CN212749060U - 一种监测闪电电场信号的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种监测闪电电场信号的装置，包括传感器、信号处理部分和信号采集显示部分，所述信号处理部分包括电荷放大电路、相敏检波电路、滤波电路和电压跟随器；所述电荷放大电路的输入端连接接线端子P1，电荷放大电路的输出端连接相敏检波电路的输入端，相敏检波电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端连接接线端子P4。本实用新型所述装置的信号处理能力强，能够提高大气电场仪输出信号的稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及雷电科学与技术，具体涉及一种监测闪电电场信号的装置。
背景技术
作为一种雷电预警设备，大气电场仪在我国只是最近才被人们所重视。它是一种通过监测地面电场的实时变化实现对带电云层活动状况进行监测的设备，因此，可以实现对雷电的短时预警。常见的电场仪可分为探空式和地面式两种。探空式电场仪又分为双球式电场仪和微火箭电场仪；地面式电场仪则主要是指场磨式旋转电场仪。双球式电场仪和微火箭电场仪是通过气球和小火箭直接送到空中，测量云层电荷所产生的电场，测量时间是有限的，获得的数据也是有限的，且为一次性使用设备，相应成本较高，只适用航天器发射场的雷电监测与预警。地面式电场仪中场磨式旋转电场仪是一种能适用于多种场合，多种用途，长时间连续性运行的设备，相应成本较低。但是，地面电场仪主要应用于高尔夫球场、大型运动场等一些露天场所，以单站点对小范围内进行雷电预警为主，存在着预警成功率低、提前预警时间不容易控制的缺点。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种信号处理能力强、提高大气电场仪输出信号稳定性的监测闪电电场信号的装置。
技术方案：本实用新型包括传感器、信号处理部分和信号采集显示部分，所述信号处理部分包括电荷放大电路、相敏检波电路、滤波电路和电压跟随器；所述电荷放大电路的输入端连接接线端子P1，电荷放大电路的输出端连接相敏检波电路的输入端，相敏检波电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端连接接线端子P4。
所述电荷放大电路包括运算放大器U1，所述运算放大器U1的2脚与6脚之间并联反馈电容C3，运算放大器U1的3脚接地，运算放大器U1的4脚分别连接电阻R2和电容C4，电容C4远离运算放大器U1的4脚的一端接地且电容C4两端并联连接电容C1；所述运算放大器U1的7脚分别连接电阻R3和电容C2，电容C2远离运算放大器U1的7脚的一端接地且电容C2两端并联连接电容C5。
所述运算放大器U1的2脚与6脚之间还并联连接电阻R1，用于确保电荷放大电路的正常工作。
所述相敏检波电路包括电阻R4、运算放大器U2，所述电阻R4的一端连接运算放大器U1的6脚，电阻R4的另一端连接运算放大器U2的2脚，运算放大器U2的2脚与6脚之间并联电阻R7，运算放大器U2的3脚接地，运算放大器U2的4脚分别连接电容C8和电阻R5，电容C8的两端并联连接电容C6，电容C8远离运算放大器U2的4脚的一端接地，运算放大器U2的7脚分别连接电容C7和电阻R6，电容C7的两端并联连接电容C9，电容C7远离运算放大器U2的7脚的一端接地。
所述相敏检波电路还包括电阻R8、运算放大器U3，所述电阻R8的一端连接运算放大器U2的6脚，电阻R8的另一端连接运算放大器U3的2脚，运算放大器U3的2脚与6脚之间并联电阻R11，运算放大器U3的3脚接地，运算放大器U3的4脚分别连接电容C12和电阻R9，电容C12的两端并联连接电容C10，电容C12远离运算放大器U3的4脚的一端接地，运算放大器U3的7脚分别连接电容C11和电阻R10，电容C11的两端并联连接电容C13，电容C11远离运算放大器U3的7脚的一端接地。
