一种D-dot传感器的制作方法与流程

一种d-dot传感器的制作方法
技术领域
1.本发明涉及一种脉冲电压传感器的制作方法，具体涉及一种d-dot传感器的制作方法，应用于前沿时间在ns至百ns量级，幅值在mv级的电压脉冲d-dot传感器设计。


背景技术：

2.在脉冲功率装置中，针对mv级电压脉冲测量，通常采用电容耦合传感器。通过合理设置电容耦合传感器的电路参数，其输出信号可以是待测电压脉冲的微分波形，即微分型电容耦合传感器(又称d-dot传感器)。所获得的微分信号经过数值积分或rc积分回路可将微分信号复原。若采用数值积分，测量系统的硬件组成非常简洁，仅由d-dot传感器自身和测量电缆组成；测量系统的响应特性基本取决于d-dot传感器的几何结构和介质材料，因此d-dot传感器设计方法的核心是明确电容耦合d-dot传感器结构参数与响应特性的数值关系。
3.目前d-dot传感器在脉冲功率装置中已获得广泛应用。圣地亚实验室的pbfa-z(particle beam fusion accelerator)装置即采用该d-dot传感器对双板传输线电压和绝缘堆栈电压进行测量。中国工程物理研究院也采用d-dot传感器对初级试验平台中脉冲电压进行了测量。尽管上述研究工作成功将d-dot传感器应用在脉冲功率装置中，但是依然缺乏准确完善的设计方法。
4.针对d-dot传感器的物理设计方法，应该是从设计指标出发，明确d-dot传感器的响应能力要求，进而给出d-dot传感器的电路参数和结构参数的要求。目前关于d-dot传感器的设计工作存在以下问题：
5.1、d-dot传感器电路模型过度简化，不能完整反映微分型电容耦合d-dot传感器的响应能力。典型的d-dot传感器电路模型如图1所示，图中v1(t)为被测脉冲电压，v2(t)为d-dot传感器的输出电压，c1为d-dot传感器与高压电极的电容，c2为d-dot传感器对地电容，r为负载电阻或者是信号电缆阻抗；其对应的回路方程为：
[0006][0007]
该模型未考虑回路电感的影响，并且(a)式的求解，只是在1/(ωc2)》》r的条件下，给出了v1和v2的近似关系为：
[0008][0009]
(b)式仅刻画了d-dot传感器的理想工作状态，不能描述d-dot传感器实际的传递函数。
[0010]
2、未能明确阐述d-dot传感器的电路参数和结构参数的关系。设计工作对d-dot传感器的响应特性是否满足要求缺少预判，只能依赖实验确定。


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的是针对现有d-dot传感器的电路模型过度简化，不能完整反映d-dot传感器的响应能力，且未能明确阐述d-dot传感器的电路参数与结构参数关系的技术问题，而提供一种d-dot传感器的制作方法，建立了d-dot传感器设计指标与结构参数的数值关系。
[0012]
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
[0013]
本发明一种d-dot传感器的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0014]
步骤1：确定目标d-dot传感器的结构参数，所述结构参数包括步骤1中所述的结构参数包括d1、d2、d3、d4、d和l，其中d1为d-dot传感器接收电极的直径，d2为电缆引出同轴结构外径，d3为电缆引出同轴结构内径，d4为d-dot传感器的地电极内径，l为d-dot传感器的地电极与接收电极的间距，d为高压电极与地电极的间距；
[0015]
步骤2：依据待测信号，确定d-dot传感器的设计指标，所述设计指标包括前沿响应特性参数k及幅值刻度k；
[0016]
步骤3：建立d-dot传感器的设计指标与其电路参数之间的数值关系，所述电路参数包括d-dot传感器接收电极与高压电极的电容c1，d-dot传感器接收电极与地电极的电容c2，接收电极与地电极形成回路的电感l；
[0017]
步骤4：建立d-dot传感器的电路参数与其结构参数之间的数值关系，获得结构参数；
