大气电场仪的原理与应用
大气电场仪在雷电监测预警中的应用
电荷 中心 的电 荷量 和位 置 。 出警 报 。但 由于 雷暴 云 内 的 的影响 。若 周 围有尖 端物 体 ， 发 由于尖 端 电晕 放 电会 形 成 厚 电荷结 构 十分 复杂 ，雷 暴 云 中并 不 是 只有一 个 雷暴 单体 。 达 几米 的 空间 电荷屏 蔽 层 ． 使地 面电场 不能 真 实反 映雷 暴
根据 以上 分 析 。 目前 利 用 地 面 电 场 资 料 监 测 预 警 有 两 次 出现 预警 条件 。 解 除报警 。 则
种方法 ： （ ） 电场 仪 组 网 ， １将 按公 式 （ ） （ ） 可推 算 出云 中 ２或 ３即
地面 电场 仪是 安 装在 地面 上 的 。 因此 容 易受 周 围 物体
探 测及 空 间 电场探 测 。现 阶段 主要是 对地 面 大气 电场进 行 探 测 ， 而监 测 被 探 测 地 区上 空 雷 雨 云 的整 个 过 程 （ 电 从 起
＝
１
一
］
过程、 电荷 积 累程 度和 消散 过程 ） 气 电场仪 可连 续监 测 。大
因 此 对 具 有 垂 直 偶 极 性 电 荷 结 构 的 雷 暴 。地 面 电 场 和 雷暴 在 地 面 产生 的静 电场 以及 云 闪和 地 闪 的发 生情 况 。 所 云 闪产 生 的 电场 变 化 随着 雷 暴 的 移动 其 极 性 的变 化 应 是
要 了解 的 。
熟， 并发 生 闪电， 是 由于 雷暴较 远， 但 这时 所测 的电场 值会 比较小 ， 电场仪 不会 报 警 ，只有 当雷 暴靠 近使 得 电场 值 超
４ 多站 电场 仪资 料在 雷 电监测预 警 中的应 用
大气 电场 仪 主要 用 于探 测 大 气 中带 电物 质 所 引 发 的 过 预警 值时 才报警 ， 使得 报警 滞后 。 这 因为 上述缺 点 ， 设 在 可 地 面 电场 变化 ， 局部 地 区潜在 雷 暴 活动及 静 电事 故发 出 定 电场 预警 值 的 同时 ． 以在 电场 仪 的终 端软 件 中对 相 邻 对 警 报 。为 了增 强 大气 电场 仪 的 功 能和 扩 大 电场 的监 测 范 ２个 电场 采样 值进 行 比较 。当 ２个 采样 值 的差值 大 于某 一
浅谈大气电场仪的工作原理
２电场 仪 工 作 原 理
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 进 ｆ Ｊ 】 ． 解放 军理 工大学学报（ 自然科 学版 ） ， ２ ０ ０ ７ （ ８ ） ． 信号。（ 见图 １ ） ’ 【 ２ ］ 陈渭 民． 雷电学原理［ Ｍ 】 ． 北京 ： 气象出版社 ， ２ ０ ０ ３ ． 据研究 ， 近地面层干空气的击穿电位梯度约为 ３ ×１ ０ ６ ｗ ／ ｍ 。 在雾 『 ３ １ Ｐ 昆亮 ， 白德 宝． 一种新设 计的大气电场４ ｚ［ ｊ ］ ． 高原 气象， １ ９ ７ ９ （ １ １ ） ． 中， 空气击穿电位梯度约为 １ ０ ６ Ｖ ／ ｍ【 ｌ 】 。 所 以输人信号极其微弱 ， 通常 ［ ４ ］ 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 １ ， 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 ２ ｏ ｏ ８ （ １ ｌ １ ． 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目 。 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 电信号。 ２ ＿ ３ 电场极性的判断