所述相敏检波电路还包括光电门P3、电阻R12、电阻R13、四通道模拟开关U4，所述光电门P3的1脚接正电源，光电门P3的2脚与四通道模拟开关U4的13脚以及6脚连接，光电门P3的2脚和3脚之间连接有电阻R13，光电门P3的3脚接地；所述四通道模拟开关U4的8脚连接运算放大器U3的6脚，四通道模拟开关U4的14脚和电阻R12的一端共同接正电源，电阻R12的另一端与四通道模拟开关U4的1脚及12脚连接，四通道模拟开关U4的11脚连接在运算放大器U2的6脚与电阻R8之间，四通道模拟开关U4的2脚和7脚共同接负电源。
所述滤波电路包括电阻R14、电阻R15、电容C14、电容C16、运算放大器U5，所述电阻R14一端连接四通道模拟开关U4的9脚及10脚，电阻R14的另一端与电阻R15串联连接，电容C14一端连接在电阻R15与运算放大器U5之间，电容C14另一端接地，运算放大器U5的2脚与6脚连接，电容C16一端连接在电阻R14和电阻R15之间，电容C16另一端与运算放大器U5的6脚连接，运算放大器U5的4脚分别连接电阻R16及电容C18，电容C18的两端并联连接电容C15，电容C18远离运算放大器U5的4脚的一端接地，运算放大器U5的7脚分别连接电阻R17及电容C17，电容C17的两端并联连接电容C19，电容C17远离运算放大器U5的7脚的一端接地。
所述电压跟随器包括运算放大器U6，所述运算放大器U6的1脚分别连接电阻R18和电容C20，电容C20的两端并联连接电容C21，电容C20远离运算放大器U6的1脚的一端接地，运算放大器U6的2脚与1脚并联连接，运算放大器U6的6脚分别连接电阻R19和电容C22，电容C22的两端并联连接电容C23，电容C22远离运算放大器U6的6脚的一端接地，运算放大器U6的7脚与6脚并联连接，运算放大器U6的8脚与运算放大器U5的6脚连接，运算放大器U6的4脚与接线端子P4连接。
所述滤波电路中的运算放大器U5与相敏检波电路中的运算放大器U2、运算放大器U3的型号相同。
所述电压跟随器中运算放大器U6采用LH0002型号，能够提高放大电路的带负载能力且保证信号输出。
有益效果：本实用新型与现有技术相比，其有益效果在于：(1)能够将感应到的电荷转变为电压信号并放大至仪器可监测范围，且输出与感应到电场成正比的正弦电压信号，频率与设计的电场仪的转动频率相同；(2)利用OP07研制了反相电压跟随器，得到两组相同幅度和频率的反相正弦电压信号，进一步放大电压信号并用于相敏检波；(3)运用光电门产生与感应电场信号相同相位频率的方波信号，结合四通道模拟开关对信号进行全波整流，输出与待测电场极性相同的交流电压信号，信号幅值与待测电场大小成正比，频率为待测电场波形频率的两倍；(4)利用运放OP07设计SK二阶有源低通滤波电路，用于滤除相敏检波电路输出信号中交流分量，得到与待测电场极性相同，幅值成正比的直流电压信号，便于后续的信号采集处理；(5)利用LH0002设计电压跟随器，提高放大电路的带负载能力且保证信号输出。
附图说明
图1为本实用新型的电路图；
图2为本实用新型中电荷放大电路的电路图；
图3为本实用新型中相敏检波电路的电路图；
图4为本实用新型中滤波电路的电路图；
图5为本实用新型中电压跟随器的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本实用新型做进一步详细介绍。
如图1所示，本实用新型包括传感器、信号处理部分和信号采集显示部分，信号处理部分包括电荷放大电路、相敏检波电路、滤波电路和电压跟随器。电荷放大电路的输入端连接接线端子P1，电荷放大电路的输出端连接相敏检波电路的输入端，相敏检波电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端连接接线端子P4。
