大氣電場儀是能夠測量大氣電場及其變化的設備，它是利用導體在電場中產生感應電荷的原理來測量電場的。
基本介紹
- 中文名：大氣電場儀
- 外文名：atmospheric electric field
- 作用：測量大氣電場的大小，辨別其符號
- 原理：導體在電場中產生感應電荷
- 構造：大氣電場感應器、信號處理電路等
- 學科：大氣科學
簡介,工作原理及構造,大氣電場感應器,信號處理電路,電場極性的判斷,標定,功能,
簡介
大氣電場儀是用來測量大氣電場及其變化的設備，它是利用導體在電場中產生感應電荷的原理來測量電場的。當雲中發生電荷分離時，地面電場將發生相應的變化，其強度與雲中電荷的積累量和分布有關，因此通過測量地面大氣電場的變化，可以反演出高空雲層電場的變化，對發生雷擊的危險性做出一定的預報。主要由電場探測探頭、電場數據處理機、中心數據處理機、客戶端數據顯示與分析軟體等組成。電場數據處理機可實時地讀出當時的電場值，把電場儀測量的電場數據傳送到計算機由專用軟體分析處理，可以對局部地區潛在的雷暴活動及靜電電擊的危險性做出短期預報。
工作原理及構造
工作原理：利用導體在電場中產生感應電荷的原理，電場儀感測器由定片和動片組成，動片的旋轉使定片的感應電荷轉換為和大氣電場成正比的電壓量。電場儀處理並顯示電場值，電場值傳送至計算機。
大氣電場感應器
它由上、下兩片相互平的、有一定間距形狀、相似的幾片葉片連線在一起的對稱扇形金屬片組成。下面的金屬片用來感應電荷，固定不動，稱為定片。上面的金屬片由馬達驅動旋轉，稱為動片，並與地相聯接，它既起禁止定片的作用，又使業片暴露於大氣電場中。當動片旋轉時，定片便交替地暴露在大氣電場中，由此產生交變電信號，信號的大小與大氣電場強度成正比。當動片旋轉時，它對定片起周期性的禁止作用，於是定片一會完全暴露於大氣中，一會兒則完全螢幕蔽掉，有時只露出一小部分。
為了適應於在惡劣天氣條件下使用，對感應頭的結構進行了特殊的考慮。 為了防止嚴重雨雪、冰雹的干擾，各葉片應有足夠的強度，並且它們之間的間隙也要足夠大。感應片是由有機玻璃柱支撐，每個支柱上裝有防水罩，在軸的頂部也裝有防水罩。電纜從下面的引線孔引出，在孔上裝有用橡膠墊壓緊的密封接頭，使水不能浸入，電路板裝在密封的金屬盆內，以防止受潮。感應頭的外殼用鋁鑄成，各葉片鍍鉻，以防止生鏽嘲。
信號處理電路
信號處理電路將交變電信號進行放大等處理為系統所要求的信號。
據研究，近地面層乾空氣的擊穿電位梯度約為3×106w/m。在霧中，空氣擊穿電位梯度約為106V/m。所以輸人信號極其微弱，通常只有幾微安，必須採用多級的、高增益的、強抗干擾的放大電路，將信號放大到後端A/D電路所能接受的範圍。為了避免干擾造成信號失真，電路中要加入低通濾波器，以降低低頻噪聲的干擾。其中前置放大電路關係到整個放大電路的優劣，必須具有高精度、高穩定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲和強抗干擾能力等性能目。當然，由上面式子可知，可以增大金屬片的面積、動片的轉速來增大輸入電信號。
電場極性的判斷
大氣電場儀在進行地面大氣電場監測時，不僅要測量出被測電場的強度，還要辨別出被測電場的極性。由電流I與電場E的關係可知，感應頭輸出的信號為方波。現在設定t0時，定片與動片重合；而且，雷暴雲底部帶正電荷時為正電場。帶負電荷時為負電場。
電場的極性通常採用相敏檢波的方法來區別，因此需要在電場儀的前置放大電路中：0hA,相敏檢波器。常用的相敏檢波器有兩種：一種由變壓器和二極體橋組成，這種電路體積大，穩定性差；另一種則由模擬乘法器構成，性能上得到了很大提高，但價格高，調試麻煩。可以根據大氣電場儀探頭的結構特點和大氣電場測試中對檢波器的要求，通過同步信號發生器，實現兩路輸入信號同頻同相，利用光電開關、四通道模擬開關和運放組合設計一種結構簡單，性能穩定的相敏檢波器。
標定
目前各個地方使用著不同類型的電場儀，它們的參數各不相同，使用科學的標地方法很重要。特別是使各地監測的數據保持一致性，有利於各地的雷電監測預警系統的聯網工作的開展。
首先利用公式E=V/L，式中V為加在標定裝置的兩極板間的已知電壓，L為兩極板間的距離。當改變兩極板間的電壓，即改變了兩極板間的電場，讀出不同電場下儀器的顯示數值(包括線性值和折線值)，修正電場與輸出電壓的比例係數K0。由於在不同的高度，大氣電場強度E 不一樣，而大氣電場儀感應頭通常處在一定的高度，所以將精度高的感應頭放置地面挖好的凹處，作為標準參考儀器；並在凹處上面，持平地平面處蓋上一金屬片。金屬片面上切去一塊和感應片相同大小的面積，然後使感應頭剛好處在切區的面積下面，並且轉片與金屬片面持平。這時測到的電場強度E0即位地面電場強度，從而得出E0與E 的比例係數K1。
功能
主要功能為實時測量記錄地面上的靜電場值與變化率。
（1）保護人身安全：在易發雷擊事故的場合，提前預告雷暴的來臨，減少雷擊傷害事故的發生。在易發水災場合，可以超前預告暴風雨的來臨。
（2）保護環境與財產安全：在雷電來臨之前，可採用適當措施來限制風險。例如在敏感的通訊電子場所，採用自動隔離供電系統，啟動備用UPS電源來確保設備的安全；選用具有自動切換功能的開關，來啟動或停止重要或精密的機器設備。
