空中電場的探測不同於近地而大氣電場的測量，存在許多困難，如(1)儀器和運載體的進入會使電場發生畸變，尤其是測量已接近電擊穿狀態的電場區時將促使電暈放電而使電場值改變(2)雲中強對流和亂流有可能造成儀器的損壞(3)雲中水汽電荷的充放電和溫度變化產生噪聲，影響測量(4)裝置上的電荷沉積或其他原因會影響自然場強。
空中電場的探測必須利用某種形式的運載工具，常用的有氣球、飛機、火箭等，也有用飛機、火箭拋傘投擲來測量的。測量方法主要有兩種電暈探針法和場磨法。另外，也有用放射性來測量電場，但因其反應速度慢，受風和雨滴影響大，現在已很少採用。下面主要從測量方法上對空中電場儀進行介紹。
基本介紹
- 中文名：空中電場探測儀
- 外文名：Aerial electric field detector
- 運載工具：氣球、飛機、火箭等
- 影響因素：雨滴、風、反應速度等
- 方法1：電暈探針法
- 方法2：場磨法
技術方法
電暈探針法
當尖端電極為陰極與陽極時，電暈放電存在一定的差異。本節以陰極尖端為例來簡單解釋電暈放電當一定長度的尖端處在電場中時，尖端附近的電場會產生強烈畸變，如果畸變電場達到周圍氣體的擊穿閾值，氣體分子會發生雪崩式的電離過程(稱為a過程)，在a過程中產生的大量正離子向陰極運動轟擊陰極表面使其發射二次電子(稱為r過程)。當外加電壓使電場強度升到足夠高時，a過程產生的大量正離子使陰極表面發射的二次電子在數量上等於a過程所需的電子源的電子數時放電過程就可不依靠外來電子源提供電子而保持自持暗放電狀態，這是負電暈放電的經典解釋(不過自然環境下尖端表面具有一層很薄的絕緣物質，可能帶來了電暈始發機制的複雜性，這超出了本文的討論範圍)。為了確定尖端放電電流與外電場的關係(本文中尖端放電與電暈放電意義相同)，科研人員進行了自然條件下的觀測實驗與實驗室實驗，得出了比較一致的結果。
趙忠闊等(2008,2009)所設計的尖端放電電流感測器由一個時間常數為0.1 s、量程為±16μA的精密電流放大電路和兩根長度均為1 m的同軸電纜組成，兩根同軸電纜尖端的長度為5～6 cm，懸空垂直於地面、相對放大電路對稱布置。除電流感測器外，還包括溫度探頭、相對濕度探頭和GPS接收機。GPS強電場探空儀通過氣球攜帶升空，由GPS接收系統、溫度和相對濕度感測器、電暈電流感測器、409 M數位訊號發射機構成，所用這些感應單元通過一個單片機平台進行集成。探空儀淨重約450 g，探空儀與氣球之間通過30 m尼龍纖維單絲連線，氣球對外電場的改變以及尼龍纖維的漏電流均可忽略。天線發射功率為200 mw,全向發射。該探空儀也曾採用自帶Flash卡存貯方式保存數據。該探空儀功耗低，採用4節5號電池即可穩定工作2小時以上。系統封裝在包有鋁箔的塑膠箱內，起到了保溫與靜電禁止作用。在到達一定高度後，氣球爆破，降落傘自然張開，探空儀平緩降落到地面。實驗完畢，在GpS定位儀的指引下，對設備和資料進行回收。地畫部分包括一部中心頻率為409 MHz、增益為8 db的全向接收天線，數位訊號接收處理機與數據處理微機等組成。通信格式為異步串列通信(UART)，速率4800 bps。
場磨法
空中電場的測量首先要求測量垂直電場分量。由於測量裝置不能接地，使處在電場中的儀器因空間電荷或摩擦帶電的影響，以及本身帶有一定的極化電荷，形成附加電場而造成測量誤差。從物理學可知，置於均勻電場中的導體，在其對稱點會感應出大小相等、符號相反的電荷，而本身帶電產生的電荷其大小相等、符號也相同，因此可以利用差分原理消除自身帶電的影響。差分電路的特點是輸出信號與兩個輸人信號之差成比例，而與導體本身帶電無關，從而得到空間的真正電場。根據這個原理，可以採用雙電場儀來測量，把兩個電場儀安置在一個相對於水平面對稱的導體上，設計成一個光滑圓柱體的空中電場儀，上下開感應視窗形成雙電場儀。在感應舵內裝有上感應電極(上定片)、上動片、下感應電極(下定片)、下動片。感應電極的作用是在電場中感應電荷，電機帶動上、下動片同時旋轉，使上、下定片通過感應視窗在電場中交替地被禁止和暴露，各自感應出交變信號。同時動片在旋轉時還通過光電開關管的槽口，產生用於解調的同步信號。
空中電場儀是用氣球攜帶的，要求體積小、質址輕、耗電省。另外儀器的引人會使自然電場產生畸變，為了得到儘可能均勻的曲率以減小空間電荷的釋放，儀器表面要求光滑，儘量避免稜角或尖端。
