Устройство для измерения напряжённости электрического поля

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано для измерений напряженности электрического поля атмосферы при проведении метеорологических, геофизических и радиофизических исследований, а также для оценки экологического состояния атмосферы и поверхности Земли, в частности при исследовании естественного и антропогенного электромагнитных фонов земной атмосферы.

Известно устройство для измерения напряженности электрического поля [АС СССР №203781, МПК G01R], содержащее сегнето-электрический датчик, выполненный в виде двух удлиненных пластин с электродами возбуждения, расположенными на боковых поверхностях сегнето-электрических пластин. Ширина динамического диапазона данного устройства определяется величиной отношения максимального и минимального (начального) диэлектрических проницаемостей применяемого сегнетоэлектрика, так называемым коэффициентом эффективной нелинейности, который для известных материалов не превышает 35 дБ.

Известно широкополосное устройство для измерения напряженности электрического поля [патент РФ №2485528, МПК G01R 29/00], содержащее электрическую мостовую схему, в противоположные плечи которой включены последовательно соединенные вариконды и источники электрического смещения, а в другие противоположные плечи мостовой схемы включены конденсаторы постоянной емкости. К входной диагонали мостовой схемы подключена электрическая антенна. Параллельно входной диагонали мостовой схемы последовательно между собой включены электронный коммутатор и низкоомный резистор. К выходной диагонали мостовой схемы подключен синхронный детектор. Недостатком данного устройства для измерения напряженности электрического поля является недостаточная ширина динамического диапазона, обусловленная диэлектрическим насыщением варикондов в условиях сильных электрических полей, создаваемых, например, облачностью.

Наиболее близким по технической сущности является датчик для измерения напряженности электрического поля [Electric Field Detection Using Solid State Variable Capacitance // Proceedings of the 2014 ESA Annual Meeting on Electrostatics: Труды ежегодного собрания по электростатике ESA. - 2014 г. - http://vvww.electrostatics.org/images/ESA_2014_D_Noras.pdf], содержащий приемную антенну, к которой подключены варикапы, включенные в параллельные ветви электрической схемы встречно друг другу, трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к варикапам, а первичная - к генератору модулирующего напряжения. К средней точке вторичной обмотки трансформатора подключается нагрузочный резистор.

Недостатком данного датчика для измерения напряженности электрического поля является малая ширина динамического диапазона, обусловленная малым диапазоном напряжений, при которых меняется емкость варикапов. Типичное значение ширины этого диапазона для существующих варикапов 10-15 дБ.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание устройства для измерения напряженности электрического поля, позволяющее проводить с его помощью измерения слабых вариаций напряженности электрического поля атмосферы на фоне значительных постоянной и низкочастотных спектральных составляющих.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение ширины динамического диапазона устройства для измерения напряженности электрического поля.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее приемную антенну, соединенную с общей точкой встречно включенных варикапов, аноды которых подключены ко вторичной обмотке трансформатора, к первичной обмотке которого подключен генератор модулирующего напряжения, и систему регистрации введен управляемый источник ЭДС, вход которого соединен с выходом системы регистрации, а выход соединен со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, причем вход системы регистрации соединен с приемной антенной через полосовой усилитель.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения напряженности электрического поля.

Устройство для измерения напряженности электрического поля содержит приемную антенну 1, варикапы 2-3, трансформатор 4, генератор модулирующего напряжения 5, полосовой усилитель 6, систему регистрации 7, содержащую АЦП 8, микроконтроллер 9, выходной интерфейс 10, управляемый источник ЭДС 11, содержащий масштабирующий усилитель 12 и ЦАП 13.

Устройство для измерения напряженности электрического поля работает следующим образом. При внесении приемной антенны 1 в измеряемое электрическое поле на варикапах 2-3 образуется индуцированный полем заряд, величина которого пропорциональна напряженности этого поля. Этот заряд модулируется посредством модуляции емкости варикапов 2-3 при помощи подачи на них знакопеременного напряжения с генератора модулирующего напряжения 5 через трансформатор 4. Модуляция заряда приводит к возникновению переменного тока на входе полосового усилителя 6. Это приводит к возникновению на выходе полосового усилителя 6 напряжения, амплитуда которого пропорциональна измеряемой напряженности электрического поля. Выход полосового усилителя 6 подключен к системе регистрации 7, выход которой, в свою очередь, подключен к входу управляемого источника ЭДС 11. Система регистрации 7 осуществляет оцифровку сигнала с полосового усилителя 6 при помощи АЦП 8. Далее оцифрованный сигнал поступает на микроконтроллер 9, где происходит выделение рабочей полосы частот этого сигнала, его демодуляция и вычисление напряженности электрического поля по формуле:

E₀=k₁U_A+k₂U_D,

где U_A - амплитуда напряжения на входе АЦП 8;

U_D - амплитуда напряжения на выходе ЦАП 13 управляемого источника ЭДС 11;

k₁ и k₂ - соответствующие коэффициенты пропорциональности, определяемые при калибровке.

Сигнал с выхода ЦАП 13 управляемого источника ЭДС 11 попадает на вход масштабирующего усилителя 12. Масштабирующий усилитель 12, помимо масштабирования сигнала с выхода ЦАП 13, осуществляет заземление средней точки трансформатора через свое малое выходное сопротивление. Вычисленное значение напряженности электрического поля передается на выходной интерфейс 10. При подаче напряжения с выхода управляемого источника ЭДС 11 на среднюю точку трансформатора 4 на варикапах 2-3 индуцируется дополнительный заряд того же знака, что и подаваемое напряжение, пропорциональный по величине амплитуде этого напряжения. Отсюда следует, что при изменении напряжения управляемого источника ЭДС 11 можно добиться ослабления напряженности поля внутри варикапов 2-3, что позволяет исключить их насыщение при наличии полей больших напряженностей. При мониторинге напряженности электрического поля атмосферы микроконтроллер 9 управляет амплитудой напряжения на выходе управляемого источника ЭДС 11, меняя ее вслед за измеряемым полем, тем самым обеспечивая малый диапазон изменения суммарной напряженности электрического поля внутри варикапов в пределах линейного участка кривой изменения их емкостей. По сравнению с прототипом ширина динамического диапазона увеличивается с 10-15 дБ до 100 дБ.

Следовательно, предлагаемое устройство в отличие от прототипа позволяет проводить измерения слабых вариаций напряженности электрического поля атмосферы на фоне значительных постоянной и низкочастотных спектральных составляющих.