关键 词 ： 大பைடு நூலகம்气 电 场仪 ； 电路 ； 电场 极性 ； 标 定
１ 概 述
目前雷电灾害事件逐年增加 ， 严 重影 响社会 的生产 生活 ， 因此 ， ／ Ｄ 转换 防雷工作正在社会 中迅 速展开 。 大气电场强度是大气 电学的基本参 ＿ ＿ Ｊ 数， 雷 电的发生总是 与大气 电场强度密切相关 的， 要发生雷 电 ， 大气 图１ 信号处理方框图 中电位梯度需达到大气击穿电位 梯度 。因此 ， 可 以从大气龟场的变 化情况来监测雷电 Ｉ ｌ ｌ 。大气电场仪的研究起 源于 Ｈ ａ ｒ ｎ ｗ ｅ ｌ ｌ 和Ｖ ａ ｎ — 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 Ｖ ｏ ｏ ｍｉ ｓ ｔ ２ １ ， 后经许 多人如 Ｍｉ ｒ ｋ ｐ ａ ｔ ｒ ｉ ｃ ｋ和 Ｍ ｉ ｙ ａ ｋ ｅ ｔ ３ ｊ 的改进 ， 使仪器 能够 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 测量大气 电场 的大小 ， 辨别 大气 电场 的符号 的仪器 。本文将全面介 定的相敏检波器 。 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 ２ ． ４标定 以及 电场仪的标地方法 。 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
DNDY大气电场仪雷电监测预警系统
否正常。如果室内供电正常，则需要打开电源盒，看电源板上的三盏
灯是否工作。若上两盏常亮且第三盏每 10 秒闪一次，这证明从室内到
室外的线路出现了问题。如果电源灯都不亮，则检查防雷模块是否完
好。如果电源正常而第三盏灯没有 10 秒闪烁，则进入下一步检测。
最后打开玻璃钢罩，看数字电路板上的四盏灯的状态。正常时 mcu
输出波特率 固定 4800 波特率
信号接口 9 芯 232 接口
精确度
<20V/m
环境
温度:-20℃到 60℃，湿度：0%-100%，场地平坦空旷
测量准确性 5%
可靠性
100%告示电场变化
错误报警 响应时间 电参数 电机角速度 电源提供 电力消耗 设备物理参数 高度 质量
30% 1秒
1000r/m 12V、5V AC/DC 模块供电 <2W
帧长度
38 字节
表 2 DNDY 地面电场仪输出数据帧格式
3、电场仪故障检测
当显示终端没有数据以后，进行如下步骤的检测：
首先，看通信模块是否工作正常，是否每 10 秒闪烁一次。如果正
常，则需要检查网络和显示终端电脑的防火墙设置是否正常。如果没
有 10 秒闪烁，则进入下一步检测。
接下来看探头的叶片是否转动，如果不转，则先检查室内供电是
2、DNDY 型地面电场仪介绍 DNDY 型地面电场仪是一种高集成度的探测设备，室外设备直接将
探测结果进行 AD 转换，通过串口传给远程通信模块。室内的通信模块 将收到的数据实时发送到远程终端进行显示。如下图所示：
图 4 DNDY 地面电场仪结构框图
室外探头主要包括电源和探头两部分。探头负责对地表附近的大气 电场进行测量，在完成一次数据采集以后将转换结果打上时标发送出 去。电源部分主要完成对探头进行供电，电路板上的指示灯显示电源 和数据发送是否正常。此外，电源部分还包括对市电和串口的防雷， 抵抗因雷击或电网中大功率设备通断电产生的浪涌侵袭，保护设备不 受损坏。