如图1和图2所示，电荷放大电路包括运算放大器U1，运算放大器U1的2脚与6脚之间并联反馈电容C3，运算放大器U1的2脚连接传感器，运算放大器U1的3脚接地，运算放大器U1的4脚分别连接电阻R2和电容C4，电容C4远离运算放大器U1的4脚的一端接地且电容C4两端并联连接电容C1。运算放大器U1的7脚分别连接电阻R3和电容C2，电容C2远离运算放大器U1的7脚的一端接地且电容C2两端并联连接电容C5。运算放大器U1的2脚与6脚之间还并联连接反馈电阻R1，用于确保电荷放大电路的正常工作。反馈电容C3与反馈电阻R1对输入电流起放大作用。其中，反馈电容C3主要决定电路的中频段增益。电容确定后，反馈电阻R1决定电路的下限截止频率以及防止电容因输入端持续的偏置电流而导致饱和。理论上，电荷放大电路中的电阻R1不是必须的，它仅是为了保证运放电路的正常工作，避免因负输入端(即运算放大器U1的2脚)持续的偏置电流在电容上累计充电导致电容电压饱和。这样连接后,运算放大器U1的负输入端为虚地，导致CIN的两端是真正的地，另一端是虚拟的“地”，此时，它的两端电位差为0，无论它多大，都不会产生电流、或者电流变化对整个电路没有影响。本实施例中，运算放大器U1采用AD549型号。
大气电场仪是利用动片旋转使定片交替屏蔽和感应电场来测量地面大气电场值，这种情况下电荷放大电路的输出信号为与动片转动频率相同的正弦电压信号，其幅值与地面大气电场的强度成正相关。但是，本申请不仅要能测量出大气电场强度，还要能识别出其极性。电场极性识别通常采用相敏检波电路，常用的相敏检波电路两种：一种是变压器和二极管桥组成，另一种是模拟乘法器构成。这两种方法要么体积大，稳定性差，要么价格昂贵而且调试麻烦。本申请采用反相比例放大电路和反相电压跟随器输出反相信号，并结合光电开关与四通道模拟开关构成相敏检波电路。
如图3所示，相敏检波电路包括电阻R4、运算放大器U2、电阻R8、运算放大器U3，电阻R4的一端连接运算放大器U1的6脚，电阻R4的另一端连接运算放大器U2的2脚，运算放大器U2的2脚与6脚之间并联电阻R7，运算放大器U2的3脚接地，运算放大器U2的4脚分别连接电容C8和电阻R5，电容C8的两端并联连接电容C6，电容C8远离运算放大器U2的4脚的一端接地，运算放大器U2的7脚分别连接电容C7和电阻R6，电容C7的两端并联连接电容C9，电容C7远离运算放大器U2的7脚的一端接地。电阻R8的一端连接运算放大器U2的6脚，电阻R8的另一端连接运算放大器U3的2脚，运算放大器U3的2脚与6脚之间并联电阻R11，运算放大器U3的3脚接地，运算放大器U3的4脚分别连接电容C12和电阻R9，电容C12的两端并联连接电容C10，电容C12远离运算放大器U3的4脚的一端接地，运算放大器U3的7脚分别连接电容C11和电阻R10，电容C11的两端并联连接电容C13，电容C11远离运算放大器U3的7脚的一端接地。
相敏检波电路还包括光电门P3、电阻R12、电阻R13、四通道模拟开关U4，光电门P3的1脚接正电源，光电门P3的2脚与四通道模拟开关U4的13脚以及6脚连接，光电门P3的2脚和3脚之间连接有电阻R13，光电门P3的3脚接地。四通道模拟开关U4的8脚连接运算放大器U3的6脚，四通道模拟开关U4的14脚和电阻R12的一端共同接正电源，电阻R12的另一端与四通道模拟开关U4的1脚及12脚连接，四通道模拟开关U4的11脚连接在运算放大器U2的6脚与电阻R8之间，四通道模拟开关U4的2脚和7脚共同接负电源。
相敏检波电路中利用光电门P3产生与待测电场波形相同频率的方波波形，将方波信号作为开关1和开关3的控制信号，正电源与电阻R12串联接入开关1的输入端，将开关1的输入端与开关4的信号控制端相连，产生与方波信号反相的方波信号。开关3的输入信号为与感应电场信号反相的正弦电压波形，开关4的输入信号为与感应电场信号同相的正弦电压波形。通过四通道模拟开关U4的开闭，将开关3与开关4的波形相加即可得到被测电场的极性。
