一種閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的探測(cè)傳感單元，每個(gè)探測(cè)傳感單元均包括依次串聯(lián)的小環(huán)天線、天線匹配網(wǎng)絡(luò)和有源積分電路，所述三個(gè)小環(huán)天線分布于兩兩垂直的三個(gè)平面；三個(gè)小環(huán)天線接收三個(gè)方向的磁場(chǎng)分量，并傳輸至對(duì)應(yīng)的天線匹配網(wǎng)絡(luò)，所述天線匹配網(wǎng)絡(luò)將收到的信號(hào)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換后傳輸至對(duì)應(yīng)的有源積分電路，所述有源積分電路輸出與所述小環(huán)天線對(duì)應(yīng)的三個(gè)方向的電信號(hào)。本發(fā)明能測(cè)量來自空間不同位置的雷電磁場(chǎng)分量，測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定。
【專利說明】一種閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，屬于雷電科學(xué)與【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]雷電放電過程產(chǎn)生頻譜范圍很寬的電磁波，從而為雷電探測(cè)提供了重要途徑。雷電產(chǎn)生的電磁輻射在無線電頻段有很強(qiáng)的輻射，在VLF/LF頻段的輻射主要由具有較大空間尺度的放電過程產(chǎn)生，在微波頻段也有可探測(cè)到的輻射，雷電過程伴隨更高頻段的X射線和Y射線等聞能福射。
[0003]傳統(tǒng)的雷電探測(cè)傳感器主要有場(chǎng)磨式大氣平均電場(chǎng)儀、快天線電場(chǎng)變化儀和慢天線電場(chǎng)變化儀、磁場(chǎng)測(cè)量儀等。雷電磁場(chǎng)探測(cè)儀通常使環(huán)形磁天線進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量，目前仍廣泛使用于觀測(cè)地閃閃電以及地閃的定位系統(tǒng)。但是，傳統(tǒng)的雷電磁場(chǎng)探測(cè)儀不能測(cè)量來自空間不同位置的雷電磁場(chǎng)分量，對(duì)研究雷電科學(xué)產(chǎn)生影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的，在于提供一種閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，能測(cè)量來自空間不同位置的雷電磁場(chǎng)分量。
[0005]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
一種閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的探測(cè)傳感單元，每個(gè)探測(cè)傳感單元均包括依次串聯(lián)的小環(huán)天線、天線匹配網(wǎng)絡(luò)和有源積分電路，所述三個(gè)小環(huán)天線分布于兩兩垂直的三個(gè)平面；三個(gè)小環(huán)天線接收三個(gè)方向的磁場(chǎng)分量，并傳輸至對(duì)應(yīng)的天線匹配網(wǎng)絡(luò)，所述天線匹配網(wǎng)絡(luò)將收到的信號(hào)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換后傳輸至對(duì)應(yīng)的有源積分電路，所述有源積分電路輸出與所述小環(huán)天線對(duì)應(yīng)的三個(gè)方向的電信號(hào)。
[0006]進(jìn)一步，所述每個(gè)天線匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一傳輸線變壓器和第二傳輸線變壓器，與之對(duì)應(yīng)的小環(huán)天線的兩個(gè)輸出端分別接至第一傳輸線變壓器的第一和第二輸入端，第一傳輸線變壓器的第一和第二輸出端分別與第二傳輸線變壓器的第一和第二輸入端連接，第二傳輸變壓器的第一和第二輸出端與有源積分電路模塊連接，第一傳輸線變壓器的第二輸出端還與第二傳輸線變壓器的第一輸出端短接，第一和第二傳輸線變壓器的第二輸出端分別接地。
[0007]進(jìn)一步，所述每個(gè)有源積分電路包括第一運(yùn)算放大器、第一至三電阻和第一電容，與之對(duì)應(yīng)的第二傳輸線變壓器的第一和第二輸出端分別連接第一和第三電阻的一端，第一電阻的另一端、第二電阻的一端、第一電容的一端與第一運(yùn)算放大器的反相輸入端共同連接，第三電阻的另一端與第一運(yùn)算放大器的正相輸入端連接，并共同接地，第一電容的另一端、第二電阻的另一端與第一運(yùn)算放大器的輸出端連接。
[0008]進(jìn)一步，第一運(yùn)算放大器采用op27集成運(yùn)算放大器。
[0009]進(jìn)一步，所述小環(huán)天線由銅導(dǎo)線制成，銅導(dǎo)線的直徑為0.5cm。
[0010]進(jìn)一步，所述小環(huán)天線的半徑為10cm，小環(huán)天線的饋電端平行雙線的間隔為1cm，小環(huán)天線的阻抗為300 Ω。
