本实用新型涉及一种提前放电避雷针，尤其涉及一种基于大气电场值驱动的提前放电避雷针。
背景技术：
在本实用新型人的专利文献ZL2011201071059《主动式提前预放电避雷针》中实现了提前提前放电避雷针的能量聚集、能量存储和尖端触发放电电路，其提前放电的实现原理是基于雷电发生前，大气电场会产生变化，能量聚集装置存储这种变化产生的能量，达到一定阀值后产生尖端放电。提前放电避雷针包括电容、瞬态抑制二极管、硅开关、放电间隙。提前放电避雷针能否提前放电取决于电场变化时电荷收集端聚集的电荷量，通过电容的储能作用，瞬态抑制二极管阀值对应于设定的电场的峰值，当达到瞬态抑制二极管的阀值时，触发硅开关导通，从而启动放电间隙，在放电间隙的尖端产生放电，电离尖端附近的空气，到达提前产生接闪通道的目的。
但是，其各个环节实现是基于能主动完成能量收集的条件下进行的，没有一个确定的量化指标去驱动尖端触发放电。通过分析雷电发生的大气电场监测数据，雷电发生前的大气电场变化不但表现在数值量多少，其量的变化过程更能预兆雷电的发生。另一方面，目前的提前提前放电避雷针尖端触发放电能量的实现仅仅依靠能量收集的电量，无论是触发的次数和放电的效果都受到一定限制。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型提供一种基于大气电场值驱动的提前放电避雷针，其既能自主地通过收集端收集能量实现尖端放电，又能通过具体电场值变化，主动地促使收集端收集能量。
本实用新型采用以下技术方案实现：一种提前放电避雷针，其包括电荷收集端和放电尖端；电荷收集端采用能感应出两种不同电荷类型的复用电荷收集端；所述提前放电避雷针设置有：
大气电场传感器，用于感应电场变化，提供电场数值变化；
处理器MCU，用于依据所述电场值变化数值及雷电前兆时电场变化规律判定是否出现雷电预兆，并在出现雷电预兆时输出控制放电尖端放电的脉冲；
复用放电控制电路，根据复用电荷收集端感应的电荷类型及电荷量，电荷量达到阀值时触发放电尖端和接闪杆尖端形成的间隙G产生放电，或在处理器输出脉冲控制下，利用外部能源多次充电触发放电尖端和接闪杆尖端形成的间隙G产生放电。
作为上述方案的进一步改进，所述处理器MCU依据不同时间段电场的数值绘制谱线，所述谱线表征电场值变化数值及其变化规律。
进一步地，所述处理器MCU依据所述谱线的拟合度判定是否出现雷电预兆。
作为上述方案的进一步改进，所述外部能源为能量存储的一个太阳能电池。
进一步地，所述太阳能电池采用超级电容。
作为上述方案的进一步改进，所述大气电场传感器采用MEMS电场传感器或采用磨场类传感器。
作为上述方案的进一步改进，所述复用放电控制电路包括所述大气电场传感器模拟大气电场变化时对所述复用电荷收集端进行充电的充电电路、与正电荷相对应的正电荷放电控制子电路、与负电荷相对应的负电荷放电控制子电路。
进一步地，所述复用放电控制电路包括：
电阻R5，其一端受控于所述处理器MCU以接收所述脉冲；
光电开关OP3，其发光二极管的阳极电性连接电阻R5的另一端，其发光二极管的阴极电性连接所述外部能源的负极，且还电性连接所述接闪杆并形成节点d；
电阻R6，其一端电性连接光电开关OP3的一个主电极，其另一端电性连接所述外部能源的正极；
二极管D8，其阳极电性连接光电开关OP3的另一个主电极；
触控开关管J3，其触控端电性连接二极管D8的阴极，其一个主电极电性连接所述外部能源C3的正极；
二极管D7，其阳极电性连接触控开关管J3的另一个主电极，其阴极电性连接电荷收集端形成节点a；
