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专利名称：差动式大气电场传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及大气电场测量领域。
背景技术：
通过探测带电云层及近地面电场环境及其变化，来判断雷暴活动的发展 趋势和发生森林雷击的可能性。结合近地天气条件和可燃物条件，可推测雷 击火的发生和预报。目前电场测量有三种方法电晕法灵敏度低，放射线法 比较可靠，但反应速度慢。常用的是机械旋转式感应器，又称场磨仪。它灵 敏度高、响应快、动态范围大，并可以同时测量静电场。缺点是抗环境干扰 能力差，在森林、草原等强噪声环境下，导致分辨率降低。并且由于带电粒 子的碰撞使传感器电位改变，使测量信号失真。

实用新型内容
本实用新型是为了解决现有大气电场传感器抗环境干扰能力差缺点，而 提出了一种差动式大气电场传感器。
本实用新型包括定位座、第一组电极、前置放大器、电机、接地电刷、 第二组电极和屏蔽盘；屏蔽盘为开有2n个扇形孔的环型圆盘，所述的2n个 扇形孔沿屏蔽盘的环型圆盘圆周方向均匀分布，屏蔽盘的上表面每两个扇形 孔之间设置有凸沿，所述凸沿的外弧面与扇形孔的弧面位于同一圆周面，电 机转轴穿过定位座和接地电刷中心，电机轴的末端固定连接在所述的屏蔽盘 的中心孔上，定位座为内径表面开有两个对称凹槽下表面设置有凸沿的环型 圆盘，所述的接地电刷嵌放于定位座的两个对称凹槽内，电机转轴与定位座 内的接地电刷摩擦接触，第一组电极和第二组电极为两组扇形金属片，每组 扇形金属片为2n个，所述的第一组电极和第二组电极沿圆周方向交替均匀分 布在定位座的环型圆盘的下表面的凸沿内，定位座的凸沿位于屏蔽盘的凸沿 的外侧，所述的第一组电极和第二组电极与定位座之间绝缘连接，所述的第 一组电极和第二组电极的两个独立的输出端分别连接前置放大器中的差分放 大器的两个输入端。
本实用新型的结构特点是，屏蔽盘由电机带动旋转，使两组电极交替地
3暴露在外电场E中，或被屏蔽使E-0。这样周而复始产生交变信号，使两个 测量回路中的信号发生大小相等、方向相反的变化，导致一个回路的感应电 流增加，另一个回路的感应电流减�。�形成差动形式。由于两组电极彼此独 立，即使因外界干扰噪声叠加到信号中，也不能直接进入信号处理电路，而 由两路信号差分输入被抵消掉。使进入信号处理电路的噪声小而有节制。因 此，使因外界带电粒子的影响引起的噪声明显减�。�并使传感器灵敏度提高 2倍。


图1是本实用新型的纵向阶梯剖视图；图2是两组电极的仰视图；图3 是屏蔽盘15的仰视图。
具体实施方式

具体实施方式
一结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式 由定位座l、第一组电极2、前置放大器9、电机ll、接地电刷12、第二组 电极13和屏蔽盘15组成；屏蔽盘15为开有2n个扇形孔的环型圆盘，所述 的2n个扇形孔沿屏蔽盘15的环型圆盘圆周方向均匀分布，屏蔽盘15的上表 面每两个扇形孔之间设置有凸沿，所述凸沿的外弧面与扇形孔的弧面位于同 一圆周面，电机11转轴穿过定位座1和接地电刷12中心，电机轴的末端固 定连接在所述的屏蔽盘15的中心孔上，定位座1为内径表面开有两个对称凹 槽下表面设置有凸沿的环型圆盘，所述的接地电刷12嵌放于定位座1的两个 对称凹槽内，电机11转轴与定位座1内的接地电刷12摩擦接触，第一组电 极2和第二组电极13为两组扇形金属片，每组扇形金属片为2n个，所述的 第一组电极2和第二组电极13沿圆周方向交替均匀分布在定位座1的环型圆 盘的下表面的凸沿内，定位座1的凸沿位于屏蔽盘15的凸沿的外侧，构成差 动式感应结构，所述的第一组电极2和第二组电极13与定位座1之间绝缘连 接，所述的第一组电极2和第二组电极13的两个独立的输出端分别连接前置 放大器9中的差分放大器的两个输入端。