如图4所示，滤波电路包括电阻R14、电阻R15、电容C14、电容C16、运算放大器U5，电阻R14一端连接四通道模拟开关U4的9脚及10脚，电阻R14的另一端与电阻R15串联连接，电容C14一端连接在电阻R15与运算放大器U5之间，电容C14另一端接地，运算放大器U5的2脚与6脚连接，电容C16一端连接在电阻R14和电阻R15之间，电容C16另一端与运算放大器U5的6脚连接，运算放大器U5的4脚分别连接电阻R16，电阻R16远离滤波器U5的4脚的一端接负电源。及电容C18，电容C18的两端并联连接电容C15，电容C18远离运算放大器U5的4脚的一端接地，运算放大器U5的7脚分别连接电阻R17及电容C17，电容C17的两端并联连接电容C19，电容C17远离运算放大器U5的7脚的一端接地。本实施例中，滤波电路中的运算放大器U5与相敏检波电路中的运算放大器U2、运算放大器U3的型号相同，均采用通用型的OP07型号，可满足多种电路的设计要求。本实施例中，选用4元件二阶SK型低通滤波器构建电路的滤波部分。根据需求设计一个二阶SK型低通滤波器，中频增益为1倍，截止频率为1Hz，Q＝0.58。相敏检波电路的输出电压信号输入滤波器后输出即可得到与待测电场信号极性相同且幅值成正比的直流电压信号。根据表1可以得到，OP07的单位增益带宽为0.6MHz远大于截止频率，输入偏置电流为1.8nA，不会导致过大的输入失调电压和输入噪声源的产生，满足设计要求。
表1 OP07性能参数
如图5所示，电压跟随器包括运算放大器U6，接口1、2为短接连电源正极，接口6，7短接连电源负极，接口8为输入。运算放大器U6的1脚分别连接电阻R18和电容C20，电容C20的两端并联连接电容C21，电容C20远离运算放大器U6的1脚的一端接地，运算放大器U6的2脚与1脚并联连接，运算放大器U6的6脚分别连接电阻R19和电容C22，电容C22的两端并联连接电容C23，电容C22远离运算放大器U6的6脚的一端接地，运算放大器U6的7脚与6脚并联连接，运算放大器U6的8脚与运算放大器U5的6脚连接，运算放大器U6的4脚与接线端子P4连接。电压跟随器中运算放大器U6采用LH0002型号。电压跟随器的电压增益是1，主要作用是用于隔离前后电路，提高电路的带负载能力，对输出信号基本没有影响。因此，输出波形与上级电路输出波形相同，设计电路达到预期效果。
通过对PCB样板进行测试，将带负电荷的塑料靠近电场仪，电场仪所成直流信号波形向下移动；将带正电荷的玻璃靠近电场仪，波形向上移动，证明设计的信号处理电路在实际监测和工作中性能稳定能很好地接收微弱信号。
Claims (10)
1.一种监测闪电电场信号的装置，包括传感器、信号处理部分和信号采集显示部分，其特征在于：所述信号处理部分包括电荷放大电路、相敏检波电路、滤波电路和电压跟随器；所述电荷放大电路的输入端连接接线端子P1，电荷放大电路的输出端连接相敏检波电路的输入端，相敏检波电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接电压跟随器的输入端，电压跟随器的输出端连接接线端子P4。
2.根据权利要求1所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述电荷放大电路包括运算放大器U1，所述运算放大器U1的2脚与6脚之间并联反馈电容C3，运算放大器U1的3脚接地，运算放大器U1的4脚分别连接电阻R2和电容C4，电容C4远离运算放大器U1的4脚的一端接地且电容C4两端并联连接电容C1；所述运算放大器U1的7脚分别连接电阻R3和电容C2，电容C2远离运算放大器U1的7脚的一端接地且电容C2两端并联连接电容C5。
3.根据权利要求2所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述运算放大器U1的2脚与6脚之间还并联连接电阻R1，用于确保电荷放大电路的正常工作。
