CN103105540A - 灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头 - Google Patents

灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头 Download PDF

Info

Publication number
CN103105540A
CN103105540A CN2013100315420A CN201310031542A CN103105540A CN 103105540 A CN103105540 A CN 103105540A CN 2013100315420 A CN2013100315420 A CN 2013100315420A CN 201310031542 A CN201310031542 A CN 201310031542A CN 103105540 A CN103105540 A CN 103105540A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensitivity
coaxial line
probe
nonflexible
voltage pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2013100315420A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103105540B (zh
Inventor
石立华
马如坡
张祥
周颖慧
张辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PLA University of Science and Technology
Original Assignee
PLA University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PLA University of Science and Technology filed Critical PLA University of Science and Technology
Priority to CN201310031542.0A priority Critical patent/CN103105540B/zh
Publication of CN103105540A publication Critical patent/CN103105540A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103105540B publication Critical patent/CN103105540B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Leads Or Probes (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

本发明提供了一种灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头，包括信号输入/输出连接头（1）、绝缘支撑垫圈（2）、刚性同轴线、探针形电场传感器（6）、灵敏度调节螺母（7）、套件（8）、灵敏度标尺（9）、灵敏度指示线（10）和电场耦合输出连接头（11）。本发明具有如下技效果：1.满足GTEM室测试校准时从输入端获取信号的需要，可用于上升时间≤2.8ns的瞬变脉冲场测试校准；2.可根据瞬变脉冲的测量量程需要，通过灵敏度调节螺母选择灵敏度系数；3.信号输入/输出连接头和电场耦合输出连接头的端口特性阻抗为50Ω，便于与50Ω测试系统匹配连接；4.探针形电场传感器对被测场扰动较小，且结构简单，便于制作。