具体实施方式
二结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式一不同点在于第一组电极2和第二组电极13与定位座1之间绝缘连接是由 下绝缘垫3、绝缘套4、上绝缘垫5、外环6、接线柱7和内环8连接组成的，两组电极与定位座1之间设置有下绝缘垫3，外环6和内环8与定位座1之 间设置有上绝缘垫5，接线柱7为4n个，其中2n个接线柱7穿过定位座1 固定连接外环6与第一组电极2，另外2n个接线柱7穿过定位座1固定连接 内环8与第二组电极13，绝缘套4设置在接线柱7和定位座1之间。其它组 成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式一不同点在于增加了光电开关14，定位座1的凸沿上开有圆孔，圆孔上安 装有光电开关14，屏蔽盘15凸沿位于定位座1的凸沿圆孔的内侧，屏蔽盘 15凸沿垂直阻挡光电开关14的信号光，产生同步参考脉冲信号，用于鉴别 电场信号的极性。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式一不同点在于接地电刷12由碳块和弹簧组成；碳块的一端与电机11的转 轴接触，碳块另一端与弹簧的一端连接，弹簧的另一端挤压在凹槽底部。通 过弹簧使碳块与电机11转轴摩擦接触更为紧密。其它组成和连接方式与具体 实施方式一相同。
本实用新型内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体 实施方式的组合同样也可以实现实用新型的目的。
导体在电场中产生感应电荷的大小与电场强度E成正比，即Q(t)=-e EA(t)，其中e为自由空间介电常数，A(t)为导体的表面积。如果导体与接地 电阻相接，则当导体完全屏蔽时，其上的电荷经电阻流向大地形成感应电流。 如果以一块接地金属板不断屏蔽它，就可以使带电板交替地充放电，产生一 个交变电流，其数值与E成正比，即i(t)=dQ(t)/dt=-e EdA(t)/dt，由此可以测 出E值。通过上述理论设计出本实用新型的差动式大气电场传感器，其工作 原理如下
在1=0，屏蔽盘15完全遮住第一组电极2、完全暴露第二组电极13时， 开始转动，在0<1<1=1/12时间内，屏蔽盘15朝第二组电极13处运动，使 第一组电极2整个面积ji (r22-ri2)/2逐渐露出，使第二组电极13的面积逐渐遮 挡住。在此期间第一组电极2的面积增长率为dA(t)/dt= Ji (r22-ri2)/2( t /12)= 6 Jifo(r2、n2)，而第二组电极13面积减少率为-6JifQ(i^-r )式中r,、 1"2分别为电极和屏蔽盘15的内外半径，fb和1=1/&分别是电机11的旋转频率和旋转周 期，f-l/2T为电场信号频率，0或2T时为第一组电极2完全屏蔽那瞬间的时 间，T为第一组电极2完全暴露的一瞬间。
当t-T时，第一组电极2暴露出最大面积、第二组电极13被完全遮挡。 屏蔽盘15又向遮挡第一组电极2暴露第二组电极13的方向运动，在T至2T 期间，第一组电极2面积减少率为-6Jif。(r厶r。，第二组电极13的面积增长 率为6 Ji fo(f22-r卩)。
在不考虑电极边缘效应的前提下，
第一组电极2回路的电流为
i(t) = dQ(t)/dt = - e EdA(t)/dt=國6 Ji f e (r^-r^E^I, 第二组电极13回路的电流为
i2(t)= dQ(t)/dt =- e EdA(t)/dt =6 Ji f e (i^-i^^I; 两个回路的电流大小相等、方向相反。 于是，传感器输出电流