[0018]
步骤5：依据步骤4获得的结构参数制作目标d-dot传感器。
[0019]
进一步地，步骤2具体为：
[0020]
2.1)定义待测信号为u1(t)，其前沿时间为tr，待测信号幅值为u1；
[0021]
2.2)定义d-dot传感器的输出信号为u2(t)，输出信号幅值为u2；
[0022]
2.3)定义d-dot传感器输出信号的积分信号为u3(t)，其前沿时间为t
ro
，积分信号幅值为u3；
[0023]
2.4)定义d-dot传感器的前沿响应特性参数k＝tr/t
ro
,使得u3(t)与u1(t)的波形一致，k∈(0.99，1.0)；
[0024]
2.5)定义d-dot传感器的幅值刻度
[0025]
进一步地，步骤3具体为：
[0026]
3.1)当u1(t)为阶跃信号时，u3(t)的阶跃响应函数为h(t)：
[0027][0028][0029][0030]
[0031]
式中，c1是d-dot传感器接收电极与高压电极的电容，c2是d-dot传感器接收电极与地电极的电容，l是接收电极与地电极形成回路的电感，z为信号电缆阻抗，k1、k2、a1、a2均为h(t)的计算常数；
[0032]
3.2)依据步骤3.1)，在阶跃响应函数h(t)不产生过冲和震荡时，给出关于电路参数c2、l和z的约束关系为
[0033]
l≤z2c2/4；
[0034]
3.3)根据步骤3.1)和步骤3.2)可知，当l＝z2c2/4时，则阶跃响应函数h(t)的前沿时间t
rd
＝1.68zc2；
[0035]
3.4)根据步骤2.1)、2.3)和3.3)，得出tr、t
ro
和t
rd
和的数值关系为：
[0036][0037]
3.5)根据步骤2.4)、3.3)和3.4)，获得k∈(0.99，1.0)对d-dot传感器电路参数的约束为
[0038][0039]
3.6)由步骤3.1)可得d-dot传感器的阶跃响应函数h(t)幅值为zc1，已知阶跃信号幅值为1，根据步骤2.5)可得k＝1/zc1；
[0040]
3.7)将步骤2.5)和步骤3.6)联立可得
[0041][0042]
进一步地，步骤4具体为：
[0043]
4.1)d-dot传感器的电缆引出同轴结构阻抗应与信号电缆阻抗z相同,由此给出对d2/d3的约束
[0044][0045]
式中：ε2为d-dot传感器绝缘子(2)的介电常数，μ为d-dot传感器的绝缘子磁导率；
[0046]
4.2)当高压电极和地电极结构确定时，则
[0047][0048]
式中：ε1为高压电极和地电极之间绝缘介质的介电常数；
[0049]
4.3)建立d-dot传感器的电路参数电容c2与结构参数的数值关系
[0050][0051][0052]
f(x1)＝a1 b1x
1-c1x
12
x1(d
1-x6)
[0053]
式中：f(x1)为d-dot传感器的结构对c2的影响函数，x1为f(x1)的变量，其取值范围
为(0，1)；a1、b1、c1和d1均为变量x1的常数；
[0054]
4.4)将步骤3.5)和步骤4.3)联立，获得结构参数l的取值下限；
[0055]
4.5)建立d-dot传感器的电路参数电感l与结构参数的数值关系
[0056][0057][0058][0059]
式中：μ是d-dot传感器的绝缘子磁导率；g(x2)为d-dot传感器的结构对l的影响函数，x2为g(x2)的变量，其取值范围为(0，1)；a2、b2、c2、d2与e2均为变量x2的常数；
[0060]
4.6)将步骤3.2)和步骤4.5)联立，获得结构参数l的取值上限。
[0061]
进一步地，步骤1中，d4与d1的差值取值范围为2至4mm。
[0062]
进一步地，步骤2.2)中，所述d-dot传感器的输出信号幅值u2的取值范围为100-1000v。
[0063]
进一步地，步骤4.1)中，所述d-dot传感器绝缘子的电缆阻抗z取值为50ω。
[0064]
进一步地，步骤4.3)中，所述a1为1，b1为2.42，c1为0.44，d1为1。
[0065]
