一种场磨式大气电场仪的制作方法

1.本技术涉及气象观测技术领域，具体而言，涉及一种场磨式大气电场仪。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，气象监测能力不断提高，部队对天气预报、气象监测和灾害性天气的预警能力的需求日益提高。雷暴天气常常造成严重的灾害，观测大气电场的实时变化，有利于深入研究雷电发生的规律和预警预报技术和方法，推进雷电预警预报业务和雷电防护技术服务的发展。
3.通常，天气变化时，尤其是雷暴天气发生时，区域内的电场会发生剧烈的变化，通过提前对该区域内的大气电场进行监测，能够提前预判天气的情况，进而为各项作业提供预警预报，可有效提高部队的应对和应变能力。当然，如何对大气电场进行监测，并将监测的电场数据转换成有效的大气预警信息是完成气象监测的重要过程。同时，兼顾测量过程中遇到的环境、功耗、设备安装等问题，想要设计一款能够精确测量大气电场的设备是一项巨大的挑战。
4.因此，设计一种大气电场监测设备，能够精确测量大气电场，并实现有效的大气预警，是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的在于提供一种场磨式大气电场仪，通过电场感应探头能够有效的监测出大气电场的变化情况，同时将监测的电场数据转换成可进行进一步处理的电压数字信号，并对电压数字信号进行处理，形成精度高且有效的监测数据。通过该监测数据能够有效实现预警预报，同时能够对监测数据进行存储，为后期形成地区性大气数据提供数据支撑。
6.本技术实施例的目的在于还提供一种场磨式大气电场仪系统，该系统将大气电场监测形成一个监测网络，不仅可以本地实现对地区大气的监测，还能通过有限或者无线的连接渠道实现大气数据的交互，形成数据有效传递的物联系统。同时，整个系统可实现数据中心的一对多的数据采集和分析工作，极大的整合了大气数据资源，为进行大气数据的大数据处理提供可靠的数据保证。
7.第一方面，本技术实施例提供一种场磨式大气电场仪，包括电场感应探头和处理单元；处理单元包括a/d转换单元、中央处理器、gps时钟以及存储器；电场感应探头与a/d转换单元连接，用于将感应大气电场变化产生电压信号传输给a/d转换单元；a/d转换单元与中央处理器连接，用于将获取的电压信号进行模数转换形成数字信号后发送给中央处理器；gps时钟与中央处理器连接，用于向中央处理器提供时标信息；中央处理器与存储器连接，用于将接收的数字信号和时标信息进行处理后形成大气数据，并将大气数据发送给存储器进行存储。
8.在本技术实施例中，该电场仪通过电场感应探头能够有效的监测出大气电场的变
化情况，同时将监测的电场数据转换成可进行进一步处理的电压数字信号，并对电压数字信号进行处理，形成精度高且有效的监测数据。通过该监测数据能够有效实现预警预报，同时能够对监测数据进行存储，为后期形成地区性大气数据提供数据支撑。
9.作为一种可能的实现方式，电场感应探头包括旋转电机、感应片以及接地屏蔽片；接地屏蔽片与感应片相对设置；感应片与a/d转换单元连接；接地屏蔽片设置于旋转电机的转动轴上。
10.在本技术实施例中，接地屏蔽片由旋转电机带动进行旋转，进而改变感应片暴露在大气电场中的表面积。感应片表面积的变化造成磁通量的变化，从而产生电压信号。通过对电压信号的转换形成能够处理的电压数据，可实现对大气电场的精确测量和有效分析。
11.作为一种可能的实现方式，电场感应探头还包括放大处理单元和波形调整单元；感应片与放大处理单元连接，用于将感应片产生的初始电压信号进行发大处理，形成放大电压信号；放大处理单元与波形调整单元连接，用于将放大电压信号进行波形调整形成电压信号；波形调整单元与a/d转换单元连接。
12.在本技术实施例中，大气电场经过感应片产生电压信号，该电压信号相对较弱，为了更好的进行信号处理，通过设置放大处理单元对电压信号进行放大增强处理。同时，考虑电压信号在产生和放大的过程中有噪音，通过波形调整单元实现对电压信号的降噪处理，最终使获取到的电压信号更加有效精准，成为向后期信号和数据处理提供准确有效的参考基础。
13.作为一种可能的实现方式，接地屏蔽片为9个，且绕旋转电机的转动轴间隔设置在转动轴上；旋转电机的转速为26转/秒。
14.在本技术实施例中，接地屏蔽片的数量以及电机的转速能够决定每次获取电压信号的相应时间，即采集数据的频率。本电场仪通过设计和试验，确定为9个接地屏蔽片和26转/秒的电机转速。这样，根据公式可以判断出电场仪的响应时间为4.274ms，是高于设计标准规定的10ms的。
15.作为一种可能的实现方式，场磨式大气电场仪的分辨率为10v/m。
