一种气体静电密度测量仪器及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空间电荷测量技术领域，具体涉及一种气体静电密度测量仪器及方 法，该测量仪器是一种适用于对气体（如积雨云、雷暴云）中电荷密度的测量的仪器。
【背景技术】
[0002] 在特定的条件下，一些气体会带上一定的静电，如雷暴云等。雷暴云由于与地面存 在电势差，会向地面放电形成雷电，雷电会击毁建筑物、损坏设备，还会引起森林火灾，威胁 人的生命安全，因此人们对雷电进行了大量研宄，包括雷电的形成原因、雷电的测量、预警 等。大气中电荷、电场的探测为雷电发生、发展的物理过程的探索、研宄、预警等提供了必要 工具，尤其雷暴云内电荷分布的探测为雷暴云内部电荷结构、雷暴云内部和周边的空气中 电场分布及闪电放电特性的分析和研宄提供了重要依据，但是现有的静电测量仪器、大气 电场测量仪器等，都只能对电荷的存在作定性的测量，无法准确定量测量。
[0003] 中国专利公布号为CN103091567A的专利公开了一种空间电荷密度测量的仪器和 方法，采用单个圆筒结构，无法有效避免筒外带电气体所带来的电场叠加影响，且电路复 杂，抗干扰能力弱，因此，需要进行进一步的研宄。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种气体静电密度测量仪器及方 法，通过该气体静电密度测量仪器可测量出雷暴云气体电荷密度，双圆柱筒结构设计可有 效避免外部气体对测量的影响，电路简单，稳定性好，测量精度高。
[0005] 为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案：
[0006] 一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，包括依次连接的电荷感应传感器、振动 电容传感器、信号调理模块以及控制模块，所述电荷感应传感器包括金属内筒以及与金属 内筒同轴、通过绝缘支架套设在金属内筒外侧的金属外筒，所述金属外筒与金属内筒上均 设有绝缘层，电荷感应传感器的内、外金属筒上都涂覆了一层主要成分是聚氨基甲脂的绝 缘漆，从而形成绝缘层，所述金属外筒与金属内筒的筒壁之间填充满绝缘材料密封，所述金 属内筒的内壁与振动电容传感器的地极相连接，所述金属外筒的外壁与振动电容传感器的 探头相连接，所述金属内筒的一端设有风扇。
[0007] 前述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述信号调理模块与控制模块 封装于屏蔽壳内。
[0008] 前述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述信号调理模块包括前置放 大电路和相敏检波电路，所述前置放大电路的输入端与振动电容传感器的输出端相连接。 振动电容传感器采集的信号经前置放大电路放大后达到后续微处理器的要求。
[0009] 前述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述控制模块包括微处理器、电 源和IXD显示屏。
[0010] 前述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述微处理器为STM32f101微 处理器。
[0011] 前述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，还包括与上位机通讯的数据传 输电路，所述数据传输电路与微处理器相连接。通过无线传输方式如GPRS将数据上传给上 位机，方便后续的数据储存和分析。
[0012] 前述的一种气体静电密度测量仪器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0013] 步骤（1)，开启风扇，风扇以一定速度转动将带电气体吸入电荷感应传感器中，引 起电荷感应传感器的内外壁的电势变化；
[0014] 步骤（2)，与电荷感应传感器相连接的振动电容传感器测量出电荷感应传感器的 电势差，输出微弱的信号传输给信号调理模块中的前置放大电路；通过高输入阻抗的运算 放大电路，信号损耗最小。
[0015] 步骤（3)，放大后的信号一路通过过零比较器成为方波变成信号调理模块中 的相敏检波电路的同步信号，另一路信号通过信号调理模块中的相敏检波电路传输至 STM32f101微处理器中，经过12位的A/D转换将模拟信号转换成数字信号，根据高斯定理、 电势和电场的关系推导出电荷密度的计算公式：
[0016]
【主权项】
1. 一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，包括依次连接的电荷感应传感器、振动 电容传感器、信号调理模块以及控制模块，所述电荷感应传感器包括金属内筒以及与金属 内筒同轴、通过绝缘支架套设在金属内筒外侧的金属外筒，所述金属外筒与金属内筒上均 设有绝缘层，所述金属外筒与金属内筒的筒壁之间填充满绝缘材料密封，所述金属内筒的 内壁与振动电容传感器的地极相连接，所述金属外筒的外壁与振动电容传感器的探头相连 接，所述金属内筒的一端设有风扇。
2. 根据权利要求1所述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述信号调理模 块与控制模块封装于屏蔽壳内。
3. 根据权利要求2所述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述信号调理模 块包括前置放大电路和相敏检波电路，所述前置放大电路的输入端与振动电容传感器的输 出端相连接。
4. 根据权利要求2所述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述控制模块包 括微处理器、电源和IXD显示屏。
5. 根据权利要求4所述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述微处理器为 STM32H01微处理器。
6. 根据权利要求1所述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，还包括与上位机 通讯的数据传输电路，所述数据传输电路与微处理器相连接。
7. 根据权利要求1所述的一种气体静电密度测量仪器，其特征在于，所述绝缘材料为 干燥的空气或者棉布、硅橡胶。
8. 基于权利要求1-7任一项所述的一种气体静电密度测量仪器的测量方法，其特征在 于，包括以下步骤： 步骤（1)，开启风扇，风扇将带电气体吸入电荷感应传感器中，引起电荷感应传感器的 内外壁的电势变化； 步骤（2)，与电荷感应传感器相连接的振动电容传感器测量出电荷感应传感器的电势 差，输出信号传输给信号调理模块中的前置放大电路； 步骤（3)，放大后的信号一路通过过零比较器成为方波变成信号调理模块中的相敏检 波电路的同步信号，另一路信号通过信号调理模块中的相敏检波电路传输至微处理器中， 根据高斯定理、电势和电场的关系推导出电荷密度的计算公式：
其中P是气体的电荷密度，^表示气体的介电常量，V表示电荷感应传感器的内外壁 的电势差，a是电荷感应传感器内壁的半径，b是电荷感应传感器外壁的半径； 步骤（4)，微处理器处理后的结果通过IXD显示屏显示出来。
【专利摘要】本发明公开了一种气体静电密度测量仪器及方法，该气体静电密度测量仪器包括电荷感应传感器、振动电容传感器、信号调理模块以及控制模块，主要测量原理是通过测量气体中电荷在电荷感应传感器内外壁产生的电势差，计算出带电气体的电荷密度。通过该气体静电密度测量仪器可测量出雷暴云气体电荷密度，双圆柱筒结构设计可有效避免外部气体对测量的影响，电路简单，稳定性好，测量精度高，具有良好的应用前景，值得推广。
【IPC分类】G01R29-24
【公开号】CN104820140
【申请号】CN201510258108
【发明人】张自嘉, 杨阳, 夏明秋, 季俊, 岳邦珊
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月19日