进一步地，步骤4.4)中，所述a2为1，b2为1.21，c2为0.11，d2与e2均为0.5。
[0066]
进一步地，优选地d-dot传感器的地电极与接收电极的间距l的设计值为2～3mm。
[0067]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0068]
本发明d-dot传感器的制作方法，能够依据待测信号的特征，有效的指导d-dot传感器的主体结构设计，与现有的设计方法相比，考虑的设计指标更为丰富，不仅包括测量系统的幅值刻度和阶跃响应前沿时间，还引入了新的限制条件，即阶跃响应无过冲震荡；电路模型中新引入电感，对d-dot传感器响应特性的估算更为完善；通过结构影响函数f(x1)和g(x2)，较为准确的阐述了d-dot传感器结构参数与电路参数的数值关系；建立了设计指标与d-dot传感器结构参数的数值关系。
附图说明
[0069]
图1为现有d-dot传感器电路简化模型结构示意图；
[0070]
图2为现有典型的d-dot传感器结构示意图；
[0071]
图3为本发明d-dot传感器电路模型结构示意图，其中u1是待测电压脉冲，u2是d-dot传感器输出信号，c1是d-dot传感器接收电极与高压电极的电容，c2是d-dot传感器接收电极与地电极的电容，l是d-dot传感器接收电极与地电极围成回路的电感，z是d-dot传感器绝缘子的电缆阻抗；
[0072]
图4为本发明实施例中油介质平板传输线上的d-dot传感器结构示意图。
[0073]
图中附图标记为：
[0074]
1-接收电极，2-d-dot传感器绝缘子，3-地电极，4-高压电极。
具体实施方式
[0075]
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
[0076]
首先明确目标d-dot传感器设计中的关键结构参数，如图2所示,是一种典型的d-dot传感器结构，包括接收电极1、d-dot传感器绝缘子2、地电极3。图2中d-dot传感器的结构参数包括d1，d2，d3，d4和l，d1为传感器接收电极1直径，d2为电缆引出同轴结构外径，d3为电缆引出同轴结构内径，d4为传感器地电极3外径，l为传感器地电极3与接收电极1的间距，d为高压电极4与地电极3的间距，本实施例中，d1和d4是关联参数，基于绝缘要求，d4与d1的差值取值范围一般为2mm-4mm。
[0077]
接收电极1和地电极3组成同轴结构，该同轴结构的作用是传输测量信号。当上述同轴结构阻抗与(测量系统中)信号电缆阻抗一致时，该同轴结构的长度不会影响d-dot传感器测量系统的传递函数。在工程上，同轴结构的长度通常取决于被测装置与测量时d-dot传感器的装配结构，为了保证d-dot传感器的适应性，该同轴结构的阻抗应该与d-dot传感器绝缘子2的电缆阻抗z相同，其中z一般设置为50ω。令d-dot传感器绝缘子2的介电常数和磁导率分别为ε2和μ，给出对d2/d3的约束：
[0078][0079]
此外，由于d2和d3参数还受限于d-dot传感器与外部的电缆接头的装配结构，因此在工程上可以调整的余地有限，所以，在设计中可预先确定为已知量。使得d-dot传感器物理设计实际需要关注的关键结构参数仅为d1和l。
[0080]
其次，依据待测信号的特征定义d-dot传感器的设计指标。定义待测信号为u1(t)，设计中关注的待测信号u1(t)的特征为u1(t)的前沿时间tr和待测信号幅值u1；
[0081]
定义d-dot传感器的输出信号和其数值积分信号，分别为u2(t)和u3(t)，其中
[0082][0083]
u2(t)的幅值为u2，u3(t)的前沿时间为t
ro
，u3(t)积分信号幅值为u3。
[0084]
d-dot传感器的主要设计指标包括前沿响应特性和幅值刻度，其中前沿响应特性表征为u2(t)与u3(t)的前沿时间比值k，幅值刻度表征为u2(t)与u3(t)的幅值之比k。
[0085]
为使u3(t)与u1(t)的波形一致，k∈(0.99，1.0)，即
[0086]
k＝tr/t
ro