16.在本技术实施例中，当大气电场发生变化时，电场仪所获取的电压信号会发生变化。大气电场变化的范围越小，获取到的电压信号也越小。这样，为了保证电场仪有足够的测量精确度，对于微小电压变化的测量需要越精确越好。本电场仪通过设计和试验，可以确定其分辨率为10v/m，是高于设计标准规定的15v/m的。
17.作为一种可能的实现方式，场磨式大气电场仪的功耗为2.784w。
18.在本技术实施例中，由于大气电场仪位于室外等恶劣环境，运行时所消耗的功率越高，更换就越频繁，同时对于蓄电池进行供电的情况，维护的频率也越高。给电场仪的使用带来诸多不便。因此，功耗越低，电场仪的应用性或适用性会更强。本电场仪通过设计和试验，可以确定其功耗为2.784w，低于设计标准规定的5w。
19.作为一种可能的实现方式，场磨式大气电场仪的动态测量误差不大于％1.2。
20.在本技术实施例中，电场仪测量的范围越大，适用性越强。但同时，由于测量的范围变大后，会影响测量的精度。两者是相互制约，相互配合的。本电场仪通过设计和试验，可以确定其测量的范围在161.123kv/m到-162.5kv/m之间，同时测量的误差不大于％1.2，是满足设计标准的要求的。
21.第二方面，本技术实施例提供一种场磨式大气电场仪系统，采用了第一方面所说的场磨式大气电场仪，其包括通讯控制单元、供电单元、无线传输模块、数据中心以及本地终端；通讯控制单元与中央处理器连接，用于获取大气数据，并对大气数据进行打包和校验；供电单元与通讯控制单元连接，用于向通讯控制单元提供电能；数据中心通过无线传输模块与通讯控制单元连接，用于获取通讯控制单元发送的经打包和校验处理后的大气数据；本地终端与通讯控制单元连接，用于获取通讯控制单元发送的经打包和校验处理后的大气数据。
22.在本技术实施例中，该系统将大气电场监测形成一个监测网络，不仅可以本地实现对地区大气的监测，还能通过有限或者无线的连接渠道实现大气数据的交互，形成数据有效传递的物联系统。同时，整个系统可实现数据中心的一对多的数据采集和分析工作，极大的整合了大气数据资源，为进行大气数据的大数据处理提供可靠的数据保证。
23.作为一种可能的实现方式，通讯控制单元与中央处理器通过rs-232/485接口连接；通讯控制单元与本地终端通过lan接口连接。
24.在本技术实施例中，通讯控制单元通过不同的接口，以有限或者无线的形式实现与中央处理器的信息交互和与本地终端的信息交互，完成数据在系统中的有效流动，促进信息的传递。
25.作为一种可能的实现方式，还包括声光报警装置；声光报警装置于通讯控制单元连接，用于接收通讯控制单元发送的报警信号，并根据报警信号进行报警提醒。
26.在本技术实施例中，声光报警装置通过获取到报警信号后进行预警，可以有效做到实时反馈预警信息的作用。
27.本实施例提供的一种场磨式大气电场仪及系统的有益效果有：
28.电场仪通过电场感应探头能够有效的监测出大气电场的变化情况，同时将监测的电场数据转换成可进行进一步处理的电压数字信号，并对电压数字信号进行处理，形成精度高且有效的监测数据。通过该监测数据能够有效实现预警预报，同时能够对监测数据进行存储，为后期形成地区性大气数据提供数据支撑。
29.该系统将大气电场监测形成一个监测网络，不仅可以本地实现对地区大气的监测，还能通过有限或者无线的连接渠道实现大气数据的交互，形成数据有效传递的物联系统。同时，整个系统可实现数据中心的一对多的数据采集和分析工作，极大的整合了大气数据资源，为进行大气数据的大数据处理提供可靠的数据保证。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
31.图1为本技术实施例提供的一种场磨式大气电场仪的系统框图；
32.图2为本技术实施例提供的一种场磨式大气电场仪的分辨率试验数据表；
33.图3为本技术实施例提供的一种场磨式大气电场仪的功耗的试验数据表；
34.图4为本技术实施例提供的一种场磨式大气电场仪的测量误差的试验数据表；
35.图5为本技术提供的本技术实施例提供的一种场磨式大气电场仪系统的系统框图。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
37.随着科学技术的不断发展，气象监测能力不断提高，部队对天气预报、气象监测和灾害性天气的预警能力的需求日益提高。雷暴天气常常造成严重的灾害，观测大气电场的实时变化，有利于深入研究雷电发生的规律和预警预报技术和方法，推进雷电预警预报业务和雷电防护技术服务的发展。
38.通常，天气变化时，尤其是雷暴天气发生时，区域内的电场会发生剧烈的变化，通过提前对该区域内的大气电场进行监测，能够提前预判天气的情况，进而为各项作业提供预警预报，可有效提高部队的应对和应变能力。当然，如何对大气电场进行监测，并将监测的电场数据转换成有效的大气预警信息是完成气象监测的重要过程。同时，兼顾测量过程中遇到的环境、功耗、设备安装等问题，想要设计一款能够精确测量大气电场的设备是一项巨大的挑战。
