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pico 5242A便携示波器的应用案例分享

发布时间:2019-10-31    浏览次数:35

  这是一个“场”的世界,且不说我们时时刻刻沐浴在大自然的重力场,磁场和电场之中,即使与人孤处斗室,也有对方的气场环绕。


  在《Motion Mountain》 第3册第209页,ChristopherSchiller曾对电场做了如下陈述:你们知道吗,1752年人们就发现,晴天里,空间存在着一个100-300V/m的垂直电场。而地球是一个永久带负电的物体,在晴天,电流会从空中向下流动(电子向上流动),可以想象成我们的星球在放电。

  我们来感受一下重力,试着上下跳一跳。或者我们可以用一根带磁的罗盘小针来检测磁场。的确,这些力场都很容易测量。与此相比,电场却要神秘的多,因为屋子里往往没有,这给检测添了点麻烦。看看下面这张图:



  图1 地面上的导体扰乱电场,灰色是电势,红色是电场线

  每一个放在地面上的导电物体都会扭曲电势和电场线。与空气相比,房子,树木,人体相对来说都是很好的导电物体,所以地面上的建筑内部往往没有电场存在。这就让测量电场变得富有挑战了,由此我们不得不关注一个大的学科:大气物理。其中的“电势梯度”指的就是电场。列在标题“大气电力”下方的图表数据,显示了电场测量的实验地点:英国雷丁大学。

  大气电场仪

  如果做一点背景阅读就会知道“大气电场仪”是一种最常见的电场测试装置,典型的结构如下图:



  图2装置示意图与电路连接

  1.旋翼:连接到大地的电位,由电机带动(5号)

  2.固定的板:与大地隔离(也被称为感应板)

  3.底板:同样与大地导通

  4.转速计:有三块黑白相间的栅格,形成光开关

  5.电机:给旋翼提供动力

  6.充电放大器

  7.混频器:在这里实际上是一个基于AD633芯片的乘法器电路

  8.低通滤波器

  9.中心零点计

  从下图我们可以看到,5号组件是一只小电机,轴上固定了一块小碟片。


  图3 电机和转速计照片

  在碟片的沿径向画上三块黑色和三块白色条纹,再用一个光收发器对准它。这样反射回来的光电信号就是一个方波输出了。(收发器型号RS 307-913 or 或OptekOPB704W-Z)。电机同时也带动旋翼转动(1号部件)。

  底板(3号部件)使用一个铁质的饼干桶剪出来的,电机的转轴从中心穿透过去。

  充电感应板(2号部件)通过绝缘柱,由铁罐支撑,交替着接触和屏蔽旋翼板的电场。

  如图4所示,这套仪器/机构,放在地平面上。固定部分和旋转的叶片都封在饼干桶里面,盖子盖上的时候罐子里的电场为零。这个桶也提供了良好的屏蔽,来消除电机噪声的强烈干扰。



  充电放大器装在一个单独的金属盒里面,和固定的板相连(部件2)。如果放大器的信号得到矫正,那么只能知道场强的幅度,而无法测知方向。通过加入一个混频器,我们就有了同步调制,从而能够得知场强的方向,并且可以极大地降低噪声。也有商用仪器(Model 410 Scitech Instruments Ltd) 直接能够实现这个功能,这里我们用了一种更加廉价的代替方式。如图5所示:



  图5 乘法器电路,将转速计输出与充电放大器输出相乘

  接着,在感应板的旁边放一个带电物体,就能测得如下图的波形。



  图6 把一个带点的塑料杆靠近装置时捕获的波形

  乘法器的输出和转速计输出同步观察如下图:



  图7 转速计和乘法器输出信号

  以上这两组波形都是用Pico示波器PicoScope 5242A读取的。乘法器的输出再经过一个低通滤波器,进入中心零点计读数。

  初步结果

  经过上面的设置,我们就能肯定经过滤波的输出电压与大地的场强成正比,而图7展示的就是一个晴朗天气下,户外的实测波形。



  经过标定,输出的波形以mV为单位的就可以换算成场强V/m. 因此,大气场强仪在地表的电场大小即为120(±20) V/m. 因为盖子打开时的读数170mV需要减去盖子合上时的50mV本底。我们还进一步在雷暴雨天气做了测量。

  整个装置,于早晨8:15分放置到开阔空间,记录波形到8:30时,信号超出了量程,原因是有一个较大的负脉冲发生。然后我们调整了探头的衰减比例到10:1重新测量,期间多次合上盖子,以标记几个时间段的起始。



  图8 暴风雨来临前大地的电场变化图,饼干桶盖子在下列时间段合上:30-70s,107-140s,230-260s, 350-380s.

  在图8中,我们看到地球的电场从负到正变化,只持续30秒时间,然后正的信号又在100秒时间内变为负数。600s过后,仪器不得不移回屋内,因为开始下雨了。雷鸣和闪电紧随其后。由此可见整个过程中电场是在600V/m-1KV/m之间变化的。

  下面重点来了:PicoScope5242A是数据记录的理想设备,因为它的时间长度可以设置到5000s/div之久,也就是一共记录5万秒的时长。如果运用SDK,这个时间可以更久。实际上有些其他示波器也能设置很长的采集时间,但是因为存储深度远没有PicoScope 5252A这么高(512MS),因此长时间采集的采样率太低,没办法准确地记录波形。以下是在晴好天气下的记录5分钟的实测曲线。



  图9 晴天的大气电场曲线

  第1分钟,饼干桶盖子是合上的,接下来则完全打开。

  结论

  在晴天,大地的电场在120V/m 大小附近,但是这个结果的测量精度预期不会好于±20%. 这大概和Schiller的陈述相符合。还有50mV左右的差异,多半是因为旋翼尺寸不合适,或者转速计上的黑白条纹手绘的不理想。

  实测的结果表明,在不同的天气条件下,地表电场差别甚大。晴好天气下稳定在120V/m,其它的则不好说。

  作为一个手工打造的DIY设备,本装置的信噪比不高。如果能把乘法器换成一个相位灵敏度检测器(PSD, PhaseSensitive Detector),也许能够改善结果。PSD可以极大地简化设置过程,灵活地修正充电放大器输出信号的增益和相位。

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