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1、脉冲功率诊断,一、概述 二、脉冲电压测量 三、脉冲电流测量 四、光电诊断方法 五、其它参量测量,一、概述,脉冲电压和脉冲电流的诊断（测量）是脉冲功率电路中最基本的操作，通过测量可以较深入地了解回路的具体工作过程和参数。从而建造所需要的脉冲功率系统。除脉冲电压、脉冲电流的诊断外，基本L、R、C元件的测量也要采取特殊的处理，这就是要在器件的工作频率内测量LRC等参数，并考虑分布参数的影响,一、概述（续）,基本特征 一般的仪表受绝缘和功率容量的限制，不能直接测量高电压、大电流信号，而必须和能够耐高压和大电流的转换装置配合起来使用 测量高压和强流的装置，体积一般都比较大，容易受到电磁场的影响，并且脉冲
2、功率电路也经常产生各种不利于测量的电磁场，故此防干扰措施是必须的,一、概述（续）,基本特征 测量瞬态信号时，要求转换装置具有良好的脉冲响应 当波长与导体实际尺寸接近时(高频情况)，导体两端的电压并无太大意义。故此要根据实际情况来解释所得到的结果 课堂上只给出各种诊断方法的原理和应用思路，不讲具体计算和推导过程,二、脉冲电压测量,在脉冲电压的测量中，分压器是应用的最多的测量手段，有些情况与稳态电压的测量相同，但也有新的特点，如高频下需要考虑测量电路中各元件的配合出现的振荡或畸变,二、脉冲电压测量（续）,分压器的类型 1、电阻分压器 2、电容分压器 3、阻容分压器,1、电阻分压器,基本特点 结构简
3、单，由高阻金属丝或液体电阻组成 是高阻抗和低压仪表配合使用的基本方式 高阻抗承受高压作用，尺寸较大，易受各种因素的影响,1、电阻分压器（续1）,等效电路,1、电阻分压器（续2）,寄生电容、电感 寄生电容主要是对地的，这些电容起了分流的作用 特别是在使用液体电阻的情况下，寄生电容更大 寄生电容与电阻并联连接，寄生电感与电阻串联连接,1、电阻分压器（续3）,寄生电容的影响 分压器对地电容的存在，是误差的主要原因，电容的分流使得流过高压臂和低压臂的电流不等 寄生电感的影响 使回路中的电流不能突变，只能按指数规律上升，故低压臂输出电压也是按指数规律上升的,1、电阻分压器（续4）,平衡的分压器 图中的分
4、压器特地增加了Cs和Ls以补偿分布电容和串联分布电感对信号的畸变,1、电阻分压器（续5）,方波响应 电压上升时间：定义为输出电压从0.1到0.9峰值电压的时间 理想响应 实际情况 含有并联电容的分压器的上升时间可以推出为 tr = 0.23CgR,1、电阻分压器（续6）,减小测量误差的措施 采用多种补偿方法使初始电位分布接近稳态分布 采用不均匀电阻使得沿高度电位分布均匀 在不影响被测回路波形的情况下，分压器的电阻应尽可能小,1、电阻分压器（续7）,设计电阻分压器 选择电阻要求自感小，具有较高的功率容量 根据上升时间的要求，确定合适的阻值（因为分布电容难减小，故要减小电阻） tr = 0.23C
5、gR 同轴结构即可以减小电感，又有屏蔽的效果,1、电阻分压器（续8）,1、电阻分压器（续9）,举例：水电阻分压器 图中的水电阻分压器由于只使用了一个电阻，低压臂从中间引出，由于水的介电常数较高，这可以保证电场在电阻内非常接近于与柱平行，于是分布电容也恰好满足与电阻相同的分压比，不会对信号波形造成较大的畸变,1、电阻分压器（续10）,1、电阻分压器（续11）,低压臂与测量电路 实际上分压器低压臂既非高阻抗的一段，也不是理想的电阻（或电容），也有寄生参数，它的影响和高压臂的影响一样重要 对低压臂的要求主要有：与测量电缆的阻抗匹配，减小分布电感（因为其阻抗小，故对电感要求更高），良好屏蔽等,1、电阻