升压器T，其次级侧串联放电尖端、接闪杆、节点d；
二极管D3，其阳极电性连接节点d，其阴极电性连接升压器的初级侧的一端；
触控开关管J1，其并联在二极管D3上；
二极管D1，其阴极电性连接触控开关管J1的触控端；
电阻R1，其一端电性连接二极管D1的阳极；
光电开关OP1，其一个主电极电性连接电阻R1的另一端，其另一个主电极电性连接其发光二极管的阴极；
电容C1，其一端电性连接节点a，其另一端电性连接光电开关OP1的发光二极管的阳极并形成节点b；
二极管D4，其阴极电性连接升压器的初级侧的另一端；
触控开关管J2，其并联在二极管D4上；
二极管D2，其阴极电性连接触控开关管J2的触控端；
电阻R2，其一端电性连接二极管D2的阳极；
光电开关OP2，其一个主电极电性连接电阻R2的另一端，其另一个主电极电性连接节点d，其发光二极管的阴极电性连接节点b，其发光二极管的阳极电性连接二极管D4的阳极并形成节点c；
电阻R3，其串联在节点b和节点c之间；
电阻R4，其串联在节点a和节点c之间；
电容C2，其串联在节点c和节点d之间；
二极管D5，其阳极电性连接节点c；
稳压管DZ1，其阳极电性连接二极管D5的阴极；
稳压管DZ2，其阴极电性连接稳压管DZ1的阴极；
二极管D6，其阴极电性连接稳压管DZ2的阳极，其阳极电性连接节点d；
其中，光电开关OP1、触控开关管J1、二极管D4、升压器T的初级组成与正电荷相对应的正电荷放电控制子电路，光电开关OP2、触控开关管J2、二极管D3、升压器T的初级组成与负电荷相对应的负电荷放电控制子电路。
本实用新型还提供上述提前放电避雷针的放电方法，所述放电方法包括以下步骤：
电荷收集端感应出电荷，电荷通过电阻R4向电容C2聚集，使得电容C2两端产生电位差；
随着电容C2的电位差变大，由于稳压管DZ1\稳压管DZ2\二极管D5\二极管D6的双向稳压作用，电容C2的电位差最终会维持在一个定值；
当大气电场值不断攀升时，导致电荷向电容C1聚集，使b点、c点产生电位差；
当电荷收集端感应出正电荷时，光电开关OP1导通，触发触控开关管J1导通，形成c点二极管-D4-升压器T初级-触控开关管J1-d点的回路，使电容C2的能量通过升压器T耦合，间隙G产生放电；
当电荷收集端感应出负电荷时，光电开关OP2导通，触发触控开关管J2导通，形成d点-二极管D3-升压器T初级-触控开关管J2-c点的回路，使电容C2的能量通过升压器T耦合，间隙G产生放电。
本实用新型还提供上述提前放电避雷针的放电方法，所述放电方法包括以下步骤：
(1)所述大气电场传感器感应电场的变化；
(2)处理器MCU记录既往时间段数据；
(3)依据不同时间段电场的数值绘制谱线，所述谱线表征电场值变化数值及其变化规律；
(4)依据所述谱线的拟合度判定是否出现雷电预兆；
(5)在判定出现雷电预兆时，MCU控制下，通过电阻R5、光电开关OP3、二极管D8、触控开关管J3，利用所述外部能源C3的储能，模拟对电荷收集端的感应效果，对电容C2充电，最终实现间隙G的尖端放电；
重复第五步骤的动作，实现多次间隙G的尖端放电。
本实用新型引入大气电场监测数据，结合太阳能供电，通过实时数据变化分析，能更准确地判断雷电发生预兆，在判定出现雷电预兆时，准确并多次地稳定地触发尖端放电，更好地在避雷针尖端产生空气电离现象，产生提前放电效果。使提前提前放电避雷针既能自主地通过收集端收集能量实现尖端放电，又能通过具体电场值变化，主动地使收集端收集能量。
附图说明
图1为本实用新型提前放电避雷针的原理图。
