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快、慢天线的原理、应用及其标定1.1快、慢天线的工作原理雷电快、慢天线电场变化仪的原理如图（1）所示，对雷电电场变化的测量通常采用负反馈放大电路。将面积为A的金属平板感应天线（直径一般为30cm左右）连接到运算放大器的输入端，感应板维持“虚地”状态，相对于地之间存在电容C1。RC负反馈放大电路的电阻R和电容C跨界于运算放大器的输入和输出端。在外界电场E的作用下，感应板上会产生感应电荷Q，Q=𝜀0𝐴𝐸,其中A为感应板的有效面积，𝜀0=8.854×10−12𝐹/𝑚为真空介电常数。当雷电发生并引起电场变化仪附近地面电场变化时，感应电荷释放产生的感应电流i会流过积分电路中的R和C，于是有：𝑖+𝑉𝑅+𝐶𝑑𝑉𝑑𝑡=0(1)将𝑖=𝑑𝑄𝑑𝑡=𝜀0𝐴𝑑𝐸𝑑𝑡，代入上式并进行积分，当∆𝑡≪𝑅𝐶时，有∆𝑣=−𝜀0𝐴𝐶∆𝐸（2）即运算放大器的输出与电场变化呈线性关系，而极性相反。在实际测量中，可以通过标定确定输出电压和电场变化之间的关系。如今慢天线雷电电场变化仪频率响应范围为几赫兹至2MHz，时间常数为300ms左右或者更短。快天线雷电电场变化仪测量原理与慢天线雷电电场变化仪类似，知识积分电路的时间常数较短，一般为0.1ms，带宽较高，一般为5MHz或更高，可以反映微秒，甚至亚微秒时间尺度的雷电放电特征。图（1）+++-+RCEV+++-+RCEV1.2快慢天线的系统构成新型雷电快、慢天线电场变化仪由室外和室内两部分构成。快天线电场变化仪的室外部分主要由积分电路（在天线筒内）、感应板、支架、板底、信号线及电源线组成，如图（2）所示。图（3）给出了慢天线电场变化仪实物照片，慢天线电场变化仪与快天线电场变化仪的构成基本一致，所不同的是慢天线电场变化仪积分电路的时间常数要大于快天线电场变化仪积分电路时间常数。室内部分主要有电场变化测量仪控制盒、PC机、数据采集卡等。图（4）（a）-(b)分别是快天线与慢天线电场变化仪控制盒的前面板面和后背面。快天线电场变化仪控制盒的前面板主要有控制开关和指示灯，后背面有外界电源插座、输出电源接口和过电流熔断控制组成。输出电源接口为三芯，各引脚的说明如图（5）所示。室外的快天线电场变化仪的电源线与电场变化仪控制盒上的输出电源连接，信号线与PC机的采集卡输入端连接。图（2）新型雷电快天线电场变化仪实物图图（3）新型雷电慢天线电场变化仪实物图图（4）新型雷电快慢天线电场变化仪控制盒，正面（a），背面（b）图（5）新型雷电快慢天线电场变化仪供电电源插头座引脚说明1.3设备安装与运行新型雷电快、慢天线电场变化仪容易受到地面树木、高塔、建筑物等自然尖端电晕放电的影响，所以传感器应安装在比较开阔平坦的室外地面上，传感器周围50m范围内应无树木杂草遮挡，同时应尽量远离高压输电线路、高层建筑和机动车较多的繁忙公路等。如果安装地形比较复杂，可把传感器安装在被测区域的高点，此时所测量的数据应该进行订正，可以通过与地面观测数据进行直接对比实现。新型雷电快、慢天线电场变化仪安装完成以后的实物图如图（2）和（3）所示。快、慢天线电场变化仪的安装过程基本一致，下面对安装步骤作详细介绍。1.3.1安装步骤（1）将支架固定在底板上；（2）将天线筒固定在支架上；（3）用手托住感应板，将感应板轻轻拧在天线筒中心的立柱上，保持感应板与地面平行；（4）将30m长电缆线和信号传输线的一端与弯管内的电缆线和信号线连接好，并将30m线的另一端引入室内；（5）将底板的接地线良好接地，并将信号线和电源线的连线处用屏蔽锡纸缠绕，缠上防水胶布和绝缘胶布，防止雨水侵蚀或阳光暴晒导致短路。至此，电场变化测量仪的室外安装完成，接下来是室内安装：（6）将电源线和信号线插头分别接到电场变化测量仪控制盒的输出电源接口和数据采集卡输入端，信号输入端需要连接50欧姆的匹配头。将电场变化测量仪的输入电源插头与UPS连接，以保证停电时观测仍能正常进行。1.3.2运行状态和操作步骤（1）按照以上安装步骤，将电场变化测量仪室外、室内部分安装好。（2）检查所有连接正确无误后，开启电源开关，电源指示灯亮，打开采集程序即可运行。1.4快慢天线的应用雷电快、慢天线电场变化测量仪可以探测雷电引起的电场变化大小和极性，分别用来测量雷电放电的快速变化过程和较慢的详细变化过程，是雷电探测和研究的常规设备。通过快、慢天线电场变化仪所测得的电场变化波形可以判断云闪和地闪。新型雷电快、慢天线电场变化仪采用了电场感应器倒置的工作方式和可靠精确的机械结构，图（2）和（3）分别给出了测量仪的实物照片。新型雷电快、慢天线电场变化仪实现了测量数据的自动采集、动态显示和历史资料再分析等数字化处理功能。该设备具有操作安装简单、可在较恶劣天气条件下稳定工作等优点，目前已在气象、航空航天、军工、电力、地震和森林防火等部门得到了广泛应用。1.4快、慢天线电场变化仪的标定标定所需要的仪器有：快、慢天线电场变化仪、信号发生器、示波器，两块中间空心（空心圆直径比接收天线直径大1厘米左右）的直径1米厚度为6毫米的铝板、两块实心的直径1米厚度6毫米的铝板、支架、几个规格一致的绝缘方块、导线若干。标定过程：将空心的铝板架起来，使得快或者慢天线放到空心中时，天线与铝板平行；在空心铝板上放置几个绝缘方块（放的方式要一致）；将实心铝板放置方块上，使得实心铝板与空心铝板平行；将信号发生器的输出端用夹子加到空心铝板上面，将实心铝板接地；按照1.3介绍的方法将快、慢天线连接好，并将其输出端连接到示波器上；在每一次测试时，先固定输出信号的电压值并记录，记下两板间间距，然后将输出频率由小到大变化，记录相应输出信号的变化；接下来改变板间间距与输出电压值，并进行多次测试；将最终的数据进行处理得到频响曲线。