大气电场仪的工作原理浅析

大气电场仪的工作原理浅析
【摘要】本文通过雷暴云在地面电场产生的信号强弱计算分析，介绍了大气电场仪的探测原理，分析了其电路设计的要求，电场极性的识别方法及其标定的方法。

【关键词】大气电场仪;电路;电场极性;标定
1.引言
大气电场强度是大气电学的基本参数，雷电的发生总是与大气电场强度密切相关的，大气中电位梯度达到大气击穿电位梯度是雷电发生的必要条件。

因此，可以从大气电场的变化情况对雷电进行监测以及预警[1]。

大气电场仪是能够测量电场的大小，辨别电场符号的仪器。

本文将重点介绍大气电场仪的探测原理，分析电路设计要求、电场方向识别方法以及电场仪的标地方法。

2.电场仪工作原理
利用导体在电场中产生感应电荷的原理，电场仪传感器由定片和动片组成，动片的旋转使定片的感应电荷转换为和大气电场成正比的电压量。

电场仪处理并显示电场值，电场值传送至计算机[1]。

图1 电场感应器结构示意图
2.1 大气电场感应器
大气电场感应器由上、下两片相互平的、有一定间距形状、相似的几片叶片连接在一起的对称扇形金属片组成（如图1所示）。

下面的金属片用来感应电荷，固定不动，称为定片。

上面的金属片由马达驱动旋转，称为动片，并与地相联接，它既起屏蔽定片的作用，又使业片暴露于大气电场中。

当动片旋转时，定片便交替地暴露在大气电场中，由此产生交变电信号，信号的大小与大气电场强度成正比。

当动片旋转时，它对定片起周期性的屏蔽作用，于是定片一会完全暴露于大气中，一会儿则完全屏蔽掉，有时只露出一小部分。

如果定片有面积为暴露于大气中，在它上面出现感应电荷，则有：
其中为导体面电荷密度，根据高斯定理导体表面电场强度E与面电荷密度关系为：
又因为感应电荷是随时间变化的，则有电流信号I产生：
假设动片转动的周期时间为T，动定片重合时t为零，则转动速率为：
其中S为一片叶片的面积，n为叶片的片数。

则定片暴露出来的面积为：
当0≤t≤T/2
当T/2≤t≤ T
则电流I与电场E的关系为：
为了适应于在恶劣天气条件下使用，对感应头的结构进行了特殊的考虑。

为了防止严重雨雪、冰雹的干扰，各叶片应有足够的强度，并且它们之间的间隙也要足够大。

感应片是由有机玻璃柱支撑，每个支柱上装有防水罩，在轴的顶部也装有防水罩。

电缆从下面的引线孔引出，在孔上装有用橡胶垫压紧的密封接头，使水不能浸入，电路板装在密封的金属盆内，以防止受潮。

感应头的外壳用铝铸成，各叶片镀铬，以防止生锈[2]。

2.2 信号处理电路
信号处理电路将交变电信号进行放大等处理为系统所要求的信号。

图2 信号处理方框图
图3 三运放放大器电路
据研究[3]，近地面层干空气的击穿电位梯度约为3×106V/m。

在雾中，空气击穿电位梯度约为106V/m。

所以输入信号极其微弱，通常只有几微安，必须采用多级的、高增益的、强抗干扰的放大电路，将信号放大到后端A/D电路所能接受的范围。

为了避免干扰造成信号失真，电路中要加入低通滤波器，以降低低频噪声的干扰。

其中前置放大电路关系到整个放大电路的优劣，必须具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和强抗干扰能力等性能[4]。

当然，由上面式子可知，可以增大金属片的面积、动片的转速来增大输入电流信号。

具体设计可采用三运放放大器电路（如图3所示）、跨阻放大器（如图4所示）。

其中：R2=R3、R4=R5、R6=R7
即：
输出电压：
设，则：
可见，电路放大差模信号，抑制共模信号。

差模放大倍数数值愈大，共模抑制比愈高。

当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。

图4 跨阻放大器
2.3 电场极性的判断
大气电场仪在进行地面大气电场监测时，不仅要测量出被测电场的强度，还要辨别出被测电场的极性。

由电流I与电场E的关系可知，感应头输出的信号为方波。

现在设定t0时，定片与动片重合;而且，雷暴云底部带正电荷时为正电场。

带负电荷时为负电场。

则可知正负电场输出波形如图5所示：
图5 正负电场输出波形图
电场的极性通常采用相敏检波的方法来区别，因此需要在电场仪的前置放大电路中加入相敏检波器。

常用的相敏检波器有两种：一种由变压器和二极管桥组成，这种电路体积大，稳定性差;另一种则由模拟乘法器构成，性能上得到了很大提高，但价格高，调试麻烦。

可以根据大气电场仪探头的结构特点和大气电场测试中对检波器的要求，通过同步信号发生器，实现两路输入信号同频同相，利用光电开关、四通道模拟开关和运放组合设计一种结构简单，性能稳定的相敏检波器[5]。

2.4 标定
目前各个地方使用着不同类型的电场仪，它们的参数各不相同，使用科学的标地方法很重要。

特别是使各地监测的数据保持一致性，有利于各地的雷电监测预警系统的联网工作的开展。

首先利用公式E=V/L，式中V为加在标定装置的两极板间的已知电压，L 为两极板间的距离。

当改变两极板间的电压，即改变了两极板间的电场，读出不同电场下仪器的显示数值（包括线性值和折线值），修正电场与输出电压的比例系数K0。

由于在不同的高度，大气电场强度Ex不一样，而大气电场仪感应头通常处在一定的高度，所以将精度高的感应头放置地面挖好的凹处，并在凹处上面，持平地平面，盖上一金属片。

金属片上切去一块和感应片相同大小的面积，然后使感应头刚好处在切区的面积下面，并且转片与金属片面持平。

这时测到的电场强度E0即位地面电场强度，从而得出E0与Ex的比例系数K1。

3.结束语
目前，贵州省的雷电监测预警工作已在全省展开，大气电场仪被广泛使用。

本文介绍了大气电场仪的探测原理，分析了其电路设计的要求，电场方向的识别方法及其标定的方法，为大家在使用大气电场仪过程中提供技术参考。

参考文献
[1]陈渭民编著.雷电学原理[M].北京：气象出版社，2003.
[2]卢昆亮，白德宝.一种新设计的大气电场仪[J].高原气象，1979（11）：3-4.
[3]杨波，邱实，高太长.大气电场仪联网数据一致性及预警方式的改进[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2007（8）：8-4.
[4]孟丽霞，于林丽，濮钰麒，王斌，林燕凌，居滋培.微小信号放大电路设计[J].仪器仪表学报，2006（6）：27-6.
[5]唐海，行鸿彦，季鑫源.大气电场仪中相敏检波器的分析与设计[J].2008（11）：8-3.。