專利名稱：差動式大氣電場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及大氣電場測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通過探測帶電云層及近地面電場環(huán)境及其變化，來判斷雷暴活動的發(fā)展 趨勢和發(fā)生森林雷擊的可能性。結(jié)合近地天氣條件和可燃物條件，可推測雷 擊火的發(fā)生和預(yù)報。目前電場測量有三種方法電暈法靈敏度低，放射線法 比較可靠，但反應(yīng)速度慢。常用的是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)器，又稱場磨儀。它靈 敏度高、響應(yīng)快、動態(tài)范圍大，并可以同時測量靜電場。缺點(diǎn)是抗環(huán)境干擾 能力差，在森林、草原等強(qiáng)噪聲環(huán)境下，導(dǎo)致分辨率降低。并且由于帶電粒 子的碰撞使傳感器電位改變，使測量信號失真。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型是為了解決現(xiàn)有大氣電場傳感器抗環(huán)境干擾能力差缺點(diǎn)，而 提出了一種差動式大氣電場傳感器。
本實(shí)用新型包括定位座、第一組電極、前置放大器、電機(jī)、接地電刷、 第二組電極和屏蔽盤；屏蔽盤為開有2n個扇形孔的環(huán)型圓盤，所述的2n個 扇形孔沿屏蔽盤的環(huán)型圓盤圓周方向均勻分布，屏蔽盤的上表面每兩個扇形 孔之間設(shè)置有凸沿，所述凸沿的外弧面與扇形孔的弧面位于同一圓周面，電 機(jī)轉(zhuǎn)軸穿過定位座和接地電刷中心，電機(jī)軸的末端固定連接在所述的屏蔽盤 的中心孔上，定位座為內(nèi)徑表面開有兩個對稱凹槽下表面設(shè)置有凸沿的環(huán)型 圓盤，所述的接地電刷嵌放于定位座的兩個對稱凹槽內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與定位座 內(nèi)的接地電刷摩擦接觸，第一組電極和第二組電極為兩組扇形金屬片，每組 扇形金屬片為2n個，所述的第一組電極和第二組電極沿圓周方向交替均勻分 布在定位座的環(huán)型圓盤的下表面的凸沿內(nèi)，定位座的凸沿位于屏蔽盤的凸沿 的外側(cè)，所述的第一組電極和第二組電極與定位座之間絕緣連接，所述的第 一組電極和第二組電極的兩個獨(dú)立的輸出端分別連接前置放大器中的差分放 大器的兩個輸入端。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，屏蔽盤由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，使兩組電極交替地
3暴露在外電場E中，或被屏蔽使E-0。這樣周而復(fù)始產(chǎn)生交變信號，使兩個 測量回路中的信號發(fā)生大小相等、方向相反的變化，導(dǎo)致一個回路的感應(yīng)電 流增加，另一個回路的感應(yīng)電流減小，形成差動形式。由于兩組電極彼此獨(dú) 立，即使因外界干擾噪聲疊加到信號中，也不能直接進(jìn)入信號處理電路，而 由兩路信號差分輸入被抵消掉。使進(jìn)入信號處理電路的噪聲小而有節(jié)制。因 此，使因外界帶電粒子的影響引起的噪聲明顯減小，并使傳感器靈敏度提高 2倍。


圖1是本實(shí)用新型的縱向階梯剖視圖；圖2是兩組電極的仰視圖；圖3 是屏蔽盤15的仰視圖。
具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1、圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式 由定位座l、第一組電極2、前置放大器9、電機(jī)ll、接地電刷12、第二組 電極13和屏蔽盤15組成；屏蔽盤15為開有2n個扇形孔的環(huán)型圓盤，所述 的2n個扇形孔沿屏蔽盤15的環(huán)型圓盤圓周方向均勻分布，屏蔽盤15的上表 面每兩個扇形孔之間設(shè)置有凸沿，所述凸沿的外弧面與扇形孔的弧面位于同 一圓周面，電機(jī)11轉(zhuǎn)軸穿過定位座1和接地電刷12中心，電機(jī)軸的末端固 定連接在所述的屏蔽盤15的中心孔上，定位座1為內(nèi)徑表面開有兩個對稱凹 槽下表面設(shè)置有凸沿的環(huán)型圓盤，所述的接地電刷12嵌放于定位座1的兩個 對稱凹槽內(nèi)，電機(jī)11轉(zhuǎn)軸與定位座1內(nèi)的接地電刷12摩擦接觸，第一組電 極2和第二組電極13為兩組扇形金屬片，每組扇形金屬片為2n個，所述的 第一組電極2和第二組電極13沿圓周方向交替均勻分布在定位座1的環(huán)型圓 盤的下表面的凸沿內(nèi)，定位座1的凸沿位于屏蔽盤15的凸沿的外側(cè)，構(gòu)成差 動式感應(yīng)結(jié)構(gòu)，所述的第一組電極2和第二組電極13與定位座1之間絕緣連 接，所述的第一組電極2和第二組電極13的兩個獨(dú)立的輸出端分別連接前置 放大器9中的差分放大器的兩個輸入端。