Description

灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头
技术领域
本发明涉及一种灵敏度系数可调的同轴脉冲电压测试装置，属于脉冲电场传感器技术领域。
背景技术
瞬变电磁脉冲前沿快、频谱宽，对电子电气设备与系统具有较大的威胁。研究瞬变电磁脉冲的干扰破坏机理及有效防护方法必须对瞬变电磁脉冲场进行准确有效的测试。
IEEE关于9kHz~40GHz电磁场传感器校准标准中，对于GHz以上瞬变脉冲场的测试推荐采用GTEM室。利用GTEM室测试校准瞬变脉冲场时，校准信号的获取有输入端获取、负载端获取和信号源断开获取三种方式。当从负载端获取信号时，得到的信号受场传输距离和负载扰动影响较大。把脉冲源断开后直接获取信号时，对脉冲源和场产生装置的稳定性和重复性要求较高。而从输入端获取校准信号时，得到的信号受系统干扰较小，测试精度较高，但目前现有的脉冲探头难以满足此需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，针对GTEM室测试校准系统中从输入端获取校准信号的需求,提供一种灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头。
本发明的灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头，包括信号输入/输出连接头（1）、绝缘支撑垫圈（2）、刚性同轴线、探针形电场传感器（6）、灵敏度调节螺母（7）、套件（8）、灵敏度标尺（9）、灵敏度指示线（10）和电场耦合输出连接头（11），所述的刚性同轴线由刚性同轴线内导体（3）、刚性同轴线外导体（4）、刚性同轴线内外导体间填充介质（5）组成，所述的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）位于探头的端口，所述的绝缘支撑垫圈（2）位于信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）内侧，所述的刚性同轴线内导体（3）固定在刚性同轴线外导体（4）内侧，所述的探针形电场传感器（6）固定在灵敏度调节螺母（7）的内侧，所述的套件（8）固定在灵敏度调节螺母（7）的外侧，所述的灵敏度标尺（9）设在套件（8）中间透明部位的两侧，所述的灵敏度指示线（10）设在灵敏度调节螺母（7）上对应灵敏度标尺（9）位置。
所述的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）的外部接口均为螺纹结构,所说的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）的端口特性阻抗为50Ω。
所述的刚性同轴线内导体（3）的外径为3 mm，所述的刚性同轴线外导体（4）的内径为7 mm，所述的刚性同轴线内外导体间填充介质（5）为空气，所述的刚性同轴线的特性阻抗为50Ω。
所说的灵敏度标尺（9）上标识有灵敏度参数，标识的灵敏度参数为电场传感器顶端到内导体中心的距离，在标定的灵敏度系数曲线上不同距离对应着不同的灵敏度系数；所说的灵敏度调节螺母（7）用于选择灵敏度系数；所述的灵敏度指示线（10）用于指示灵敏度参数。
本发明的原理是：被测瞬变脉冲在刚性同轴线内外导体间形成电磁场，内外导体间的电场传感器在电磁场中产生感应电压，并通过耦合端口输出到接收设备。刚性同轴线内外导体间的电场分布符合方程式（1）
Figure 967632DEST_PATH_IMAGE001
式（1）中，
Figure 884773DEST_PATH_IMAGE003
为注入到刚性同轴线的瞬变脉冲电压，
Figure 195669DEST_PATH_IMAGE005
为刚性同轴线截面上内外导体间某点到中心的距离，为距离中心
Figure 653195DEST_PATH_IMAGE008
处的径向电场，
Figure 541603DEST_PATH_IMAGE010
为刚性同轴线外导体内径，
Figure 895223DEST_PATH_IMAGE012
为刚性同轴线内导体外径。通过调节电场传感器顶端到刚性同轴线中心的距离，可以耦合输出不同的电压值，即改变了脉冲探头的灵敏度系数。
瞬变脉冲电场传感器通常采用电小天线作为接收单元，这样可以保证信号在天线中传播时间远远小于信号前沿上升时间，从而保持瞬变脉冲原有波形。通常，在无线电测试领域，电小天线形状主要有球形、倒锥形和圆柱形等。经过仿真计算和试验发现，电小天线尺寸较小时，其形状对电场耦合输出端口的特性阻抗基本没影响。对比不同的电小天线，探针形天线的尺寸较小，对刚性同轴线内外导体间电磁场的扰动很小。而且，探针形电场传感器，结构简单，便于制作。因此，本发明的电场传感器优选探针形结构。
本发明的灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头，具有如下效果：
1、满足GTEM室测试校准时从输入端获取信号的需要， 可用于上升时间≤2.8 ns的瞬变脉冲场测试校准；
2、可根据瞬变脉冲的测量量程需要，通过灵敏度调节螺母选择灵敏度系数；
3、信号输入/输出连接头和电场耦合输出连接头的端口特性阻抗为50Ω，便于与50Ω测试系统匹配连接；
4、探针形电场传感器对被测场扰动较小，且结构简单，便于制作。
附图说明
图1为本发明的灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头在GTEM室测试校准系统中连接示意图。
图2为本发明的灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头结构图。
图3为本发明在方波脉冲激励下测得波形图。
图4为本发明在双指数脉冲激励下测得波形图。
图5为本发明标定的灵敏度系数随电场传感器顶端到内导体中心距离变化的曲线图。
其中，1为信号输入/输出连接头，2为绝缘支撑垫圈、3为刚性同轴线内导体， 4为刚性同轴线外导体，5为刚性同轴线内外导体间填充的介质，6为探针形电场传感器，7为灵敏度调节螺母，8为套件，9为灵敏度标尺，10为灵敏度指示线，11为电场耦合输出连接头，12为高压脉冲源，13为GTEM室输入端，14为数字存储示波器。
具体实施方式
现结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，在GTEM室测试校准系统中，本发明的同轴高压脉冲探头的信号输入/输出连接头（1）分别与高压脉冲源（12）和GTEM室输入端（13）相连，电场耦合输出连接头（11）接入数字存储示波器（14）。
如图2所示，本发明的灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头，包括信号输入/输出连接头（1）、绝缘支撑垫圈（2）、刚性同轴线、探针形电场传感器（6）、灵敏度调节螺母（7）、套件（8）、灵敏度标尺（9）、灵敏度指示线（10）和电场耦合输出连接头（11），所述的刚性同轴线由刚性同轴线内导体（3）、刚性同轴线外导体（4）、刚性同轴线内外导体间填充介质（5）组成，所述的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）位于探头的端口，所述的绝缘支撑垫圈（2）位于信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）内侧，所述的刚性同轴线内导体（3）固定在刚性同轴线外导体（4）内侧，所述的探针形电场传感器（6）固定在灵敏度调节螺母（7）的内侧，所述的套件（8）固定在灵敏度调节螺母（7）的外侧，所述的灵敏度标尺（9）设在套件（8）中间透明部位的两侧，所述的灵敏度指示线（10）设在灵敏度调节螺母（7）上对应灵敏度标尺（9）位置。
所述的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）的外部接口均为螺纹结构,所说的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）的端口特性阻抗为50Ω。
所说的灵敏度标尺（9）上标识有灵敏度参数，标识的灵敏度参数为电场传感器顶端到内导体中心的距离，在标定的灵敏度系数曲线上不同距离对应着不同的灵敏度系数；所说的灵敏度调节螺母（7）用于选择灵敏度系数；所述的灵敏度指示线（10）用于指示灵敏度参数。
本发明的灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头，通过电场传感器在刚性同轴线内外导体间的瞬变脉冲场中获得感应电压。刚性同轴线内外导体间的电场分布与距离刚性同轴线中心的位置有关，灵敏度调节螺母可以改变电场传感器到刚性同轴线中心的距离，以满足不同的测量量程需要。刚性同轴线内外导体间的电场分布符合方程式（2）
 