谈大气电场仪在闪电监测预警中的应用
ｌ Ｉ 土 泺交流 ： ２ ２ ０ Ｖ ±２ ２ Ｖ
输 出功耗
＜ ８ ｗ
记 录 方 式 数槲文档存储及变化 曲线显示
１ ０ ２ 信息系统Ｔ程 Ｉ ２ ０ １ ３ ． ４ ． ２ ０
图２一次 负闪雷 暴过 程中 电场探 测结 果
Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ＯＬ ＯＧ Ｙ 技 术 应 用
位置的变化 ，从而也就知道 了雷暴 云的移动路 径。
面产生 电场的矢量和 ，所以单点地面大气 电场的测量不
能准确地反映雷雨云 中的雷电活动状况 ，需要地面电场 仪的组 网观测 ，利用空 间电场反演计算模 型 ，根据电场
资料反演得到可靠的雷雨云中强电荷 中心的强度 、极性 和分布 ，确定雷雨 云的空间位置 ， 并结合 区域 内闪电 定位 系统提供的闪电位置信息 ，进行雷电的预警预报 。
响 时
指标要求 ０ １ ０ ｋ ｍ
＜ ２ ０ Ｖ ／ ｍ
性能 名称 电场测量范
测 餐误 差
｛ ｋ ¨ ５ ｃ ＂ ￣ 要求
。
±５ ０ ｋ Ｖ ／ ｍ
＜ ５ ％
１
７
３
…ｊ Ｉ ～
ｓ Biblioteka ５ ０ ｍ ｓ 模拟输 出ｆ Ｕ 爪 ± １ ０ Ｖ
害越来越严重 ，社会对雷电灾害的监测 、预警预报和产
产生交变 的电流信号 ，经过Ｉ ． Ｖ转换 以后得到一个交流
电压信号 ，通过对该电压信号进行多级线性放大 ，可以
品服务有强烈的需求。利用多站大气 电场联 网监测地面
电场 ，提供 监测 区域内地面 电场的分布 以及雷暴空间电 荷的分布和移动路径 ，为雷 电的监测和预报提供重要的
得 到最终的输 出直流电压信号Ｖ 与实际电场强度Ｅ存在
大气电场仪在万载雷电预警中的应用
农业灾害研究 2023,13(9)大气电场仪在万载雷电预警中的应用徐 岗，苏 缘，赵 珞，李 茜，刘 菁万载县气象局，江西万载 336100摘要 立足于万载地区的气候和地理特点，详细分析了大气电场仪的基本原理和技术参数，并深入探讨了大气电场仪逆行雷电预警的物理原理和操作方法。
针对大气电场仪在万载雷电预警中的应用优势和挑战进行详细分析，并提出应对措施，为相关从业人员提供参考。
关键词 大气电场仪；雷电预警；应用中图分类号：P427.3 文献标识码：B 文章编号：2095–3305(2023)09–0139-03雷电灾害给人们的生命和财产带来了极大的威胁，有效地预警雷电灾害成为一项重要任务。
作为一种新型的雷电预警仪器，大气电场仪具有高灵敏度、高准确度、快速响应等特点，在雷电预警中发挥着重要作用。
随着技术的不断进步和应用的不断推广，大气电场仪已成为现代雷电预警系统的重要组成部分。
1 万载县的气候和地理特点万载县处于赣中西北边陲，属于亚热带湿润气候，1991—2020年年平均气温为17.9 ℃，年平均降水量为1 747.1 mm，降水集中在3—9月，占全年降水的70%以上。
雨季期间雷电灾害频发，严重威胁当地农业生产和人民生命财产安全。
万载县地势复杂，南部和西北部地势高，东部地势偏低，地势由西北向东南逐渐倾斜。
南部属峰顶山——蒙山山脉，北部为九岭山脉初级隆起所组成的古陆山脉。
县境内800 m以上的山峰有36座，最高峰位于县北55 km处高村镇上坪村的仙姑岽(旧称太阳山)，海拔1 404.4 m。
最低点为三兴镇沙潭村的均车，海拔70 m。
地形形状和高低起伏对雷电发生和传播具有重要影响。
万载自古有“花炮之乡”的美誉。
