適用于多領域用途的高靈敏度差分式旋轉電場儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及旋轉式大氣電場儀，特別涉及一種適用于多領域用途的高靈敏度差分式旋轉電場儀。
【背景技術】
[0002]旋轉式大氣電場儀已被廣泛地應用于雷電監測與預報，并收到了很好的效果。但將旋轉式大氣電場儀用來監測太陽活動所引起的電效應和地震發生前可能出現的大氣電場變化時，沒能達到所希望的效果。類似的，旋轉式大氣電場儀用來探測30km以下的近地空間晴天大氣電場的空間分布及其變化情況，也難以獲得真實的結果。因為在這些情況下，大氣電場的強度在每米伏(V/m)量級至每米數百伏之間。現有的電場儀的傳感器的最大有效面積大多在20余平方厘米，則感應的電荷轉換成電流在10 13?10 12A之間，即使在1M Ω的電流電壓變換電阻上獲得的電壓只有微伏量級。而電場儀的傳感器是外露的，不能屏蔽，在檢測電場信號的同時，也檢測到了各種頻率的雜散信號。對于與電場信號頻率相差較大的雜散信號，可通過帶通濾波的方法使雜散信號降低到所需要的程度，但對于與電場信號頻率相近的雜散信號(其中也包括市電50Hz等低頻噪聲)，這些雜散信號的幅度與電場信號相比，或相當或甚至比電場信號的幅度還大。所以在電場信號很小的情況下，要區分出頻率相近的有用信號和噪聲是困難的。
[0003]根據中國氣象局規定:電場測量范圍±50V/m至±50kV/m內，相對測量精度應在5%內。但是經本申請人對國內多家廠商生產的40余臺電場儀通過精度為1%的大氣電場標定系統進行標定，基本上在每米百伏以上，甚至每米數百伏才能達到5%的精度，而晴天大氣電場恰好在每米數十伏至每米數百伏之間。所以現有的電場儀只在監測雷電活動等電場變化大的情況下適用。提高電場儀的測量精度和靈敏度是過去努力而沒有解決的問題。但在精度為I %的高精度寬量程的大氣電場標定系統(專利號:ZL 2011 I 0162132.0)建立后，為電場儀直接提供了有效的檢測手段，給提高電場儀的精度和靈敏度創造了條件。
[0004]在專利號為ZL 03160053.0、名稱為“適于雷電和近地大氣電環境監測用恒速旋轉倒裝式電場儀”的授權中國專利中，公開了一種恒速旋轉倒裝式電場儀。該電場儀包括:夕卜殼、轉子、定子、平衡電極、定片、部件安裝支座、接地電刷、小葉片、電機支座、電機、探頭內接線、電纜、支撐架、底座、探頭；還包括:轉速與同步信號檢測電路板、槽型光電開關、電極轉速控制電路、前置放大器、電絕緣柱、電刷支架、轉速與同步信號產生電路。其中，所述定子與平衡電極作成一體；所述支撐架是一呈倒置式L型金屬管，底端固定在底座上，另一端口與一頂面帶有凸口的筒狀外殼的凸口套裝連通固定，在所述支撐架與所述外殼的結合部內壁上固定一電纜插座，支撐架的管內穿入電纜，并通過插頭與插座連接，電纜插座通過探頭內接線與探頭電連接；該筒狀外殼的腔內固定一電機支座，所述的電機支座上安裝直流無刷電機，該電機上固定一電機轉速控制電路，電機軸穿進絕緣柱內，并與所述絕緣柱緊配合；在所述絕緣柱外壁套有與轉子片數相同的一產生同步信號的小葉片，在絕緣柱末端外壁上緊密地套有一轉子固定套，轉子固定在轉子固定套上，轉子固定套穿過部件安裝座以及固定其上的定片的中心孔，部件安裝支座上還安裝有前置放大器；所述的轉速與同步信號檢測電路板附著在電路板固定架上，固定在部件安裝支座上的接地電刷與轉子固定套摩擦接觸，使轉子始終處于地電位；轉速與同步信號檢測電路板上安有槽型光電開關，小葉片處于光電開關的槽內的中線位置。正如前文中所提到的，該恒速旋轉倒裝式電場儀具有靈敏度較低，適用范圍較窄，在電場信號很小的情況下、很難區分出頻率相近的有用信號和噪聲等缺陷。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服已有的恒速旋轉倒裝式電場儀靈敏度較低，適用范圍較窄的缺陷，從而提供一種靈敏度高、適用范圍廣的旋轉式電場儀。
[0006]為了實現上述目的，本發明提供了一種適用于多領域用途的高靈敏度差分式旋轉電場儀，包括:電場儀探頭、天線、支撐架、主機以及電場儀底座；其中，所述支撐架成倒置式L型，其一端固定安裝電場儀底座上，其另一端固定安裝有電場儀探頭；在所述支撐架的不同位置還分別安裝有天線以及主機；所述電場儀探頭、天線分別與主機電連接；