图2为图1的一种实施例的电路示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1，本实用新型的提前放电避雷针包括电荷收集端1和放电尖端2。电荷收集端1采用能感应出两种不同电荷类型的复用电荷收集端。所述提前放电避雷针设置有大气电场传感器、处理器MCU、复用放电控制电路。
大气电场传感器S1用于提供电场值变化数值，大气电场传感器可采用MEMS电场传感器或采用磨场类传感器。
处理器MCU用于依据所述电场值变化数值及其变化规律判定是否出现雷电预兆，并在出现雷电预兆时输出控制能量收集放电的脉冲。处理器MCU能实现大气电场的数据分析、存储，有较强的计算能力。复用放电控制电路用于在所述脉冲的控制下，根据所述复用电荷收集端感应的电荷类型，选择所述复用放电控制电路内部与相应电荷类型相对应的放电控制子电路，并利用外部能源多次触发放电尖端2和接闪杆尖端3形成的间隙G产生放电。
大气电场传感器模拟大气电场变化时，处理器MCU可对电荷收集端1进行充电，其触发控制不但依靠电场值大小(KV/M)、电场变化率(V/M·S)；同时计算FFT谱线与预置的曲线拟合度做出判断。进一步地依据所在地的闪电数据，通过算法模拟雷电发生前大气电场变化，更加切合所在地的各类接闪电场变化曲线。
外部能源在图1中为电容C，可为利用太阳能充电电池，可设立能量存储的一个太阳能电池。请结合图2，本实施例中采用超级电容C3，也可以采用其他电池，触控开关管JET由模拟大气电场值变化的充电脉冲驱动。
本实用新型能感应出两种不同电荷类型的复用电荷收集端(能量收集端)，并设置复用放电控制电路，复用放电控制电路具有与相应电荷类型相对应的放电控制子电路，如与正电荷相对应的正电荷放电控制子电路，与负电荷相对应的负电荷放电控制子电路。因此，所述复用放电控制电路包括所述大气电场传感器模拟大气电场变化时对所述复用电荷收集端进行充电的充电电路、与正电荷相对应的正电荷放电控制子电路、与负电荷相对应的负电荷放电控制子电路。
请结合图2，所述复用放电控制电路包括：
电阻R5，其一端受控于所述处理器MCU以接收所述脉冲；
光电开关OP3，其发光二极管的阳极电性连接电阻R5的另一端，其发光二极管的阴极电性连接所述外部能源的负极，且还电性连接所述接闪杆并形成节点d；
电阻R6，其一端电性连接光电开关OP3的一个主电极，其另一端电性连接所述外部能源的正极；
二极管D8，其阳极电性连接光电开关OP3的另一个主电极；
触控开关管J3，其触控端电性连接二极管D8的阴极，其一个主电极电性连接所述外部能源C3的正极；
二极管D7，其阳极电性连接触控开关管J3的另一个主电极，其阴极电性连接电荷收集端1形成节点a；
升压器T，其次级侧串联放电尖端2、接闪杆、节点d；
二极管D3，其阳极电性连接节点d，其阴极电性连接升压器的初级侧的一端；
触控开关管J1，其并联在二极管D3上；
二极管D1，其阴极电性连接触控开关管J1的触控端；
电阻R1，其一端电性连接二极管D1的阳极；
光电开关OP1，其一个主电极电性连接电阻R1的另一端，其另一个主电极电性连接其发光二极管的阴极；
电容C1，其一端电性连接节点a，其另一端电性连接光电开关OP1的发光二极管的阳极并形成节点b；
二极管D4，其阴极电性连接升压器的初级侧的另一端；
触控开关管J2，其并联在二极管D4上；
二极管D2，其阴极电性连接触控开关管J2的触控端；
电阻R2，其一端电性连接二极管D2的阳极；
光电开关OP2，其一个主电极电性连接电阻R2的另一端，其另一个主电极电性连接节点d，其发光二极管的阴极电性连接节点b，其发光二极管的阳极电性连接二极管D4的阳极并形成节点c；