截至2023年全县仍有170余家花炮企业，在县城区域内有大量一类防雷建筑物。
花炮企业的生产过程中涉及大量的一类防雷库房、生产车间、设备，若防雷保护不到位，会对库房、生产车间、设备甚至人身安全造成极大的威胁。
大气电场仪在贵州雷电监测预警中的应用浅析
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·150·2020年第11期文章编号：2095－6835（2020）11－0150－02大气电场仪在贵州雷电监测预警中的应用浅析李迪1，陆扬2（1.贵州省气象灾害防御技术中心，贵州贵阳550002；2.贵州省大气探测技术与保障中心，贵州贵阳550002）摘要：分析了当前利用大气电场仪的电场变化，实时获取雷电发生、发展及消亡过程信息。
基于大气电场仪监测到雷暴云中雷电活动引起的地面电场值变化，结合闪电定位资料的个例分析，得出地面大气变化可以较好地反映闪电活动信息，避免和减轻雷电灾害的影响。
关键词：大气电场仪；雷电监测；地面电场；雷电灾害中图分类号：P429文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2020.11.0641引言贵州省位于云贵高原东侧，地形以山区为主，特殊的地理环境与地势地貌为冷暖空气交汇活动提供了条件，天气情况复杂，强雷暴单体和雷暴群现象经常出现，造成雷电天气过程极易发生。
近50年来，全省年平均雷暴日达51.6d，属多雷暴区。
雷电灾害是最严重的灾害之一，雷电和其他灾害天气相比，具有时间分布的瞬时性、季节性和频繁性，空间分布的广泛性、分散性和局地性等特点，这样就增加了雷电预报的准确性的难度。
据近年来的不完全的雷击数据显示，贵州全省易受雷击的场所（如建筑、园区等）因雷电引发的事故逐年增加，特别是高层建筑及弱电设施的雷灾事故呈上升趋势。
随着贵州省经济的快速发展，对雷电预警业务服务的需求日趋丰富化、多元化，服务专业化，用户对雷电产品的需求不再是进行雷电实况的监测。
因此，充分利用大气电场资料进行雷电的综合预警符合社会对雷电预警产品的需求。
2大气电场仪探测原理大气电场仪是利用置于电场中的导体，其上产生感应电荷的原理进行电场测量的。
当雷雨云内发生电荷积累时，地面电场值将发生变化。
大气电场仪的作用和参数
大气电场仪的作用和参数
编辑：郑州万佳防雷薛
产品介绍
大气电场仪主要用于连续监测大气电场强度的一款气象仪器；
电子式大气电场仪其采用速率远高于场磨式电场仪，提升千倍以上，其电源结构也支持移动供电，软件为嵌入式内置，从而使得安装及使用更加方便；
高精度的采样能识别云间闪与云地闪，当用户选配GPS模块后，结合电磁场信号接收天线更可实现雷电方位判别及落雷区间定位；
由于大气电场强度的变化与雷电的发生及强降水等天气现象密切相关，常被用于雷电预警系统；
大气电场仪具备雷电预警信号实时输出功能，预置内部算法，预警准确率高，曾为奥运会奥帆基地、上海世博会、南京青奥会提供相关产品服务。
技术指标
平均探测效率：91%
观测频段：1k～450kHz
探测范围：0～600km，平均310km
测向精度：理论随机误差0.5°
回击分辨率：云地闪3ms
时间接收源精度：相对世界时130ns，探测仪之间小于50ns
工作环境温度：－40℃～+70℃；
环境相对湿度：0～100％
降雨：7.6cm/h在风速为65km/h
平均无故障运行时间：≥8000小时
工作电压：AC200～240V，50HZ
功耗：＜25W
尺寸：高约m，直径cm。
场磨式大气电场仪及其标校系统