[0011]采用上述方案后，本發(fā)明三維小環(huán)天線陣模塊接收閃電三維空間的磁場(chǎng)分量，經(jīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)天線的阻抗交換，再由有源積分電路處理信號(hào)，根據(jù)磁場(chǎng)分量計(jì)算合成出雷電電流的波形及幅值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的優(yōu)點(diǎn)有:1、閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。2、該傳感器能夠檢測(cè)三維空間的場(chǎng)分量信號(hào)，根據(jù)場(chǎng)信號(hào)的幅值大小及信號(hào)的極性能夠識(shí)別雷電波的方向。3、該傳感器采用傳輸線變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)及有源積分電路，具有較寬的頻響特性且輸出電壓的波形與雷電流波形具有較好的一致性。4、該傳感器應(yīng)用范圍廣，同時(shí)適用于核爆等瞬態(tài)三維磁場(chǎng)的測(cè)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器的原理框圖。
[0013]圖2是本發(fā)明閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器的電路圖。
[0014]圖3是本發(fā)明三維小環(huán)天線陣模塊的局部電路圖。
[0015]圖4是本發(fā)明天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊的局部電路圖。
[0016]圖5是本發(fā)明有源積分電路模塊的局部電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0018]如圖1所示為本發(fā)明的一種閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，包括依次串聯(lián)的三維小環(huán)天線陣模塊，天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊和有源積分電路模塊，有源積分電路模塊通過X、1、Z三個(gè)通道輸出。
[0019]如圖2所示，所述閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的探測(cè)傳感單元，每個(gè)探測(cè)傳感單元均包括依次串聯(lián)的小環(huán)天線、天線匹配網(wǎng)絡(luò)和有源積分電路。
[0020]結(jié)合圖3所示，三維小環(huán)天線陣模塊用于接收X、y、Z三個(gè)方向的空間雷電磁場(chǎng)分量，所述三個(gè)小環(huán)天線分別平行于xoy，xoz, yoz三個(gè)平面，饋電端4接平行雙線，小環(huán)天線由銅導(dǎo)線制成，小環(huán)天線的半徑為10cm，銅導(dǎo)線的直徑為0.5cm，小環(huán)天線的饋電端間隙為Icm,小環(huán)天線的阻抗設(shè)計(jì)為300 Ω，小環(huán)天線的尺寸小于信號(hào)波長的1/10。
[0021]結(jié)合圖4所示，每個(gè)天線匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一傳輸線變壓器和第二傳輸線變壓器，第一小環(huán)天線的兩個(gè)輸出端分別接至第一傳輸線變壓器的第一和第二輸入端la、lc，第一傳輸線變壓器的第一和第二輸出端lb、Id分別與第二傳輸線變壓器的第一和第二輸入端2a、2c連接,第二傳輸變壓器的第一和第二輸出端2b、2d與第一有源積分電路連接,第一傳輸線變壓器的第二輸出端2b與第二傳輸線變壓器的第一輸出端Id短接,第一和第二傳輸線變壓器的第二輸出端Id、2b分別接地。天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊的作用是實(shí)現(xiàn)小環(huán)天線的阻抗交換，將300 Ω小環(huán)天線的阻抗轉(zhuǎn)換為75 Ω的阻抗，第一傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)平衡-非平衡轉(zhuǎn)換的作用，第二傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)4:1的阻抗轉(zhuǎn)換作用；所述傳輸線變壓器具有很寬的頻響特性。
[0022]結(jié)合圖5所示，每個(gè)有源積分電路包括第一運(yùn)算放大器IC1、第一至三電阻R1、R2、R3和第一電容Cl，與之對(duì)應(yīng)的第二傳輸線變壓器的第一和第二輸出端2b、2d分別連接第一Rl和第三電阻R3的一端，第一電阻Rl的另一端與第二電阻R2的一端、第一電容Cl的一端、第一運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端連接，第三電阻R3的另一端與第一運(yùn)算放大器ICl的正相輸入端連接，并共同接地，第一電容Cl的另一端、第二電阻R2的另一端與第一運(yùn)算放大器ICl的輸出端連接；三個(gè)有源積分電路分別輸出x、y、z三個(gè)方向的電信號(hào)。第一電阻R1、第一電容Cl為積分電阻和積分電容，第二電阻R2為反饋電阻，第一、二、三電阻R1、R2、R3取相同的值，第一運(yùn)算放大器采用op27集成運(yùn)算放大器。U01、U02、U03分別為三個(gè)有源積分電路的輸出電壓。
