一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，包含紅外光濾光片、可見(jiàn)光濾光片、第一凸透鏡、第二凸透鏡、第一光電管、第二光電管、第一放大電路、第二放大電路、差分放大電路、真有效值檢波電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和顯示模塊，第一光電管的輸出端經(jīng)第一放大電路連接差分放大電路的輸入端，第二光電管的輸出端經(jīng)第二放大電路連接差分放大電路的輸入端，差分放大電路的輸出端依次連接真有效值檢波電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和顯示模塊。本實(shí)用新型以saha方程為基礎(chǔ)，在局部熱力學(xué)平衡條件近似下，根據(jù)閃電通道發(fā)出的紅外波段和可見(jiàn)光波段的光譜線相對(duì)強(qiáng)度，反演計(jì)算出閃電通道的溫度。
【專利說(shuō)明】一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于雷電科學(xué)與【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及了一種閃電通道的溫度測(cè)試裝 置。

【背景技術(shù)】
[0002] 雷擊閃電過(guò)程具有非常大的瞬時(shí)峰值能量，在微秒量級(jí)的瞬間可以釋放出 55kW *H的能量。由于閃電放電過(guò)程將產(chǎn)生瞬態(tài)強(qiáng)電流，使得峰值溫度高達(dá)數(shù)萬(wàn)攝氏度的閃 電通道中聚集著大量等離子體，其特征與閃電通道形成和發(fā)展的具體物理過(guò)程有著密切聯(lián) 系。由于自然界的閃電過(guò)程發(fā)生的時(shí)間和空間尺度上存在有隨機(jī)性，且閃電過(guò)程在微秒量 級(jí)上具有高速瞬間變化特征，上述幾個(gè)因素使得針對(duì)閃電通道的探測(cè)手段難以實(shí)現(xiàn)。然而 光譜觀測(cè)卻可以在一定的距離內(nèi)獲取閃電通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理特征及相關(guān)信息，通過(guò)對(duì)光 譜相對(duì)強(qiáng)度的分析計(jì)算，可以直接獲得閃電通道的溫度，根據(jù)閃電通道溫度，可以推算出閃 電通道的電子密度，電導(dǎo)率、壓強(qiáng)、相對(duì)質(zhì)量密度，電離百分率以及同種粒子濃度等與通道 放電特征有關(guān)的參量，對(duì)閃電過(guò)程、物理機(jī)制的研宄有重要的意義。
[0003] 目前，無(wú)狹縫攝譜儀已普遍應(yīng)用于對(duì)單次回?fù)艄庾V的觀測(cè)，光譜所反映的閃電通 道特征及閃電物理過(guò)程的研宄也越來(lái)越成熟。利用無(wú)狹縫攝譜儀獲得云對(duì)地閃電回?fù)暨^(guò)程 400-700mm波長(zhǎng)范圍的光譜，同時(shí)利用光學(xué)多通道分析儀OMA，在譜線辨認(rèn)和光譜特征分析 的基礎(chǔ)上，在局部熱力學(xué)平衡（LTE)條件近似下，根據(jù)光譜線相對(duì)強(qiáng)度，可以計(jì)算出閃電通 道等離子體的溫度，同時(shí)根據(jù)saha方程可以獲得通道等離子體的電子密度。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型旨在提供一種閃電通道的溫 度測(cè)試裝置，以saha方程為基礎(chǔ)，在局部熱力學(xué)平衡條件近似下，根據(jù)閃電通道發(fā)出的紅 外波段和可見(jiàn)光波段的光譜線相對(duì)強(qiáng)度，反演計(jì)算出閃電通道的溫度。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為：
[0006] -種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，包含紅外光濾光片、可見(jiàn)光濾光片、第一凸透鏡、 第二凸透鏡、第一光電管、第二光電管、第一放大電路、第二放大電路、差分放大電路、真有 效值檢波電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和顯示模塊，所述第一光電管的輸出端經(jīng)第一放大電路連接 差分放大電路的輸入端，第二光電管的輸出端經(jīng)第二放大電路連接差分放大電路的輸入 端，差分放大電路的輸出端依次連接真有效值檢波電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和顯示模塊；閃電通 道發(fā)出的輻射分別經(jīng)紅外光濾光片和可見(jiàn)光濾光片濾除紅外波段和可見(jiàn)波段，再分別經(jīng)第 一凸透鏡和第二凸透鏡聚焦后分別照射在第一光電管和第二光電管上，第一光電管和第二 光電管將兩束光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，兩個(gè)電信號(hào)分別經(jīng)第一放大電路和第二放大電路放大 后依次經(jīng)差分放大電路和真有效值檢波電路處理后送入數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊根據(jù) 輸入的信號(hào)計(jì)算出閃電通道的溫度值并送給顯示模塊。
[0007] 其中，上述紅外光濾光片和第一凸透鏡安裝在長(zhǎng)度為15cm、壁厚為2mm的光學(xué)鏡 筒內(nèi)，所述可見(jiàn)光濾光片和第二凸透鏡安裝在另一個(gè)完全相同的光學(xué)鏡筒內(nèi)。
