一种闪电强度测量装置及测量方法
阅读说明：本技术 一种闪电强度测量装置及测量方法 (Lightning intensity measuring device and method ) 是由 何倩 刘忠悦 艾真珍 董千恒 李建勋 张雅男 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种闪电强度测量装置及测量方法,包括：交变电源、平板天线、感应线圈、滤波电路和宽带调理放大电路、采样电路、FPGA内核和VGA信息显示模块；平板天线包括：两块相互平行且水平放置的铜板,用以接收变化的电场信号；感应线圈采集变化电场产生的磁场信号后输出微小电压信号；感应线圈依次连接滤波电路、宽带调理放大电路和采样电路,用于将滤除高频分量和放大的电压信号输入采样电路采集,将采样的电压信号传入FPGA内核进行处理,将处理好的电压数据通过VGA信息显示模块显示,交变电源用于提供模拟电压信号。本申请可根据不同阶段闪电的电、磁特征,测量大气电场的变化,由探测的雷电强度来反映高空雷电强度,从而进行监测和预防。(The invention discloses a lightning intensity measuring device and a lightning intensity measuring method, which comprise the following steps: the device comprises an alternating power supply, a flat antenna, an induction coil, a filter circuit, a broadband conditioning and amplifying circuit, a sampling circuit, an FPGA (field programmable gate array) kernel and a VGA information display module; the panel antenna includes: two copper plates which are parallel to each other and horizontally arranged are used for receiving the changed electric field signals; the induction coil collects a magnetic field signal generated by a changing electric field and then outputs a tiny voltage signal; the induction coil is sequentially connected with the filter circuit, the broadband conditioning amplifying circuit and the sampling circuit and used for inputting the filtered high-frequency component and the amplified voltage signal into the sampling circuit for collection, the sampled voltage signal is transmitted into the FPGA kernel for processing, the processed voltage data is displayed through the VGA information display module, and the alternating power supply is used for providing an analog voltage signal. The method and the device can measure the change of the atmospheric electric field according to the electric and magnetic characteristics of lightning in different stages, and reflect the high-altitude lightning intensity through the detected lightning intensity, so that monitoring and prevention are performed.)
技术领域
本发明公开了一种闪电强度测量装置和方法，涉及大气闪电强度测量技术领域。
背景技术
雷电是一种常见的天气现象，雷电发生前由于强烈气流撕扯、冰晶和水滴的撞击，使云层带有大量电荷，低处云层和地面则感应相反的电荷，当极性较大时，以闪电的形式把能量释放出来。
雷电发生时产生的高温、闪电直击、猛烈的冲击波、强烈的电磁辐射等物理效应会对人员安全、供电系统、通讯系统等生产生活等产生干扰和破坏，因而对雷电的监测和预警十分重要。
