一种纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置及分压方法与流程

1.本发明涉及分压装置及分压方法，尤其涉及一种纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置及分压方法。


背景技术：

2.电磁脉冲按能量传输方式分为辐射型和传导型。辐射型是采用不同形式的电场和磁场传感器测量，而传导型是采用电压和电流探头测量。对于纳秒级快前沿上升时间脉冲的测量，所选用的测量设备需要具有较好的宽频带响应特性。
3.当快前沿电磁脉冲幅值较高时，将使用传感器或分压器进行测量，但纳秒级高压测量设备的技术实现本身是一个难点。目前标定使用的阶跃波脉冲源电压等级为50kv，普遍采用水阻分压装置进行测量。而对于目前普遍采用的水阻分压装置结构，杂散电感等参数影响传感器的脉冲响应时间。因此对于纳秒级脉冲电压的测量，可采用金属氧化膜电阻和水阻相结合的结构。
4.由于目前没有对快前沿、高电压电磁脉冲进行精确测量的装置和方法，导致很难满足测试和校准需要。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在的采用分压装置时，杂散电感参数影响传感器的响应时间，以及目前的测试设备难以满足测试和校准需要，本发明提供一种纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置及分压方法，通过具体的结构和分压方法降低了杂散参数对脉冲响应时间的影响。
6.技术方案：本发明纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置包括一级水阻分压部分和二级电阻分压部分；
7.一级水阻分压部分包括高压测试端、有机玻璃柱、cuso4溶液和金属针；一级水阻分压部分通过金属针与二级电阻分压部分相连；有机玻璃柱内填充有cuso4溶液；金属针位于绝缘体内；
8.高压测试端至金属针顶部之间的cuso4溶液的阻值代表一级高压臂水阻r1，金属针顶部与分压器外壳顶部之间的cuso4溶液的阻值代表一级低压臂水阻r2；
9.二级电阻分压部分包括二级高压臂电阻单元r3、二级低压臂电阻单元r4和电路板组件；二级高压臂电阻单元r3和二级低压臂电阻单元r4通过电路板组件连接。
10.二级高压臂电阻单元r3包括多个并联的二级高压臂电阻r5，二级低压臂电阻单元r4包括多个并联的二级低压臂电阻r6。
11.二级高压臂电阻r5和二级低压臂电阻r6为金属膜电阻。
12.多个二级高压臂电阻r5呈笼形排列组成二级高压臂电阻单元r3。
13.多个二级低压臂电阻r6呈笼形排列组成二级低压臂电阻单元r4。
14.高压测试端为铜质高压测试端。
15.电路板组件包括第一电路板、第二电路板和第三电路板，二级高压臂电阻r5和二级低压臂电阻r6通过第二电路板连接。
16.分压器外壳包括分压器外壳帽和分压器外壳体。
17.本发明纳秒级快前沿高压水阻分压方法包括以下步骤：
18.(1)将纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置分为一级水阻分压部分和二级电阻分压部分；
19.(2)一级水阻分压部分由一级高压臂水阻r1与一级低压臂水阻r2串联构成；具体为，将高压测试端至金属针顶部之间的cuso4溶液的阻值定为一级高压臂水阻r1，金属针顶部与分压器外壳顶部之间的cuso4溶液的阻值定为一级低压臂水阻r2；
20.(3)将多个并联的二级高压臂电阻r5以笼形结构并联形成二级高压臂电阻单元r3，将二级低压臂电阻r6以笼形结构并联形成二级低压臂电阻单元r4；
21.(4)将二级高压臂电阻单元r3和二级低压臂电阻单元r4串联组成二级电阻分压部分；将二级电阻分压部分与一级低压臂水阻r2并联；
22.(5)将一级低压臂水阻r2的分压输出端由金属针连接到二级高压臂电阻单元r3上，将二级低压臂电阻单元r4的分压输出连接到分压输出端；则二级电阻分压部分的分压比k2为：
[0023][0024]
r3和r4串联后的电阻与一级低压臂水阻r2并联后的阻值为：
[0025][0026]
则纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的一级水阻分压比k1为：
[0027][0028]
纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置中高压测试端的待测高压u1与分压输出端的电压u3之间的总分压比k为：
