CN104849688A - 脉冲电场测量系统信号注入标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲电场测量系统小信号注入标定方法，包括下列步骤：(1)在电场天线前串接一只电阻；(2)在电阻前端注入正弦波小信号，测量注入到电阻前端、天线端和测量系统输出端的信号幅度；(3)计算测量系统的电压传输系数；(4)计算测量系统的输入电容；(5)测量天线的有效长度和半径，计算等效电容；(6)由天线的长度和等效电容，以及测量系统的输入电容和电压传输系数计算脉冲电场测量系统的测量系数。本发明的方法使得脉冲电场测量系统的标定成本非常低廉，操作方便，避免了标定人员受到脉冲电场照射和触电风险，确保人身安全。

Description

脉冲电场测量系统信号注入标定方法

技术领域

本发明属于脉冲电场测量领域，尤其涉及脉冲电场测量系统的测量系数标定方法。

背景技术

随着电子技术的发展，电磁兼容问题在各行各业彰显重要。雷电电磁脉冲(LEMP)和各种脉冲放电过程等都涉及到脉冲电场的测量。脉冲电场测量可以由光纤传感器测量脉冲电场，但光纤传感器太复杂，成本高，使用不方便。常用的成本低、使用方便脉冲电场测量是用电小电场天线杆作传感器测量脉冲电场，信号传输使用电缆或光纤传输系统来完成。

脉冲电场测量系统测量到的往往是电压信号，需要乘上一个电场测量系数才能得到以电场单位（V/m）为量纲的电场信号。这个电场测量系数需要标定才能确定。一般的标定方法是研制（或购买）一套已知的标准脉冲电场信号源，用于产生标准的脉冲电场，用被标定的脉冲电场测量系统来测量这个标准电场，将其测量值与标准值进行比对，就可得到电场测量系数。产生标准脉冲电场的电场源体积庞大，成本非常高，操作复杂，使用不方便。[参考文献1]和[参考文献2]都在有界波电磁脉冲模拟器或TEM室中进行脉冲电场测量装置的标定。脉冲电场测量系统有一定的体积，放到标准的脉冲电场源中会对其产生的标准脉冲电场造成扰动，产生标定误差。脉冲电场源往往是高电压设备，使用这些设备有一定的触电风险。脉冲电场对人体照射会产生一些生物效应，因此经常使用脉冲电场源会影响操作人员的身体健康。

[参考文献1]陈竞，石立华，李炎新，高成．光纤传输脉冲电场传感器的时域校准．安全与电磁兼容，2006, (6)：86-88。

[参考文献2]司荣仁，石立华，陈锐，李炎新，张刘辉．电磁脉冲场强校准方法研究．第22届全国电磁兼容学术论文选，2012.04，162-167。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种使用方便、安全，且成本低廉的脉冲电场测量系统小信号注入标定方法，得到电场测量系数。

本发明的脉冲电场测量系统信号注入标定方法，包括下列步骤：

(1) 在脉冲电场测量系统的电场天线杆外串接一只电阻R；

(2) 在串接的电阻R前端注入某一固定频率的正弦波小信号u _i(t)，在电阻R的另一端（也是电场天线杆的输入端）得到同频的正弦波小信号u ₁(t)，在电场测量系统输出端得到同频率的正弦波小信号u _o(t)，用示波器同时测量u _i(t)、u ₁(t)和u _o(t)的幅度；

(3) 由u ₁(t)和u _o(t)的幅度，通过公式

                                       

计算该脉冲电场测量系统的电压传输系数 k ₁；

(4) 由u _i(t)、u ₁(t)的幅度，以及角频率ω和电阻R，通过公式

                          

计算该脉冲电场测量系统的输入电容 C _L；

(5) 测量杆状的电小电场天线的有效长度l，半径a，计算其等效电容C _a：

其中c为光速；

(6) 通过公式

计算脉冲电场测量系统的测量系数 k _e，也就是脉冲电场测量系统的标定参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、成本低廉，不需要昂贵标准脉冲电场源，只要小信号源和示波器即可。

2、操作方便，只需串接一只电阻，测量电阻注入端、电场测量系统的输入端和输出端的小信号即可，不必回到实验室就能在测量地进行现场标定。

3、克服了传统的标定方法中的电场探头对标定电场的扰动引起的误差问题。

4、使用小信号注入，避免了标定人员受到脉冲电场照射和触电风险，人身安全有保障。

附图说明

图1是本发明的脉冲电场测量系统的等效电路图。

图2是本发明的脉冲电场测量系统的参数测量的等效电路图。

图3是本发明的脉冲电场测量系统信号注入标定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本发明作进一步地详细说明。

实施例1

本实施例中，在光纤传输系统的光发射机高阻输入端加上杆状的单极子电小天线构成脉冲电场测量系统，其电场探头部分包括高阻输入的光发射机和杆状电场天线。当天线满足电小时，其感应电压时域波形就是被测的脉冲电场时域波形。电小天线的等效电路如图1。

