专利名称：一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及风沙电场测量设备技术领域，具体地，涉及一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统。
背景技术：
风沙电场，是指在风沙环境中由于运动沙粒(尘)带有一定量的电荷而形成的一种量级高于晴天大气电场2-3个数量级的电场，直接影响着风沙流的形成和发展过程、输沙强度的变化以及通讯雷达信号的正常发射和接收。如何准确、实时地测量出在不同风沙环境(风沙流、沙尘暴和尘卷)中的风沙电场，已成为环境力学研究领域的一个热门问题。目前，常用的电场测量设备主要有两种一种是利用电场感应电荷和电容放电原 理研制的振动电容式大气电场测量设备，另一种是利用电场屏蔽原理研制的旋转屏蔽式大气电场测量设备。这两类大气电场测量设备在应用于特殊的风沙环境电场测量时都存在一些问题使其不能正常工作，其中最主要的问题有以下三方面
(I)风沙环境中夹杂的不同粒径和形状的沙粒在测量的过程中会对电场测量设备探头前端的振动和旋转感应部件造成冲击，其结果使得探头的感应部件无法稳定工作，影响实验结果的正确性和精度；
⑵现有的大气电场测量设备线性度较好，响应较灵敏的工作范围主要在lOOkv/m以内，而在风沙环境中，特别是在沙尘暴中已经发现了 200kv/m-300kv/m大小电场的存在，因此现有大气电场测量设备从量程的角度也无法满足风沙环境电场的测量；
⑶风沙电场由于其产生的环境和条件十分复杂，因此其电场方向并不是确定的，其在三维空间中的方向和大小都在不断的变化，而现有的大气电场测量设备不具备对电场三维分量的单独测量能力，因此也就不能完整地给出风沙电场的三维分布结果。可见，目前还没有适合于对风沙电场进行有效和准确测量的专用电场测量设备，是致使至今缺乏对风沙电场较为系统的观测和对其规律的全面揭示的瓶颈。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在防风沙能力差、不具备抗干扰能力和智能化程度低等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，以实现防风沙能力强、能够屏蔽侧向电场和智能化程度高的优点。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场信号的屏蔽探头，与所述屏蔽探头信号连接、且用于对来自屏蔽探头的现场信号进行初级处理的前端处理单元，与所述前端处理单元连接、且用于在手动控制或自动控制的工作方式下对来自前端处理单元的初级处理结果进行综合处理的后端处理单元，以及与所述后端处理单元连接、且用于切换工作方式的切换单元。
进一步地，所述前端处理单元，包括连接在所述屏蔽探头与后端处理单元之间的初级滤波放大模块。进一步地，当工作方式为手动控制时，所述后端处理单元包括与所述初级滤波放大模块连接的后端滤波模块，依次连接的模拟开关模块、采样保持和峰值检测模块、A/D模块、主控模块、以及用于发送用户指令的客户端，以及并行连接在所述后端滤波模块与模拟开关模块之间的第I至N量程放大模块；所述主控模块还与模拟开关模块连接，客户端与主控模块之间双向连接；N为自然数。进一步地，所述客户端包括计算机，或能够与主控模块通信的手持终端。进一步地，所述主控模块包括单片机，以及面向外部用户的接口模块。进一步地，当工作方式为自动控制时，所述后端处理单元包括与所述初级滤波放大模块连接的电压比较器，依次连接的调制检波模块和信号处理模块，以及并行连接在所·述电压比较器与调制检波模块之间的第I通道滤波放大模块和第2通道滤波放大模块；
在所述第I通道滤波放大模块或第2通道滤波放大模块的选片信号之前设有非门，第I通道滤波放大模块和第2通道滤波放大模块相连，初级滤波放大模块还与第I通道滤波放大模块连接。进一步地，所述信号处理模块包括数字采集器(例如，可以采用瑞博华RBH-8251数据采集器)。进一步地，所述信号处理模块包括依次与所述调制检波模块连接的A/D模块和主控丰吴块。进一步地，所述主控模块包括单片机或计算机。进一步地，所述屏蔽探头包括屏蔽式外片固定的振簧电容式探头。本发明各实施例的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，由于包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场信号的屏蔽探头，与屏蔽探头信号连接、且用于对来自屏蔽探头的现场信号进行初级处理的前端处理单元，与前端处理单元连接、且用于在手动控制或自动控制的工作方式下对来自前端处理单元的初级处理结果进行综合处理的后端处理单元，以及与后端处理单元连接、且用于切换工作方式的切换单元；适用于同量级情况下的电场测量系统，可以自动量程切换则用于智能调节量程通道，在小量程时，采用更高精度的检测通道，在外部电场突变增大后，自动切换到更大一级的量程放大通道，实现外部电场更精准的测量；从而可以克服现有技术中防风沙能力差、不具备抗干扰能力和智能化程度低的缺陷，以实现防风沙能力强、能够屏蔽侧向电场和智能化程度高的优点。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中
图I为本发明基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统为手动控制模式时的工作原理示意图；图2为本发明基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统为自动控制模式时的工作原理示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发 明，并不用于限定本发明。实施例一