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式一不同點(diǎn)在于第一組電極2和第二組電極13與定位座1之間絕緣連接是由 下絕緣墊3、絕緣套4、上絕緣墊5、外環(huán)6、接線柱7和內(nèi)環(huán)8連接組成的，兩組電極與定位座1之間設(shè)置有下絕緣墊3，外環(huán)6和內(nèi)環(huán)8與定位座1之 間設(shè)置有上絕緣墊5，接線柱7為4n個，其中2n個接線柱7穿過定位座1 固定連接外環(huán)6與第一組電極2，另外2n個接線柱7穿過定位座1固定連接 內(nèi)環(huán)8與第二組電極13，絕緣套4設(shè)置在接線柱7和定位座1之間。其它組 成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式一不同點(diǎn)在于增加了光電開關(guān)14，定位座1的凸沿上開有圓孔，圓孔上安 裝有光電開關(guān)14，屏蔽盤15凸沿位于定位座1的凸沿圓孔的內(nèi)側(cè)，屏蔽盤 15凸沿垂直阻擋光電開關(guān)14的信號光，產(chǎn)生同步參考脈沖信號，用于鑒別 電場信號的極性。其它組成和連接方式與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式一不同點(diǎn)在于接地電刷12由碳塊和彈簧組成；碳塊的一端與電機(jī)11的轉(zhuǎn) 軸接觸，碳塊另一端與彈簧的一端連接，彈簧的另一端擠壓在凹槽底部。通 過彈簧使碳塊與電機(jī)11轉(zhuǎn)軸摩擦接觸更為緊密。其它組成和連接方式與具體 實(shí)施方式一相同。
本實(shí)用新型內(nèi)容不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個或幾個具體 實(shí)施方式的組合同樣也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)用新型的目的。
導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的大小與電場強(qiáng)度E成正比，即Q(t)=-e EA(t)，其中e為自由空間介電常數(shù)，A(t)為導(dǎo)體的表面積。如果導(dǎo)體與接地 電阻相接，則當(dāng)導(dǎo)體完全屏蔽時，其上的電荷經(jīng)電阻流向大地形成感應(yīng)電流。 如果以一塊接地金屬板不斷屏蔽它，就可以使帶電板交替地充放電，產(chǎn)生一 個交變電流，其數(shù)值與E成正比，即i(t)=dQ(t)/dt=-e EdA(t)/dt，由此可以測 出E值。通過上述理論設(shè)計出本實(shí)用新型的差動式大氣電場傳感器，其工作 原理如下
在1=0，屏蔽盤15完全遮住第一組電極2、完全暴露第二組電極13時， 開始轉(zhuǎn)動，在0<1<1=1/12時間內(nèi)，屏蔽盤15朝第二組電極13處運(yùn)動，使 第一組電極2整個面積ji (r22-ri2)/2逐漸露出，使第二組電極13的面積逐漸遮 擋住。在此期間第一組電極2的面積增長率為dA(t)/dt= Ji (r22-ri2)/2( t /12)= 6 Jifo(r2、n2)，而第二組電極13面積減少率為-6JifQ(i^-r )式中r,、 1"2分別為電極和屏蔽盤15的內(nèi)外半徑，fb和1=1/&分別是電機(jī)11的旋轉(zhuǎn)頻率和旋轉(zhuǎn)周 期，f-l/2T為電場信號頻率，0或2T時為第一組電極2完全屏蔽那瞬間的時 間，T為第一組電極2完全暴露的一瞬間。
當(dāng)t-T時，第一組電極2暴露出最大面積、第二組電極13被完全遮擋。 屏蔽盤15又向遮擋第一組電極2暴露第二組電極13的方向運(yùn)動，在T至2T 期間，第一組電極2面積減少率為-6Jif。(r厶r。，第二組電極13的面積增長 率為6 Ji fo(f22-r卩)。
在不考慮電極邊緣效應(yīng)的前提下，
第一組電極2回路的電流為
i(t) = dQ(t)/dt = - e EdA(t)/dt=國6 Ji f e (r^-r^E^I, 第二組電極13回路的電流為
i2(t)= dQ(t)/dt =- e EdA(t)/dt =6 Ji f e (i^-i^^I; 兩個回路的電流大小相等、方向相反。 于是，傳感器輸出電流