[0029][0030]
即分压输出端的电压u3为高压测试端的待测高压u1的1/k倍。
[0031]
一级水阻分压部分对地分布电容cⅰ分
为：
[0032][0033]
其中，l1为一级高压臂水阻r1的长度，a1为r1的半径。
[0034]
则由公式t＝0.24(r
高
r
低
)c
分
ꢀꢀ
(2)
[0035]
得出所述纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的一级水阻分压部分的脉冲响应上升时间为
[0036]
tⅰr
＝0.24(r1 r2)cⅰ分
ꢀꢀ
(9)
[0037]
其中，r1 r2≤1kω。
[0038]
纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的n支r5并联后的对地分布电容cⅱ分
为
[0039][0040]
其中，a2为r5的半径，l2为r5的长度。
[0041]
则由公式t＝0.24(r
高
r
低
)c
分
ꢀꢀ
(2)
[0042]
得出纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置中二级电阻分压部分的脉冲响应上升时间为
[0043]
tⅱr
＝0.24(r3 r4)cⅱ分
ꢀꢀ
(12)
[0044]
其中，r3 r4≤1kω。
[0045]
由公式(9)和公式(12)得出纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置总的脉冲响应上升时间为
[0046][0047]
有益效果：与现有技术相比，本发明纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置及分压方法具有以下优点：
[0048]
(1)该高压水阻分压装置的结构形式，减弱了杂散参数对脉冲响应的干扰，且与理论分压比误差小，适用于不高于100kv快前沿脉冲电压的测量。
[0049]
(2)与传统的分压装置相比，本发明采用了二级分压结构，其中一级分压部分采用水阻进行分压；二级分压部分采用笼型电阻分布结构进行分压。
[0050]
(3)r3和r4采用笼形电阻排列结构，降低了电感和减小磁感应。
附图说明
[0051]
图1为本发明纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置整体结构示意图；
[0052]
图2为电路板组件结构俯视图；
[0053]
图3为电阻分压装置的等效电路原理图；
[0054]
图4为本发明纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置原理图；
[0055]
图5为本发明纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置校准示意图；
[0056]
图6为本发明纳秒级快前沿高压水阻分压校准波形图；其中，图6(a)为波形整体图；图6(b)为波形局部图；
[0057]
图7为本发明水阻分压装置分压比曲线图。
具体实施方式
[0058]
实施例：
[0059]
如图1所示，本发明纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置包括一级水阻分压部分和二级电阻分压部分。
[0060]
本实施例中，一级水阻分压部分包括高压测试端4、有机玻璃柱2、cuso4溶液3和金属针5。有机玻璃柱2和铜质分压器外壳1之间通过螺纹连接。该铜质分压器外壳1包括铜质分压器外壳帽1a和铜质分压器外壳体1b。
[0061]
有机玻璃柱2的中心为圆柱形中空结构，该中空结构内填充有cuso4溶液3。其中，如图1所示，高压测试端4至铜制金属针5顶部之间的cuso4溶液的阻值代表r1，铜制金属针5顶部至铜制分压器外壳帽1a之间的cuso4溶液的阻值代表r2。
[0062]
铜质高压测试端4通过螺纹连接于有机玻璃柱2顶端，该快前沿水阻分压装置通过铜质高压测试端4与待测高压测试点连接。另外，该铜质高压测试端4的另一端伸入cuso4溶液内，将待测高压进行后续分压。
[0063]
铜质金属针5一端伸入cuso4溶液3，另一端与电路板组件6相连，即一级水阻分压部分通过铜质金属针5与二级电阻分压部分相连。
[0064]
本实施例中，电路板组件6采用双面pcb。铜质金属针5位于绝缘体8内。绝缘体8的第一个作用是将铜制金属针5和铜质分压器外壳1a隔离，第二个作用是防止cuso4溶液渗出到二级电阻分压部分。