，k∈(0.99，1.0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0087]
幅值刻度k＝u1/u3，其中u3与u2的关系可以估算为u3＝u2tr，则
[0088][0089]
在工程上基于信噪比和绝缘的考虑，d-dot传感器输出信号的输出信号幅值u2应为100-1000v；由此可给定幅值刻度k的设计指标要求。
[0090]
如图3所示，是本发明提出的d-dot传感器电路模型，c1是d-dot传感器接收电极1与高压电极4的电容，c2是d-dot传感器接收电极1与地电极3的电容，l是d-dot传感器接收电极1与地电极3围成的回路电感，z是信号传输电缆阻抗(一般为50ω)；基于图3的电路模型，当输入信号u1(t)为阶跃信号时，u3(t)的阶跃响应函数h(t)为：
[0091][0092]
式中：k1、k2、a1、a2均为阶跃响应函数h(t)的计算常数；
[0093]
在工程上通常c2》》c1，因此k1和k2可以简化为：
[0094][0095][0096]
由(5)可得d-dot传感器的阶跃响应函数h(t)的幅值为zc1，已知阶跃信号幅值为1，根据(4)式可得
[0097]
k＝1/zc1ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0098]
联立(4)式和(6)式，得到关于c1的取值：
[0099][0100]
由(2)式所决定，为避免阶跃响应函数h(t)产生过冲和震荡，(5)式中应为实数，即要求：
[0101]
l≤z2c2/4
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0102]
同时在(5)式中，h(t)的前沿时间与l/c2负相关，因此4l/c2＝z2时，d-dot传感器可获得理论上的最快前沿响应；在该条件下，阶跃响应函数h(t)由(5)式简化为：
[0103][0104]
定义波形10％～90％的上升时间为前沿时间，由(7)式计算得到d-dot传感器阶跃响应(最快时)前沿时间t
rd
为：
[0105]
t
rd
＝1.68zc2ꢀꢀ
(10)
[0106]
已知待测信号u1(t)的前沿时间tr，(10)式已给出d-dot传感器阶跃响应的前沿时间t
rd
，则u3(t)对任意u1(t)波形的响应前沿t
ro
为：
[0107][0108]
联立(3)式和(11)式，得到
[0109]
t
rd
《0.142tr，
ꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0110]
联立(10)式和(12)式得到：
[0111][0112]
上述(7)、(13)和(8)式建立了设计指标与电路参数之间的数值关系，分别针对测量系统的幅值刻度和前沿响应要求，以及测量信号无过冲的前提条件，对d-dot传感器电路参数c1、c2和l进行了约束。
[0113]
通过c1的约束条件可以限定d1参数的取值，l和c2的约束条件可以限定l参数的取值。
[0114]
最后，参见图2，当高压电极4和地电极3结构确定时，c1的取值由d1确定：
[0115][0116]
式中ε1是高压电极4和地电极3之间绝缘介质的介电常数，d是高压电极4和地电极3之间的距离，(14)与(7)式联立，可确定d1设计值：
[0117][0118]
电路参数c2的设计值，约束了结构参数d1和l的取值：
[0119][0120]
(16)式中ε2是d-dot传感器绝缘子2的介电常数，f(x1)为d-dot传感器的结构对c2的影响函数，x1为f(x1)的变量，其取值范围为(0，1)；a1、b1、c1和d1均为变量x1的常数；在d1参数确定的前提下，(16)与(13)式联立，决定了l参数的取值下限。
[0121]
电路参数l的设计值，约束了结构参数l：
[0122][0123]
(17)式中μ是d-dot传感器绝缘子2的磁导率，g(x2)为d-dot传感器的结构对l的影响函数，x2为g(x2)的变量，其取值范围为(0，1)；a2、b2、c2、d2与e2均为变量x2的常数；(17)与(8)式联立，可以确定l参数的取值上限。
