一种基于三维探头的智能风沙电场测量系统及三维探头

摘要

本发明公开了一种基于三维探头的智能风沙电场测量系统及三维探头，该系统包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场X向信号、Y向信号和Z向信号的三维探头，分别与所述三维探头的X向信号采集端、Y向信号采集端和Z向信号采集端连接、且用于对来自三维探头相应方向的现场信号进行初级处理的前端处理单元，以及分别与所述前端处理单元连接、且用于对初级处理结果进行选择和综合处理的后端处理单元。本发明所述基于三维探头的智能风沙电场测量系统及三维探头，可以克服现有技术中防风沙能力差、不具备抗干扰能力和智能化程度低等缺陷，以实现防风沙能力强、能够屏蔽侧向电场、测量范围广和智能化程度高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及风沙电场测量设备技术领域，具体地，涉及一种基于三维探头的智能风沙电场测量系统及三维探头。 

背景技术

风沙电场，是指在风沙环境中由于运动沙粒（尘）带有一定量的电荷而形成的一种量级高于晴天大气电场2-3个数量级的电场，直接影响着风沙流的形成和发展过程、输沙强度的变化以及通讯雷达信号的正常发射和接收。如何准确、实时地测量出在不同风沙环境(风沙流、沙尘暴和尘卷)中的风沙电场，已成为环境力学研究领域的一个热门问题。

目前，常用的电场测量设备主要有两种：一种是利用电场感应电荷和电容放电原理研制的振动电容式大气电场测量设备，另一种是利用电场屏蔽原理研制的旋转屏蔽式大气电场测量设备。这两类大气电场测量设备在应用于特殊的风沙环境电场测量时都存在一些问题使其不能正常工作，其中最主要的问题有以下三方面 

⑴风沙环境中夹杂的不同粒径和形状的沙粒在测量的过程中会对电场测量设备探头前端的振动和旋转感应部件造成冲击，其结果使得探头的感应部件无法稳定工作，影响实验结果的正确性和精度；

⑵现有的大气电场测量设备线性度较好，响应较灵敏的工作范围主要在100kV/m以内，而在风沙环境中，特别是在沙尘暴中已经发现了200kV/m-300kV/m大小电场的存在，因此现有大气电场测量设备从量程的角度也无法满足风沙环境电场的测量；

⑶风沙电场由于其产生的环境和条件十分复杂，因此其电场方向并不是确定的,其在三维空间中的方向和大小都在不断的变化，而现有的大气电场测量设备不具备对电场三维分量的单独测量能力，因此也就不能完整地给出风沙电场的三维分布结果。

可见，目前还没有适合于对风沙电场进行有效和准确测量的专用电场测量设备，是致使至今缺乏对风沙电场较为系统的观测和对其规律的全面揭示的瓶颈。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在防风沙能力差、不具备抗干扰能力和智能化程度低等缺陷。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于三维探头的智能风沙电场测量系统，以实现防风沙能力强、能够屏蔽侧向电场、测量范围广和智能化程度高的优点。 

本发明的另一目的在于，提出一种基于三维探头的智能风沙电场测量系统使用的三维探头。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于三维探头的智能风沙电场测量系统，包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场X向信号、Y向信号和Z向信号的三维探头，分别与所述三维探头的X向信号采集端、Y向信号采集端和Z向信号采集端连接、且用于对来自三维探头相应方向的现场信号进行初级处理的前端处理单元，以及分别与所述前端处理单元连接、且用于对初级处理结果进行选择和综合处理的后端处理单元。 

进一步地，所述前端处理单元，包括并行连接在三维探头的相应方向信号采集端和模拟开关模块之间的X向感应信号预处理模块、Y向感应信号预处理模块和Z向感应信号预处理模块。 