39.参考图1～图4，本技术实施例提供一种场磨式大气电场仪，其包括电场感应探头和处理单元；处理单元包括a/d转换单元、中央处理器、gps时钟以及存储器；电场感应探头与a/d转换单元连接，用于将感应大气电场变化产生电压信号传输给a/d转换单元；a/d转换单元与中央处理器连接，用于将获取的电压信号进行模数转换形成数字信号后发送给中央处理器；gps时钟与中央处理器连接，用于向中央处理器提供时标信息；中央处理器与存储器连接，用于将接收的数字信号和时标信息进行处理后形成大气数据，并将大气数据发送给存储器进行存储。
40.该电场仪通过电场感应探头能够有效的监测出大气电场的变化情况，同时将监测的电场数据转换成可进行进一步处理的电压数字信号，并对电压数字信号进行处理，形成精度高且有效的监测数据。通过该监测数据能够有效实现预警预报，同时能够对监测数据进行存储，为后期形成地区性大气数据提供数据支撑。
41.对于电场感应探头，其包括旋转电机、感应片以及接地屏蔽片；接地屏蔽片与感应片相对设置；感应片与a/d转换单元连接；接地屏蔽片设置于旋转电机的转动轴上。
42.接地屏蔽片由旋转电机带动进行旋转，进而改变感应片暴露在大气电场中的表面积。感应片表面积的变化造成磁通量的变化，从而产生电压信号。通过对电压信号的转换形成能够处理的电压数据，可实现对大气电场的精确测量和有效分析。具体地：
43.电场仪利用置于电场中的导体上产生感应电荷的原理来测量电场强度和方向。感应片上的感应电荷q(t)为时间的函数，其值与外界电场强度e成正比，如以下公式：
44.q(t)＝-ε0es(t)
45.式中：q(t)—感应探头中感应片上的感应电荷，单位为安培(a)；ε0
‑‑
自由空间介电常数；s(t)
‑‑
定子暴露在电场中的表面积，单位为平方米(m2)。
46.所以当感应片的暴露面积随时间不断变化时，q(t)为一交变电流信号。由于电场强度与感应电流成比例关系，因此通过测量感应电流流经一个大电阻产生的等效电压值，即可得到外界电场强度值。感应电流流经一个大电阻产生的等效电压值与外界电场强度值
之间的比例系数可以通过标定得到。
47.当然，还包括放大处理单元和波形调整单元；感应片与放大处理单元连接，用于将感应片产生的初始电压信号进行发大处理，形成放大电压信号；放大处理单元与波形调整单元连接，用于将放大电压信号进行波形调整形成电压信号；波形调整单元与a/d转换单元连接。
48.大气电场经过感应片产生电压信号，该电压信号相对较弱，为了更好的进行信号处理，通过设置放大处理单元对电压信号进行放大增强处理。同时，考虑电压信号在产生和放大的过程中有噪音，通过波形调整单元实现对电压信号的降噪处理，最终使获取到的电压信号更加有效精准，成为向后期信号和数据处理提供准确有效的参考基础。
49.这里需要说明的是，为了提高所获取的数据的精确性，电场仪的监测性能须达到一定的要求，本实施例中：
50.接地屏蔽片为9个，且绕旋转电机的转动轴间隔设置在转动轴上；旋转电机的转速为26转/秒。接地屏蔽片的数量以及电机的转速能够决定每次获取电压信号的相应时间，即采集数据的频率。本电场仪通过设计和试验，确定为9个接地屏蔽片和26转/秒的电机转速。这样，根据以下公式可以判断出电场仪的响应时间为4.274ms，是高于设计标准规定的10ms的：
51.1000*(1/26)*(1/9)≈4.274ms
52.当大气电场发生变化时，电场仪所获取的电压信号会发生变化。大气电场变化的范围越小，获取到的电压信号也越小。这样，为了保证电场仪有足够的测量精确度，对于微小电压变化的测量需要越精确越好。本电场仪通过设计和试验，可以确定其分辨率为10v/m，是高于设计标准规定的15v/m的。
53.试验中，根据规定的测量范围，调整电场输入量，施加电场e0
△
estep(e0即为量程下限，
△
estep应为规定的分辨率数值)作为基点，读取传感器的输出值yc0；将电场增大到e0 2*
△
estep，读取传感器的输出值yc2；重新施加电场e0
△
estep，将电场减小到量程下限e0，读取传感器的输出值yc1。应满足：yc1＜yc0＜yc2，则分辨率为
△
estep。根据图2试验数据可知：实测分辨率为10v/m。
54.由于大气电场仪位于室外等恶劣环境，运行时所消耗的功率越高，更换就越频繁，同时对于蓄电池进行供电的情况，维护的频率也越高。给电场仪的使用带来诸多不便。因此，功耗越低，电场仪的应用性或适用性会更强。本电场仪通过设计和试验，可以确定其功耗为2.784w，低于设计标准规定的5w。
55.试验中，施加零电场情况下,分别测量传感器的供电电流和供电电压,根据测量的供电电压和电流值按式(1)计算出功率:
56.w＝u
