專利名稱：一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統及三維探頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及風沙電場測量設備技術領域，具體地，涉及一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統及三維探頭。
背景技術：
風沙電場，是指在風沙環境中由于運動沙粒(塵)帶有一定量的電荷而形成的一種量級高于晴天大氣電場2-3個數量級的電場，直接影響著風沙流的形成和發展過程、輸沙強度的變化以及通訊雷達信號的正常發射和接收。如何準確、實時地測量出在不同風沙環 境(風沙流、沙塵暴和塵卷)中的風沙電場，已成為環境力學研究領域的一個熱門問題。目前，常用的電場測量設備主要有兩種一種是利用電場感應電荷和電容放電原理研制的振動電容式大氣電場測量設備，另一種是利用電場屏蔽原理研制的旋轉屏蔽式大氣電場測量設備。這兩類大氣電場測量設備在應用于特殊的風沙環境電場測量時都存在一些問題使其不能正常工作，其中最主要的問題有以下三方面
(I)風沙環境中夾雜的不同粒徑和形狀的沙粒在測量的過程中會對電場測量設備探頭前端的振動和旋轉感應部件造成沖擊，其結果使得探頭的感應部件無法穩定工作，影響實驗結果的正確性和精度；
⑵現有的大氣電場測量設備線性度較好，響應較靈敏的工作范圍主要在100kV/m以內，而在風沙環境中，特別是在沙塵暴中已經發現了 200kV/m-300kV/m大小電場的存在，因此現有大氣電場測量設備從量程的角度也無法滿足風沙環境電場的測量；
⑶風沙電場由于其產生的環境和條件十分復雜，因此其電場方向并不是確定的，其在三維空間中的方向和大小都在不斷的變化，而現有的大氣電場測量設備不具備對電場三維分量的單獨測量能力，因此也就不能完整地給出風沙電場的三維分布結果。可見，目前還沒有適合于對風沙電場進行有效和準確測量的專用電場測量設備，是致使至今缺乏對風沙電場較為系統的觀測和對其規律的全面揭示的瓶頸。在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在防風沙能力差、不具備抗干擾能力和智能化程度低等缺陷。

發明內容
本發明的目的在于，針對上述問題，提出一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，以實現防風沙能力強、能夠屏蔽側向電場、測量范圍廣和智能化程度高的優點。本發明的另一目的在于，提出一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統使用的
三維探頭。為實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，包括與風沙電場接觸、且用于采集風沙電場現場X向信號、Y向信號和Z向信號的三維探頭，分別與所述三維探頭的X向信號采集端、Y向信號采集端和Z向信號采集端連接、且用于對來自三維探頭相應方向的現場信號進行初級處理的前端處理單元，以及分別與所述前端處理單元連接、且用于對初級處理結果進行選擇和綜合處理的后端處理單元。進一步地，所述前端處理單元，包括并行連接在三維探頭的相應方向信號采集端和模擬開關模塊之間的X向感應信號預處理模塊、Y向感應信號預處理模塊和Z向感應信號預處理模塊。進一步地，所述X向感應信號預處理模塊、Y向感應信號預處理模塊和Z向感應信號預處理模塊，至少均包括初級放大和濾波模塊。進一步地，所述后端處理單元，包括用于選擇相應方向的現場信號通過的模擬開關模塊，以及依次與所述模擬開關模塊連接、且用于對模擬開關模塊選擇通過的現場信號依次進行處理的后端放大和濾波處理模塊、采樣保持和峰值檢測模塊、A/D模塊、具有定時功能的單片機和計算機處理終端；所述單片機還與模擬開關模塊連接，用于控制模擬開關模塊選擇相應方向的現場信號通過。
進一步地，所述后端處理單元，還包括與所述計算機處理終端連接的外部接口模塊。進一步地，所述三維探頭，包括以三維空間坐標系的基點位置為機械結構基點，在三維空間坐標系的X向、Y向和Z向上分別伸出的X向屏蔽殼、Y向屏蔽殼和Z向屏蔽殼；以及，分別內置在相應方向屏蔽殼內部、且用于測量相應方向電場信號的單向電場測量振簧電容式探頭。進一步地，每個方向的單向電場測量振簧電容式探頭，包括設置在相應方向屏蔽殼外部、且面向外電場的外部振片，為防止風沙沙粒沖擊而設置在相應方向屏蔽殼內部、且與相應外部振片對應的內部振片，以及設置在相應方向屏蔽殼內部、且用于帶動所述內部振片進行周期性振動而采集相應方向電場信號的感應電流信號的振子。同時，本發明采用的另一技術方案是一種以上所述的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統使用的三維探頭，包括以三維空間坐標系的基點位置為機械結構基點，在三維空間坐標系的X向、Y向和Z向上分別伸出的X向屏蔽殼、Y向屏蔽殼和Z向屏蔽殼；以及，分別內置在相應方向屏蔽殼內部、且用于測量相應方向電場信號的單向電場測量振簧電容式探頭。