i(t)= i丄(t)- i2(t)= -I-I=-2I 0<t<T i(t)= (t)- i2(t)=I-(-I)=2I T<t<2T
灵敏度提高2倍。
设外界带电粒子打在J电极第一组电极2上产生的噪声电流为』Ii ，打 在电极第二组电极13上产生的噪声电流为Ztl2则」h"Z！12,
因此」I二ZI1,—」I2"0。
权利要求1、差动式大气电场传感器，其特征在于它包括定位座(1)、第一组电极(2)、前置放大器(9)、电机(11)、接地电刷(12)、第二组电极(13)和屏蔽盘(15)；屏蔽盘(15)为开有2n个扇形孔的环型圆盘，所述的2n个扇形孔沿屏蔽盘(15)的环型圆盘圆周方向均匀分布，屏蔽盘(15)的上表面每两个扇形孔之间设置有凸沿，所述凸沿的外弧面与扇形孔的弧面位于同一圆周面，电机(11)转轴穿过定位座(1)和接地电刷(12)中心，电机轴的末端固定连接在所述的屏蔽盘(15)的中心孔上，定位座(1)为内径表面开有两个对称凹槽下表面设置有凸沿的环型圆盘，所述的接地电刷(12)嵌放于定位座(1)的两个对称凹槽内，电机(11)转轴与定位座(1)内的接地电刷(12)摩擦接触，第一组电极(2)和第二组电极(13)为两组扇形金属片，每组扇形金属片为2n个，所述的第一组电极(2)和第二组电极(13)沿圆周方向交替均匀分布在定位座(1)的环型圆盘的下表面的凸沿内，定位座(1)的凸沿位于屏蔽盘(15)的凸沿的外侧，所述的第一组电极(2)和第二组电极(13)与定位座(1)之间绝缘连接，所述的第一组电极(2)和第二组电极(13)的两个独立的输出端分别连接前置放大器(9)中的差分放大器的两个输入端。
2、 根据权利要求1所述的差动式大气电场传感器，其特征在于第一组电 极(2)和第二组电极(13)与定位座(1)之间绝缘连接是由下绝缘垫(3)、绝缘套(4)、 上绝缘垫(5)、外环(6)、接线柱(7)和内环(8)连接组成的，两组电极与定位座(l) 之间设置有下绝缘垫(3)，外环(6)和内环(8)与定位座(1)之间设置有上绝缘垫 (5)，接线柱(7)为4n个，其中2n个接线柱(7)穿过定位座(1)固定连接外环(6) 与第一组电极(2)，另外2n个接线柱(7)穿过定位座(1)固定连接内环(8)与第二 组电极(13)，绝缘套(4)设置在接线柱(7)和定位座(1)之间。
3、 根据权利要求1所述的差动式大气电场传感器，其特征在于它还包括 光电开关(14),定位座(l)的凸沿上开有圆孔，圆孔上安装有光电开关(14)，屏 蔽盘(15)凸沿位于定位座(1)的凸沿圆孔的内侧。
4、 根据权利要求1所述的差动式大气电场传感器，其特征在于它接地电 刷(12)由碳块和弹簧组成；碳块的一端与电机(ll)的转轴接触，碳块另一端与 弹簧的一端连接，弹簧的另一端挤压在凹槽底部。
专利摘要差动式大气电场传感器，它涉及大气电场测量领域，解决了现有大气电场传感器抗环境干扰能力差缺点。它的屏蔽盘为开有2n个圆周方向均匀分布扇形孔的环型圆盘，其上表面每两个扇形孔之间设置有与其的弧面位于同一圆周面凸沿，电机转轴穿过定位座和接地电刷连在屏蔽盘中心孔上，定位座为内径表面开有凹槽下表面设置有凸沿的环型圆盘，接地电刷嵌放于凹槽内与电机转轴摩擦接触，两组电极分别为2n个扇形金属片，其沿圆周方向交替均匀分布在定位座的下表面的凸沿内，定位座的凸沿位于屏蔽盘的凸沿的外侧，两组电极与定位座之间绝缘连接，其两个的输出端分别连接前置放大器中的两个输入端。本实用新型的噪声明显减小，并使传感器灵敏度提高2倍。
文档编号G01R29/12GK201255750SQ20082009119
公开日2009年6月10日 申请日期2008年10月23日 优先权日2008年10月23日
发明者张明远, 李迪飞, 武 毕, 王力峰 申请人:国家林业局哈尔滨林业机械研究所