×i……………………
(1)
57.式中：u为传感器供电电压,单位为伏(v)；i为传感器供电电流,单位为安(a)；w为传感器功耗,单位为瓦(w)。
58.电场仪测量的范围越大，适用性越强。但同时，由于测量的范围变大后，会影响测量的精度。两者是相互制约，相互配合的。本电场仪通过设计和试验，可以确定其测量的范围在161.123kv/m到-162.5kv/m之间，同时测量的误差不大于％1.2，是满足设计标准的要求的。
59.试验中，施加下限电场，每间隔一段时间(3s～30s均可)记录3个数据进行算术平均，该电场值为传感器测量范围下限。施加上限电场，每间隔一段时间记录3个数据进行算术平均，该电场值作为传感器测量范围上限值。其中，施加上限电场为161.22时，理论计算电场为161.123，测量误差为0.06％；施加下限电场为-162.5时，理论计算电场为-16.581，测量误差为1.2％。
60.参考图5所示，本技术实施例还提供一种场磨式大气电场仪系统，采用了第一方面所说的场磨式大气电场仪，其包括通讯控制单元、供电单元、无线传输模块、数据中心以及本地终端；通讯控制单元与中央处理器连接，用于获取大气数据，并对大气数据进行打包和校验；供电单元与通讯控制单元连接，用于向通讯控制单元提供电能；数据中心通过无线传输模块与通讯控制单元连接，用于获取通讯控制单元发送的经打包和校验处理后的大气数据；本地终端与通讯控制单元连接，用于获取通讯控制单元发送的经打包和校验处理后的大气数据。
61.该系统将大气电场监测形成一个监测网络，不仅可以本地实现对地区大气的监测，还能通过有限或者无线的连接渠道实现大气数据的交互，形成数据有效传递的物联系统。同时，整个系统可实现数据中心的一对多的数据采集和分析工作，极大的整合了大气数据资源，为进行大气数据的大数据处理提供可靠的数据保证。
62.对于本实施例，通讯控制单元与中央处理器通过rs-232/485接口连接；通讯控制单元与本地终端通过lan接口连接。通讯控制单元通过不同的接口，以有限或者无线的形式实现与中央处理器的信息交互和与本地终端的信息交互，完成数据在系统中的有效流动，促进信息的传递。
63.另外，电场仪还包括声光报警装置；声光报警装置于通讯控制单元连接，用于接收通讯控制单元发送的报警信号，并根据报警信号进行报警提醒。声光报警装置通过获取到报警信号后进行预警，可以有效做到实时反馈预警信息的作用。
64.综上所述，本技术实施例提供的一种场磨式大气电场仪及系统的有益效果有：
65.电场仪通过电场感应探头能够有效的监测出大气电场的变化情况，同时将监测的电场数据转换成可进行进一步处理的电压数字信号，并对电压数字信号进行处理，形成精度高且有效的监测数据。通过该监测数据能够有效实现预警预报，同时能够对监测数据进行存储，为后期形成地区性大气数据提供数据支撑。
66.该系统将大气电场监测形成一个监测网络，不仅可以本地实现对地区大气的监测，还能通过有限或者无线的连接渠道实现大气数据的交互，形成数据有效传递的物联系统。同时，整个系统可实现数据中心的一对多的数据采集和分析工作，极大的整合了大气数据资源，为进行大气数据的大数据处理提供可靠的数据保证。
67.本技术中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a,b,或c中的至少一项(个)，可以表示：a,b,c,a-b,a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c可以是单个，也可以是多个。
68.应理解，在本技术的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
69.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
70.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
71.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
72.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
73.另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
74.所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
75.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
76.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。