[0008] 其中，上述第一、第二凸透鏡的固定焦距為5cm，直徑為5. 6cm，厚度為2mm。
[0009] 其中，上述第一、第二光電管采用光電倍增管。
[0010] 其中，上述第一放大電路與第二放大電路的結(jié)構(gòu)相同，所述第一放大電路包括第 一集成運(yùn)放、第二集成運(yùn)放、第一?第三電容以及第一?第五電阻，所述第一集成運(yùn)放的負(fù) 輸入端經(jīng)第一電容接地，第一集成運(yùn)放的正輸入端經(jīng)第二電阻接地，第一集成運(yùn)放的輸出 端經(jīng)第三電阻連接第二集成運(yùn)放的負(fù)輸入端，第一集成運(yùn)放的負(fù)輸入端經(jīng)第一電阻與第一 放大電路的輸出端相連，第二集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)第四電阻與第一放大電路的輸出端相 連，第一集成運(yùn)放的正輸入端經(jīng)第二電容連接第一集成運(yùn)放的輸出端，第二集成運(yùn)放的負(fù) 輸入端經(jīng)第三電容連接第二集成運(yùn)放的輸出端，第五電阻的兩端分別連接第二集成運(yùn)放的 負(fù)輸入端和第一放大電路的輸出端，第二集成運(yùn)放的負(fù)輸入端連接第一光電管的陰極，第 二集成運(yùn)放的正輸入端連接第一光電管的陽(yáng)極。
[0011] 其中，上述第一、第二集成運(yùn)放的型號(hào)為L(zhǎng)F353。
[0012] 其中，上述差分放大電路包括第三?第五集成運(yùn)放以及第六?第九電阻，所述第 三集成運(yùn)放的正輸入端連接第一放大電路的輸出端，它的負(fù)輸入端連接它的輸出端，第四 集成運(yùn)放的正輸入端連接第二放大電路的輸出端，第三集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)第六電阻連接 第五集成運(yùn)放的負(fù)輸入端，第四集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)第七電阻連接第五集成運(yùn)放的正輸入 端，第五集成運(yùn)放的負(fù)輸入端經(jīng)第八電阻連接第五集成運(yùn)放的輸出端，第五集成運(yùn)放的正 輸入端經(jīng)第九電阻接地，第五集成運(yùn)放的輸出端連接真有效值檢波電路。
[0013] 其中，上述第三?第五集成運(yùn)放的型號(hào)為L(zhǎng)MS358。
[0014] 其中，上述真有效值檢波電路為AD536芯片。
[0015] 其中，上述數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊采用MSP430F20X3單片機(jī)，所述顯示模塊采用液晶顯示 器。
[0016] 采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：
[0017] (1)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定，使用安全可靠，測(cè)量精度高，應(yīng)用廣 泛；
[0018] (2)本實(shí)用新型使用兩路獨(dú)立的光學(xué)鏡筒系統(tǒng)及光電轉(zhuǎn)換電路，減少設(shè)備相互間 的干擾，性能穩(wěn)定；
[0019] (3)本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)采用抑制直流背景光電路，提高接收信號(hào)的靈敏度，提 高電路的抗干擾能力；
[0020] (4)本實(shí)用新型采用通用的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，便于儀器的定標(biāo)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖2是本實(shí)用新型中光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖3是本實(shí)用新型第一、第二放大電路的電路圖；
[0024] 圖4是本實(shí)用新型差分放大電路和有效值檢波電路的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 以下將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026] 如圖1所示本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，包含紅外 光濾光片、可見(jiàn)光濾光片、第一凸透鏡、第二凸透鏡、第一光電管、第二光電管、第一放大電 路、第二放大電路、差分放大電路、真有效值檢波電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和顯示模塊，所述第一 光電管的輸出端經(jīng)第一放大電路連接差分放大電路的輸入端，第二光電管的輸出端經(jīng)第二 放大電路連接差分放大電路的輸入端，差分放大電路的輸出端依次連接真有效值檢波電 路、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和顯示模塊；閃電通道發(fā)出的輻射分別經(jīng)紅外光濾光片和可見(jiàn)光濾光片 濾除紅外波段和可見(jiàn)波段，再分別經(jīng)第一凸透鏡和第二凸透鏡聚焦后分別照射在第一光電 管和第二光電管上，第一光電管和第二光電管將兩束光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，兩個(gè)電信號(hào)分 別經(jīng)第一放大電路和第二放大電路放大后依次經(jīng)差分放大電路和真有效值檢波電路處理 后送入數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊根據(jù)輸入的信號(hào)計(jì)算出閃電通道的溫度值并送給顯示 豐旲塊。
