通过通信设备传输。测量仪能够在野外无人值守的条件下工作，提供闪电电场时变率波形，并可应用于核电磁脉冲、无线电噪声监测。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种无人值守的电场时变率测量仪，包括平板天线、信号调理单元、供电单元、记录和通信设备；

所述的平板天线等效为容性电小尺寸天线，用于接收电场信号；

由平板天线引出短导线电性接入后续的信号调理单元。信号调理单元主要包含一个由宽带运算放大器和第一电阻、电容构成的互阻抗放大电路，用于实现电场变化率信号的形成。运放同相输入端接地，反向输入端连接平板天线，第一电阻和电容并联在反向输入端和输出端之间构成负反馈网络。由于运放的同相输入端接地，为反向输入端提供了理想的‘虚地’，使得信号调理单元对平板天线等效为零阻抗负载，因而平板天线的输出电流正比于电场变化率。运放‘虚断’的特征又使得该电流直接通过反馈网络流向输出端，在输出端形成正比于反馈阻抗和外界电场变化率乘积的电压输出。其中反馈阻抗主要由第一电阻决定，而反馈电容容量在皮法量级，主要用于相位补偿。通过优选运算放大器增益带宽积、压摆率等参数以及反馈电阻和电容值，可以实现覆盖（包含）HF频带以下的高灵敏度、宽带测试范围。通过调整反馈电阻，可以同时改变电路的带宽和灵敏度，较高的电阻值会产生较窄的带宽和较高的灵敏度，反之亦然。

所述的记录和通信设备用于数据资料的保存和传输。记录和通信设备可以采用工控机平台，也可以采用微处理器平台。前者可以通过同轴电缆连接放于室内，后者可与信号调理单元集成。优选地，后者更容易实现无人值守。通信设备可以选用当前较为成熟的3G网络、WiFi或GPRS等技术设备。

所述的供电单元包括太阳能电池板、蓄电池组和电源模块三部分。其中电源模块控制太阳能电池板对蓄电池组充电，并完成电源滤波和稳压，可以对测量仪提供独立的不间断电源。

 本发明相比现有技术具有如下优点：

1、  设计了可以获取闪电电场变化率波形的专用测量仪；

2、  设备结构简单、紧凑，易于实现野外无人值守情况下电场变化率波形的长期监测；

3、  测量频带覆盖了从直流至HF频段，灵敏度可调。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式的系统构成框图

1-  平板天线 2-绝缘立柱 3-连接导线4-信号调理单元 5-同轴电缆 6-记录和通信设备 7-供电单元

图2是本发明的信号调理单元的一种实施方式原理图

图3是本发明的供电单元的一种实施方式构成框图

8-太阳能电池板 9-充电控制电路 10-蓄电池组 11-电源滤波和稳压电路

图4是本发明的记录和通信设备的一种实施方式构成框图

12-高速AD芯片 13-微处理器 14-存储设备 15-通信模块

具体的实施方式

下面结合附图对本发明的一种实施方式进一步阐述。