电阻R3，其串联在节点b和节点c之间；
电阻R4，其串联在节点a和节点c之间；
电容C2，其串联在节点c和节点d之间；
二极管D5，其阳极电性连接节点c；
稳压管DZ1，其阳极电性连接二极管D5的阴极；
稳压管DZ2，其阴极电性连接稳压管DZ1的阴极；
二极管D6，其阴极电性连接稳压管DZ2的阳极，其阳极电性连接节点d。
其中，光电开关OP1、触控开关管J1、二极管D4、升压器T的初级组成与正电荷相对应的正电荷放电控制子电路，光电开关OP2、触控开关管J2、二极管D3、升压器T的初级组成与负电荷相对应的负电荷放电控制子电路。
图2中，J1＝J2＝J3＝开关管BTA06；
DZ1＝DZ2＝稳压管DZ170V；可依据T的不同选择，使T有最好的放电效果；
OP1＝OP2＝OP3＝光电开关，MOC3020；
D1＝D2＝D3＝D4＝D5＝D6＝D7＝D8＝二极管，反向耐压600V以上即可；
C1＝电容103J/630V；
C2＝能量收集电容105J/630V；
C3＝超级电池电容；
T＝升压器1:200；
G＝放电尖端和接闪杆尖端形成的间隙；
S1＝大气电场传感器，方案采用MEMS电场传感器，也可以使用磨场类地传统型传感器；
MCU＝单片机，依据电场值变化数值及其变化规律判定是否出现雷电预兆，并输出控制控制能量收集放电的脉冲。实现接闪杆接闪的记录及其本次接闪既往时间段数据记录。
本实用新型的提前放电避雷针的，其提前放电过程-自主能量收集放电的方法为：
1)在雷电发生的前兆，在电场作用下，电荷收集端金属导体表面感应出电荷，电荷通过R4向C2聚集，由于储能电容C2一端直接接入大地，使得电容C2两端产生电位差，即产生储能作用。
随着C2电位差变大，由于DZ1\DZ2\D5\D6的双向稳压作用，电位差会维持在一个定值，以保护C2。
当地闪雷电临近时，大气电场值不断攀升(雷云和地之间压差增大)，c点电位不变，导致电荷向C1聚集，使b点、c点产生电位差。
当电荷收集端感应出正电荷时，OP1导通，触发J1导通，形成c点-D4-T初级-J1-d点的回路，使C2的能量通过T耦合，在放电尖端和接闪杆尖端形成的间隙G产生放电。
当电荷收集端感应出负电荷时，OP2导通，触发J2导通，形成d点-D3-T初级-J2-c点的回路，使C2的能量通过T耦合，在放电尖端和接闪杆尖端形成的间隙G产生放电。
本实用新型的提前放电避雷针，其提前放电过程-控制能量收集的放电方法为：
1)S1感应电场的变化
MCU记录既往时间段数据，本实例采用既往时间段为60MIN，30MIN,20MIN,10MIN,5MIN.
依据不同时间段电场数值分析绘制谱线。
依据拟合度判定是否出现雷电预兆
在判定出现雷电预兆时，MCU控制下，通过R5、OP3、D8、J3，利用太阳能电池C3的储能，模拟对电荷收集端的感应效果，对C2充电，最终实现G的尖端放电。
重复5)的动作，实现多次G的尖端放电。
本实用新型的优点是：
1)利用电场数值计算分析，能更准确的判断是否发生雷电预兆。
2)利用外部能源，能多次触发接闪杆尖端放电，通过多次放电电离接闪杆尖端空气，保障实现提前放电针提前接闪
3)通过接闪杆接闪的电场既往数据记录，累积雷电预兆时的数据，进一步利用数据为判定雷电是否即将发生。
4)改进能量收集端的电路，使各收集端既能适应正电荷收集，又能适应负电荷收集。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。