[0027] 如圖2所示本實(shí)用新型中光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)示意圖，紅外光濾光片和第一凸透鏡安 裝在長(zhǎng)度為15cm、壁厚為2_的光學(xué)鏡筒內(nèi)，所述可見(jiàn)光濾光片和第二凸透鏡安裝在另一 個(gè)完全相同的光學(xué)鏡筒內(nèi)。第一、第二凸透鏡的固定焦距為5cm，直徑為5. 6cm，厚度為2_。
[0028] 在本實(shí)施例中，第一、第二光電管采用光電倍增管。如圖3所示本實(shí)用新型第一、 第二放大電路的電路圖，第一放大電路與第二放大電路的結(jié)構(gòu)完全相同。第一放大電路包 括第一集成運(yùn)放IC1、第二集成運(yùn)放IC2、第一?第三電容C1?C3以及第一?第五電阻 R1?R5,所述第一集成運(yùn)放IC1的負(fù)輸入端經(jīng)第一電C1接地，它的正輸入端經(jīng)第二電阻R2 接地，第一集成運(yùn)放IC1的輸出端經(jīng)第三電阻R3連接第二集成運(yùn)放IC2的負(fù)輸入端，第一 集成運(yùn)放IC1的負(fù)輸入端經(jīng)第一電阻R1與第一放大電路的輸出端V Q1相連，第二集成運(yùn)放 IC2的輸出端經(jīng)第四電阻R4與第一放大電路的輸出端Vra相連，第一集成運(yùn)放IC1的正輸入 端經(jīng)第二電容C2連接第一集成運(yùn)放IC1的輸出端，第二集成運(yùn)放IC2的負(fù)輸入端經(jīng)第三電 容C3連接第二集成運(yùn)放IC2的輸出端，第五電阻R5的兩端分別連接第二集成運(yùn)放IC2的 負(fù)輸入端和第一放大電路的輸出端，第二集成運(yùn)放IC2的負(fù)輸入端連接第一光電管D1的 陰極，第二集成運(yùn)放IC2的正輸入端連接第一光電管D1的陽(yáng)極。IC1同C1、C2、R1、R2、R3、 R5組成直流背景光抑制電路，用于去除噪聲。在本實(shí)施例中，第一、第二集成運(yùn)放的型號(hào)為 LF353〇
[0029] 如圖4所示本實(shí)用新型差分放大電路和有效值檢波電路的電路圖，所述差分電路 包括第三?第五集成運(yùn)放IC3?IC5以及第六?第九電阻R6?R9,所述第三集成運(yùn)放IC3 的正輸入端連接第一放大電路的輸出端，第三集成運(yùn)放IC3的負(fù)輸入端連接它的輸出端， 第四集成運(yùn)放IC4的正輸入端連接第二放大電路的輸出端，第三集成運(yùn)放IC3的輸出端經(jīng) 第六電阻R6連接第五集成運(yùn)放IC5的負(fù)輸入端，第四集成運(yùn)放IC4的輸出端經(jīng)第七電阻R7 連接第五集成運(yùn)放IC5的正輸入端，第五集成運(yùn)放IC5的負(fù)輸入端經(jīng)第八電阻R8連接第五 集成運(yùn)放IC5的輸出端，第五集成運(yùn)放IC5的正輸入端經(jīng)第九電阻R9接地，第五集成運(yùn)放 IC5的輸出端連接真有效值檢波電路。差分放大電路將兩個(gè)電信號(hào)進(jìn)一步放大并有效抑制 噪聲。在本實(shí)施例中，第三?第五集成運(yùn)放的型號(hào)為L(zhǎng)MS358。所述真有效值檢波電路采用 AD536芯片，將輸入的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，經(jīng)第四電容C4濾波后輸入數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊。
[0030] 在本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊米用MSP430F20X3單片機(jī)，顯不模塊米用液晶顯不 器。該單片機(jī)內(nèi)置有AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器與真有效值檢波電路的輸出端相連，將直流信號(hào) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算求出閃電通道的溫度值，并直接顯示在液晶顯 示器上。
[0031] 本實(shí)用新型的工作原理為：
[0032] 閃電發(fā)生時(shí)，閃電通道發(fā)出的輻射分別經(jīng)紅外光（930nm)和可見(jiàn)光（648. 2nm)兩 個(gè)濾光片，分別得到濾除930nm波長(zhǎng)和648. 2nm波長(zhǎng)的兩束光信號(hào)。兩束不同波長(zhǎng)的光信 號(hào)經(jīng)過(guò)第一凸透鏡和第二凸透鏡聚焦，聚焦后的兩個(gè)光信號(hào)分別照射在光電管I和光電管 II上，光電管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)幅值的大小反映光的強(qiáng)弱，兩路電信號(hào)分別經(jīng) 過(guò)第一放大電路和第二放大電路進(jìn)行首次放大，之后再經(jīng)差分放大電路進(jìn)行差分放大，差 分放大電路放大后的電信號(hào)反映了閃電通道單獨(dú)一段的溫度。其工作原理是利用對(duì)于同種 原子的兩條譜線而言，兩條譜線的強(qiáng)度必滿足：

【權(quán)利要求】