进一步地，所述X向感应信号预处理模块、Y向感应信号预处理模块和Z向感应信号预处理模块，至少均包括初级放大和滤波模块。 

进一步地，所述后端处理单元，包括用于选择相应方向的现场信号通过的模拟开关模块，以及依次与所述模拟开关模块连接、且用于对模拟开关模块选择通过的现场信号依次进行处理的后端放大和滤波处理模块、采样保持和峰值检测模块、A/D模块、具有定时功能的单片机和计算机处理终端；所述单片机还与模拟开关模块连接，用于控制模拟开关模块选择相应方向的现场信号通过。 

进一步地，所述后端处理单元，还包括与所述计算机处理终端连接的外部接口模块。 

进一步地，所述三维探头，包括以三维空间坐标系的基点位置为机械结构基点，在三维空间坐标系的X向、Y向和Z向上分别伸出的X向屏蔽壳、Y向屏蔽壳和Z向屏蔽壳；以及，分别内置在相应方向屏蔽壳内部、且用于测量相应方向电场信号的单向电场测量振簧电容式探头。 

进一步地，每个方向的单向电场测量振簧电容式探头，包括设置在相应方向屏蔽壳外部、且面向外电场的外部振片，为防止风沙沙粒冲击而设置在相应方向屏蔽壳内部、且与相应外部振片对应的内部振片，以及设置在相应方向屏蔽壳内部、且用于带动所述内部振片进行周期性振动而采集相应方向电场信号的感应电流信号的振子。 

同时，本发明采用的另一技术方案是：一种以上所述的基于三维探头的智能风沙电场测量系统使用的三维探头，包括以三维空间坐标系的基点位置为机械结构基点，在三维空间坐标系的X向、Y向和Z向上分别伸出的X向屏蔽壳、Y向屏蔽壳和Z向屏蔽壳；以及，分别内置在相应方向屏蔽壳内部、且用于测量相应方向电场信号的单向电场测量振簧电容式探头。 

进一步地，每个方向的单向电场测量振簧电容式探头，包括设置在相应方向屏蔽壳外部、且面向外电场的外部振片，为防止风沙沙粒冲击而设置在相应方向屏蔽壳内部、且与相应外部振片对应的内部振片，以及设置在相应方向屏蔽壳内部、且用于带动所述内部振片进行周期性振动而采集相应方向电场信号的感应电流信号的振子。 

本发明各实施例的基于三维探头的智能风沙电场测量系统及三维探头，由于该系统包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场X向信号、Y向信号和Z向信号的三维探头，分别与三维探头的X向信号采集端、Y向信号采集端和Z向信号采集端连接、且用于对来自三维探头相应方向的现场信号进行初级处理的前端处理单元，以及分别与前端处理单元连接、且用于对初级处理结果进行选择和综合处理的后端处理单元；可以采用三维探头，主要通过具有定时功能的单片机和计算机处理终端，对风沙电场的现场信号进行三维空间范围内的智能检测和控制；从而可以克服现有技术中防风沙能力差、不具备抗干扰能力和智能化程度低的缺陷，以实现防风沙能力强、能够屏蔽侧向电场、测量范围广和智能化程度高的优点。 

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。 

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中： 

图1为本发明三维探头的屏蔽壳的结构示意图；

图2为本发明基于三维探头的智能风沙电场测量系统的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。 

实施例一

根据本发明实施例，提供了一种三维探头。如图1所示，本实施例包括以三维空间坐标系的基点位置为机械结构基点，在三维空间坐标系的X向、Y向和Z向上分别伸出的X向屏蔽壳、Y向屏蔽壳和Z向屏蔽壳；以及，分别内置在相应方向屏蔽壳内部、且用于测量相应方向电场信号的单向电场测量振簧电容式探头。

具体地，每个方向的单向电场测量振簧电容式探头，包括设置在相应方向屏蔽壳外部、且面向外电场的外部振片，为防止风沙沙粒冲击而设置在相应方向屏蔽壳内部、且与相应外部振片对应的内部振片，以及设置在相应方向屏蔽壳内部、且用于带动内部振片进行周期性振动而采集相应方向电场信号的感应电流信号的振子。 