Figure 2013100315420100002DEST_PATH_IMAGE013
式（2）中，
Figure 693415DEST_PATH_IMAGE003
为注入到刚性同轴线的瞬变脉冲电压，
Figure 423474DEST_PATH_IMAGE005
为刚性同轴线截面上内外导体间某点到中心的距离，为距离中心
Figure 148033DEST_PATH_IMAGE008
处的径向电场，为刚性同轴线外导体内径，
Figure 701691DEST_PATH_IMAGE012
为刚性同轴线内导体外径。
瞬变脉冲电场传感器通常采用电小天线作为接收单元，这样可以保证信号在天线中传播时间远远小于信号前沿上升时间，从而保持瞬变脉冲原有波形。通常，在无线电测试领域，电小天线形状主要有球形、倒锥形和圆柱形等。经过仿真计算和试验发现，电小天线尺寸较小时，其形状对电场耦合输出端口的特性阻抗基本没影响。对比不同的电小天线，探针形天线的尺寸较小，对刚性同轴线内外导体间电磁场的扰动很小。而且，探针形天线的结构简单，便于制作。因此，本发明的电场传感器优选探针形结构。
本发明为保持刚性同轴线以及连接头特性阻抗匹配，每一横截面上的特性阻抗要保持一致。刚性同轴线特性阻抗根据式（3）进行设计
Figure 287394DEST_PATH_IMAGE016
式（3）中，为刚性同轴线外导体内径，
Figure 21180DEST_PATH_IMAGE012
为刚性同轴线内导体外径，
Figure 827462DEST_PATH_IMAGE018
为内外导体间填充介质的相对介电常数。根据同轴线特性阻抗公式，本发明的刚性同轴线内导体外径3 mm，外导体内径7 mm，介质为空气，特性阻抗为50Ω，方便与其他50Ω测试设备连接。
本发明的信号输入/输出连接头和电场耦合输出连接头的外部接口均为螺纹结构，与其他测试设备或仪器连接时，具有可靠的机械性能和电气性能。
本发明的刚性同轴线内导体和探针采用铍青铜，连接头和外导体采用黄铜，绝缘支撑垫圈采用聚四氟乙烯材料，套件采用聚丙烯材料。
本发明的电场传感器顶部距离内导体中心距离约2.5 mm时，在方波和双指数波激励下测得波形如图3和图4所示。图3中横坐标每格26.3 ns，1纵坐标每格1 V，2纵坐标每格400 mV；图4中横坐标每格42.3 ns，1纵坐标每格1V，2纵坐标每格400 mV。图3中1为方波激励信号，2为脉冲探头测得微分信号积分后波形，波形前沿上升时间约2.5 ns，脉宽103.8 ns；图4中1为双指数激励信号，2为脉冲探头测得微分信号积分后波形，波形前沿上升时间约2.8 ns，脉宽约20.5 ns。从试验波形可以看出，灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头能很好地还原激励信号波形。
本发明标定的灵敏度系数随电场传感器顶端到内导体中心距离变化的曲线如图5所示，电场传感器顶端到内导体中心距离即灵敏度参数范围为1.6-3.5 mm，对应的灵敏度系数范围为6.77-1.49 mV/V。根据测量量程需要，通过灵敏度调节螺母选择不同的灵敏度参数，可对照该曲线得到相应的灵敏度系数。

