大气电场仪的原理与应用

大气平均电场仪的原理与应用

1.1大气平均电场仪的基本原理

在静电场中放置一导体，导体的表面就会产生感应电荷，其感应电荷密度为σ=kε0E(1)

式中，ε0=8.854×10−12F

m

，为真空介电常数；k为由导体放入电场中所引起的电场畸变系数；E为电场强度。如果导体的有效面积为A，则在导体表面感应的电荷量为

Q=Aσ=A kε0E(2)

假定感应导体对地面的电容为C，则由此造成的感应电压为

V=Q

C =Akε0E

C

(3)

采用一定的运算放大电路可以测量出电压V，进而可以得到大气电场强度E。下面以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所产生的PDC-1型大气品均电场仪为例，简述其构成和构成方式。

PDC-1型大气平均电场仪主要由电场传感器、电场测量控制器、接地金属板及支撑架组成。电场传感器采用机械动态旋转的测量方法（即场磨），主要由动片、静片，同步叶片、机械传动系统及前置放大器组成。大气电场在静片上感应电荷，动片接地，其作用是周期性的使静片被屏蔽和暴露于大气电场中。控制电路部分主要由电场信号模拟放大、电场信号鉴别、模拟信号驱动输出，电场信号数字化处理及预编程序控制的电场数据采集、显示、存储等。圆柱形传感器倒挂在支架上，感应电场信号通过专用电缆送入室内的测量控制器，数字化处理后的电场强度数值在显示器上显示，同时经过RS-232数据接口向计算机记录系统传送，计算机实时记录显示电场强度数据，所记录的历史资料可查询处理及回放。大气平均电场仪可以单台独立连接记录设备使用，也可多台仪器组网遥控遥测使用，其电场测量范围分为±5kV/m和±100kV/m两档，响应时间0.1s，模拟测量分辨率±5V/m,测量精度±（1%×测量值+10V/m）。

虽然一次闪电放电可以引起大气平均电场的脉动式变化，但是它仅仅能反映一次雷电放电产生的平均电场变化或整体电场变化，不能分辨雷电的详细放电过程，也无法判断闪电类型，即是云闪还是地闪。

1.2大气平均电场仪的应用

大气平均电场仪用于测量大气的平均电场强度，可以连续监测大气平均电场强度及其极性的变化，既可以反映小到100V/m量级的晴天电场，也可以对数十kV/m的雷暴电场进行监测，在雷暴监测及预警中被广泛应用。为了避免带电雨滴的影响，大气平均电场仪一般采用电场感应器倒置的场磨式工作方式，可以在野外比较恶劣的雷暴天气条件下工作。