1. 一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：包含紅外光濾光片、可見(jiàn)光濾光片、第 一凸透鏡、第二凸透鏡、第一光電管、第二光電管、第一放大電路、第二放大電路、差分放大 電路、真有效值檢波電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和顯示模塊，所述第一光電管的輸出端經(jīng)第一放大 電路連接差分放大電路的輸入端，第二光電管的輸出端經(jīng)第二放大電路連接差分放大電路 的輸入端，差分放大電路的輸出端依次連接真有效值檢波電路、數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊和顯示模塊； 閃電通道發(fā)出的輻射分別經(jīng)紅外光濾光片和可見(jiàn)光濾光片濾除紅外波段和可見(jiàn)波段，再分 別經(jīng)第一凸透鏡和第二凸透鏡聚焦后分別照射在第一光電管和第二光電管上，第一光電管 和第二光電管將兩束光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，兩個(gè)電信號(hào)分別經(jīng)第一放大電路和第二放大電 路放大后依次經(jīng)差分放大電路和真有效值檢波電路處理后送入數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，數(shù)據(jù)運(yùn)算模 塊根據(jù)輸入的信號(hào)計(jì)算出閃電通道的溫度值并送給顯示模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述紅外光濾光 片和第一凸透鏡安裝在長(zhǎng)度為15cm、壁厚為2mm的光學(xué)鏡筒內(nèi)，所述可見(jiàn)光濾光片和第二 凸透鏡安裝在另一個(gè)完全相同的光學(xué)鏡筒內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述第一、第二凸 透鏡的固定焦距為5cm，直徑為5. 6cm，厚度為2mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述第一、第二光 電管采用光電倍增管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述第一放大電 路與第二放大電路的結(jié)構(gòu)相同，所述第一放大電路包括第一集成運(yùn)放、第二集成運(yùn)放、第 一?第三電容以及第一?第五電阻，所述第一集成運(yùn)放的負(fù)輸入端經(jīng)第一電容接地，它的 正輸入端經(jīng)第二電阻接地，第一集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)第三電阻連接第二集成運(yùn)放的負(fù)輸入 端，第一集成運(yùn)放的負(fù)輸入端經(jīng)第一電阻與第一放大電路的輸出端相連，第二集成運(yùn)放的 輸出端經(jīng)第四電阻與第一放大電路的輸出端相連，第一集成運(yùn)放的正輸入端經(jīng)第二電容連 接第一集成運(yùn)放的輸出端，第二集成運(yùn)放的負(fù)輸入端經(jīng)第三電容連接第二集成運(yùn)放的輸出 端，第五電阻的兩端分別連接第二集成運(yùn)放的負(fù)輸入端和第一放大電路的輸出端，第二集 成運(yùn)放的負(fù)輸入端連接第一光電管的陰極，第二集成運(yùn)放的正輸入端連接第一光電管的陽(yáng) 極。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述第一、第二集 成運(yùn)放的型號(hào)為L(zhǎng)F353。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述差分放大電 路包括第三?第五集成運(yùn)放以及第六?第九電阻，所述第三集成運(yùn)放的正輸入端連接第一 放大電路的輸出端，第三集成運(yùn)放的負(fù)輸入端連接它的輸出端，第四集成運(yùn)放的正輸入端 連接第二放大電路的輸出端，第三集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)第六電阻連接第五集成運(yùn)放的負(fù)輸 入端，第四集成運(yùn)放的輸出端經(jīng)第七電阻連接第五集成運(yùn)放的正輸入端，第五集成運(yùn)放的 負(fù)輸入端經(jīng)第八電阻連接第五集成運(yùn)放的輸出端，第五集成運(yùn)放的正輸入端經(jīng)第九電阻接 地，第五集成運(yùn)放的輸出端連接真有效值檢波電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述第三?第五 集成運(yùn)放的型號(hào)為L(zhǎng)MS358。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述真有效值檢 波電路為AD536芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種閃電通道的溫度測(cè)試裝置，其特征在于：所述數(shù)據(jù)運(yùn)算模 塊采用MSP430F20X3單片機(jī)，所述顯示模塊采用液晶顯示器。
【文檔編號(hào)】G01K11/30GK204202756SQ201420703008
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月21日
【發(fā)明者】李祥超, 陳璞陽(yáng), 周中山, 陳則煌 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)