[0007]所述電場儀探頭包括:旋轉屏蔽片、差分式電荷傳感器、接地電刷及其支座、導電環、同步信號斬波葉片、絕緣連接套、安裝盤、光電檢測電路、差分式前置級、電場儀探頭外殼、恒速無刷電機安裝部件、恒速無刷電機、連接件以及傳輸電纜連接插頭插座；其中，所述電場儀探頭外殼成筒狀，其頂端通過連接件、螺母實現與支撐架一端的固定連接；所述電場儀探頭外殼的腔內固定有恒速無刷電機安裝部件，恒速無刷電機通過固定螺絲安裝在恒速無刷電機安裝部件上；所述電場儀探頭外殼的腔內還固定有安裝盤，所述差分式前置級和光電檢測電路均安裝在該安裝盤上，所述恒速無刷電機的電機軸穿進絕緣連接套內，并與其緊密配合；所述絕緣連接套的外壁套有同步信號斬波葉片，所述絕緣連接套末端的外壁上套有導電環；所述導電環的外壁安裝有接地電刷，接地電刷的支座也安裝在安裝盤上，但安裝在差分式前置級和光電檢測電路的相反的一面，所述導電環頂端安裝了旋轉屏蔽片，差分式電荷傳感器安裝在旋轉屏蔽片的下方、導電環的外周。
[0008]上述技術方案中，所述主機進一步包括:主機箱、電場模擬信號處理單元、數據采集和處理及控制單元、GPS信號接收單元、溫度監測電路和數據傳輸單元；其中，
[0009]所述電場模擬信號處理單元、數據采集和處理及控制單元、GPS信號接收單元、溫度監測電路和數據傳輸單元均置于主機箱內；所述主機箱通過主機箱固定件固定在所述支撐架上；
[0010]所述差分式前置級對電場信號加以放大，然后由所述電場模擬信號處理單元對放大后的電場信號進行相位調節和同步檢波，判斷出電場的正負和合適的信號范圍；接著將電場信號進行低通濾波后除去交流部分，然后與GPS信號接收單元接收的GPS信號、溫度監測電路監測到的溫度監測值一起分別輸入到數據采集和處理及控制單元進行分析處理，所得到的分析結果通過數據傳輸單元發送到各地的用戶。
[0011]上述技術方案中，所述差分式前置級包括兩個具有高輸入電阻、低失調電流、低失調電壓的運算放大器，以及一個高精度儀器放大器；所述的兩個運算放大器作為A/V變換器，所述的高精度儀器放大器作為差分放大器；
[0012]當旋轉屏蔽片旋轉時，外加電場通過旋轉屏蔽片的開孔在差分式電荷傳感器生成感應電荷，所生成的感應電荷分別通過各自的A/V變換器將電流A變換成電壓V，再分別輸入到由高精度儀器放大器組成的差分放大器的兩個輸入端進行放大，然后通過后一級放大器或跟隨器將電場信號輸送到電場模擬信號處理單元。
[0013]上述技術方案中，所述旋轉屏蔽片整體成圓盤狀，其中心處開有安裝定位孔，在中心安裝定位孔的四周均勾分布有多個扇形開孔。
[0014]上述技術方案中，所述差分式電荷傳感器為通用型電荷傳感器，包括:第一電荷感應片、第二電荷感應片、及位于第一電荷感應片與第二電荷感應片之間的絕緣片；其中，所述第一電荷感應片、絕緣片、第二電荷感應片按照從上到下的順序依次疊加構成；
[0015]所述第一電荷感應片或絕緣片整體成一圓盤狀，其中心開有圓孔，在中心圓孔的四周均勻地開有多個扇形孔；所述第二電荷感應片也成圓盤狀，其中心開有圓孔，中心圓孔的直徑與所述第一電荷感應片或絕緣片的中心圓孔的直徑相同。
[0016]上述技術方案中，所述第一電荷感應片、第二電荷感應片均采用304#不銹鋼材料；所述第一電荷感應片、絕緣片、第二電荷感應片均可采用沖壓方式制成。
[0017]上述技術方案中，所述差分式電荷傳感器為輕便型電荷傳感器，包括:第三電荷感應片、絕緣溝以及第四電荷感應片；其中，所述第三電荷感應片與第四電荷感應片位于同一圓盤上，該圓盤的中心開有圓孔；所述第三電荷感應片包括由中心圓孔周圍形成的內環以及與內環相連的多個扇形，所述第四電荷感應片包括由圓盤外邊緣形成的外環以及與外環相連的多個扇形；所述第三電荷感應片的多個扇形與第四電荷感應片的多個扇形交叉排列；所述第三電荷感應片與第四電荷感應片通過絕緣溝相隔離。
[0018]上述技術方案中，作為輕便型電荷傳感器的差分式電荷傳感器在雙面覆銅板的基礎上通過制作印刷電路板的方法制成。
[0019]上述技術方案中，所述天線包括GPS天線、GPRS天線；所述GPS天線、GPRS天線通過天線固定板固定在所述支撐架上。
[0020]本發明的優點在于:
[0021]1、本發明的旋轉式電場儀有效地消除了與待測電場信號頻率相近的包括市電50Hz等低頻噪聲的共模干擾的影響，經由精度為1%的大氣電場標定系統驗證，靈敏度和精度比現有的電場儀提高了 I個量級。解決了旋轉式大氣電場儀精度和靈敏度不高的難題。使電場儀可用于電