闪电强度（具体是闪电电场强度）的测量对雷电现象的预警、定位和研究有重要意义，传统的闪电测量存在抗干扰性差、准度低的特点，目前的闪电强度测量基于感应电荷和电路放大等原理，电场变化导致的感应电荷释放产生的感应电流与电场变化量成正比，因此对输入电流信号进行积分，得到的电压信号的变化量与电场的变化量成正比。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种闪电强度测量装置和方法，实现动态和实时监测雷电，适用范围广。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种闪电强度测量装置，包括：交变电源、平板天线、感应线圈、滤波电路和宽带调理放大电路、采样电路、FPGA内核和VGA信息显示模块；
所述的平板天线包括：两块相互平行且水平放置的铜板，用以接收变化的电场信号；所述的感应线圈设置于所述铜板的中间，感应线圈采集变化电场产生的磁场信号后输出微小电压信号；所述的感应线圈依次连接滤波电路、宽带调理放大电路和采样电路，用于将滤除高频分量和放大的电压信号输入采样电路采集，采样电路可采用单端转差分和高速差分采样，将采样的电压信号传入FPGA内核进行处理，FPGA内核采用MicroBlaze嵌入式软核，将处理好的电压数据通过VGA信息显示模块显示，所述的交变电源用于提供模拟电压信号。
进一步的，所述的感应线圈中心与两平板天线中心重合，且感应线圈与两平板天线垂直设置。
进一步的，所述的滤波电路采用七阶低通滤波器，因为感应线圈两端的输出电压较小且存在一定的高频分量，于是设计七阶低通滤波器来实现滤除高频分量的功能；所述的宽带调理放大电路采用OPA657放大器，通过同向比例放大电路放大电压，使电压变化更明显。
一种闪电强度测量方法，包括以下步骤：
步骤一：获取预先标定的大气电场与平板天线的感应电场之间强度值的对应关系；
步骤二：按周期进行模拟测量和感应测量：在平板天线两极板间输入模拟输入电压，产生模拟电场，将模拟电场的通过感应线圈产生的感应电压信号经过处理后得到模拟输出电压；将多组模拟输出电压和模拟输入电压的数据进行线性拟合，得到当前环境下的模拟输出电压和模拟输入电压测量曲线；
停止输入模拟输入电压，平板天线自主获取当前环境下的感应电场，垂直于面积为S的金属板的闪电电场变化时，平板上出现感应电荷ΔQ=ΔE·S·εr
其中，ΔQ是闪电发生时平板天线上感应到的电荷变化，ΔE是平板天线间的电场强度变化，S是平板天线的面积，εr是装置环境的介电常数，进而平板天线间产生变化的电场，变化的电场在平板天线间产生变化的磁场，由上述产生的变化的磁场通过闭合感应线圈使闭合线圈的磁通量发生变化，产生微小的感应电压，经后续滤波和放大电路得到放大的输出电压值。
步骤三：根据模拟输出电压和模拟输入电压测量曲线，将感应输出电压代入测量曲得到感应输入电压；
步骤四：通过感应输入电压得到感应电场，再根据先标定的大气电场与平板天线的感应电场之间强度值的对应关系，得到大气电场。
进一步的，获取预先标定的大气电场与平板天线的感应电场之间强度值的对应关系的具体步骤包括：
在装置正式工作之前，与目前广泛使用的大气电场仪对同一位置进行大气电场强度进行测量：首先与大气电场仪做零点标定，即在大气电场仪的标定装置中高压源为0V时的本装置感应电场强度数值b，然后根据大气电场仪测得大气电场强度值与平板天线获取感应电场强度值进行曲线拟合，得出大气电场与感应电场之间的强度值比例系数K。
故标定曲线为：
E大气电场强度=K·(E测量电场强度+b)
进一步的，所述的一个周期为5分钟，前2s过程中，每隔0.1s输入模拟输入电压，同时通过FPGA模块读取一个模拟输出电压，获取的多组模拟输出电压和模拟输入电压做线性拟合；每个周期剩余时间再用于感应测量，每隔1s采集一个输出感应电压。
本申请模拟的时间极短，可以根据要求控制输入信号的频次，如：每0.1s输入一个信号，同时采集一个信号，或者可以设置更短的周期，短时间内完成：输入——采集——数据处理——测量曲线；在5分钟的周期内，先完成模拟后自动进入测量，测量时每1s采集一个数据将数据反馈给后台，5分钟后，进入下一周期，先做模拟再进行测量，同样每1s采集一个数据反馈给后台。以5分钟为周期进行一次自加信号模拟测量和感应测量，得出一条测量曲线（目的是为了找到雷电发生时的环境数据，得出最接近雷电发生环境的测量曲线，使测量更精确，同时为了多次标定修正测量参数），同时可将处理好的测量曲线信息、温湿度信息、每个装置的位置信息传回终端并在VGA信息显示模块上显示。
进一步的，所述平板天线为长32cm、宽22cm的矩形铜板，所述平板天线之间的距离为38cm，所述平板天线间输入的模拟输入电压为8.3MHz，0~15V、步长为1V的交流电压信号；所述的感应线圈直径为6.5cm、30匝环形线圈。
有益效果：1.本申请可根据不同阶段闪电的电、磁特征，测量大气电场的变化，由探测的雷电强度来反映高空雷电强度，根据监测数据进行监测和预防。
2．本发明利用了闪电的电磁特性、准确度较高、根据环境的变化可以更新装置参数从而提高抗干扰性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为本发明滤波和放大电路电路图；