根据本发明实施例，提供了一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统。如图I所示，本实施例包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场信号的屏蔽探头，与屏蔽探头信号连接、且用于对来自屏蔽探头的现场信号进行初级处理的前端处理单元，以及与前端处理单元连接、且用于在手动控制的工作方式下对来自前端处理单元的初级处理结果进行综合处理的后端处理单元。上述前端处理单元，包括连接在屏蔽探头与后端处理单元之间的初级滤波放大模块；该屏蔽探头包括屏蔽式外片固定的振簧电容式探头。上述后端处理单元包括与初级滤波放大模块连接的后端滤波模块，依次连接的模拟开关模块、采样保持和峰值检测模块、A/D模块、主控模块、以及用于发送用户指令的客户端，以及并行连接在后端滤波模块与模拟开关模块之间的第I至N量程放大模块；主控模块还与模拟开关模块连接，客户端与主控模块之间双向连接；N为自然数。该客户端包括计算机，或能够与主控模块通信的手持终端；主控模块包括单片机，以及面向外部用户的接口模块。图I显示的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，是一种手动多量程风沙电场测量系统。在该基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统中，信号流向为振簧电容式探头感应片的感应信号，通过振簧电容式探头前端的初级滤波放大模块，进入后端滤波模块，然后接入N路量程放大模块，这N路量程放大模块又连入模拟开关模块。模拟开关模块输出的信号，进入后端的采样保持和峰值检测模块，之后经A/D模块转换为数字信号，进入单片机进行存储和输出。在图I显示的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统中，手动量程选择原理为
在该基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统中，用户可以根据自己的需要，在单片机中通过相应的软件设置量程通道。根据用户所选择的量程，由计算机输入指令进入后端处理单元的单片机，单片机的CPU输出地址选通信号到模拟开关模块，则选通信号对应的一路量程放大模块被连通，前端信号将通过选通的量程放大模块，进入后端的采样保持和峰值检测模块，经A/D模块转换为数字信号后，输入单片机进行进一步的分类储存，再输出到客户端(如计算机)供用户使用数据。实施例二
根据本发明实施例，提供了一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统。如图2所示，本实施例包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场信号的屏蔽探头，与屏蔽探头信号连接、且用于对来自屏蔽探头的现场信号进行初级处理的前端处理单元，以及与前端处理单元连接、且用于在自动控制的工作方式下对来自前端处理单元的初级处理结果进行综合处理的后端处理单元。这里，前端处理单元，包括连接在屏蔽探头与后端处理单元之间的初级滤波放大模块；屏蔽探头包括屏蔽式外片固定的振簧电容式探头。上述后端处理单元包括与初级滤波放大模块连接的电压比较器，依次连接的调制检波模块和信号处理模块，以及并行连接在电压比较器与调制检波模块之间的第I通道滤波放大模块和第2通道滤波放大模块；在第I通道滤波放大模块或第2通道滤波放大模块的选片信号之前设有非门，第I通道滤波放大模块和第2通道滤波放大模块相连，初级滤波放大模块还与第I通道滤波放大模块连接。该信号处理模块包括数字采集器；或者，该信号处理模块包括依次与调制检波模块连接的A/D模块和主控模块。主控模块包括单片机或计算机。图I显示的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，是一种自动量程切换风沙电场测量系统。在该基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统中，信号流向为振簧电容式探头感应片的感应信号，通过振簧电容式探头前端的初级滤波放大模块，进入后端的电压比较器，通过与基准电压的比较，判断前端信号所处的范围，由电压比 较器比较后输出电平信号，作为第I通道滤波放大模块或第2通道滤波放大模块的开关信号，前端信号根据相应的开启信号，进入工作的滤波放大通道，而后进入调制检波模块，最终送入数字采集器。在图I显示的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统中，自动量程切换原理为
⑴在后端处理单元中，依然是第I通道滤波放大模块的开启信号为0，第2通道滤波放大模块的开启信号同为O。在第2通道滤波放大模块的选片信号之前设置非门(换成第I通道滤波放大模块前设置非门，原理也相同)。⑵当前端的振簧电容式探头感应到外电场后，会产生一个交变的感应信号，经过前端的预滤波放大电路后，进入电压比较器。电压比较器基准电压设为b，若前端输入信号a〈b，则电压比较器输出低电平，第I通道滤波放大模块(小量程通道)开启工作，信号进入小量程的第I通道滤波放大模块进行滤波放大。若前端输入信号a ^ b，那么电压比较器输出高电平信号，小量程的第I通道滤波放大模块关闭停止工作，而大量程的第2通道滤波放大模块开启工作。前端输入后端的初级信号，进入大量程通道的滤波放大模块。⑶最终，不论在哪一个通道完成滤波放大的信号，最终都进入最后的调制检波模块，而后送入数字采集器。经过数字采集器变换为数字信号后，送入计算机端进行数据处理。实施例三