4.根据权利要求2所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述相敏检波电路包括电阻R4、运算放大器U2，所述电阻R4的一端连接运算放大器U1的6脚，电阻R4的另一端连接运算放大器U2的2脚，运算放大器U2的2脚与6脚之间并联电阻R7，运算放大器U2的3脚接地，运算放大器U2的4脚分别连接电容C8和电阻R5，电容C8的两端并联连接电容C6，电容C8远离运算放大器U2的4脚的一端接地，运算放大器U2的7脚分别连接电容C7和电阻R6，电容C7的两端并联连接电容C9，电容C7远离运算放大器U2的7脚的一端接地。
5.根据权利要求4所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述相敏检波电路还包括电阻R8、运算放大器U3，所述电阻R8的一端连接运算放大器U2的6脚，电阻R8的另一端连接运算放大器U3的2脚，运算放大器U3的2脚与6脚之间并联电阻R11，运算放大器U3的3脚接地，运算放大器U3的4脚分别连接电容C12和电阻R9，电容C12的两端并联连接电容C10，电容C12远离运算放大器U3的4脚的一端接地，运算放大器U3的7脚分别连接电容C11和电阻R10，电容C11的两端并联连接电容C13，电容C11远离运算放大器U3的7脚的一端接地。
6.根据权利要求5所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述相敏检波电路还包括光电门P3、电阻R12、电阻R13、四通道模拟开关U4，所述光电门P3的1脚接正电源，光电门P3的2脚与四通道模拟开关U4的13脚以及6脚连接，光电门P3的2脚和3脚之间连接有电阻R13，光电门P3的3脚接地；所述四通道模拟开关U4的8脚连接运算放大器U3的6脚，四通道模拟开关U4的14脚和电阻R12的一端共同接正电源，电阻R12的另一端与四通道模拟开关U4的1脚及12脚连接，四通道模拟开关U4的11脚连接在运算放大器U2的6脚与电阻R8之间，四通道模拟开关U4的2脚和7脚共同接负电源。
7.根据权利要求6所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述滤波电路包括电阻R14、电阻R15、电容C14、电容C16、运算放大器U5，所述电阻R14一端连接四通道模拟开关U4的9脚及10脚，电阻R14的另一端与电阻R15串联连接，电容C14一端连接在电阻R15与运算放大器U5之间，电容C14另一端接地，运算放大器U5的2脚与6脚连接，电容C16一端连接在电阻R14和电阻R15之间，电容C16另一端与运算放大器U5的6脚连接，运算放大器U5的4脚分别连接电阻R16及电容C18，电容C18的两端并联连接电容C15，电容C18远离运算放大器U5的4脚的一端接地，运算放大器U5的7脚分别连接电阻R17及电容C17，电容C17的两端并联连接电容C19，电容C17远离运算放大器U5的7脚的一端接地。
8.根据权利要求7所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述电压跟随器包括运算放大器U6，所述运算放大器U6的1脚分别连接电阻R18和电容C20，电容C20的两端并联连接电容C21，电容C20远离运算放大器U6的1脚的一端接地，运算放大器U6的2脚与1脚并联连接，运算放大器U6的6脚分别连接电阻R19和电容C22，电容C22的两端并联连接电容C23，电容C22远离运算放大器U6的6脚的一端接地，运算放大器U6的7脚与6脚并联连接，运算放大器U6的8脚与运算放大器U5的6脚连接，运算放大器U6的4脚与接线端子P4连接。
9.根据权利要求6所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述滤波电路中的运算放大器U5与相敏检波电路中的运算放大器U2、运算放大器U3的型号相同。
10.根据权利要求6所述的监测闪电电场信号的装置，其特征在于：所述电压跟随器中运算放大器U6采用LH0002型号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210319 |