第二章 电场仪的工作原理及其在雷电预警中的应用

第二章 电场仪的工作原理及其在雷电预警中的应用1 电场探测仪1.1 地面电场仪1.2 空中电场仪2 电场仪资料在雷电监测预警中的应用2.1 反推电荷结构2.2 揭示雷暴的起电程度3 电场资料应用时的注意事项3.1 安装环境3.2 近地面电晕离子对雷暴地面电场的影响1 电场探测仪l 原理 ：电场探测一般采用导体在电场中产生 感应电荷 的原理。l 分类 ：从测量的对象上可分为 地面 大气电场探测， 空中 电场探测及 空间 电场探测。l大气电场强度 是大气电学的基本参数，在晴天电学、雷暴电学以及闪电的研究中，都有重要意义，在雷暴和闪电监测中具有重要作用。1.1 地面电场仪 (场磨式电场仪 Electric Field Mill)l 地面电场仪可以测量 地面 大气电场的强度 和 极性 ，可对对流云的 起电过程进行连续监测。l 既可 单独使用 记录局地雷电情况，又可用于 联网监测 空中电结构。(1) 感应器的组成定片（感应片，又称定子）动片（接地屏蔽片，又称转子）直流电机前置放大器同步信号发生器等部分组成。l 定片和动片是一圆板开六（四）等分的 扇形面 。l 定片 ：感应电场信号，与机架绝缘。l 动片 ：定片上方，由直流电机带动旋转，接地。l 动片转动时定片在电场中交替地被屏蔽和暴露，产生感应的交变信号。l 前置放大器 ：放大很微弱的信号。l 小叶片 ：形状与定片相似，也由电机带动旋转，并通过光电开关的缺槽口使光电开关产生同步参考脉冲，用于鉴别电场信号的极性。采用倒置结构使电场仪能在恶劣天气条件下工作电场仪探头结构 (2) 感应原理l 在静电场 E中放置一块金属导体，导体表面就会产生感应电荷，感应面电荷密度为：其中 为空气中的 介电常数 ，一般取真空介电常数 ， K是由于导体放入引起的 电场畸变系数 ，如果金属导体表面积为 S，则导体上产生的感应电荷量 为： 金属导体通过一个电阻接地，就会有电流通过，当电场变化时，测出此电流的变化就可知电场的变化。但在静电场中，电场基本不变或变化缓慢，根据 动态感应原理 ，要测量这种电场，必须使处在于静电场中的导体产生变化的电荷，因此可采用对一个导体屏蔽和去屏蔽装置的方法。 当转子和定子的叶片完全重叠时，由于接地转子的屏蔽作用，电力线不能到达定子叶片上，感应电荷为 0；随着转子的转动，定子叶片逐渐露出，感应电荷逐渐增大。因此，定子上的电荷呈周期性变化： 可通过测量电流的大小进而推得电场的大小： 若感应导体的电容量为 C，则产生的感应电压为：电容： 表征电容器容纳 电荷 的本领的 物理 量。把电容器的两极板间的电势差增加 1伏所需的 电量 ，叫做电容器的电容。定片感应的交变信号 , 经前置放大器放大和光电开关产生的同步信号一起从感应器输出 , 经长屏蔽电缆接到主机上。主机把信号进一步放大 , 相敏检波器在经过整形分相的同步脉冲作用下鉴别出交变电场信号的正负极性 , 通过低通滤波器得到相应的直流信号输出。(3) 主要性能参数2XDD-03/E型大气电场仪(4) 标定 电场仪的标定一直是人们所研究的课题。 一般，以 库仑定律 为基础，用电荷量为已知的带电体在已知的距离处产生的电场为一定来标定。 这种带电体可用一个球体、一条悬空导线。 用得最多且标定精度最佳的是：两平行导电板构成的 平板电容式电场标定装置 。 改变两板间的电压 改变电场值 电场仪输出信号值改变 得到不同电场值下所对应的电场仪输出信号大小的一条曲线 -即 标定曲线。 此外，感应器盖内装有一块与外壳绝缘的平板， 可对仪器进行简易标定。由于平板与定片间距离很近，只需加很低的电压便可标定，但板间距离小，产生畸变大，这种标定是较粗略的。电场的标定应当在一个已知数值的均匀电场中进行， 根据处于不同电位的两块相互平行、且有无限尺度的导电板之间存在均匀电场的原理， 利用在两块相距为一定距离的平板电极间加上一已知的稳定电压，为一基本的电场标定装置，平板间电场可根据E=V/d算出。1.2 空中电场仪l 空中电场的测量对研究雷暴云下及云内电结构以及起电机制具有重要意义。同时人工触发闪电、避雷防雷、航天技术等部门也需要进行空中电场的测量 , 空中电场仪测量电场是很有前景的一种测量手段 , 目前国内尚属起步。l 空中电场主要是将感应装置加载于 探空气球 、 小火箭 或 飞机上进行空中电场廓线的测量， 探空球方式操作简单，易于实现，但时效性差 ； 火箭方式可以探测到短时内的电场空间分布 。