6、分压器（续12）,低压臂与测量电路（续1） 一个纯电阻分压器的例子（忽略各种寄生参数）。如果在示波器端使R0与传输线特征阻抗相同，则示波器端无波反射，低压臂的有效电阻为R2/R0，分压比增加,1、电阻分压器（续13）,低压臂与测量电路（续2） 也可以用串联匹配电阻Rm加在低压臂一端，使得RmR2Z0，这样在分压器一端与电缆是匹配的,1、电阻分压器（续14）,低压臂与测量电路（续3） 如果匹配不好，则要在电缆的两端形成反射，以上页图为例，电缆阻抗100，低压臂电阻50，示波器端可视作开路，可以得到如下图所示的输出,1、电阻分压器（续15）,分压器的标定 分压比的测量 根据实测电压的比值 根据高、
7、低压臂的阻抗 方波响应 当分压器的输入是一个方波，由于电容、电感的影响，分压器的输出是一个类似指数曲线上升的波形，波形的前沿越陡就越接近方波，说明分压器的性能越好，误差越小 频率响应 保持输入信号幅值不变，改变频率，测量分压器的输出，则可以画出频率响应曲线,1、电阻分压器（续16）,分压器的补偿 用分压器测量电压，所得到的电压值既有电阻性分量，也有电感性分量，即负载为纯电阻时，测到的电压大于负载上实际电压，并且频率越高，电感性分量越多 在测量回路中串入一个和主放电回路相耦合的互感线圈（套住导线），然后这个线圈一端接被测电压，另一端接分压器。如果这个线圈的接法满足其电感性电压与主回路中电感性电压
8、相位相反，则可以除去不需要的电感性电压分量,2、电容分压器,基本特点 纯电容分压器的分压比与频率无关 它是测量快速脉冲的理想分压器 用来测量比电阻分压器所能测的电压更高的电压 高压臂的电容较小，其绝缘强度应能承受全部被测电压,2、电容分压器（续1）,等效电路,2、电容分压器（续2）,电容分压器的测量方法,2、电容分压器（续3）,电容分压器的测量方法（续） 上图为末端匹配，RZ0，末端无反射 如果R在传输线前端，则为首端匹配 下图为首末两端匹配。C1C2CcC3，RZ0。分压比V1/V2=2（C1+C2）/C1,3、阻容分压器,电阻与电容并联 这种组合方式在低频时作为一个电阻分压器；在高频时作为
9、一个电容分压器 在低频和高频时，可能使用不同的分压比,3、阻容分压器（续1）,电阻与电容串联 存在相当大的寄生电感 高阻尼电容分压器 低阻尼电容分压器,三、脉冲电流测量,1、分流器 2、电流互感器 3、霍尔发生器,1、分流器,基本特点 电流流过无感电阻时产生电压降，由电压可以得到电流 优点是电路简单，缺点是有脉冲电流流过时，易造成干扰,1、分流器（续1）,测量电路 为不影响试验回路，分流器电阻Rf应该比试验回路的电阻小得多，图中电路采用在示波器边匹配，如果仅是电阻的作用，则ab间电压波形与回路电流波形相同,1、分流器（续2）,测量误差的主要来源 分布电感，存在电感时间常数，并使得测出的波形在真
10、实峰值之前凸起，峰值之后下凹,1、分流器（续4）,误差的主要来源（续1）,1、分流器（续5）,测量误差的主要来源（续2） 接头电阻 电压引线的感应电势：电阻体产生的磁场在电压引线上感应电势，故需要合理布置引线 趋肤效应：使电流分布不均匀，故测量电阻时就应该在工作频段内测量,2、电流互感器,基本特点 测量互感器次级的输出以得到电流，这类互感器多不带铁心，带铁心时要防止饱和 优点是没有与大电流设备的直接接触，缺点是电路比较复杂,2、电流互感器（续1）,Rogovsky线圈的工作原理 测量线圈的感应电势u2，M为互感系数，测量的是电流的微分，需要积分器,2、电流互感器（续2）,Rogovsky线圈的