[0124]
综上所述，本设计方法从设计指标出发，对目标d-dot传感器的关键结构参数d1和l的取值范围进行了约束，能够有效完成d-dot传感器主体结构设计。
[0125]
如图4所示，为了进一步说明，本发明以一个安装在油介质平板传输线上(变压器)的d-dot传感器为例，详细介绍该d-dot传感器的设计过程。平板传输线高压电极4与地电极
3的间距d为60mm。d-dot传感器的待测信号即平板传输线传输的电压脉冲，其幅值u1为1mv，脉冲前沿tr为10ns，要求d-dot传感器的输出微分信号幅值为1kv。
[0126]
将上述参数d、u1和tr作为已知量，代入本设计方法中完成d-dot传感器的结构设计。如图3所示，其中u1是待测电压脉冲，u2是d-dot传感器输出信号，c1是d-dot传感器接收电极1与高压电极4的电容，c2是d-dot传感器接收电极1与地电极3的电容，l是d-dot传感器接收电极1与地电极3的电感，z是d-dot传感器绝缘子2的电缆阻抗；基于d-dot传感器的绝缘要求，d4＝d1 4mm；受限于外部电缆头安装结构，d3＝3mm，接收电极1和地电极3组成同轴结其阻抗z为50ω，同轴结构的绝缘介质为有机玻璃，有机玻璃的介电常数ε2和磁导率μ2分别为3.05
×
10-11
f/m和1.26
×
10-6
h/m，将上述参数代入(1)式：
[0127][0128]
计算得到d2＝14mm；还剩下d1和l为设计需要确定的参数。
[0129]
1)基于u1和tr，确定d-dot传感器的幅值刻度k。
[0130]
已知u1＝1mv，tr＝10ns；u2＝1kv，通过(4)式：计算得到，k＝10
11
。
[0131]
2)基于幅值刻度k和待测信号u1(t)的前沿时间tr，明确电路参数c1、l和c2的取值，电路模型，如图3所示。已知k＝10
11
s-1
，z＝50ω，通过(6)式：k＝1/zc1，计算得到c1＝2
×
10-13
f。
[0132]
已知tr＝10ns，z＝50ω；通过(13)式：计算得到c2∈(0，1.69
×
10-11
)f。
[0133]
已知c2《1.69
×
10-11
f，z＝50ω；通过(8)式：l≤z2c2/4，计算得到l∈(0，1.06
×
10-8
]h。
[0134]
3)基于c1、c2和l的取值，给出结构参数d1和l的约束。
[0135]
已知c1＝2
×
10-13
f，变压器油的介电常数ε1＝2.03
×
10-11
f/m，通过(14)式：计算得到d1＝28mm。
[0136]
已知c2《1.69
×
10-11
f，d1＝28mm，d3＝3mm，ε2＝3.05
×
10-11
f/m；通过(16)式：
[0137][0138][0139]
f(x1)＝1 2.42x
1-0.44x
12
x1(1-x
16
)
[0140]
计算得到l》1.2mm。
[0141]
已知l≤1.06
×
10-8
h，d3＝3mm，d4＝d1 4mm＝32mm，μ2＝1.26
×
10-6
h/m；通过(17)式：
[0142]
[0143][0144][0145]
计算得到l≤5.9mm。
[0146]
综上所述，当d1＝28mm时，可以保证d-dot传感器的输出信号幅值，u2为1000v；当l∈(1.2，5.9mm]时，可以保证d-dot传感器的前沿响应满足要求，且测量信号不产生过冲和震荡，l参数最终的设计值可以选择为2～3mm为宜；优选地a1为1，b1为2.42，c1为0.44，d1为1，且a2为1，b2为1.21，c2为0.11，d2与e2均为0.5时，通过结构影响函数f(x1)和g(x2)，准确的阐述了d-dot传感器结构参数与电路参数的数值关系。
[0147]
采用上述方法还可获得电容耦合传感器。
[0148]
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书以及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。