一种地面电场仪的自检电路

王 敏，周树道，陈加清

（解放军理工大学气象海洋学院，江苏 南京 211101）

0 引言

雷暴活动可以引起地面电场的显著变化，对人类活动影响很大，尤其是建筑物、输电线网等遭其袭击，可能造成严重损失。地面大气电场仪利用前置传感器来探测地面大气的电场强度，并且使用环境要求低，能够长期在恶劣的野外环境下进行测量，是研究雷电发生整个过程的有利技术手段［1］。但是，目前广泛使用的场磨式地面电场仪没有自检功能，使得电场仪探测工作的稳定性难以保证。

因此，设计了一种地面电场仪的自检电路，此种电路结构能够对电场仪测量的电场值精度进行监测，保证其探测稳定性，设计结构简单，造价低。

1 地面电场仪

地面大气电场仪的测量参数包括地面大气电场强度以及极性的变化情况，可用来连续监测对流云的起电过程，记录闪电发生前雷暴中的电活动，又可记录雷暴过程中发生的闪电过程（包括云闪和地闪）［2］。该仪器具有安装简便，工作时间长，探测精度较高等优点，结合雷电预警软件系统，可监测到整个雷暴云的初生、成熟和消散等完整的3个发展阶段，当然还包括闪电的放电过程。将地面电场仪进行组网后，还可扩大测量范围，提高其测量精度［3］。

场磨式地面电场仪传感器探头由感应片、动片、小叶片、光电开关、无刷电机、前置放大器和信号处理器等组成［1］。感应片和动片是上下同轴，相互连接在一起的2组形状相似的导电片，感应片因固定不动又称为定子，动片又称之为转子或屏蔽片。其结构如图1所示。大气电场仪主要性能指标如表1所示。

图1 场磨式地面电场仪结构

表1 大气电场仪主要性能指标

场磨式地面电场仪的无刷电机带动动片旋转，分时屏蔽下方的感应片，使得动片循环规律地暴露和遮挡大气外电场，空气中的静电场因不断地被交替暴露和屏蔽，进而在感应电极上会产生正比于外电场强度的交流电流信号，再经过电场仪后续电路的处理（如放大、滤波和A／D转换等），得到地面附近的近似直流的静电场强度值。但是，一般场磨式地面电场仪不具备自我检测工作状态的功能，无法保证电场仪电路精确稳定地工作。

2 电路结构及功能

设计了一种地面电场仪的自检电路，组成如图2所示。该电路使地面电场仪具有自检功能，并能将设备状态传送给后面的信号与数据处理电路，发现异常时给出报警信号，信号与数据处理电路同时将设备状态数据传送给主控计算机。

图2 组成结构

电场仪控制器中存储有用户设定的设备自检参数值，并控制D／A转换器进行数模转换。

D／A转换器用于将电场仪控制器传送的自检参数值转换为模拟量的自检控制信号，此自检控制信号为方波标准电压信号，可控制模拟开关的接通或关断。

模拟开关的接通或关断，决定自检工作的开始和结束，其输出端连接放大器的输入端。

放大器用于对前述方波标准电压信号进行放大，并将放大后的电压信号加到标定电极板上。

标定电极板设于电场仪电机与定片之间，用于产生一个电场值，将该电场值与电场仪实际测得的电场值进行比较，检测二者误差是否在精度范围内，从而实现自检功能［3］。

3 具体实现方式

电路具体实现结构如图3所示。电场仪控制器采用C8051F020单片机［4］，其中存储有用户设定的数字量设备自检参数值，每隔一段时间自动输出此参数值给D／A转换器，以产生自检控制信号。D／A转换器为C8051F020单片机自身所带的双12位DAC，将设备自检参数值由数字量转换为模拟量，用于产生自检控制信号，转换后的模拟电压为0～2.5V方波信号，其频率与电场仪动片产生的频率相同。D／A转换器输出，控制模拟开关ADG509接通，开始自检工作。放大器采用基本运算放大器对自检参数模拟电压值放大20倍，即0～50V。放大后的电压即标定信号加到电场仪中定片与电机之间的标定电极板上，标定电极板可采用与定片大小相同的金属片，标定电极板产生的电场值为E=V／d，V为标定极板与信号定片的压差，d为2个极片之间的距离，其范围为0～50kV／m。将此电场值与电场仪实测电场值进行比较，检测两者误差是否在精度范围内，实现自检功能［5-7］。

图3 实施结构

4 结束语

设计了一种供雷电预警监测的场磨式地面电场仪稳定工作的自检电路，能够自动监测电场仪工作的异常状态，但该电路仅能实现自检功能，即对超出电场值误差警界值或是其他异常状态进行检测报警，并不能实现自校正功能。今后可对电路做进一步设计和改进，使其能够对检测到的异常状态进行自动校正，提高电场仪工作的稳定性和精确性。

［1］宋 欣.基于场磨式大气电场仪的雷击火预警系统的研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2011.

［2］孟 青，吕伟涛，姚 雯，等.地面电场资料在雷电预警技术中的应用［J］.气象，2005，31（9）：30-33.

［3］宋 欣，王克奇，李迪飞.场磨式电场仪在雷电预警中的研究与应用［J］.自动化与仪表，2011，（2）：8-11.

［4］罗福山，何喻晖，张 健，等.新型倒装式旋转电场仪［J］.空间科学学报，2004，24（6）：470-473.

［5］沈英才，刘朝英，宋雪玲.智能化仪表的几种程序自检方法［J］.河北工业科技，2004，（5）：45-48.

［6］戴克中.测量仪表的自检自诊断系统［J］.武汉化工学院学报，2000，22（2）：61-63.

［7］陈卫兵.8051单片机系统的自检容错设计［J］.国外电子测量技术，2005，（3）：15-17.