11、工作原理（续） 对于下图的情形，可以估算出互感系数M,2、电流互感器（续3）,Rogovsky线圈的测量电路 自积分法（电流变压器）：在线圈的出口接一小电阻，流过此电阻的压降和i1成正比。该方法应使线圈电感大，电阻小，且电流变化越快结果越真实,2、电流互感器（续4）,Rogovsky线圈的测量电路（续） 外积分回路：利用电容器积分回路。需要R较大，从而线圈上分压很小，且um也只占副边回路较小电压，其值越小，结果越准确,2、电流互感器（续5）,Rogovsky线圈的实际结构及注意问题 为避免线圈引线出口处分叉，常把一端穿入线圈内部，从另一端引出 线圈之外要加屏蔽，防止不必要的电容耦合，因为快速变
12、化磁场总和快变电场联系，故此屏蔽要延伸到整个电缆，并在示波器处接地。为避免屏蔽短路，应留有小缝 可以采用交叉反绕方法，误差由两方面的绕组相互补偿。这是一种低感结构，适合外积分电路,2、电流互感器（续6）,Rogovsky线圈的实际结构及注意问题,2、电流互感器（续7）,磁场探针 通过测量电流的磁场来得到电流，也是微分信号di/dt，需要积分 通过在不同位置放置探针可以测量束流的偏心情况（测量两个探针的差值，这两个探针环绕方向相反）,3、霍尔发生器,霍尔效应 如果与磁场垂直的导体通过电流，则罗伦茨力会使电子在垂直于电流和磁场的方向上偏移，从而产生霍尔电压。 霍尔电压与电流I和磁感应强度B的乘积成
13、正比，与金属板的厚度d成反比。,3、霍尔发生器（续）,霍尔发生器 用一个具有空气隙的铁芯包围一根载流导体，这个气隙内便会产生与导体中电流成正比的磁场。如果把一个霍尔探头放在空气隙中，并有一恒定电流流过探头，探头中产生的霍尔电压就与磁场即导体中的电流成正比。利用该原理可以制造出测量电流的霍尔发生器。 霍尔发生器与流过的被测电流间无电气联系,四、光电诊断方法,基于电场、磁场对材料的光学特性的影响，制成光电传感器。优点主要有：抗电磁干扰、响应较快、带宽广、安全,四、光电诊断方法（续）,1、Faraday 旋光效应 2、Pockels 效应 3、Kerr 效应,1、Faraday 旋光效应,也称“磁光
14、效应”，偏振光通过某些磁场中的透光物质（铅玻璃、硫化锌、钇铁石榴石等）时，偏振面要发生旋转，旋转角度与磁场成正比。故可以利用这个效应来测量磁场，或者测量电流,2、Pockels 效应,在电场中某些晶体的光折射率要发生变化，实际上是分子的取向受电场的影响，有下面的规律 (no-ne) = pE 几乎没有延迟时间，频响可达2GHz以上,3、Kerr 效应,与Pockels效应类似，但是遵循的是平方的规律 no-ne = KE2,五、其它参量测量,脉冲功率装置中其它需要诊断的量一般有：功率，能量，粒子束能散度、亮度等等。它们一般可以从电流、电压测量结果推出，但也有专用的诊断手段,五、其它参量测量,能量计 与Faraday筒工作原理类似，只不过这里重点在于热作用 电子束的动能被石墨吸收，转化成热能，导致吸收体温度升高，如果比热已知，则通过测量温度差异（如使用热电耦）可以得到粒子束的总能量损失,作业,为什么电容分压器能测量的电压比电阻分压器的高？（两个以上的理由）,
