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一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器的制造方法

文檔序號:6073180閱讀:193來源:國知局
一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,包括三個結(jié)構(gòu)相同的探測傳感單元,每個探測傳感單元均包括依次串聯(lián)的小環(huán)天線、天線匹配網(wǎng)絡(luò)和有源積分電路,所述三個小環(huán)天線分布于兩兩垂直的三個平面;三個小環(huán)天線接收三個方向的磁場分量,并傳輸至對應(yīng)的天線匹配網(wǎng)絡(luò),所述天線匹配網(wǎng)絡(luò)將收到的信號進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換后傳輸至對應(yīng)的有源積分電路,所述有源積分電路輸出與所述小環(huán)天線對應(yīng)的三個方向的電信號。本實用新型能測量來自空間不同位置的雷電磁場分量,測量精度高、性能穩(wěn)定。
【專利說明】一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,屬于雷電科學(xué)與【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]雷電放電過程產(chǎn)生頻譜范圍很寬的電磁波,從而為雷電探測提供了重要途徑。雷電產(chǎn)生的電磁輻射在無線電頻段有很強的輻射,在VLF/LF頻段的輻射主要由具有較大空間尺度的放電過程產(chǎn)生,在微波頻段也有可探測到的輻射,雷電過程伴隨更高頻段的X射線和γ射線等高能輻射。
[0003]傳統(tǒng)的雷電探測傳感器主要有場磨式大氣平均電場儀、快天線電場變化儀和慢天線電場變化儀、磁場測量儀等。雷電磁場探測儀通常使環(huán)形磁天線進(jìn)行磁場強度的測量,目前仍廣泛使用于觀測地閃閃電以及地閃的定位系統(tǒng)。但是,傳統(tǒng)的雷電磁場探測儀不能測量來自空間不同位置的雷電磁場分量,對研宄雷電科學(xué)產(chǎn)生影響。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的,在于提供一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,能測量來自空間不同位置的雷電磁場分量。
[0005]為了達(dá)成上述目的,本實用新型的解決方案是:
[0006]一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,包括三個結(jié)構(gòu)相同的探測傳感單元,每個探測傳感單元均包括依次串聯(lián)的小環(huán)天線、天線匹配網(wǎng)絡(luò)和有源積分電路,所述三個小環(huán)天線分布于兩兩垂直的三個平面;三個小環(huán)天線接收三個方向的磁場分量,并傳輸至對應(yīng)的天線匹配網(wǎng)絡(luò),所述天線匹配網(wǎng)絡(luò)將收到的信號進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換后傳輸至對應(yīng)的有源積分電路,所述有源積分電路輸出與所述小環(huán)天線對應(yīng)的三個方向的電信號。
[0007]進(jìn)一步,所述每個天線匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一傳輸線變壓器和第二傳輸線變壓器,與之對應(yīng)的小環(huán)天線的兩個輸出端分別接至第一傳輸線變壓器的第一和第二輸入端,第一傳輸線變壓器的第一和第二輸出端分別與第二傳輸線變壓器的第一和第二輸入端連接,第二傳輸變壓器的第一和第二輸出端與有源積分電路模塊連接,第一傳輸線變壓器的第二輸出端還與第二傳輸線變壓器的第一輸出端短接,第一和第二傳輸線變壓器的第二輸出端分別接地。
[0008]進(jìn)一步,所述每個有源積分電路包括第一運算放大器、第一至三電阻和第一電容,與之對應(yīng)的第二傳輸線變壓器的第一和第二輸出端分別連接第一和第三電阻的一端,第一電阻的另一端、第二電阻的一端、第一電容的一端與第一運算放大器的反相輸入端共同連接,第三電阻的另一端與第一運算放大器的正相輸入端連接,并共同接地,第一電容的另一端、第二電阻的另一端與第一運算放大器的輸出端連接。
[0009]進(jìn)一步,第一運算放大器采用ορ27集成運算放大器。
[0010]進(jìn)一步,所述小環(huán)天線由銅導(dǎo)線制成,銅導(dǎo)線的直徑為0.5cm。
[0011]進(jìn)一步,所述小環(huán)天線的半徑為10cm,小環(huán)天線的饋電端平行雙線的間隔為1cm,小環(huán)天線的阻抗為300 Ω。
