[發明專利]一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統及三維探頭

有效

• 申請號: 201210369545.0
• 申請日: 2012-09-29
• 公開（公告）號: CN102879653A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 謝思瑩;梁軼瑞;鄭曉靜
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 北京中恒高博知識產權代理有限公司 11249
• 代理人: 劉洪京

技術領域

本發明涉及風沙電場測量設備技術領域，具體地，涉及一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統及三維探頭。?

背景技術

風沙電場，是指在風沙環境中由于運動沙粒（塵）帶有一定量的電荷而形成的一種量級高于晴天大氣電場2-3個數量級的電場，直接影響著風沙流的形成和發展過程、輸沙強度的變化以及通訊雷達信號的正常發射和接收。如何準確、實時地測量出在不同風沙環境(風沙流、沙塵暴和塵卷)中的風沙電場，已成為環境力學研究領域的一個熱門問題。

目前，常用的電場測量設備主要有兩種：一種是利用電場感應電荷和電容放電原理研制的振動電容式大氣電場測量設備，另一種是利用電場屏蔽原理研制的旋轉屏蔽式大氣電場測量設備。這兩類大氣電場測量設備在應用于特殊的風沙環境電場測量時都存在一些問題使其不能正常工作，其中最主要的問題有以下三方面?

⑴風沙環境中夾雜的不同粒徑和形狀的沙粒在測量的過程中會對電場測量設備探頭前端的振動和旋轉感應部件造成沖擊，其結果使得探頭的感應部件無法穩定工作，影響實驗結果的正確性和精度；

⑵現有的大氣電場測量設備線性度較好，響應較靈敏的工作范圍主要在100kV/m以內，而在風沙環境中，特別是在沙塵暴中已經發現了200kV/m-300kV/m大小電場的存在，因此現有大氣電場測量設備從量程的角度也無法滿足風沙環境電場的測量；

⑶風沙電場由于其產生的環境和條件十分復雜，因此其電場方向并不是確定的,其在三維空間中的方向和大小都在不斷的變化，而現有的大氣電場測量設備不具備對電場三維分量的單獨測量能力，因此也就不能完整地給出風沙電場的三維分布結果。

可見，目前還沒有適合于對風沙電場進行有效和準確測量的專用電場測量設備，是致使至今缺乏對風沙電場較為系統的觀測和對其規律的全面揭示的瓶頸。在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在防風沙能力差、不具備抗干擾能力和智能化程度低等缺陷。?

發明內容

本發明的目的在于，針對上述問題，提出一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，以實現防風沙能力強、能夠屏蔽側向電場、測量范圍廣和智能化程度高的優點。?

本發明的另一目的在于，提出一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統使用的三維探頭。?

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種基于三維探頭的智能風沙電場測量系統，包括與風沙電場接觸、且用于采集風沙電場現場X向信號、Y向信號和Z向信號的三維探頭，分別與所述三維探頭的X向信號采集端、Y向信號采集端和Z向信號采集端連接、且用于對來自三維探頭相應方向的現場信號進行初級處理的前端處理單元，以及分別與所述前端處理單元連接、且用于對初級處理結果進行選擇和綜合處理的后端處理單元。?

進一步地，所述前端處理單元，包括并行連接在三維探頭的相應方向信號采集端和模擬開關模塊之間的X向感應信號預處理模塊、Y向感應信號預處理模塊和Z向感應信號預處理模塊。?

進一步地，所述X向感應信號預處理模塊、Y向感應信號預處理模塊和Z向感應信號預處理模塊，至少均包括初級放大和濾波模塊。?

進一步地，所述后端處理單元，包括用于選擇相應方向的現場信號通過的模擬開關模塊，以及依次與所述模擬開關模塊連接、且用于對模擬開關模塊選擇通過的現場信號依次進行處理的后端放大和濾波處理模塊、采樣保持和峰值檢測模塊、A/D模塊、具有定時功能的單片機和計算機處理終端；所述單片機還與模擬開關模塊連接，用于控制模擬開關模塊選擇相應方向的現場信號通過。?

進一步地，所述后端處理單元，還包括與所述計算機處理終端連接的外部接口模塊。?

進一步地，所述三維探頭，包括以三維空間坐標系的基點位置為機械結構基點，在三維空間坐標系的X向、Y向和Z向上分別伸出的X向屏蔽殼、Y向屏蔽殼和Z向屏蔽殼；以及，分別內置在相應方向屏蔽殼內部、且用于測量相應方向電場信號的單向電場測量振簧電容式探頭。?

進一步地，每個方向的單向電場測量振簧電容式探頭，包括設置在相應方向屏蔽殼外部、且面向外電場的外部振片，為防止風沙沙粒沖擊而設置在相應方向屏蔽殼內部、且與相應外部振片對應的內部振片，以及設置在相應方向屏蔽殼內部、且用于帶動所述內部振片進行周期性振動而采集相應方向電場信號的感應電流信號的振子。?