進一步地，每個方向的單向電場測量振簧電容式探頭，包括設置在相應方向屏蔽殼外部、且面向外電場的外部振片，為防止風沙沙粒沖擊而設置在相應方向屏蔽殼內部、且與相應外部振片對應的內部振片，以及設置在相應方向屏蔽殼內部、且用于帶動所述內部振片進行周期性振動而采集相應方向電場信號的感應電流信號的振子。本發明各實施例的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統及三維探頭，由于該系統包括與風沙電場接觸、且用于采集風沙電場現場X向信號、Y向信號和Z向信號的三維探頭，分別與三維探頭的X向信號采集端、Y向信號采集端和Z向信號采集端連接、且用于對來自三維探頭相應方向的現場信號進行初級處理的前端處理單元，以及分別與前端處理單元連接、且用于對初級處理結果進行選擇和綜合處理的后端處理單元；可以采用三維探頭，主要通過具有定時功能的單片機和計算機處理終端，對風沙電場的現場信號進行三維空間范圍內的智能檢測和控制；從而可以克服現有技術中防風沙能力差、不具備抗干擾能力和智能化程度低的缺陷，以實現防風沙能力強、能夠屏蔽側向電場、測量范圍廣和智能化程度聞的優點。
本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。


附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中
圖I為本發明三維探頭的屏蔽殼的結構示意圖； 圖2為本發明基于三維探頭的智能風沙電場測量系統的工作原理示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。實施例一
根據本發明實施例，提供了一種三維探頭。如圖I所示，本實施例包括以三維空間坐標系的基點位置為機械結構基點，在三維空間坐標系的X向、Y向和Z向上分別伸出的X向屏蔽殼、Y向屏蔽殼和Z向屏蔽殼；以及，分別內置在相應方向屏蔽殼內部、且用于測量相應方向電場信號的單向電場測量振簧電容式探頭。具體地，每個方向的單向電場測量振簧電容式探頭，包括設置在相應方向屏蔽殼外部、且面向外電場的外部振片，為防止風沙沙粒沖擊而設置在相應方向屏蔽殼內部、且與相應外部振片對應的內部振片，以及設置在相應方向屏蔽殼內部、且用于帶動內部振片進行周期性振動而采集相應方向電場信號的感應電流信號的振子。上述實施例的三維探頭，是一種三維風沙電場測量探頭，可以用在在風沙電場空間處，實現一個空間點的三維同步風沙電場測量；該三維探頭，具有可屏蔽所測方向的側向電場功能和防風沙功能，同時又具備了一點三向同步測量的功能。上述實施例的三維探頭，使得每一個空間中的單點探頭(如單向電場測量振簧電容式探頭)，均可實現三維方向同時測量。該三維探頭的結構在原來的單向探頭上做了組合改進，其中三維探頭的機械結構的基點，為單向探頭空間坐標系的基點位置。在一個空間坐標系的橫向X、Y，縱向Z方向上各伸出一個屏蔽殼，內置單向電場測量振簧電容式探頭(其中面向外電場的外部振片，為了防止風沙沙粒沖擊影響，固定在屏蔽殼內，對應于外部振片的內部振片，由振子帶動進行周期振動采集感應電流信號)。實施例二
根據本發明實施例，提供了一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統。如圖I和圖2所示，本實施例包括與風沙電場接觸、且用于采集風沙電場現場X向信號、Y向信號和Z向信號的三維探頭，分別與三維探頭的X向信號采集端、Y向信號采集端和Z向信號采集端連接、且用于對來自三維探頭相應方向的現場信號進行初級處理的前端處理單元，以及分別與前端處理單元連接、且用于對初級處理結果進行選擇和綜合處理的后端處理單元。該三維探頭，可參見上述實施例一和圖I的相關說明，在此不再贅述。其中，上述前端處理單元，包括并行連接在三維探頭的相應方向信號采集端和模擬開關模塊之間的X向感應信號預處理模塊、Y向感應信號預處理模塊和Z向感應信號預處理模塊。X向感應信號預處理模塊、Y向感應信號預處理模塊和Z向感應信號預處理模塊，至少均包括初級放大和濾波模塊。上述后端處理單元，包括用于選擇相應方向的現場信號通過的模擬開關模塊，依次與模擬開關模塊連接、且用于對模擬開關模塊選擇通過的現場信號依次進行處理的后端放大和濾波處理模塊、采樣保持和峰值檢測模塊、A/D模塊、具有定時功能的單片機和計算機處理終端，以及與計算機處理終端連接的外部接口模塊；單片機還與模擬開關模塊連接，用于控制模擬開關模塊選擇相應方向的現場信號通過。該后端處理單元，采用了單片機CPU進行智能測量。在采用上述實施例一的三維探頭中的每個單向電場測量振簧電容式探頭之后，分別連接有相應方向的感應信號預處理模塊，對相應單向電場測量振簧電容式探頭采集到的變化電流信號，進行初步放大以及濾波處理。上述實施例的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，主要由三維探頭、三路探 頭感應信號的預處理模塊、模擬開關模塊、后端放大濾波模塊、采樣保持和峰值檢測模塊、A/D模塊和單片機(包含定時器功能的單片機)、計算機處理終端和對外部計算機的接口模塊組成。其中，三維探頭用于在空間單點采集三個方向X向、Y向，以及縱向Z向的風沙電場感應電流信號，其中，每個方向的感應電流通過單向電場測量振簧電容式探頭采集到后，進入探頭后方的預處理模塊。