图4为本发明实施例的一条测量曲线。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本专利搭建雷电模拟装置，应用了电磁感应和位移电流假设原理，在平板天线两端输入交流信号模拟闪电电场的变化，根据感应线圈在平板间中心高度处所加电压模拟的电场强度与两极板所加电压呈正相关:E模拟(或测量)输入=U模拟(或测量)输入/d(d是平板天线间的距离),感应线圈输出的感应电压与两极板所加电压呈正相关U模拟(或测量)输出∝U模拟(或测量)输入，并将实验结论应用于装置改进。
如图1~2所示，一种闪电强度测量装置，包括：交变电源9、平板天线2、感应线圈3、滤波电路4和宽带调理放大电路5、采样电路6、FPGA内核7和VGA信息显示模块8；
所述的平板天线2包括：两块相互平行且水平放置的铜板，用以接收变化的电场信号，铜板通过固定支架1固定；所述的感应线圈3设置于所述铜板的中间，感应线圈3采集变化电场产生的磁场信号后输出微小电压信号；所述的感应线圈3依次连接滤波电路4、宽带调理放大电路5和采样电路6，用于将滤除高频分量和放大的电压信号输入采样电路6采集，将采样的电压信号传入FPGA内核7进行处理，将处理好的电压数据通过VGA信息显示模块8显示，所述的交变电源9用于提供模拟电压信号。
本实施例还设置：远程数据传输模块、北斗定位模块10、温湿度传感器11；北斗模块定位闪电发生的位置（或区域），远程数据传输模块实现远程传输远程数据和实时监控，温湿度传感器11采集闪电发生时的环境数据，将处理好的闪电数据和其他信息通过VGA显示到终端。
本实施例将放大的采样数据传入FPGA内核7进行处理（MicroBlaze嵌入式软核），同时北斗定位模块10（北斗定位模块 SKG09D）定位闪电发生的位置（或区域）信息传入内核，温湿度传感器11（温湿度传感器HTU31D）采集闪电发生时的环境数据传入内核，并通过远程数据传输模块实现远程传输远程数据和实时监控，将处理好的闪电数据和其他信息通过VGA显示到终端。
所述的感应线圈3中心与两平板天线2中心重合，且感应线圈3与两平板天线2垂直设置。
如图3所示，所述的滤波电路4采用七阶低通滤波器，所述的宽带调理放大电路5采用OPA67放大器，OPA657为单位增益稳定、超宽频带、电压反馈运算放大器，其单位增益带宽积可达1.6GHz，输入偏置电流低至2pA，高输出电流，低电压噪声，供电范围为±5V，适合作为放大电路5的前级，图3中L1-L3，C2~C5组成低通滤波电路4，OPA657和R5、R6构成同相比例放大电路5；所述的采样电路6采用单端差分采样和高速差分采样，电流采样是通过一个小电阻（约几毫欧到几十毫欧之间），将电流信号转换成电压信号来进行采样，运用典型的差分放大原理，其中放大作用主要由电阻元件来进行实现。
实施例二：
将本装置设置在雷电发生时相应的环境下进行实测：
一种闪电强度测量方法，包括以下步骤：
步骤一：将长32cm、宽22cm的矩形铜板1和矩形铜板2上下放置平行相对并固定板间高度38cm,将直径6.5cm、30匝环形线圈中心与两平行板中心重合，距离板1板2均为19cm并固定；将所述的感应线圈依次连接滤波电路、宽带调理放大电路、采样电路 和VGA信息显示模块，
步骤二：，按周期进行模拟测量和感应测量，所述的一个周期为5分钟，前2s过程中，每隔0.1s输入模拟输入电压，同时通过VGA信息显示模块读取一个模拟输出电压；每个周期剩余时间再用于感应测量，每隔1s读取VGA信息显示模块一个输出感应电压；
根据E=U/d,在平板天线两极板间通过输入8.3MHz、0~15V、步长为1V的交流电压信号，用 0～15 V的电压以模拟电场强度为0～39.4736V/m的电场信号，模拟测量过程中，每隔0.1s输入模拟输入电压；
步骤三：模拟测量过程中，模拟电场的通过感应线圈产生的感应电压信号，进行滤波，放大处理，将处理后的采样数据传入FPGA内核进行处理，得到模拟输出电压；得到对应的20个输出数据，并将20入输出数据做线性拟合，得到当前环境下的测量曲线；所述的测量曲线如图4所示，例如：拟合的一条测量曲线函数为：U模拟输出=0.00327U模拟输入+0.00076；
步骤四：感应测量过程中；停止输入模拟输入电压，通过平板天线自主获取当前环境下的感应电场，将感应电场通过感应线圈产生的感应电压信号经过处理后得到感应输出电压；通过感应输入电压E模拟输入(或测量）=U模拟输入(或测量)/d(d是平板天线间的距离)得到感应电场，再根据先标定的大气电场与平板天线的感应电场之间强度值的对应关系，得到大气电场。
标定：在装置正式工作之前，与目前广泛使用的大气电场仪对同一位置进行大气电场强度进行测量：首先与大气电场仪做零点标定，即在大气电场仪的标定装置中高压源为0V时的本装置感应电场强度数值b，然后根据大气电场仪测得大气电场强度值与平板天线获取感应电场强度值进行曲线拟合，得出大气电场与感应电场之间的强度值比例系数K。
故标定曲线为：
E大气电场强度=K·(E测量电场强度+b)
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：安全气囊点火测试系统