根据本发明实施例，提供了一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统。如图I和2所示，本实施例包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场信号的屏蔽探头，与屏蔽探头信号连接、且用于对来自屏蔽探头的现场信号进行初级处理的前端处理单元，与前端处理单元连接、且用于在手动控制或自动控制的工作方式下对来自前端处理单元的初级处理结果进行综合处理的后端处理单元，以及与后端处理单元连接、且用于切换工作方式的切换单元。该前端处理单元，包括连接在屏蔽探头与后端处理单元之间的初级滤波放大模块；屏蔽探头包括屏蔽式外片固定的振簧电容式探头。当工作方式为手动控制时，上述后端处理单元包括与初级滤波放大模块连接的后端滤波模块，依次连接的模拟开关模块、采样保持和峰值检测模块、A/D模块、主控模块、以及用于发送用户指令的客户端，以及并行连接在后端滤波模块与模拟开关模块之间的第I至N量程放大模块；主控模块还与模拟开关模块连接，客户端与主控模块之间双向连接；N为自然数。该客户端包括计算机，或能够与主控模块通信的手持终端；主控模块包括单片机，以及面向外部用户的接口模块。当工作方式为自动控制时，上述后端处理单元包括与初级滤波放大模块连接的电压比较器，依次连接的调制检波模块和信号处理模块，以及并行连接在电压比较器与调制检波模块之间的第I通道滤波放大模块和第2通道滤波放大模块；在第I通道滤波放大模块或第2通道滤波放大模块的选片信号之前设有非门，第I通道滤波放大模块和第2通道滤波放大模块相连，初级滤波放大模块还与第I通道滤波放大模块连接。该信号处理模块包括数字采集器；或者，该信号处理模块包括依次与调制检波模块连接的A/D模块和主控模块。该主控模块包括单片机或计算机。综上所述，本发明各实施例的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，鉴于风沙电场的大电场值、大冲击力等特殊性。设置了一种应对于不同量级情况下的 电场测量系统，其中手动量程切换方式可由用户在计算机端口设置量程通道；自动量程切换方式则用于智能调节量程通道，在小量程时，采用更高精度的检测通道，在外部电场突变增大后，自动切换到更大一级的量程放大通道，实现外部电场更精准的测量；该基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统采用的振簧电容式探头，是基于屏蔽式外片固定的振簧电容式探头，具有防风沙，屏蔽侧向电场的功能；后端处理单元采用了单片机的CPU处理，实现了智能化测量。最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场信号的屏蔽探头，与所述屏蔽探头信号连接、且用于对来自屏蔽探头的现场信号进行初级处理的前端处理单元，与所述前端处理单元连接、且用于在手动控制或自动控制的工作方式下对来自前端处理单元的初级处理结果进行综合处理的后端处理单元，以及与所述后端处理单元连接、且用于切换工作方式的切换单元。
2.根据权利要求I所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，所述前端处理单元，包括连接在所述屏蔽探头与后端处理单元之间的初级滤波放大模块。
3.根据权利要求I或2所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，当工作方式为手动控制时，所述后端处理单元包括与所述初级滤波放大模块连接的后端滤波模块，依次连接的模拟开关模块、采样保持和峰值检测模块、A/D模块、主控模块、以及用于发送用户指令的客户端，以及并行连接在所述后端滤波模块与模拟开关模块之间的第I至N量程放大模块；所述主控模块还与模拟开关模块连接，客户端与主控模块之间双向连接；N为自然数。
4.根据权利要求3所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，所述客户端包括计算机，或能够与主控模块通信的手持终端。
5.根据权利要求3所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，所述主控模块包括单片机，以及面向外部用户的接口模块。
6.根据权利要求I或2所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，当工作方式为自动控制时，所述后端处理单元包括与所述初级滤波放大模块连接的电压比较器，依次连接的调制检波模块和信号处理模块，以及并行连接在所述电压比较器与调制检波模块之间的第I通道滤波放大模块和第2通道滤波放大模块； 在所述第I通道滤波放大模块或第2通道滤波放大模块的选片信号之前设有非门，第I通道滤波放大模块和第2通道滤波放大模块相连，初级滤波放大模块还与第I通道滤波放大模块连接。
7.根据权利要求6所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，所述信号处理模块包括数字采集器。
8.根据权利要求6所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，所述信号处理模块包括依次与所述调制检波模块连接的A/D模块和主控模块。
9.根据权利要求8所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，所述主控模块包括单片机或计算机。
10.根据权利要求I或2所述的基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，其特征在于，所述屏蔽探头包括屏蔽式外片固定的振簧电容式探头。
全文摘要
本发明公开了一种基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场信号的屏蔽探头，与所述屏蔽探头信号连接、且用于对来自屏蔽探头的现场信号进行初级处理的前端处理单元，与所述前端处理单元连接、且用于在手动控制或自动控制的工作方式下对来自前端处理单元的初级处理结果进行综合处理的后端处理单元，以及与所述后端处理单元连接、且用于切换工作方式的切换单元。本发明所述基于屏蔽探头的量程可调式智能风沙电场测量系统，可以克服现有技术中防风沙能力差、不具备抗干扰能力和智能化程度低等缺陷，以实现防风沙能力强、能够屏蔽侧向电场和智能化程度高的优点。
文档编号G01R29/00GK102879650SQ20121036960
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者梁轶瑞, 谢思莹, 郑晓静 申请人:兰州大学