進行感應電流信號的預放大，預濾波處理。處理完成后的三路X、Y、Z向信號，一同接入到后端處理單元的模擬開關模塊。模擬開關模塊的地址信號，由帶有定時器功能的單片機周期性給出。單片機將輪流給出Χ、Υ、Ζ向信號的選通信號，因此X、Υ、Ζ輪流的周期通過模擬開關模塊，進入到后端的放大濾波處理、采樣保持和峰值檢測、A/D轉換，處理后的數字信號，將進入單片機CPU，單片機CPU根據發出的方向采集選通信號，對接收到的數字信號進行存儲分類，然后對應好相應的方向，輸出到計算機的接口模塊，傳輸到軟件里供用戶采集、計算。最后應說明的是以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，其特征在于，包括與風沙電場接觸、且用于采集風沙電場現場X向信號、Y向信號和Z向信號的三維探頭，分別與所述三維探頭的X向信號采集端、Y向信號采集端和Z向信號采集端連接、且用于對來自三維探頭相應方向的現場信號進行初級處理的前端處理單元，以及分別與所述前端處理單元連接、且用于對初級處理結果進行選擇和綜合處理的后端處理單元。
2.根據權利要求I所述的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，其特征在于，所述前端處理單元，包括并行連接在三維探頭的相應方向信號采集端和模擬開關模塊之間的X向感應信號預處理模塊、Y向感應信號預處理模塊和Z向感應信號預處理模塊。
3.根據權利要求2所述的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，其特征在于，所述X向感應信號預處理模塊、Y向感應信號預處理模塊和Z向感應信號預處理模塊，至少均包括初級放大和濾波模塊。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，其特征在于，所述后端處理單元，包括用于選擇相應方向的現場信號通過的模擬開關模塊，以及依次與所述模擬開關模塊連接、且用于對模擬開關模塊選擇通過的現場信號依次進行處理的后端放大和濾波處理模塊、采樣保持和峰值檢測模塊、A/D模塊、具有定時功能的單片機和計算機處理終端；所述單片機還與模擬開關模塊連接，用于控制模擬開關模塊選擇相應方向的現場信號通過。
5.根據權利要求4所述的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，其特征在于，所述后端處理單元，還包括與所述計算機處理終端連接的外部接口模塊。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，其特征在于，所述三維探頭，包括以三維空間坐標系的基點位置為機械結構基點，在三維空間坐標系的X向、Y向和Z向上分別伸出的X向屏蔽殼、Y向屏蔽殼和Z向屏蔽殼；以及，分別內置在相應方向屏蔽殼內部、且用于測量相應方向電場信號的單向電場測量振簧電容式探頭。
7.根據權利要求6所述的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，其特征在于，每個方向的單向電場測量振簧電容式探頭，包括設置在相應方向屏蔽殼外部、且面向外電場的外部振片，為防止風沙沙粒沖擊而設置在相應方向屏蔽殼內部、且與相應外部振片對應的內部振片，以及設置在相應方向屏蔽殼內部、且用于帶動所述內部振片進行周期性振動而采集相應方向電場信號的感應電流信號的振子。
8.一種根據權利要求I所述的基于三維探頭的智能風沙電場測量系統使用的三維探頭，其特征在于，包括以三維空間坐標系的基點位置為機械結構基點，在三維空間坐標系的X向、Y向和Z向上分別伸出的X向屏蔽殼、Y向屏蔽殼和Z向屏蔽殼；以及，分別內置在相應方向屏蔽殼內部、且用于測量相應方向電場信號的單向電場測量振簧電容式探頭。
9.根據權利要求8所述的三維探頭，其特征在于，每個方向的單向電場測量振簧電容式探頭，包括設置在相應方向屏蔽殼外部、且面向外電場的外部振片，為防止風沙沙粒沖擊而設置在相應方向屏蔽殼內部、且與相應外部振片對應的內部振片，以及設置在相應方向屏蔽殼內部、且用于帶動所述內部振片進行周期性振動而采集相應方向電場信號的感應電流信號的振子。
全文摘要
本發明公開了一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統及三維探頭，該系統包括與風沙電場接觸、且用于采集風沙電場現場X向信號、Y向信號和Z向信號的三維探頭，分別與所述三維探頭的X向信號采集端、Y向信號采集端和Z向信號采集端連接、且用于對來自三維探頭相應方向的現場信號進行初級處理的前端處理單元，以及分別與所述前端處理單元連接、且用于對初級處理結果進行選擇和綜合處理的后端處理單元。本發明所述基于三維探頭的智能風沙電場測量系統及三維探頭，可以克服現有技術中防風沙能力差、不具備抗干擾能力和智能化程度低等缺陷，以實現防風沙能力強、能夠屏蔽側向電場、測量范圍廣和智能化程度高的優點。
文檔編號G01R29/12GK102879653SQ20121036954
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者謝思瑩, 梁軼瑞, 鄭曉靜 申請人:蘭州大學