图1中，E(t)为被测量的电场；h _e为天线的等效高度；C _a为天线的等效电容；C _L为天线的负载电容（即测量系统的输入电容）；R _L为天线的负载电阻（即测量系统的输入电阻）；θ为电场极化方向与天线间的夹角。

在电场极化方向平行于天线条件下，天线感应的电压为

　　　　　　　　　　　　                 　(1)

式（1）中，l为天线的有效长度。对单极子天线有

                  (2)

式（2）中l、a、c分别代表天线长度、半径和光速。

因此天线的输出电压为

         (3)

由式(3)可在频域中求解被测的脉冲电场信号。当时，式(3)可简化为

            　(4)

由测量系统电压传输系数k ₁和其输出电压u _o(t)可反算天线的输出电压u ₁(t)。由u ₁(t)，再根据式（4）求解被测的脉冲电场E(t)。按式(4)求解被测的电场，要求测量系统的R _L必须足够大。为了改善测量脉冲电场时的低频响应，R _L越大越好。

脉冲电场测量天线的等效电容可用式（2）计算得到，测量系统的输入电容及传输系数需要测定，才能得到测量系统的电场测量系数。测定原理如图2所示。图2中，假设测量系统的输入电容为C _L，电压传输系数为k ₁。正弦波信号u _i (t)经过串联电阻R后加到测量系统的输入端，电压为u ₁(t)，测量系统输出端电压为u _o(t)。u _i (t)、u ₁(t)和u _o(t)的频域表达式分别为U _i (jω)、U ₁(jω)和U _o(jω) 。

根据图2，可得

                                    (5)

                       (6)

通过测量u _o(t)和u ₁(t)，根据式（5）就能得到测量系统的电压传输系数k ₁。通过测量u _i (t)和u ₁(t)，根据式（6），可计算出测量系统的输入电容C _L。因此可得到测量系统测量电场的灵敏系数为式（7）：

                            (7)

本实施例的脉冲电场测量系统信号注入标定方法，实现过程如图3所示，具体如下：

(1) 在脉冲电场测量系统的杆状电场天线外串接一只电阻R=3.3kΩ；

(2) 在串接的电阻R前端注入频率为1MHz、角频率为ω=2π×10⁶ rad/s的正弦波小信号u _i(t)，在电阻R的另一端（也是电场天线的输入端）得到同频的正弦波小信号u ₁(t)，在测量系统输出端得到同频率的正弦波小信号u _o(t)，用示波器同时测量u _i(t)、u ₁(t)和u _o(t)的幅度；

(3) 由u ₁(t)和u _o(t)的幅度，通过公式

                                    

计算该脉冲电场测量系统的电压传输系数 k ₁；

(4) 由u _i(t)、u ₁(t)的幅度，以及角频率ω和电阻R，通过公式

                       

计算该脉冲电场测量系统的输入电容 C _L；

(5) 用游标卡尺测量杆状电场天线的有效长度l、半径a，计算其等效电容C _a：

其中c为光速；

(6) 通过公式

计算脉冲电场测量系统的测量系数 k _e，也就是脉冲电场测量系统的标定参数。

表1中给出了6种不同长度、半径均为2.5mm的杆天线装在低灵敏度的光纤传输的脉冲电场测量系统上标定结果。为了与传统的标定方法进行比较，在有界波模拟器下底板上开一个与光发射机大小相同的圆孔，让光发射机正好置于有界波模拟器的之外，而电场天线杆正好在有界波模拟器内。这样用有界波模拟器标定时，大大减小了电场探头（光发射机和电场天线）体积对有界波模拟器中的脉冲电场的扰动。表1中同时给出了有界波模拟器的标定结果，并计算出两种标定方法的偏差。从表1中可以看出，两者的偏差不大。

表1  低灵敏度光纤传输的脉冲电场测量系统的测量系数标定结果

Claims (1)

1.一种脉冲电场测量系统信号注入标定方法，其特征在于，包括下列步骤：

1) 在脉冲电场测量系统的电场天线杆外串接一只电阻R；

2) 在串接的电阻R前注入某一固定频率的正弦波小信号u _i(t)，在电场天线的输入端得到同频的正弦波小信号u ₁(t)，在测量系统输出端得到同频率的正弦波小信号u _o(t)，用示波器同时测量u _i(t)、u ₁(t)和u _o(t)的幅度；

3) 由u ₁(t)和u _o(t)的幅度，通过公式

    

计算该脉冲电场测量系统的电压传输系数 k ₁；

4) 由u _i(t)、u ₁(t)的幅度，以及角频率ω和电阻R的值，通过公式

                      

计算该脉冲电场测量系统的输入电容 C _L；

5) 测量电场天线的长度l、半径a，计算其等效电容C _a ：

其中c为光速；

6) 通过公式

计算脉冲电场测量系统的测量系数 k _e，也就是脉冲电场测量系统的标定参数。