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1、毕业论文(设计) 题 目 电磁脉冲测量用电阻分压器的设计 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 X年 X 月 X 日29目 录引言11 电磁脉冲测量技术简介11.1 常用测量方法11.1.1 测量球隙法11.1.2 分压器与数字存储示波器21.1.3 D/I与示波器法21.1.4 光电测量系统31.2 国内外研究现状32 基于电阻分压器的电磁脉冲测量系统的性能分析42.1 测量系统的动态性能要求42.1.1 测量系统的构成42.1.2 测量系统的动态响应要求52.2 电阻分压器的性能影响因素分析62.3 测量系统的影响因素仿真分析82.3.1 阻抗匹配82.3.2 测量电缆对测量的影响1
2、12.4 脉冲电阻分压器的补偿方法142.4.1 电感补偿142.4.2 供给式补偿152.4.3 收集式补偿162.4.4 综合补偿183 脉冲电阻分压器的设计193.1 电阻分压器原理及分析193.2 电阻分压器的设计203.2.1 电阻分压器中参数的选取以及分压比的计算203.2.2 电阻分压器的结构优化213.2.3 电阻分压器的阶跃响应及其仿真224 电阻分压器性能试验255 结束语27ABSTRACT29电磁脉冲测量用电阻分压器的设计摘要：介绍了电磁脉冲测量的基本方法，理论和仿真分析了电阻分压器及测量系统的性能影响因素，包括对地分布电容、固有电感、阻抗匹配、测量电缆等。分析了分压器
3、性能补偿的4种方法，包括电感补偿、供给式补偿、收集式补偿和综合补偿。设计了一种测量高压脉冲的电阻分压器，分压比为4982，并选用综合补偿对其进行结构优化。对设计的分压器进行试验分析。关键词：电磁脉冲测量；分压器；性能分析；补偿引言在受控核聚变、强流电子加速、高功率微波和自由电子激光等高科技领域中, 脉冲高电压的测量存在诸多的难点。其一般测量方法有：测量球隙法、微分积分环节与存储示波器组成的测量系统、光电测量系统、分压器与数字存储示波器组成的测量系统。测量球隙法只能测量电压峰值，并不能测量电压波形，而且容易受温度、湿度、大气压力的影响，而且准确率较低，故目前很少用。微分积分环节与存储示波器组成的
4、测量系统对微分环节的电阻无感要求很高，对积分器的要求也很高。光电测量系统的稳定性较差。分压器与数字存储示波器组成的测量系统中的脉冲分压器分为电阻型、电容型和阻容型3种，其中电阻分压器内部电阻理论上是纯电阻，结构简单，使用方便，被广泛使用。分压器的性能好坏直接影响系统整体性能的好坏，因此，研究电阻分压器的性能改善以及对测量的影响具有重要的现实意义。1 电磁脉冲测量技术简介1.1 常用测量方法一般测量方法有：测量球隙法、分压器与数字存储示波器组成的测量系统、微分积分环节与存储示波器组成的测量系统、光电测量系统。1.1.1 测量球隙法测量球隙法自20世纪初已经开始研究和应用。测量原理是利用球间隙放电
5、来测量高电压。测量装置主要包括两个相同直径的金属球极及球杆、操作机构、绝缘支持物以及连接到被测电压处的引线。测量球隙是一对直径相同的金属球，金属球一般用紫铜或黄铜制造，球面要光滑，曲率要均匀。两个球极之间的距离成为球隙(S)，两个球极相距最近的点称为放电点。当球隙发生放电时，不一定正好发生在球极放电处，而可能发生在放电点附近的地方，这块地方叫做放电点区域。在这个区域内，特别要求精密加工，表面光洁，对表面不规则度提出严格要求。在一定的大气状况下,两球间隙有一比较固定的放电电压。由此可用来测量一个未知高电压的峰值。GB311.6-83等标准规定了球隙的放电电压及试验标准所推荐的球隙放电电压表的数值
6、，这些数值是事先经过许多国家用实验方法获得的。若测量时的空气状态不同于标准状态，需要根据当时的气压气温加以校正1。测量球的直径从2厘米到2米甚至3米,可测峰值电压范围从2千伏到高于2000千伏。球隙的布置有垂直和水平两种。图1-1所示为垂直布置的状况。GB311.6-83对各种尺寸，如图中的A、B距离及球的表面状态，使用方法等，都有具体技术规定。S/D0.5条件下，测量交流电压及冲击电压的误差为3；测量直流高压时,由于灰尘、纤维等杂质影响特别严重，测量误差较大，S/D0.5时，误差为5。 测量球隙可用于交流电压、正负极性的标准雷电全波冲击电压、长波尾冲击电压及直流电压等高电压的测量。近年来，各
7、国研究采用棒间隙来测量直流高压，它可减小放电分散性和测量误差。 测量球隙法只能测量电压峰值，并不能测量电压波形，并且容易受温度、湿度、大气压力的影响，并且准确率较低，故目前很少用。1- 绝缘支撑；2-球杆；3-示出最大尺寸的操作机构；4-具有串联电阻的高压连接线；5-示出最大尺寸2- 的均压器；P-高压球的放电点；A-在地平面上的P点的高度；B-没有其他物件的空间半径；X-具有3- 串联电阻的高压连接线，从P点算起不应穿过距离B内的平面图1-1 测量球隙图1.1.2 分压器与数字存储示波器电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行
