王 敏，周樹道，陳加清

（解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101）

0 引言

雷暴活動可以引起地面電場的顯著變化，對人類活動影響很大，尤其是建筑物、輸電線網(wǎng)等遭其襲擊，可能造成嚴重損失。地面大氣電場儀利用前置傳感器來探測地面大氣的電場強度，并且使用環(huán)境要求低，能夠長期在惡劣的野外環(huán)境下進行測量，是研究雷電發(fā)生整個過程的有利技術手段［1］。但是，目前廣泛使用的場磨式地面電場儀沒有自檢功能，使得電場儀探測工作的穩(wěn)定性難以保證。

因此，設計了一種地面電場儀的自檢電路，此種電路結構能夠對電場儀測量的電場值精度進行監(jiān)測，保證其探測穩(wěn)定性，設計結構簡單，造價低。

1 地面電場儀

地面大氣電場儀的測量參數(shù)包括地面大氣電場強度以及極性的變化情況，可用來連續(xù)監(jiān)測對流云的起電過程，記錄閃電發(fā)生前雷暴中的電活動，又可記錄雷暴過程中發(fā)生的閃電過程（包括云閃和地閃）［2］。該儀器具有安裝簡便，工作時間長，探測精度較高等優(yōu)點，結合雷電預警軟件系統(tǒng)，可監(jiān)測到整個雷暴云的初生、成熟和消散等完整的3個發(fā)展階段，當然還包括閃電的放電過程。將地面電場儀進行組網(wǎng)后，還可擴大測量范圍，提高其測量精度［3］。

場磨式地面電場儀傳感器探頭由感應片、動片、小葉片、光電開關、無刷電機、前置放大器和信號處理器等組成［1］。感應片和動片是上下同軸，相互連接在一起的2組形狀相似的導電片，感應片因固定不動又稱為定子，動片又稱之為轉子或屏蔽片。其結構如圖1所示。大氣電場儀主要性能指標如表1所示。

圖1 場磨式地面電場儀結構

表1 大氣電場儀主要性能指標

場磨式地面電場儀的無刷電機帶動動片旋轉，分時屏蔽下方的感應片，使得動片循環(huán)規(guī)律地暴露和遮擋大氣外電場，空氣中的靜電場因不斷地被交替暴露和屏蔽，進而在感應電極上會產(chǎn)生正比于外電場強度的交流電流信號，再經(jīng)過電場儀后續(xù)電路的處理（如放大、濾波和A／D轉換等），得到地面附近的近似直流的靜電場強度值。但是，一般場磨式地面電場儀不具備自我檢測工作狀態(tài)的功能，無法保證電場儀電路精確穩(wěn)定地工作。

2 電路結構及功能

設計了一種地面電場儀的自檢電路，組成如圖2所示。該電路使地面電場儀具有自檢功能，并能將設備狀態(tài)傳送給后面的信號與數(shù)據(jù)處理電路，發(fā)現(xiàn)異常時給出報警信號，信號與數(shù)據(jù)處理電路同時將設備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給主控計算機。

圖2 組成結構

電場儀控制器中存儲有用戶設定的設備自檢參數(shù)值，并控制D／A轉換器進行數(shù)模轉換。

D／A轉換器用于將電場儀控制器傳送的自檢參數(shù)值轉換為模擬量的自檢控制信號，此自檢控制信號為方波標準電壓信號，可控制模擬開關的接通或關斷。

模擬開關的接通或關斷，決定自檢工作的開始和結束，其輸出端連接放大器的輸入端。

放大器用于對前述方波標準電壓信號進行放大，并將放大后的電壓信號加到標定電極板上。

標定電極板設于電場儀電機與定片之間，用于產(chǎn)生一個電場值，將該電場值與電場儀實際測得的電場值進行比較，檢測二者誤差是否在精度范圍內，從而實現(xiàn)自檢功能［3］。

3 具體實現(xiàn)方式

電路具體實現(xiàn)結構如圖3所示。電場儀控制器采用C8051F020單片機［4］，其中存儲有用戶設定的數(shù)字量設備自檢參數(shù)值，每隔一段時間自動輸出此參數(shù)值給D／A轉換器，以產(chǎn)生自檢控制信號。D／A轉換器為C8051F020單片機自身所帶的雙12位DAC，將設備自檢參數(shù)值由數(shù)字量轉換為模擬量，用于產(chǎn)生自檢控制信號，轉換后的模擬電壓為0～2.5V方波信號，其頻率與電場儀動片產(chǎn)生的頻率相同。D／A轉換器輸出，控制模擬開關ADG509接通，開始自檢工作。放大器采用基本運算放大器對自檢參數(shù)模擬電壓值放大20倍，即0～50V。放大后的電壓即標定信號加到電場儀中定片與電機之間的標定電極板上，標定電極板可采用與定片大小相同的金屬片，標定電極板產(chǎn)生的電場值為E=V／d，V為標定極板與信號定片的壓差，d為2個極片之間的距離，其范圍為0～50kV／m。將此電場值與電場儀實測電場值進行比較，檢測兩者誤差是否在精度范圍內，實現(xiàn)自檢功能［5-7］。

圖3 實施結構

4 結束語

設計了一種供雷電預警監(jiān)測的場磨式地面電場儀穩(wěn)定工作的自檢電路，能夠自動監(jiān)測電場儀工作的異常狀態(tài)，但該電路僅能實現(xiàn)自檢功能，即對超出電場值誤差警界值或是其他異常狀態(tài)進行檢測報警，并不能實現(xiàn)自校正功能。今后可對電路做進一步設計和改進，使其能夠對檢測到的異常狀態(tài)進行自動校正，提高電場儀工作的穩(wěn)定性和精確性。

［1］宋 欣.基于場磨式大氣電場儀的雷擊火預警系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學，2011.

［2］孟 青，呂偉濤，姚 雯，等.地面電場資料在雷電預警技術中的應用［J］.氣象，2005，31（9）：30-33.

［3］宋 欣，王克奇，李迪飛.場磨式電場儀在雷電預警中的研究與應用［J］.自動化與儀表，2011，（2）：8-11.

［4］羅福山，何喻暉，張 健，等.新型倒裝式旋轉電場儀［J］.空間科學學報，2004，24（6）：470-473.

［5］沈英才，劉朝英，宋雪玲.智能化儀表的幾種程序自檢方法［J］.河北工業(yè)科技，2004，（5）：45-48.

［6］戴克中.測量儀表的自檢自診斷系統(tǒng)［J］.武漢化工學院學報，2000，22（2）：61-63.

［7］陳衛(wèi)兵.8051單片機系統(tǒng)的自檢容錯設計［J］.國外電子測量技術，2005，（3）：15-17.