[0023]本發(fā)明的閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器由三個(gè)小環(huán)天線通過平行雙線饋電連接到對(duì)應(yīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)電路，對(duì)應(yīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)通過75 Ω同軸電纜連接到對(duì)應(yīng)有源積分電路的三個(gè)輸入端，經(jīng)對(duì)信號(hào)處理后，分別輸出通道x、y、z三個(gè)方向的信號(hào)。本發(fā)明的工作過程是:雷電閃電瞬間，閃電通道等效天線向空間輻射電磁場(chǎng)，三維小環(huán)天線陣模塊接收來自不同方向的磁場(chǎng)分量，并經(jīng)平行雙線饋電傳輸?shù)教炀€匹配網(wǎng)絡(luò)模塊，天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊將平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為非平衡信號(hào)，再經(jīng)同軸電纜饋電傳輸至有源積分電路模塊進(jìn)行信號(hào)處理，分別輸出x、y、z三個(gè)不同方向的電信號(hào)。所述電信號(hào)可直接經(jīng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器，或者信號(hào)處理電路進(jìn)行處理。根據(jù)三個(gè)方向的信號(hào)可計(jì)算出閃電通道的電流波形及雷電電流的幅值。
[0024]本發(fā)明利用三維小環(huán)天線陣模塊接收閃電三維空間的磁場(chǎng)分量，經(jīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)天線的阻抗交換，再由有源積分電路處理信號(hào)，根據(jù)磁場(chǎng)分量計(jì)算合成出雷電電流的波形及幅值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的優(yōu)點(diǎn)有:1、閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。2、該傳感器能夠檢測(cè)三維空間的場(chǎng)分量信號(hào)，根據(jù)場(chǎng)信號(hào)的幅值大小及信號(hào)的極性能夠識(shí)別雷電波的方向。3、該傳感器采用傳輸線變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)及有源積分電路，具有較寬的頻響特性且輸出電壓的波形與雷電流波形具有較好的一致性。4、該傳感器應(yīng)用范圍廣，同時(shí)適用于核爆等瞬態(tài)三維磁場(chǎng)的測(cè)量。
[0025]以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，其特征在于:包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的探測(cè)傳感單元，每個(gè)探測(cè)傳感單元均包括依次串聯(lián)的小環(huán)天線、天線匹配網(wǎng)絡(luò)和有源積分電路，所述三個(gè)小環(huán)天線分布于兩兩垂直的三個(gè)平面；三個(gè)小環(huán)天線接收三個(gè)方向的磁場(chǎng)分量，并傳輸至對(duì)應(yīng)的天線匹配網(wǎng)絡(luò)，所述天線匹配網(wǎng)絡(luò)將收到的信號(hào)進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換后傳輸至對(duì)應(yīng)的有源積分電路，所述有源積分電路輸出與所述小環(huán)天線對(duì)應(yīng)的三個(gè)方向的電信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，其特征在于:所述每個(gè)天線匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一傳輸線變壓器和第二傳輸線變壓器，與之對(duì)應(yīng)的小環(huán)天線的兩個(gè)輸出端分別接至第一傳輸線變壓器的第一和第二輸入端，第一傳輸線變壓器的第一和第二輸出端分別與第二傳輸線變壓器的第一和第二輸入端連接，第二傳輸變壓器的第一和第二輸出端與有源積分電路模塊連接，第一傳輸線變壓器的第二輸出端還與第二傳輸線變壓器的第一輸出端短接，第一和第二傳輸線變壓器的第二輸出端分別接地。
3.如權(quán)利要求2所述的閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，其特征在于:所述每個(gè)有源積分電路包括第一運(yùn)算放大器、第一至三電阻和第一電容，與之對(duì)應(yīng)的第二傳輸線變壓器的第一和第二輸出端分別連接第一和第三電阻的一端,第一電阻的另一端、第二電阻的一端、第一電容的一端與第一運(yùn)算放大器的反相輸入端共同連接，第三電阻的另一端與第一運(yùn)算放大器的正相輸入端連接，并共同接地，第一電容的另一端、第二電阻的另一端與第一運(yùn)算放大器的輸出端連接。
4.如權(quán)利要求3所述的閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，其特征在于:第一運(yùn)算放大器采用op27集成運(yùn)算放大器。
5.如權(quán)利要求1所述的閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，其特征在于:所述小環(huán)天線由銅導(dǎo)線制成，銅導(dǎo)線的直徑為0.5cm。
6.如權(quán)利要求5所述的閃電瞬態(tài)三維磁場(chǎng)傳感器，其特征在于:所述小環(huán)天線的半徑為10cm，小環(huán)天線的饋電端平行雙線的間隔為1cm，小環(huán)天線的阻抗為300 Ω。
【文檔編號(hào)】G01R33/02GK104330751SQ201410557188
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】李祥超, 周中山, 陳璞陽, 陳則煌 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)