一種氣體靜電密度測量儀器及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于空間電荷測量技術領域，具體涉及一種氣體靜電密度測量儀器及方 法，該測量儀器是一種適用于對氣體（如積雨云、雷暴云）中電荷密度的測量的儀器。
【背景技術】
[0002] 在特定的條件下，一些氣體會帶上一定的靜電，如雷暴云等。雷暴云由于與地面存 在電勢差，會向地面放電形成雷電，雷電會擊毀建筑物、損壞設備，還會引起森林火災，威脅 人的生命安全，因此人們對雷電進行了大量研宄，包括雷電的形成原因、雷電的測量、預警 等。大氣中電荷、電場的探測為雷電發生、發展的物理過程的探索、研宄、預警等提供了必要 工具，尤其雷暴云內電荷分布的探測為雷暴云內部電荷結構、雷暴云內部和周邊的空氣中 電場分布及閃電放電特性的分析和研宄提供了重要依據，但是現有的靜電測量儀器、大氣 電場測量儀器等，都只能對電荷的存在作定性的測量，無法準確定量測量。
[0003] 中國專利公布號為CN103091567A的專利公開了一種空間電荷密度測量的儀器和 方法，采用單個圓筒結構，無法有效避免筒外帶電氣體所帶來的電場疊加影響，且電路復 雜，抗干擾能力弱，因此，需要進行進一步的研宄。

【發明內容】

[0004] 為了解決現有技術中存在的不足，本發明提供了一種氣體靜電密度測量儀器及方 法，通過該氣體靜電密度測量儀器可測量出雷暴云氣體電荷密度，雙圓柱筒結構設計可有 效避免外部氣體對測量的影響，電路簡單，穩定性好，測量精度高。
[0005] 為解決上述問題，本發明具體采用以下技術方案：
[0006] 一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，包括依次連接的電荷感應傳感器、振動 電容傳感器、信號調理模塊以及控制模塊，所述電荷感應傳感器包括金屬內筒以及與金屬 內筒同軸、通過絕緣支架套設在金屬內筒外側的金屬外筒，所述金屬外筒與金屬內筒上均 設有絕緣層，電荷感應傳感器的內、外金屬筒上都涂覆了一層主要成分是聚氨基甲脂的絕 緣漆，從而形成絕緣層，所述金屬外筒與金屬內筒的筒壁之間填充滿絕緣材料密封，所述金 屬內筒的內壁與振動電容傳感器的地極相連接，所述金屬外筒的外壁與振動電容傳感器的 探頭相連接，所述金屬內筒的一端設有風扇。
[0007] 前述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述信號調理模塊與控制模塊 封裝于屏蔽殼內。
[0008] 前述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述信號調理模塊包括前置放 大電路和相敏檢波電路，所述前置放大電路的輸入端與振動電容傳感器的輸出端相連接。 振動電容傳感器采集的信號經前置放大電路放大后達到后續微處理器的要求。
[0009] 前述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述控制模塊包括微處理器、電 源和IXD顯示屏。
[0010] 前述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述微處理器為STM32f101微 處理器。
[0011] 前述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，還包括與上位機通訊的數據傳 輸電路，所述數據傳輸電路與微處理器相連接。通過無線傳輸方式如GPRS將數據上傳給上 位機，方便后續的數據儲存和分析。
[0012] 前述的一種氣體靜電密度測量儀器的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0013] 步驟（1)，開啟風扇，風扇以一定速度轉動將帶電氣體吸入電荷感應傳感器中，引 起電荷感應傳感器的內外壁的電勢變化；
[0014] 步驟（2)，與電荷感應傳感器相連接的振動電容傳感器測量出電荷感應傳感器的 電勢差，輸出微弱的信號傳輸給信號調理模塊中的前置放大電路；通過高輸入阻抗的運算 放大電路，信號損耗最小。
[0015] 步驟（3)，放大后的信號一路通過過零比較器成為方波變成信號調理模塊中 的相敏檢波電路的同步信號，另一路信號通過信號調理模塊中的相敏檢波電路傳輸至 STM32f101微處理器中，經過12位的A/D轉換將模擬信號轉換成數字信號，根據高斯定理、 電勢和電場的關系推導出電荷密度的計算公式：
[0016]
【主權項】
1. 一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，包括依次連接的電荷感應傳感器、振動 電容傳感器、信號調理模塊以及控制模塊，所述電荷感應傳感器包括金屬內筒以及與金屬 內筒同軸、通過絕緣支架套設在金屬內筒外側的金屬外筒，所述金屬外筒與金屬內筒上均 設有絕緣層，所述金屬外筒與金屬內筒的筒壁之間填充滿絕緣材料密封，所述金屬內筒的 內壁與振動電容傳感器的地極相連接，所述金屬外筒的外壁與振動電容傳感器的探頭相連 接，所述金屬內筒的一端設有風扇。
2. 根據權利要求1所述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述信號調理模 塊與控制模塊封裝于屏蔽殼內。
3. 根據權利要求2所述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述信號調理模 塊包括前置放大電路和相敏檢波電路，所述前置放大電路的輸入端與振動電容傳感器的輸 出端相連接。
4. 根據權利要求2所述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述控制模塊包 括微處理器、電源和IXD顯示屏。
5. 根據權利要求4所述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述微處理器為 STM32H01微處理器。
6. 根據權利要求1所述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，還包括與上位機 通訊的數據傳輸電路，所述數據傳輸電路與微處理器相連接。
7. 根據權利要求1所述的一種氣體靜電密度測量儀器，其特征在于，所述絕緣材料為 干燥的空氣或者棉布、硅橡膠。
8. 基于權利要求1-7任一項所述的一種氣體靜電密度測量儀器的測量方法，其特征在 于，包括以下步驟： 步驟（1)，開啟風扇，風扇將帶電氣體吸入電荷感應傳感器中，引起電荷感應傳感器的 內外壁的電勢變化； 步驟（2)，與電荷感應傳感器相連接的振動電容傳感器測量出電荷感應傳感器的電勢 差，輸出信號傳輸給信號調理模塊中的前置放大電路； 步驟（3)，放大后的信號一路通過過零比較器成為方波變成信號調理模塊中的相敏檢 波電路的同步信號，另一路信號通過信號調理模塊中的相敏檢波電路傳輸至微處理器中， 根據高斯定理、電勢和電場的關系推導出電荷密度的計算公式：
其中P是氣體的電荷密度，^表示氣體的介電常量，V表示電荷感應傳感器的內外壁 的電勢差，a是電荷感應傳感器內壁的半徑，b是電荷感應傳感器外壁的半徑； 步驟（4)，微處理器處理后的結果通過IXD顯示屏顯示出來。
【專利摘要】本發明公開了一種氣體靜電密度測量儀器及方法，該氣體靜電密度測量儀器包括電荷感應傳感器、振動電容傳感器、信號調理模塊以及控制模塊，主要測量原理是通過測量氣體中電荷在電荷感應傳感器內外壁產生的電勢差，計算出帶電氣體的電荷密度。通過該氣體靜電密度測量儀器可測量出雷暴云氣體電荷密度，雙圓柱筒結構設計可有效避免外部氣體對測量的影響，電路簡單，穩定性好，測量精度高，具有良好的應用前景，值得推廣。
【IPC分類】G01R29-24
【公開號】CN104820140
【申請號】CN201510258108
【發明人】張自嘉, 楊陽, 夏明秋, 季俊, 岳邦珊
【申請人】南京信息工程大學
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月19日