电报警 ， 从 而实 现 区域 电场 测 量 、 雷 电 预警 。单 个 探 头能够 对半 径 １ ５～２ ０ ｋ ｍ 区 域 的雷 电 进行
预测 。
由于 大气 电场仪 是 一种 放 置 野外 的探 测 仪 器， 随着 时间 的推移 以及 恶 劣 天气 的影 响 ， 其 精 度会 受到一 定 的 影 响 ， 特 别 是 应 用 在 因 闪 电 袭
什 么时 间周期 应该 标校 。杭 州 市 气 象仪 器 检 定
所通 过 对 大 量 的 大 气 电 场 仪 标 校 积 累 实 际 经 验， 希望有 需要 大气 电场 仪 标 校 的用 户单 位 ， 可 以定期送 去进 行标 校 。借 此也 呼吁 相关 管 理 机
构 尽早 出 台标 校 技 术 规 范 或 标 准 ， 使 得 大 气 电 场 仪标校 规 范化 。
击可 能引起 爆 炸 场所 的 大 气 电场 仪 ， 更 应 该 确
３ ８
表 １ 电 压 电 场 测 试 标 定 值
浙 江
气 象
３ ４卷 ３期
应用 在 闪电 袭 击 可 能 易 燃 、 易 爆 场 所 的大 气 电 场仪， 也许 用户 不一 定 知道 什 么地 方 可 以标 校 ，
匀 的扇形 金 属 片 组 成 ， 其 中 一 组 几 个 扇 形 片 是 感应 （ 固定 的 ） 片， 另 一组 几个 扇形 片 是旋 转 片 。 由于大气 静 电场 是 一 个 直 流 分 量 ， 在 感 应 片 之 间感 应 出的 是 直 流 电流 ， 而 且 这 一 直 流 分 量 很 小， 需要 经 过 多 级 信 号 放 大 才 能测 量 。 电场 磨
晴天 地 面大气 电场值 一 般 在 ２ ０～３ ０ ０ Ｖ ／ ｍ
大气电场仪netstorm资料
ATS1001 产品优势
ATS1001 是一个系统，它所应用到的各项关键技术产品完全 由本公司自行研发生产，产品质量都是通过国家认证的，该项目 受国家创新基金支持，这使得该产品在市场上与同类产品比较的 话，不仅拥有质量上的优势，也有价格上的优势。
应用领域
● 气象观测系统 ● 电力系统 ● 机场及航空航天基地 ● 油田油库石油钻井平台 ● 易燃易爆物品储存所 ● 大型关键电子设备 ● 高尔夫球场、大型游乐场、海滨
浴场 ● 野外采矿区 ● 森林防火 ● 等等
Netstorm 产品优势
侦测探头采用了差模测量技术 (有两个电极,所采集的 数据是两个电极的差模)，相对于现在市场上采用共模测量 的同类产品，避免了许多不必要的干扰信号，提供了更准确 的测量结果。
IEC62305-2（风险评估） 提出的安全要求。
● 扩展应用：把安装在某个行政区域内安 装点的侦测探头联成一体，把所收集的数据进行 综合分析，那么我们则可得到整个区域的雷电带 电云层的变化资料。 把这些数据与闪电定位系 统、大气云层监测系统所采集的数据进行综合对 比，这将使我们能充分掌握大气带电云层在雷电 放电之前、放电之后的各种数据，从而可以更好 的为雷电科研与工农业生产提供完善的服务。
● 监控软件具有记录事件发生的功能，可供事后进行查询、汇总、统 计、分析等。
● 能适应各种恶劣的环境，有优秀成熟的太阳能供电技术支持，采用 的核心材料在海洋和化学工业环境中的耐腐蚀能力远远强于其他同类产品。
● 强大的研发团队、先进的科学技术支持、人性化的软件服务、卓越的产品品质使我们一直处于同类 产品中的领先地位。
旅游景区雷电预警方案
旅游景区雷电预警方案
编辑：万佳防雷
旅游风景区
高尔夫球场雷电预警系统方案大型游乐场
一、概述