i(t)= i丄(t)- i2(t)= -I-I=-2I 0<t<T i(t)= (t)- i2(t)=I-(-I)=2I T<t<2T
靈敏度提高2倍。
設(shè)外界帶電粒子打在J電極第一組電極2上產(chǎn)生的噪聲電流為』Ii ，打 在電極第二組電極13上產(chǎn)生的噪聲電流為Ztl2則」h"Z！12,
因此」I二ZI1,—」I2"0。
權(quán)利要求1、差動式大氣電場傳感器，其特征在于它包括定位座(1)、第一組電極(2)、前置放大器(9)、電機(jī)(11)、接地電刷(12)、第二組電極(13)和屏蔽盤(15)；屏蔽盤(15)為開有2n個扇形孔的環(huán)型圓盤，所述的2n個扇形孔沿屏蔽盤(15)的環(huán)型圓盤圓周方向均勻分布，屏蔽盤(15)的上表面每兩個扇形孔之間設(shè)置有凸沿，所述凸沿的外弧面與扇形孔的弧面位于同一圓周面，電機(jī)(11)轉(zhuǎn)軸穿過定位座(1)和接地電刷(12)中心，電機(jī)軸的末端固定連接在所述的屏蔽盤(15)的中心孔上，定位座(1)為內(nèi)徑表面開有兩個對稱凹槽下表面設(shè)置有凸沿的環(huán)型圓盤，所述的接地電刷(12)嵌放于定位座(1)的兩個對稱凹槽內(nèi)，電機(jī)(11)轉(zhuǎn)軸與定位座(1)內(nèi)的接地電刷(12)摩擦接觸，第一組電極(2)和第二組電極(13)為兩組扇形金屬片，每組扇形金屬片為2n個，所述的第一組電極(2)和第二組電極(13)沿圓周方向交替均勻分布在定位座(1)的環(huán)型圓盤的下表面的凸沿內(nèi)，定位座(1)的凸沿位于屏蔽盤(15)的凸沿的外側(cè)，所述的第一組電極(2)和第二組電極(13)與定位座(1)之間絕緣連接，所述的第一組電極(2)和第二組電極(13)的兩個獨(dú)立的輸出端分別連接前置放大器(9)中的差分放大器的兩個輸入端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動式大氣電場傳感器，其特征在于第一組電 極(2)和第二組電極(13)與定位座(1)之間絕緣連接是由下絕緣墊(3)、絕緣套(4)、 上絕緣墊(5)、外環(huán)(6)、接線柱(7)和內(nèi)環(huán)(8)連接組成的，兩組電極與定位座(l) 之間設(shè)置有下絕緣墊(3)，外環(huán)(6)和內(nèi)環(huán)(8)與定位座(1)之間設(shè)置有上絕緣墊 (5)，接線柱(7)為4n個，其中2n個接線柱(7)穿過定位座(1)固定連接外環(huán)(6) 與第一組電極(2)，另外2n個接線柱(7)穿過定位座(1)固定連接內(nèi)環(huán)(8)與第二 組電極(13)，絕緣套(4)設(shè)置在接線柱(7)和定位座(1)之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動式大氣電場傳感器，其特征在于它還包括 光電開關(guān)(14),定位座(l)的凸沿上開有圓孔，圓孔上安裝有光電開關(guān)(14)，屏 蔽盤(15)凸沿位于定位座(1)的凸沿圓孔的內(nèi)側(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動式大氣電場傳感器，其特征在于它接地電 刷(12)由碳塊和彈簧組成；碳塊的一端與電機(jī)(ll)的轉(zhuǎn)軸接觸，碳塊另一端與 彈簧的一端連接，彈簧的另一端擠壓在凹槽底部。
專利摘要差動式大氣電場傳感器，它涉及大氣電場測量領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有大氣電場傳感器抗環(huán)境干擾能力差缺點(diǎn)。它的屏蔽盤為開有2n個圓周方向均勻分布扇形孔的環(huán)型圓盤，其上表面每兩個扇形孔之間設(shè)置有與其的弧面位于同一圓周面凸沿，電機(jī)轉(zhuǎn)軸穿過定位座和接地電刷連在屏蔽盤中心孔上，定位座為內(nèi)徑表面開有凹槽下表面設(shè)置有凸沿的環(huán)型圓盤，接地電刷嵌放于凹槽內(nèi)與電機(jī)轉(zhuǎn)軸摩擦接觸，兩組電極分別為2n個扇形金屬片，其沿圓周方向交替均勻分布在定位座的下表面的凸沿內(nèi)，定位座的凸沿位于屏蔽盤的凸沿的外側(cè)，兩組電極與定位座之間絕緣連接，其兩個的輸出端分別連接前置放大器中的兩個輸入端。本實(shí)用新型的噪聲明顯減小，并使傳感器靈敏度提高2倍。
文檔編號G01R29/12GK201255750SQ20082009119
公開日2009年6月10日 申請日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者張明遠(yuǎn), 李迪飛, 武 畢, 王力峰 申請人:國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所