Claims (3)

1.灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头，其特征在于，包括信号输入/输出连接头（1）、绝缘支撑垫圈（2）、刚性同轴线、探针形电场传感器（6）、灵敏度调节螺母（7）、套件（8）、灵敏度标尺（9）、灵敏度指示线（10）和电场耦合输出连接头（11），所述的刚性同轴线由刚性同轴线内导体（3）、刚性同轴线外导体（4）、刚性同轴线内外导体间填充介质（5）组成，所述的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）位于探头的端口，所述的绝缘支撑垫圈（2）位于信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）内侧，所述的刚性同轴线内导体（3）固定在刚性同轴线外导体（4）内侧，所述的探针形电场传感器（6）固定在灵敏度调节螺母（7）的内侧，所述的套件（8）固定在灵敏度调节螺母（7）的外侧，所述的灵敏度标尺（9）设在套件（8）中间透明部位的两侧，所述的灵敏度指示线（10）设在灵敏度调节螺母（7）上对应灵敏度标尺（9）位置，所说的灵敏度标尺（9）上标识有灵敏度参数。
2.根据权利要求1所述的灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头，其特征在于，所述的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）的外部接口均为螺纹结构,所说的信号输入/输出连接头（1）和电场耦合输出连接头（11）的端口特性阻抗为50Ω。
3.根据权利要求1所述的灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头，其特征在于，所述的刚性同轴线内导体（3）的外径为3 mm，所述的刚性同轴线外导体（4）的内径为7 mm，所述的刚性同轴线内外导体间填充介质（5）为空气，所述的刚性同轴线的特性阻抗为50Ω。
CN201310031542.0A 2013-01-28 2013-01-28 灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头 Active CN103105540B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310031542.0A CN103105540B (zh) 2013-01-28 2013-01-28 灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310031542.0A CN103105540B (zh) 2013-01-28 2013-01-28 灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103105540A true CN103105540A (zh) 2013-05-15
CN103105540B CN103105540B (zh) 2014-12-31

Family

ID=48313545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310031542.0A Active CN103105540B (zh) 2013-01-28 2013-01-28 灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103105540B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105406244A (zh) * 2015-10-29 2016-03-16 中国舰船研究设计中心 一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器及设计方法
CN108982978A (zh) * 2018-08-02 2018-12-11 卢小丽 具有灵敏度系数自校准与电源管理功能的脉冲电场探测器及使用方法
CN113740572A (zh) * 2021-08-13 2021-12-03 西安交通大学 一种用于hemp短脉冲电流源间接注入的感性耦合器
CN115629231A (zh) * 2022-10-18 2023-01-20 中国人民解放军陆军工程大学 一种强电磁脉冲耦合多参数测量装置及方法
CN117214548A (zh) * 2023-09-08 2023-12-12 之江实验室 电场传感探头

