專利名稱：一種無人值守的電場時變率測量儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無人值守的電場時變率測量儀，適用于閃電電磁脈沖、核電磁脈沖、無線電噪聲監測。
背景技術：
閃電的強電磁脈沖對于電子設備會產生嚴重的毀傷。研究表明，電磁脈沖的毀傷效應與電場時變率(必/di)有密切關系。以往的觀測設備更關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明專利(專利號02139473. 3)，對于電場時變率的專用測試設備未見報道。根據等效理論，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變率信號，需要匹配負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備，天線的等效電容、電纜電容，會與記錄設備輸入端的輸入電阻和輸入電容構成時間常數電路，使電場變化率波形畸變。由于這些等效參數和工作頻率、測試環境相關，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，通常需要獨立的供電電源、數據存儲與遠程數據傳輸能力，以實現測量系統的無人值守，這對于大范圍組網觀測更有意義。

發明內容
本發明的目的是為了提供一種無人值守的電場時變率測量儀，該測量儀可以在寬頻帶內測量閃電的電場變化率波形，記錄波形可以存儲在本地，也可以通過通信設備傳輸。 測量儀能夠在野外無人值守的條件下工作，提供閃電電場時變率波形，并可應用于核電磁脈沖、無線電噪聲監測。本發明的目的可通過如下措施來實現
一種無人值守的電場時變率測量儀，包括平板天線、信號調理單元、供電單元、記錄和通信設備；
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； 由平板天線引出短導線電性接入后續的信號調理單元。信號調理單元主要包含一個由寬帶運算放大器和第一電阻、電容構成的互阻抗放大電路，用于實現電場變化率信號的形成。運放同相輸入端接地，反向輸入端連接平板天線，第一電阻和電容并聯在反向輸入端和輸出端之間構成負反饋網絡。由于運放的同相輸入端接地，為反向輸入端提供了理想的‘虛地’，使得信號調理單元對平板天線等效為零阻抗負載，因而平板天線的輸出電流正比于電場變化率。運放‘虛斷’的特征又使得該電流直接通過反饋網絡流向輸出端，在輸出端形成正比于反饋阻抗和外界電場變化率乘積的電壓輸出。其中反饋阻抗主要由第一電阻決定， 而反饋電容容量在皮法量級，主要用于相位補償。通過優選運算放大器增益帶寬積、壓擺率等參數以及反饋電阻和電容值，可以實現覆蓋(包含)HF頻帶以下的高靈敏度、寬帶測試范圍。通過調整反饋電阻，可以同時改變電路的帶寬和靈敏度，較高的電阻值會產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備用于數據資料的保存和傳輸。記錄和通信設備可以采用工控機平臺，也可以采用微處理器平臺。前者可以通過同軸電纜連接放于室內，后者可與信號調理單元集成。優選地，后者更容易實現無人值守。通信設備可以選用當前較為成熟的3G 網絡、WiFi或GPRS等技術設備。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壓，可以對測量儀提供獨立的不間斷電源。本發明相比現有技術具有如下優點
1、設計了可以獲取閃電電場變化率波形的專用測量儀；
2、設備結構簡單、緊湊，易于實現野外無人值守情況下電場變化率波形的長期監測；
3、測量頻帶覆蓋了從直流至HF頻段，靈敏度可調。


圖1是本發明的一種實施方式的系統構成框圖
1-平板天線2-絕緣立柱3-連接導線4-信號調理單元5-同軸電纜6-記錄和通信設備7-供電單元
圖2是本發明的信號調理單元的一種實施方式原理圖
圖3是本發明的供電單元的一種實施方式構成框圖
8-太陽能電池板9-充電控制電路10-蓄電池組11-電源濾波和穩壓電路
圖4是本發明的記錄和通信設備的一種實施方式構成框圖
12-高速AD芯片13-微處理器14-存儲設備15-通信模塊
具體的實施方式
下面結合附圖對本發明的一種實施方式進一步闡述。測量儀系統構成框圖參照圖1，測量儀采用平板天線1接收電場信號，平板天線1 置于絕緣立柱2上，通過導線3連接至信號調理單元4。信號調理單元4產生正比于電場變化率的電壓信號，通過同軸電纜5連接進入記錄和通信設備6。供電單元7對測量儀的信號調理單元4和記錄和通信設備6統一供電。所述的信號調理單元4的原理圖參照圖2。圖2中OP運放選用寬帶高速運放，以實現電場變化率波形的寬頻帶測量。運放同相輸入端接地，反向輸入端連接導線3。反饋電容C和反饋電阻札構成反饋回路。小阻值隔離電阻&用于隔離驅動同軸電纜和后續記錄和通信設備6。所述的供電單元7的構成框圖參照圖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可以設置充電方式，控制充電時間，避免蓄電池組長期浮充影響壽命。電源濾波和穩壓電路11將蓄電池組的電壓濾波和穩壓后，對信號調理單元4和記錄和通信設備6統一供電。所述的記錄和通信設備6的構成框圖參照圖4。通過微處理器13控制高速AD芯片12采集信號調理單元4形成的電壓波形，數字化波形存儲在存儲設備14中，數據資料通過通信模塊15傳輸至遠程控制單元。 以上所述僅是本發明的一種優選地實施方式。對于本技術領域的普通技術人員， 在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形(如接收天線形狀等)，這些改進和變形也應視為本發明的保護內容。
權利要求
1.一種無人值守的電場時變率測量儀，該測量儀包括平板天線、信號調理單元、供電單元、記錄和通信設備；所述的平板天線用于接收電場信號；信號調理單元用于實現電場變化率信號的形成；記錄和通信設備用于數據資料的保存和傳輸；供電單元可以對測量儀提供獨立的不間斷電源。
2.如權利要求1所述的一種無人值守的電場時變率測量儀，其特征在于，所述的信號調理單元由寬帶運算放大器、負反饋電阻、負反饋電容構成的互阻抗放大電路構成，電路利用運放的‘虛地’原理，使得信號調理單元對平板天線等效為零阻抗負載，使平板天線的輸出電流正比于電場變化率。
3.如權利要求1所述的一種無人值守的電場時變率測量儀，其特征在于，所述的記錄和通信設備連接信號調理單元，完成信號的采集、存儲和傳輸，記錄和通信設備可以采用工控機平臺，也可以采用微處理器平臺。
4.如權利要求1所述的一種無人值守的電場時變率測量儀，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
本發明涉及一種無人值守的電場時變率測量儀，包括平板天線、信號調理單元、供電單元、記錄和通信設備；平板天線與信號調理單元電性連接，信號調理單元用于完成電場變化率的轉換，并驅動后續的同軸電纜和記錄設備；記錄設備與信號調理單元連接，完成波形的數字化和存儲，并由通信模塊實現數據資料的遠程傳輸；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立的不間斷電源。測量儀依靠太陽能供電，能夠實現長期無人值守。優選地，測量儀能夠測試(包含)HF頻帶以下的寬帶電場時變率波形，靈敏度可調，可廣泛應用于閃電探測組網、核電磁脈沖探測、無線電噪聲監測等領域。
文檔編號G01R29/08GK102565553SQ201210008228
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者周璧華, 李炎新, 邱實 申請人:中國人民解放軍理工大學