[0065]
如图2所示，电路板组件6包括第一电路板6a、第二电路板6b和第三电路板6c，均为双面pcb，板上都包含有过孔10和敷铜11，过孔10用于焊接金属膜电阻，敷铜11采用网格敷铜方式，提升抗干扰能力。其中，第一电路板6a上有三个环圆心均匀分布的过孔10和敷铜11，第二电路板6b上有两圈环圆心均匀分布的10个过孔10和敷铜11，第三电路板6c上有六个环圆心均匀分布的过孔10和敷铜11。二级高压臂电阻单元r3和二级低压臂电阻单元r4通过第一电路板6a、第二电路板6b和第三电路板6c的过孔10进行连接。一级水阻分压部分的铜质金属针5的一端与第一电路板6a的中间过孔10焊接，第二电路板6b的中间过孔10与铜质连接线7的一端焊接，铜质连接线7的另一端穿过第三电路板6c中间的圆孔与bnc分压输出端9连接。第三电路板6c与铜质分压器外壳体1b电气连接。
[0066]
二级电阻分压部分包括二级高压臂电阻单元r3、二级低压臂电阻单元r4和电路板组件6，二级高压臂电阻单元r3和二级低压臂电阻单元r4通过电路板组件6连接。
[0067]
该二级高压臂电阻单元r3包括多个以笼形并联的高压臂电阻r5，本实施例中，该电阻r5为1.5kω的第一金属膜电阻。
[0068]
本实施例中，二级低压臂电阻单元r4包括多个阻值为300ω的低压臂电阻r6，该电阻r6为第二金属膜电阻。高压臂电阻r5和低压臂电阻r6均呈笼形结构排列，焊接到电路板组件6上，本实施例中，该电路板组件6采用双面pcb。
[0069]
对于一个通用电阻分压装置，其基本原理及对响应时间的优化过程如下：
[0070]
如图3所示为通用电阻分压装置的等效电路。其中r
高
为高压臂电阻，r
低
为低压臂电阻；u
in
为高压臂电阻r
高
的输入端待测高压，u
out
为低压臂电阻r
低
的输出电压。
[0071]
通用电阻分压装置的分压比k
分
为
[0072][0073]
通用电阻分压装置的脉冲响应上升时间为
[0074]
t＝0.24(r
高
r
低
)c
分 (2)
[0075]
对于快前沿脉冲的测量，要求测试系统的带宽要宽，抗干扰能力要强。因此，快前沿电阻分压装置应满足以下三个条件：
[0076]
(1)减小电阻分压装置的对地分布电容c
分
；
[0077]
(2)采用低阻值的分压电阻，r
高
r
低
≤1kω；
[0078]
(3)提高信噪比，增强抗干扰能力。
[0079]
对脉冲响应时间的优化如下：
[0080]
通过减小对地分布电容和减小分压电阻，进而提高电阻分压装置的带宽和信噪比，以满足高场强环境测试。
[0081]
上述措施中，对地分布电容c
分
尤为重要，其决定了电阻分压装置的脉冲响应上升时间，同时还影响脉冲源输出波形。测试时，电阻分压装置的接入使脉冲宽度有所变小；另外，电阻分压装置的分布电容与负载连接在一起，使输出脉冲峰值发生变化。当分布电容c
分
<3pf时，输出脉冲峰值有提高，但不会有明显过冲；3pf≤c
分
<5pf时，输出脉冲有明显的过冲；c
分
≥5pf时，输出脉冲有明显的振荡。因此，当测量纳秒级快前沿电磁脉冲时，为确保脉冲不出现明显的过冲和振荡，采用一级分压时，对地分布电容应取c
分
<3pf，采用二级分压时，对地分布电容应取c
分
<1.5pf。
[0082]
如图4所示，本发明纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的分压原理如下：
[0083]
根据上述对电阻分压装置的分析，本实施例中，本发明纳秒级快前沿水阻分压装置采用二级分压，其中第一级为水阻分压，第二级为金属膜电阻分压。二级分压后的信号经衰减器衰减后，接入示波器进行测量观测。
[0084]
纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的水阻分压中，r1为一级高压臂水阻，r2为一级低压臂水阻。为减小对地分布电容，水阻的直径和长度都要小。经试验知，对于前沿上升时间2.5ns、半峰宽23ns的窄脉冲，其对有边缘效应的均匀场有机玻璃，在单位厘米上沿面闪络电压为41kv。因此，对于100kv量级的脉冲源，对应闪络距离为100/41＝2.44cm，考虑冗余量，总长度选取长些。
[0085]
本实施例中，一级高压臂水阻r1的直径取6mm，截面面积为32πmm2，长度为50mm；一级低压臂水阻r2的截面面积为(62‑
2.52)πmm2，长度为1.64mm。当充cuso4溶液阻值为1kω时，r1＝965ω，r2＝35ω。
[0086]