上述实施例的三维探头，是一种三维风沙电场测量探头，可以用在在风沙电场空间处，实现一个空间点的三维同步风沙电场测量；该三维探头，具有可屏蔽所测方向的侧向电场功能和防风沙功能，同时又具备了一点三向同步测量的功能。 

上述实施例的三维探头，使得每一个空间中的单点探头（如单向电场测量振簧电容式探头），均可实现三维方向同时测量。该三维探头的结构在原来的单向探头上做了组合改进，其中三维探头的机械结构的基点，为单向探头空间坐标系的基点位置。在一个空间坐标系的横向X、Y，纵向Z方向上各伸出一个屏蔽壳，内置单向电场测量振簧电容式探头（其中面向外电场的外部振片，为了防止风沙沙粒冲击影响，固定在屏蔽壳内，对应于外部振片的内部振片，由振子带动进行周期振动采集感应电流信号）。 

实施例二

根据本发明实施例，提供了一种基于三维探头的智能风沙电场测量系统。如图1和图2所示，本实施例包括与风沙电场接触、且用于采集风沙电场现场X向信号、Y向信号和Z向信号的三维探头，分别与三维探头的X向信号采集端、Y向信号采集端和Z向信号采集端连接、且用于对来自三维探头相应方向的现场信号进行初级处理的前端处理单元，以及分别与前端处理单元连接、且用于对初级处理结果进行选择和综合处理的后端处理单元。该三维探头，可参见上述实施例一和图1的相关说明，在此不再赘述。

其中，上述前端处理单元，包括并行连接在三维探头的相应方向信号采集端和模拟开关模块之间的X向感应信号预处理模块、Y向感应信号预处理模块和Z向感应信号预处理模块。X向感应信号预处理模块、Y向感应信号预处理模块和Z向感应信号预处理模块，至少均包括初级放大和滤波模块。 

上述后端处理单元，包括用于选择相应方向的现场信号通过的模拟开关模块，依次与模拟开关模块连接、且用于对模拟开关模块选择通过的现场信号依次进行处理的后端放大和滤波处理模块、采样保持和峰值检测模块、A/D模块、具有定时功能的单片机和计算机处理终端，以及与计算机处理终端连接的外部接口模块；单片机还与模拟开关模块连接，用于控制模拟开关模块选择相应方向的现场信号通过。该后端处理单元，采用了单片机CPU进行智能测量。 

在采用上述实施例一的三维探头中的每个单向电场测量振簧电容式探头之后，分别连接有相应方向的感应信号预处理模块，对相应单向电场测量振簧电容式探头采集到的变化电流信号，进行初步放大以及滤波处理。 

上述实施例的基于三维探头的智能风沙电场测量系统，主要由三维探头、三路探头感应信号的预处理模块、模拟开关模块、后端放大滤波模块、采样保持和峰值检测模块、A/D模块和单片机（包含定时器功能的单片机）、计算机处理终端和对外部计算机的接口模块组成。其中，三维探头用于在空间单点采集三个方向X向、Y向，以及纵向Z向的风沙电场感应电流信号，其中，每个方向的感应电流通过单向电场测量振簧电容式探头采集到后，进入探头后方的预处理模块。进行感应电流信号的预放大，预滤波处理。处理完成后的三路X、Y、Z向信号，一同接入到后端处理单元的模拟开关模块。模拟开关模块的地址信号，由带有定时器功能的单片机周期性给出。单片机将轮流给出X、Y、Z向信号的选通信号，因此X、Y、Z轮流的周期通过模拟开关模块，进入到后端的放大滤波处理、采样保持和峰值检测、A/D转换，处理后的数字信号，将进入单片机CPU，单片机CPU根据发出的方向采集选通信号，对接收到的数字信号进行存储分类，然后对应好相应的方向，输出到计算机的接口模块，传输到软件里供用户采集、计算。 

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。