[0012]采用上述方案后,本實用新型三維小環(huán)天線陣模塊接收閃電三維空間的磁場分量,經(jīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)天線的阻抗交換,再由有源積分電路處理信號,根據(jù)磁場分量計算合成出雷電電流的波形及幅值。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較的優(yōu)點有:1、閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、測量精度高、性能穩(wěn)定的特點。2、該傳感器能夠檢測三維空間的場分量信號,根據(jù)場信號的幅值大小及信號的極性能夠識別雷電波的方向。3、該傳感器采用傳輸線變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)及有源積分電路,具有較寬的頻響特性且輸出電壓的波形與雷電流波形具有較好的一致性。4、該傳感器應(yīng)用范圍廣,同時適用于核爆等瞬態(tài)三維磁場的測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器的原理框圖。
[0014]圖2是本實用新型閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器的局部電路圖。
[0015]圖3是本實用新型三維小環(huán)天線陣模塊的局部電路圖。
[0016]圖4是本實用新型天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊的局部電路圖。
[0017]圖5是本實用新型有源積分電路模塊的局部電路圖。

【具體實施方式】
[0018]以下將結(jié)合附圖,對本實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]如圖1所示為本實用新型的一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,包括依次串聯(lián)的三維小環(huán)天線陣模塊,天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊和有源積分電路模塊,有源積分電路模塊通過X、1、z三個通道輸出。
[0020]如圖2所示,所述閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器包括三個結(jié)構(gòu)相同的探測傳感單元,每個探測傳感單元均包括依次串聯(lián)的小環(huán)天線1、天線匹配網(wǎng)絡(luò)2和有源積分電路3。
[0021]結(jié)合圖3所示,三維小環(huán)天線陣模塊用于接收x、y、z三個方向的空間雷電磁場分量,所述三個小環(huán)天線I分別平行于xoy,xoz, yoz三個平面,饋電端4接平行雙線,小環(huán)天線I由銅導(dǎo)線制成,小環(huán)天線的半徑為10cm,銅導(dǎo)線的直徑為0.5cm,小環(huán)天線的饋電端間隙為1cm,小環(huán)天線的阻抗設(shè)計為300 Ω,小環(huán)天線的尺寸小于信號波長的1/10。
[0022]結(jié)合圖4所示,每個天線匹配網(wǎng)絡(luò)2包括第一傳輸線變壓器21和第二傳輸線變壓器22,小環(huán)天線的兩個輸出端分別接至第一傳輸線變壓器的第一和第二輸入端la、lc,第一傳輸線變壓器21的第一和第二輸出端lb、Id分別與第二傳輸線變壓器22的第一和第二輸入端2a、2c連接,第二傳輸變壓器22的第一和第二輸出端2b、2d與有源積分電路3連接,第一傳輸線變壓器21的第二輸出端2b與第二傳輸線變壓器22的第一輸出端Id短接,第一和第二傳輸線變壓器21、22的第二輸出端ld、2b分別接地。天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊的作用是實現(xiàn)小環(huán)天線I的阻抗交換,將300Ω小環(huán)天線的阻抗轉(zhuǎn)換為75Ω的阻抗,第一傳輸線變壓器21實現(xiàn)平衡-非平衡轉(zhuǎn)換的作用,第二傳輸線變壓器22實現(xiàn)4:1的阻抗轉(zhuǎn)換作用;所述傳輸線變壓器具有很寬的頻響特性。
[0023]結(jié)合圖5所示,每個有源積分電路3包括第一運算放大器IC1、第一至三電阻R1、R2、R3和第一電容Cl,與之對應(yīng)的第二傳輸線變壓器22的第一和第二輸出端2b、2d分別連接第一 Rl和第三電阻R3的一端,第一電阻Rl的另一端與第二電阻R2的一端、第一電容Cl的一端、第一運算放大器ICl的反相輸入端連接,第三電阻R3的另一端與第一運算放大器ICl的正相輸入端連接,并共同接地,第一電容Cl的另一端、第二電阻R2的另一端與第一運算放大器ICl的輸出端連接;三個有源積分電路分別輸出X、Y、Z三個方向的電信號。第一電阻R1、第一電容Cl為積分電阻和積分電容,第二電阻R2為反饋電阻,第一、二、三電阻Rl、R2、R3取相同的值,第一運算放大器采用op27集成運算放大器。U01、U02、U03分別為三個有源積分電路的輸出電壓。
[0024]本實用新型的閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器由三個小環(huán)天線I通過平行雙線饋電連接到對應(yīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)電路2,對應(yīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)2輸出的信號通過75 Ω同軸電纜連接到對應(yīng)有源積分電路3的三個輸入端,經(jīng)對信號處理后,分別輸出通道X、y、z三個方向的信號。本實用新型的工作過程是:雷電閃電瞬間,閃電通道等效天線向空間輻射電磁場,三維小環(huán)天線陣模塊接收來自不同方向的磁場分量,并經(jīng)平行雙線饋電傳輸?shù)教炀€匹配網(wǎng)絡(luò)模塊,天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊將平衡信號轉(zhuǎn)換為非平衡信號,再經(jīng)同軸電纜饋電傳輸至有源積分電路模塊進(jìn)行信號處理,分別輸出x、y、z三個不同方向的電信號。所述電信號可直接經(jīng)數(shù)字存儲示波器,或者信號處理電路進(jìn)行處理。根據(jù)三個方向的信號可計算出閃電通道的電流波形及雷電電流的幅值。
[0025]本實用新型利用三維小環(huán)天線陣模塊接收閃電三維空間的磁場分量,經(jīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)天線的阻抗交換,再由有源積分電路處理信號,根據(jù)磁場分量計算合成出雷電電流的波形及幅值。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)比較的優(yōu)點有:1、閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、測量精度高、性能穩(wěn)定的特點。2、該傳感器能夠檢測三維空間的場分量信號,根據(jù)場信號的幅值大小及信號的極性能夠識別雷電波的方向。3、該傳感器采用傳輸線變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)及有源積分電路,具有較寬的頻響特性且輸出電壓的波形與雷電流波形具有較好的一致性。4、該傳感器應(yīng)用范圍廣,同時適用于核爆等瞬態(tài)三維磁場的測量。
[0026]以上實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)思想,不能以此限定本實用新型的保護(hù)范圍,凡是按照本實用新型提出的技術(shù)思想,在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動,均落入本實用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,其特征在于:包括三個結(jié)構(gòu)相同的探測傳感單元,每個探測傳感單元均包括依次串聯(lián)的小環(huán)天線、天線匹配網(wǎng)絡(luò)和有源積分電路,所述三個小環(huán)天線分布于兩兩垂直的三個平面;三個小環(huán)天線接收三個方向的磁場分量,并傳輸至對應(yīng)的天線匹配網(wǎng)絡(luò),所述天線匹配網(wǎng)絡(luò)將收到的信號進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換后傳輸至對應(yīng)的有源積分電路,所述有源積分電路輸出與所述小環(huán)天線對應(yīng)的三個方向的電信號。
2.如權(quán)利要求1所述的閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,其特征在于:所述每個天線匹配網(wǎng)絡(luò)包括第一傳輸線變壓器和第二傳輸線變壓器,與之對應(yīng)的小環(huán)天線的兩個輸出端分別接至第一傳輸線變壓器的第一和第二輸入端,第一傳輸線變壓器的第一和第二輸出端分別與第二傳輸線變壓器的第一和第二輸入端連接,第二傳輸變壓器的第一和第二輸出端與有源積分電路模塊連接,第一傳輸線變壓器的第二輸出端還與第二傳輸線變壓器的第一輸出端短接,第一和第二傳輸線變壓器的第二輸出端分別接地。
3.如權(quán)利要求2所述的閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,其特征在于:所述每個有源積分電路包括第一運算放大器、第一至三電阻和第一電容,與之對應(yīng)的第二傳輸線變壓器的第一和第二輸出端分別連接第一和第三電阻的一端,第一電阻的另一端、第二電阻的一端、第一電容的一端與第一運算放大器的反相輸入端共同連接,第三電阻的另一端與第一運算放大器的正相輸入端連接,并共同接地,第一電容的另一端、第二電阻的另一端與第一運算放大器的輸出端連接。
4.如權(quán)利要求3所述的閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,其特征在于:第一運算放大器采用op27集成運算放大器。
5.如權(quán)利要求1所述的閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,其特征在于:所述小環(huán)天線由銅導(dǎo)線制成,銅導(dǎo)線的直徑為0.5cm。
6.如權(quán)利要求5所述的閃電瞬態(tài)三維磁場傳感器,其特征在于:所述小環(huán)天線的半徑為10cm,小環(huán)天線的饋電端平行雙線的間隔為1cm,小環(huán)天線的阻抗為300 Ω。
【文檔編號】G01R33/02GK204256146SQ201420605660
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】李祥超, 周中山, 陳璞陽, 陳則煌 申請人:南京信息工程大學(xué)
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