8、测量。但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量。在20世纪80年代末期，发达国家已大量采用通用的数字存储示波器（或数字记录仪）取代传统的高压示波器和峰值电压表。现在我国也大多采用了数字存储示波器，传统的仪器也趋于淘汰。由于这些仪器是通用性的，电磁兼容特性较弱，除了必须远离高压试区外，还应把它放置在屏蔽室或屏蔽箱中使用，而且要采取其他严密的防干扰及反击措施，否则有可能在放电试验时，把弱电的元件打坏。为了消除记录仪器与高压试区间的强电场和电磁干扰及安全事故，须采取几十米长的射频同轴电缆，从分压器下端把电压信号引至记录仪器。同
9、轴电缆的外层屏蔽层良好接地，可以屏蔽静电场，防止静电场对内导体的作用。1.1.3 D/I与示波器法随着数字化的不断发展，20世纪80年代初，微分积分测量系统（简称D/I系统）开始兴起，该系统的优点是：对高压源的负荷效应极小，具有足够高的响应特性。缺点是：当微分环节的电容值很小时，往往静态分压比的测量误差较大；对微分环节的电阻的无感要求很高；当被测脉冲上升沿很陡时，微分环节的电阻上会出现极高的尖峰脉冲电压。对积分器的要求高，对微分部分的电阻的无感要求也比一般电阻分压器的高得多。1.1.4 光电测量系统光电测量系统是一种利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统。在高电压技术颂域内，可用它进行高电
10、压、大电流、电场强度以及其他参量的测量。在此系统中，利用光纤传输线路良好的绝缘性能，可把高电压设备、试品与高灵敏度的测量仪器（如数字存储示波器）及什算机隔离开来。除了可以提高测量仪器及工作人员的安全性外，还可减弱射频干扰和杂散寄生信号对测量回路的影晌。但与传统的高压分压器或分流器为主的测量系统相比，光电测量系统的稳定性较差。光电测量系统常有四种调制方式：幅度、光强度调制（AM、IM）；调频、光强度调制（FMI）；数字脉冲调制；利用电光效应的外调制。20世纪70年代初，在日本已研制成一种光电式分压器。它的电光变换器采用发光二极管LED直接把电信号转换为光信号。 FMI调制方式是利用压控振荡器的输
11、出频率随调制信号的大小发生线性变化的原理来传递信息。频率调制比幅度调制具有更高的抗干扰能力。它可以克服光源非线性和温度变化所造成的不利影响2。数字脉冲调制是采用脉冲电码的一种调制方式。通过电码传送模拟信号各个采样的量化值。利用电光效应调制光波的方式测量高电压这种调制方式应用得较多的一种电光效应是泡克尔效应。有一些晶体物质如钥酸钾、硅酸钒BSO及水晶等具有泡克尔效应。在对这些晶体的y方向施加电场的条件下，当它的z方向的另一个端面射进圆偏振光时，在元件内互相垂直的偏振光方向上发生了折射率差，其结果使偏振光之间的相位差发生变化，由于干涉，输出的光强与施加的电压呈一定函数关系。根据电光效应的原理，可制
12、成电光调制器，用它来测量电场强度或电压来传递信息的。其中常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。在分压器和存储示波器组成的测量系统中，分压器作为一转换装置，和测量系统的高压引线、输出电缆、示波器等各部件的阻抗失配，可能引起反射、振荡及初始分压比和稳态分压比产生差异。对测量系统影响严重。因此有关分压器的研究也成了当今研究的热点。应用已有的理论和技术研制纳秒级高压脉冲测量电阻分压器，有针对性的分析分压器的性能影响因素，探索提高电阻分压器性能的可能途径，研究相关的脉冲测量技术，并进行适当的应用研究，不仅是纳秒脉冲测量技术的
13、要求，而且是电磁武器技术发展的需要，更有利于促进相关技术的发展。研制过程中，相应的仿真数据、实验结论和论文资料对以后分压器的设计制造也具有非常重要的意义。1.2 国内外研究现状纳秒级高电压脉冲是极快速的变化过程，其测量存在着诸多值得研究和重视的问题。其一，被测脉冲前沿快。通常要求纳秒级高电压脉冲测量系统的上升时间为亚纳秒到十纳秒范围。对于这样的上升时间要求，即使测量系统中存在很微小的杂散参数或不连续性，都可能对测量结果产生显著的影响。其二，被测脉冲幅值高。电压幅值通常从几十千伏到兆伏级。因此被测电压在测量系统中的衰减倍数为104量级，分压器的衰减倍数一般应达103量级，这样的衰减倍数一级分压器
14、较难做到，二级分压器的响应可能也不理想，设计难度较大。其三，快脉冲情况下的电磁干扰严重。由于脉冲前沿快，相应的短波长成分能量大，空间电磁干扰强。其四，测量系统内部各组成部分间的阻抗匹配与否，对测量结果的影响突出。测量脉冲高电压的常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行测量。但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量。脉冲分压器可分为电阻分压器
15、、电容分压器和阻容串联分压器。电阻分压器结构简单，测量精度较高，长期稳定性较好。但为追求高响应性能，它的阻值不能太高，一般不能大于10k，因而为防止过热，被测峰值电压不能高于2MV。电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积相关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能。电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦，对测量波前和半峰值时间较长的脉冲波，其比电阻分压器较为有利。由于存在回路杂散振荡问题，对测量陡波脉冲而言，其额定电压也不能太高。又当存在高压引线时，其响应特性不如电阻分压器好。为了阻尼电容分压器回路的振荡，发展了阻容串联分压器，其性能与补偿度和阻
