[科普中国]-雷电电场变化测量仪

雷电电场变化测量仪，集雷电电场快变化与慢变化测量于一体。主要由电场接收天线、信号调理电路、光发射机、全介质光缆、光接收机以及信号采集和实时处理终端组成。1

基本原理雷电电场变化测量仪，集雷电电场快变化与慢变化测量于一体。主要由电场接收天线、信号调理电路、光发射机、全介质光缆、光接收机以及信号采集和实时处理终端组成。信号调理电路与光发射机进行了集成，实现了信号的采集与电光转换，并将光信号通过全介质光缆进行传输。整个调理电路与光发射机都密闭在扁平状的金属圆柱盒子中，具有良好的抗电磁干扰特性。光接收机将接收到的光信号转变为电信号经过补偿矫正与放大后输出到记录仪器。通过系统函数反演的方法利用测得的电场的某种变化(快变化或慢变化)信号反演出未被测量的变化(慢变化或快变化)信号。雷电电场测量仪结构简单，体积小，采用光纤传输和锂电池供电，可靠性高，适应能力强，抗电磁干扰能力强，测量动态范围可调，精度高。1

发展历史及现状当今社会，随着微电子器件集成度的不断提高和广泛应用，雷电灾害对人们的生产、生活构成的威胁越来越严重，即使并未直接遭到雷击，由雷电放电电流电磁辐射形成的雷电电磁脉冲可损毁距雷击点2km范围内电子、电气设备及系统。故对雷电过程中电场的测量研究有着重要的意义。关于测量雷电电场的仪器，可追溯到1960年，Kitagawa andBrook首次提出了采用两种不同时间常数的电场变化仪来记录闪电电场的变化，这就是“快”、“慢”电场变化仪的起源。直至1974年Arthur A Few在美国申请了电场变化仪专利。之后的几十年中，电场变化仪虽经多次改进，但其基本原理和结构一直沿用至今，仍然分为闪电快变化电场测量仪和闪电慢变化电场测量仪。显然，快变化电场仪的测量结果主要反映雷电电磁脉冲的时域特性，对于雷电放电过程引起云地间电荷重新分布所造成的地面感应电场的缓慢变化基本上不能反映；而慢变化电场仪却能很好地反映地面感应电场的变化和雷电电磁脉冲场慢变化的趋势，却不能充分反映电场快变化的细节。

用快、慢两种电场仪分别测量地面电场，也给后置信号采集记录设备的设置带来了麻烦，由于测量带宽与测量幅度变化范围的相互制约，不得不分别采用两套采集记录系统来完成，由此增加了系统的复杂程度。此外，电场仪采用交流供电、电缆传输信号，对市电的依赖降低了设备的适应能力，供电和信号传输线路还容易引入外界的干扰；整个电场仪体积较大，给系统标定带来困难，移动起来也不方便。1

构造及特征1.集雷电电场快变化测量与慢变化测量于一体；前置测量系统屏蔽壳体与圆板天线的连接采用自行设计的连接头，既实现了可靠的电连接，又为天线提供了可靠的力学支撑；前置测量系统与后置测量设备之间的信号传输采用光隔离方式，光发射机与前置测量系统中放大、补偿、非线性校正电路。

2.雷电电场测量仪，其前置测量系统与后置测量设备之间的信号传输方式，其特征在于：采用由光发射机、全介质光缆和光接收机组成的光隔离系统。

3.雷电电场测量仪，通过独特的终端信号处理算法，使电场快变化波形与慢变化波形通过一次测量可全部获得，特征在于：取测得的电场快变化波形或慢变化波形，采用系统传递函数反演方法，获得所缺的电场慢变化波形或快变化波形。

4.雷电电场测量仪，前置测量系统及与之一体化的光发射机采用电池供电，特征在于：选用大容量的锂电池供电。

5.雷电电场测量仪，其接收天线为金属圆板，特征在于：可以方便地进行装卸，按测量需求换上不同面积的接收天线，在特定条件下展宽系统的测量范围。1

优点其显著优点是：

1、对雷电电场的测量由一台雷电电场测量仪和一套信号采集处理终端完成。可同时给出雷电条件下地面电场快变化时域波形和慢变化时域波形。

2、圆板天线拆卸方便，可通过更换不同面积的天线改变天线电容值Ca来改变电场测量仪的灵敏度。

3、信号输入级RC的选用不再受到时间约束条件的限制，不仅可按需调整系统的场强测量范围和灵敏度，而且可在测量电场快变化波形或慢变化波形之间做出选择，未选上的电场慢变化波形或快变化波形则采用测量结果通过系统传递函数反演获得。

4、雷电电场测量仪由圆板状天线和扁圆柱形屏蔽仪器盒(内含调理电路和光发射机)构成，一般置于地面，圆板天线与接地扁圆柱金属盒上表面间形成稳定的电容值Ca，稳定可靠的结构加上科学的防水、防潮处理，可确保Ca值稳定，从而提高了系统的稳定性和可靠性。

5、雷电电场测量仪输出信号的传输采用光隔离措施，从而避免了电缆传输过程中外界电磁环境引入的干扰。

6、雷电电场测量仪和进行电光转换的光发射机采用大容量可充电锂电池供电，避免了由于交流供电而引入的工频干扰以及供电线路引入的外界电磁干扰。

7、整个雷电电场测量仪最大外尺寸不超过15cm，便于野外安装和标定。1

本词条内容贡献者为:

郭亮 - 副教授 - 中国海洋大学