第二章 电场仪的工作原理及其在雷电预警中的应用

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1、第二章电场仪的工作原理及其在雷电预警中的应用§1电场探测仪§1.1地面电场仪§1.2空中电场仪§2电场仪资料在雷电监测预警中的应用§2.1反推电荷结构§2.2揭示雷暴的起电程度§3电场资料应用时的注意事项§3.1安装环境§3.2近地面电晕离子对雷暴地面电场的影响§1电场探测仪原理：电场探测一般采用导体在电场中产生感应电荷的原理。分类：从测量的对象上可分为地面大气电场探测，空中电场探测及空间电场探测。大气电场强度是大气电学的基本参数，在晴天电学、雷暴电学以及闪电的研究中，都有重要意义，在雷暴和闪电监测

2、中具有重要作用。§1.1地面电场仪(场磨式电场仪ElectricFieldMill)地面电场仪可以测量地面大气电场的强度和极性，可对对流云的起电过程进行连续监测。既可单独使用记录局地雷电情况，又可用于联网监测空中电结构。(1)感应器的组成定片（感应片，又称定子）动片（接地屏蔽片，又称转子）直流电机前置放大器同步信号发生器等部分组成。定片和动片是一圆板开六（四）等分的扇形面。定片：感应电场信号，与机架绝缘。动片：定片上方，由直流电机带动旋转，接地。动片转动时定片在电场中交替地被屏蔽和暴露，产生感应的交

3、变信号。前置放大器：放大很微弱的信号。小叶片：形状与定片相似，也由电机带动旋转，并通过光电开关的缺槽口使光电开关产生同步参考脉冲，用于鉴别电场信号的极性。采用倒置结构使电场仪能在恶劣天气条件下工作电场仪探头结构(2)感应原理在静电场E中放置一块金属导体，导体表面就会产生感应电荷，感应面电荷密度为：其中为空气中的介电常数，一般取真空介电常数，K是由于导体放入引起的电场畸变系数，如果金属导体表面积为S，则导体上产生的感应电荷量为：金属导体通过一个电阻接地，就会有电流通过，当电场变化时，测出此电流的变化就

4、可知电场的变化。但在静电场中，电场基本不变或变化缓慢，根据动态感应原理，要测量这种电场，必须使处在于静电场中的导体产生变化的电荷，因此可采用对一个导体屏蔽和去屏蔽装置的方法。当转子和定子的叶片完全重叠时，由于接地转子的屏蔽作用，电力线不能到达定子叶片上，感应电荷为0；随着转子的转动，定子叶片逐渐露出，感应电荷逐渐增大。因此，定子上的电荷呈周期性变化：可通过测量电流的大小进而推得电场的大小：若感应导体的电容量为C，则产生的感应电压为：电容：表征电容器容纳电荷的本领的物理量。把电容器的两极板间的电势差增

5、加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。定片感应的交变信号,经前置放大器放大和光电开关产生的同步信号一起从感应器输出,经长屏蔽电缆接到主机上。主机把信号进一步放大,相敏检波器在经过整形分相的同步脉冲作用下鉴别出交变电场信号的正负极性,通过低通滤波器得到相应的直流信号输出。(3)主要性能参数2XDD-03/E型大气电场仪(4)标定电场仪的标定一直是人们所研究的课题。一般，以库仑定律为基础，用电荷量为已知的带电体在已知的距离处产生的电场为一定来标定。这种带电体可用一个球体、一条悬空导线。用得最多且标定精度最

6、佳的是：两平行导电板构成的平板电容式电场标定装置。改变两板间的电压——改变电场值——电场仪输出信号值改变——得到不同电场值下所对应的电场仪输出信号大小的一条曲线-即标定曲线。此外，感应器盖内装有一块与外壳绝缘的平板，可对仪器进行简易标定。由于平板与定片间距离很近，只需加很低的电压便可标定，但板间距离小，产生畸变大，这种标定是较粗略的。电场的标定应当在一个已知数值的均匀电场中进行，根据处于不同电位的两块相互平行、且有无限尺度的导电板之间存在均匀电场的原理，利用在两块相距为一定距离的平板电极间加上一已知

7、的稳定电压，为一基本的电场标定装置，平板间电场可根据E=V/d算出。§1.2空中电场仪空中电场的测量对研究雷暴云下及云内电结构以及起电机制具有重要意义。同时人工触发闪电、避雷防雷、航天技术等部门也需要进行空中电场的测量,空中电场仪测量电场是很有前景的一种测量手段,目前国内尚属起步。空中电场主要是将感应装置加载于探空气球、小火箭或飞机上进行空中电场廓线的测量，探空球方式操作简单，易于实现，但时效性差；火箭方式可以探测到短时内的电场空间分布。而空间电场的探测是将特殊的感应棒加载到空间探测卫星上进行的。测

8、量方法：电场磨法和电晕探针法。空中电场探测的国内外发展概况空中电场探测上个世纪末逐渐发展起来，一般称为火箭电场探空（AEFS）。目前国外上主要有美国、法国等国家开展了大气电场的模式研究及有关探测设备的开发研制，并将研究的成果和设备用于云物理研究、人工影响天气、强风暴预报等领域。美国国家强风暴实验室利用球载电场仪的电场变化数据，进行闪电的判别。另外在美国的REFS项目还应用于航空领域，主要是为空间探测器的发射提供安全的保证。国内的大气电场研究始于60年代，目前仅在卫星发