而空间电场的探测是将特殊的感应棒加载到空间探测卫星上进行的。l 测量方法： 电场磨法 和 电晕探针法 。空中电场探测的国内外发展概况l 空中电场探测 上个世纪末逐渐发展起来 ，一般称为火箭电场探空（ AEFS）。l 目前 国外 上主要有 美国 、 法国等 国家开展了大气电场的模式研究及有关探测设备的开发研制，并将研究的成果和设备用于云物理研究、人工影响天气、强风暴预报等领域。美国国家强风暴实验室利用球载电场仪的电场变化数据，进行闪电的判别。另外在美国的 REFS项目还应用于航空领域，主要是为空间探测器的发射提供安全的保证。l 国内 的大气电场研究 始于 60年代 ，目前仅在卫星发射基地进行了空中电场探测的初步试验，实验结果还不甚理想，空中电场探测的技术还不成熟，特别是其中的电场感应精度和遥测控制技术，还有待于提高。(1) 场磨式空中电场仪原理l 与场磨式地面电场仪相似。l 因测量 装置不能接地 , 使处在电场中的仪器因空间电荷或摩擦带电的影响 , 本身带有一定的极化电荷 , 形成附加电场而造成测量误差。l 置于均匀电场中的导体 , 在其对称点会感应出大小相等、符号相反的电荷 ,而本身带电产生的电荷其大小相等符号也相同 , 利用 差分原理 可以消除自身带电的影响。l 差分电路的特点是输出信号与两个输入信号之差成比例 , 而与导体本身带电无关 , 从而得到空间的真正电场。根据这个原理, 可以把 两个电场仪 安置在一个相对于水平面对称的导体上来测量。电机带动上下动片同时旋转 , 使上下定片通过感应窗口在电场中交替地被屏蔽和暴露 , 各自感应出交变信号。同时动片在旋转时还通过光电开关管的槽口 , 产生用于解调的同步信号。空中电场仪设计成一个光滑圆柱体 , 上下开感应窗口形成双电场仪 , 在感应舱内装有上感应电极上定片、上动片、下感应电极下定片、下动片。1.上下感应片感应的信号与各自的电荷放大器相连。2.电荷放大器是一个具有电容反馈的高增益运放 , 它的输出与输入电荷量成比例。3.把两个信号加到差分放大器以消除仪器自身带电的影响 , 得到真正的电场交变信号并送至相敏检波器。4.动片在旋转时还通过光电开关槽口形成与信号同步的参考脉冲 , 经整形分相形成两相脉冲 , 亦加到相敏检波器。5.在两相同步脉冲作用下相敏检波器能鉴别出感应交变信号的正负极性。(2) 场磨式空中电场仪的技术指标(3) 场磨式空中电场仪的标定l 空中电场仪的校准是比较困难的 , 在实验室内校准需模拟产生均匀电场及高压设备。l 通过在地面把空中电场仪和地面电场仪对雷暴天气进行多次联测试验 ,可以对空中电场仪进行校准 , 此方法简单可行。(4) 注意事项l 空中电场仪是用气球携带的 , 要求体积小、质量轻、耗电省。l 另外仪器的引入会使自然电场产生畸变 , 为了得到尽可能均匀的曲率以减小空间电荷的释放 , 仪器表面要求光滑 ,尽量避免棱角或尖端。飞机电场测量研究现状一 . 飞机电场测量的发展（ 4 个阶段 ） 尝试阶段： 20 世纪 40 年代末至 70 年代早期以探测晴天电场和积雨云内电场为主。最初采用滑翔机安装一个电场仪 ,用于测量电场的垂直分量。 20 世纪 50 年代后期开始采用动力飞机 ,并在机身对称位置上安装 2 个电场仪 ,以消除引擎尾流的影响。进入 20 世纪 60 年代后 ,针对三维电场测量问题 ,同时也为了消除机身电荷的影响 ,又在机身安装了 2 个额外的电场仪。飞机电场测量逐渐受到重视。 初步发展阶段： 20 世纪 70 年代中期至 80 年代末l 1975 年 , 美国新墨西哥工矿技术学院的 Langmuir 实验室开始利用一架海军研究办公室提供的飞机（代号： SPTVAR ）研究雷暴云发展过程中的起电机制 ,并采用了当时较为成功的电场仪校正方法 ,使其成为第一架较为成功的电场测量飞机。l 此阶段其他一些飞机也用于电场测量 ,如 SDSMT/ IAS(南达科他矿业与技术学院大气科学分院 ) 的 T228 、美国NASA/MSFC (NASA 马歇尔空间飞行中心 ) 的 ER22 、美国NOAA (国家海洋和大气管理局 ) 的 F108 等。l 此阶段电场仪校正方法相对落后 ,普遍要求电场仪对称安装 ,同时对电晕放电缺乏足够认识 ,测量结果误差很大。 全面发展和应用阶段： 20 世纪 90 年代l 20 世纪 90 年代开始 ,3 支机构致力于电场仪校正方法研究 ,提出了多种飞行校正方法 ,使飞机电场测量技术得到了广泛发展和应用。l SDSMT/IAS