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU842604A1 (ru) * 1979-03-11 1981-06-30 Предприятие П/Я Р-6324 Зонд дл измерени потенциалаиМпульСНОгО элЕКТРичЕСКОгО пОл
CN2099980U (zh) * 1991-06-22 1992-03-25 西安交通大学 特快响应强流测量器
CN1218555A (zh) * 1996-03-15 1999-06-02 Abb研究有限公司 利用脉冲电声法测量电缆中空间电荷的方法和装置
CN1877348A (zh) * 2006-07-10 2006-12-13 中国舰船研究设计中心 瞬变强电磁脉冲测试装置
CN101498748A (zh) * 2009-03-20 2009-08-05 中国舰船研究设计中心 一种同轴脉冲电压测试装置
CN101871975A (zh) * 2010-06-21 2010-10-27 中国人民解放军理工大学 电缆转移阻抗时域测试系统及测试方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU842604A1 (ru) * 1979-03-11 1981-06-30 Предприятие П/Я Р-6324 Зонд дл измерени потенциалаиМпульСНОгО элЕКТРичЕСКОгО пОл
CN2099980U (zh) * 1991-06-22 1992-03-25 西安交通大学 特快响应强流测量器
CN1218555A (zh) * 1996-03-15 1999-06-02 Abb研究有限公司 利用脉冲电声法测量电缆中空间电荷的方法和装置
CN1877348A (zh) * 2006-07-10 2006-12-13 中国舰船研究设计中心 瞬变强电磁脉冲测试装置
CN101498748A (zh) * 2009-03-20 2009-08-05 中国舰船研究设计中心 一种同轴脉冲电压测试装置
CN101871975A (zh) * 2010-06-21 2010-10-27 中国人民解放军理工大学 电缆转移阻抗时域测试系统及测试方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
THOMAS WEBER ET AL.: "Measurement Techniques for Conducted HPEM Signal", 《IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY》 *
石立华等: "脉冲磁场传感器的时域标定", 《计量学报》 *
谭辉等: "同轴脉冲探头的校准与测试探讨", 《舰船科学技术》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105406244A (zh) * 2015-10-29 2016-03-16 中国舰船研究设计中心 一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器及设计方法
CN105406244B (zh) * 2015-10-29 2018-01-12 中国舰船研究设计中心 一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器及设计方法
CN108982978A (zh) * 2018-08-02 2018-12-11 卢小丽 具有灵敏度系数自校准与电源管理功能的脉冲电场探测器及使用方法
CN113740572A (zh) * 2021-08-13 2021-12-03 西安交通大学 一种用于hemp短脉冲电流源间接注入的感性耦合器
CN115629231A (zh) * 2022-10-18 2023-01-20 中国人民解放军陆军工程大学 一种强电磁脉冲耦合多参数测量装置及方法
CN117214548A (zh) * 2023-09-08 2023-12-12 之江实验室 电场传感探头
CN117214548B (zh) * 2023-09-08 2024-04-05 之江实验室 电场传感探头

Also Published As

Publication number Publication date
CN103105540B (zh) 2014-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103105540B (zh) 灵敏度系数可调同轴高压脉冲探头
CN105467235A (zh) 电磁辐射对线缆干扰的测试方法及装置
CN104569888A (zh) 一种利用微带线法校准近场探头修正因子的系统及方法
Siegel et al. Characterization of UHF PD sensors for power transformers using an oil-filled GTEM cell
CN104316780A (zh) 用于电磁脉冲测量的电场传感器
Mier et al. Design and characterization of a magnetic loop antenna for partial discharge measurements in gas insulated substations
CN205263204U (zh) 瞬态电场传感器
CN109633273B (zh) 一种用于开孔式负载阻抗测试系统及其方法
CN204166055U (zh) 用于电磁脉冲测量的电场传感器
CN113125857A (zh) 一种基于开路同轴线的吸波材料介电参数测量与反演方法
CN104950184B (zh) 固体及粉末材料的宽频带变温介电常数测试系统
Gautschi et al. Calibration of UHF sensors for GIS: Comparison of different methods and testing of a calibration system based on a conical antenna
CN104678339B (zh) 一种用于探针式微波电压测量系统的校准装置、系统及方法
Judd et al. UHF couplers for GIS-sensitivity and specification
Lee et al. Study of dual open ended coaxial sensor system for calculation of phase using two magnitudes
Judd et al. UHF PD sensor characterisation using GTEM cells
CN204832088U (zh) 一种基于驻波率原理的快速测量湿型砂含水量的装置
CN203930030U (zh) 瞬态磁场微分传感器
CN110673076B (zh) 脉冲电场测量系统的频率响应标定装置及方法
Kang et al. Experimental validation of removal of sharp ends in sinuous antenna arms
Sakharov et al. Microstrip transducer for UWB EMP characterization
Jiang et al. Design and experiment of broadband electric field sensor for high-power sub-nanosecond pulse measurements
Wang et al. Research on resistive loading method of monocone antenna
CN103543316A (zh) 变压器绕组的暂态电压测量系统与方法
US20140379286A1 (en) Method for estimating pcb radiated emissions

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant