四川省云地閃大氣電場儀雷電監測系統建設

王杰 景號然 謝曉林

摘要 為了提高雷電預警和雷電防護技術，有效探測雷電的發生，截至2017年四川省氣象局在全省21個地市（州）都建立了一部大氣電場儀，能夠對一定范圍內的雷電進行短時預警，避免和減輕雷電可能造成的災害和損失。本文對DNDY大氣電場儀的主要結構、功能，業務范圍，布網情況進行了詳細介紹。

【關鍵詞】大氣電場儀 雷電探測 預警 DNDY

近些年，隨著國家對雷電防御投入的不斷加大，大氣電場儀作為一種新型的雷電遙感探測設備，已經越來越多的被安裝在重點建筑和重要區域。大氣電場儀能夠對大氣中的電場強度變化進行的實時監測，通過監測能夠對閃電的發生進行提前預警，在得到預警信息以后，現場操作人員根據實際情況，決定采取相應的措施。如撤離現場人員、暫時關閉正在運行的設備、取消計劃的作業、提醒操作人員采取相應的避雷措施等。圖1為現己建成的四川省大氣電場儀分布圖，形成了對特定區域的雷電短時預警，避免和減輕雷電可能造成的災害和損失。

1 大氣電場儀工作原理

當大氣中的電荷達到一定的數量，云與地面之間就形成了很強的電場，當電場強度達到一定程度時，就會發生放電現象。根據相關研究表明，大氣中電場在天氣晴好時的電場強度平均值約為150V/m，當有雷雨云出現時，靜電場的電場強度可增大到土14KV/m。根據經驗一般認為大氣電場強度超過3 KV/m時，表示有閃電即將發生，圖2所示。

大氣電場儀能夠對半徑15到20km區域的雷電進行監測。可以為重點場所提供雷電預警，為我們的工農業生產和科學研究提供了更完善的服務。

大氣電場儀結構采用三維實體設計軟件進行設計，保證各部件裝配的順利。連接處采用硅膠密封圈進行密封，外表噴白色烤漆，連接螺釘均選用不銹鋼件，保證設備長時間室外運行之后外表依舊如新。同時，大氣電場儀是一種高集成度的探測設備，室外設備直接將探測結果進行AD轉換，通過串口傳給遠程通信模塊。室內的通信模塊將收到的數據實時發送到遠程終端進行顯示。如圖3所示。

室外探頭主要包括電源和探頭兩部分。探頭負責對地表附近的大氣電場進行測量，在完成一次數據采集以后將轉換結果打上時標發送出去。電源部分主要完成對探頭進行供電，電路板上的指示燈顯示電源和數據發送是否正常。此外，電源部分還包括對市電和串口的防雷，抵抗因雷擊或電網中大功率設備通斷電產生的浪涌侵襲，保護設備不受損壞。室內設備主要是通信部分，負責將探測數據通過網絡發送到當地或遠程顯示終端。大氣電場儀的的三維視圖和實物照片如圖4所示。

1.1 主要特點

（1）一體化設計，所有功能模塊全部在探頭內部集成，直接輸出數字信號，避免了采集器與傳感器分開帶來的干擾。

（2）傳感器部分采用304不銹鋼制造，保證長時間不受環境腐蝕。

（3）傳感器動片連接的電機軸采用特殊工藝加工的水銀接地，壽命超過10年，相比國內外通用的碳刷接地方式在信號穩定性和壽命上具有明顯優勢。

（4）核心處理芯片采用非常規單片機的FPGA，加上完善的外圍電路，使設備升級變得更加簡單方便。

（5）傳感器與處理電路集成在一起，便于安裝維護。

1.2 傳感器探頭

大氣電場儀傳感器探頭部分使用304不銹鋼精加工制造，保證長時間穩定運行，不受環境污染的影響。信號采樣處理均在探頭內完成，核心部件密封于鋁制屏蔽空間內，阻隔外界環境和電磁干擾的影響。探頭采用單路12V供電，電壓轉換、信號放大采集和數據處理均在探頭內完成，高度集成保證了信號不受外界環境干擾，便于安裝維護。

核心探頭電路板是整個系統的核心，板上集成電壓轉換濾波模塊、信號處理放大電路、高速FLASH、最大支持4G的SD卡插槽、電機控制、相位判斷、溫度監測、電壓監測、帶萬年歷時鐘芯片等功能模塊。中央處理芯片采用ALTERA公司的CYCLONE2系列FPGA，強大的處理能力可并行實現信號測量、電機控制和設備運行狀態監控等工作，軟件系統升級方便。

電路板采用6層板布板，具有極強的抗干擾能力，所有元件均選用工業級以上器件，焊接采用貼片機和回流焊，質量有效保證。

l.3 電源箱

如圖6所示，電源箱內包含通用模塊電源、空氣開關、電源防雷模塊和通信防雷模塊。

2 總結

大氣電場儀監測網的建立，實現了對重要地區大氣中的電場強度變化的實時監測，通過監測能夠對閃電的發生進行提前預警，避免和減輕雷電可能造成的災害和損失。

參考文獻

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