近年来，与气候变暖有关的极端天气或气候事件在全球大多数地方越来越频繁地发生，造成各种灾害，给社会经济、生态环境以及人类健康带来诸多不利影响。
在我国的大部分地区，每年月以后，各种雷电天气明显增多，雷电事故频繁发生，严重危及景区的工作人员和游客生命财产安全。
由上海晨辉科技有限公司研发的“大气电场监测与雷电预警系统”，可实时、安全、可靠地发布雷电灾害预警信息。
为景区有关部门做好防雷减灾工作提供支持，为广大人民群众增强防雷意识，采取避险措施提供了有效的帮助，可有效保障游客生命及财产安全。
二、预雷者大气电场仪介绍
大气电场仪工作原理
众所周知，雷电是由于雷雨云中的电荷达到一定的数量时，在云内不同部位之间与地面之间就形成了很强的电场，当电荷积聚到一定程度时，就会在云与云之间或云与地之间发生放电现象。
即雷电的发生来源于雷云内部的电荷累积，这意味着只要能够准确检测空间静电场的变化，就可以间接了解雷云电荷累积的情况。
根据多年来世界各地所记录的相关气象资料表明，雷电的发生需一定条件，。
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大气平均电场仪的原理与应用
1.1大气平均电场仪的基本原理
在静电场中放置一导体，导体的表面就会产生感应电荷，其感应电荷密度为σ=kε0E(1)
式中，ε0=8.854×10−12F
m
，为真空介电常数；k为由导体放入电场中所引起的电场畸变系数；E为电场强度。
如果导体的有效面积为A，则在导体表面感应的电荷量为
Q=Aσ=A kε0E(2)
假定感应导体对地面的电容为C，则由此造成的感应电压为
V=Q
C =Akε0E
C
(3)
采用一定的运算放大电路可以测量出电压V，进而可以得到大气电场强度E。
下面以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所产生的PDC-1型大气品均电场仪为例，简述其构成和构成方式。
PDC-1型大气平均电场仪主要由电场传感器、电场测量控制器、接地金属板及支撑架组成。
电场传感器采用机械动态旋转的测量方法（即场磨），主要由动片、静片，同步叶片、机械传动系统及前置放大器组成。
大气电场在静片上感应电荷，动片接地，其作用是周期性的使静片被屏蔽和暴露于大气电场中。
控制电路部分主要由电场信号模拟放大、电场信号鉴别、模拟信号驱动输出，电场信号数字化处理及预编程序控制的电场数据采集、显示、存储等。
圆柱形传感器倒挂在支架上，感应电场信号通过专用电缆送入室内的测量控制器，数字化处理后的电场强度数值在显示器上显示，同时经过RS-232数据接口向计算机记录系统传送，计算机实时记录显示电场强度数据，所记录的历史资料可查询处理及回放。
大气平均电场仪可以单台独立连接记录设备使用，也可多台仪器组网遥控遥测使用，其电场测量范围分为±5kV/m和±100kV/m两档，响应时间0.1s，模拟测量分辨率±5V/m,测量精度±（1%×测量值+10V/m）。
虽然一次闪电放电可以引起大气平均电场的脉动式变化，但是它仅仅能反映一次雷电放电产生的平均电场变化或整体电场变化，不能分辨雷电的详细放电过程，也无法判断闪电类型，即是云闪还是地闪。
1.2大气平均电场仪的应用
大气平均电场仪用于测量大气的平均电场强度，可以连续监测大气平均电场强度及其极性的变化，既可以反映小到100V/m量级的晴天电场，也可以对数十kV/m的雷暴电场进行监测，在雷暴监测及预警中被广泛应用。
为了避免带电雨滴的影响，大气平均电场仪一般采用电场感应器倒置的场磨式工作方式，可以在野外比较恶劣的雷暴天气条件下工作。