为了与50ω输出电缆匹配，二级低压臂电阻单元r4取50ω。本实施例中，选用6支1/4w的300ω金属膜电阻，即二级低压臂电阻r6并联做成笼型结构，进而降低电感和减小磁感应。二级高压臂电阻单元r3取500ω，选用3支1/2w的1.5kω金属膜电阻，即二级高压臂电阻r5做成笼型结构。
[0087]
由上述阻值可得，纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的第二级分压比，即二级电阻分压部分的分压比k2为：
[0088][0089]
一级低压臂水阻r2与r3 r4并联后的阻值为
[0090][0091]
则纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的一级水阻分压比k1为
[0092][0093]
纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置中高压测试端4处待测高压u1与分压输出端9的输出电压u3之间的总分压比k为
[0094][0095]
即，该分压输出端9处的输出电压u3为高压测试端4处待测高压u1的1/k倍。
[0096]
因此，纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的最大输出电压为
[0097][0098]
纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的一级水阻分压部分的对地分布电容取决于一级分压高压臂水阻r1的几何尺寸。根据水阻选定尺寸，由圆柱体电容公式计算一级水阻分压部分对地分布电容cⅰ分
为
[0099][0100]
其中，l1为一级分压高压臂水阻r1的长度，a1为r1的半径。
[0101]
则由公式t＝0.24(r
高
r
低
)c
分
ꢀꢀ
(2)得出纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的一级水阻分压的脉冲响应上升时间为
[0102]
tⅰr
＝0.24(r1 r2)cⅰ分
＝0.24
×
1000
×
1.2
×
10
‑
12
＝0.288(ns)
ꢀꢀ
(9)
[0103]
纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的单个二级金属膜电阻r5半径a2为1.5mm，长度l2为10mm，三支r5并联后的对地分布电容cⅱ分
为
[0104][0105]
本实施例中，根据实际情况选用的三支电阻r5。在其它实施例中，选用n支电阻r5，其中n>1，则公式(8)为：
[0106][0107]
则由公式t＝0.24(r
高
r
低
)c
分
(2)得出纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置中二级电阻分压的脉冲响应上升时间为
[0108]
tⅱr
＝0.24(r3 r4)cⅱ分
＝0.24
×
525
×
1.064
×
10
‑
12
＝0.134(ns)
ꢀꢀ
(12)
[0109]
至此，由公式(9)和公式(12)可得，纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置总的脉冲响应上升时间为
[0110][0111]
如图5所示，本发明纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置校准时，该水阻分压装置与脉冲源、示波器和衰减器连接。本实施例中，脉冲源选用gmf
‑
8e型脉冲信号发生器，示波器采用agilent dso 9404a，纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的输出信号经过20db衰减器接入示波器。激励信号选用方波，方波信号上升前沿2.5ns，脉宽100ns。
[0112]
校准测试结果：
[0113]
校准测得的波形如图6所示，其中，图6(a)的纵坐标200mv/div，横坐标20ns/div；
图6(b)的纵坐标200mv/div，横坐标20ns/div。
[0114]
从图6中可见，分压器测得波形与原信号形状一致，脉冲前沿上升时间为2.65ns。分压器的标定数据如表1所示。根据标定数据绘制的分压比曲线如图7所示。根据拟合直线的斜率得到纳秒级快前沿高压的二级分压测量装置的分压比为620:1，与理论分压比误差为2.9％。
[0115]
表1水阻分压装置分压数据
[0116]