CN107240843B - 测电流用的高信噪比同轴电缆连接器 - Google Patents

测电流用的高信噪比同轴电缆连接器 Download PDF

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Abstract

本发明属于脉冲功率技术领域，特别涉及一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器，所述同轴电缆连接器的构成包括镀金外导体、引出外导体、带螺纹外导体、引出内导体、镀金内导体、分压大电阻和n个并联采样电阻，其中n≥3。本发明测电流用高信噪比同轴电缆连接器利用了连接器的内部空间和传输电缆的特征阻抗来进行信号采样与衰减，避免了衰减器，整个测量系统紧凑；本发明首先利用阻值适中的采样电阻Rs对电流信号进行放大，其次利用R1与R2构成的串联电路对有用信号与噪声同时进行衰减，因而信噪比较高。

Description

测电流用的高信噪比同轴电缆连接器
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，特别涉及一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器。
背景技术
信号测量系统一般由信号采集单元、电缆连接器(同轴电缆连接器)、传输电缆、信号调理单元和信号显示单元(示波器)等几部分构成。
在脉冲功率系统中，用于实现ns-kA级电流的信号测量系统如图1所示，包括罗果夫斯基线圈(10，以下简称罗氏线圈)、同轴电缆连接器(11)、电缆(12)、衰减器(13)以及示波器(14)几部分。其中同轴电缆连接器(11)如图7所示，用于连接罗氏线圈(10)和电缆(12)；衰减器(13)用于将较大幅值的电压信号衰减到示波器(14)可接受的幅值范围内。测电流用的衰减器一般为20dB或40dB，对应10倍或100倍的衰减系数。由于衰减器需要具备散热等功能，所以衰减器的体积较大，重量较重。例如，脉冲功率系统中常用的某型40dB-40W的衰减器，尺寸约为7×10×20cm3，重量约为2kg。
在某些特定应用场合，衰减器的存在造成了整机系统的冗余和质量的增加，甚至不能容忍。
发明内容
本发明的目的是解决现有脉冲功率系统的ns-kA电流测量系统冗余性的问题。
为解决上述问题，本发明提出一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器，所述同轴电缆连接器的构成包括镀金外导体、引出外导体、带螺纹外导体、引出内导体、镀金内导体、分压大电阻和n个并联采样电阻，其中n≥3；
引出外导体、镀金外导体和带螺纹外导体构成同轴电缆连接器的外导体，带螺纹外导体由两个半径不等的内部中空的圆柱构成，镀金外导体为内部中空的圆柱，带螺纹外导体的下半部分与镀金外导体相连固定，引出外导体固定在带螺纹外导体顶端；
引出内导体和镀金内导体构成同轴电缆连接器的内导体，引出内导体固定连接引出外导体，镀金内导体贯通镀金外导体且突出镀金外导体部分；
分压大电阻和n个并联采样电阻构成同轴电缆连接器的电阻，分压大电阻位于同轴电缆连接器中心，n个并联采样电阻均匀布放于分压大电阻与带螺纹外导体之间；其中，分压大电阻一端与引出内导体连接，另一端与镀金内导体连接；并联采样电阻一端与带螺纹外导体连接，另一端也与镀金内导体连接；
外导体、内导体以及电阻之间填充四氟衬套以实现绝缘。
进一步，分压大电阻和并联采样电阻均为高精度薄膜体电阻。
进一步，分压大电阻的电阻阻值大于500Ω，用于实现(500+R2)/R2的分压比，其中R2为外接电缆的特征阻抗。
进一步，引出外导体加工成SMA型、BNC型或者N型。
进一步，带螺纹外导体设有外螺纹，且外螺纹尺寸与安装工件的内螺纹尺寸相匹配。
进一步，镀金内导体突出镀金外导体3～5mm。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1、测量系统紧凑：相比于现有技术，本发明测电流用高信噪比同轴电缆连接器利用了连接器的内部空间和传输电缆的特征阻抗来进行信号采样与衰减，避免了衰减器，整个测量系统紧凑。
2、高信噪：本发明测电流用高信噪比同轴电缆连接器首先利用阻值适中的采样电阻Rs对电流信号进行放大，其次利用R1与R2构成的串联电路对有用信号与噪声同时进行衰减，因而信噪比较高。
3、衰减比可调：参考公式本发明同轴电缆连接器的信号衰减比近似为R1/R2，仅需改变分压大电阻的阻值R1，便可改变整个测量系统的衰减比。
4、便于安装：本发明测电流用高信噪比同轴电缆连接器可以仅靠螺纹安装于安装工件上。
附图说明
图1为传统测量ns-kA级电流信号系统构成；
图2为本发明测电流用的高信噪比同轴电缆连接器的轴向剖面图；
图3本发明测电流用的高信噪比同轴电缆连接器的径向剖面图；
图4为采用本发明测电流用的高信噪比同轴电缆连接器测量ns-kA级大电流信号的系统构成；
图5为安装在安装工件表面的本发明测电流用的高信噪比同轴电缆连接器剖面示意图；
图6为采用本发明测电流用的高信噪比同轴电缆连接器测量40ns脉宽、7kA电流的波形。
图7为传统同轴电缆连接器轴向剖面图。
具体实施方式
本发明测电流用的高信噪比同轴电缆连接器将衰减器13的衰减功能集成于同轴电缆连接器11内部。
如图2和图3所示，测电流用的高信噪比同轴电缆连接器构成包括镀金外导体6、引出外导体8、带螺纹外导体9、引出内导体3、镀金内导体7、分压大电阻1和n个并联采样电阻2，其中n≥3；
引出外导体8、镀金外导体6和带螺纹外导体9构成同轴电缆连接器的外导体，带螺纹外导体9由两个半径不等的内部中空的圆柱构成，镀金外导体6为内部中空的圆柱，带螺纹外导体9的下半部分与镀金外导体6相连固定，引出外导体8固定在带螺纹外导体9顶端；
引出内导体3和镀金内导体7构成同轴电缆连接器的内导体，引出内导体3固定连接引出外导体8，镀金内导体7贯通镀金外导体6且突出镀金外导体6部分，以保证足够的绝缘余量；优选镀金内导体7突出镀金外导体3～5mm。
分压大电阻1和n个并联采样电阻2构成同轴电缆连接器的电阻，分压大电阻1和并联采样电阻2均为高精度薄膜体电阻；分压大电阻1位于同轴电缆连接器中心，n个并联采样电阻2均匀布放于分压大电阻1与带螺纹外导体9之间；其中，分压大电阻1一端与引出内导体3连接，另一端与镀金内导体7连接；并联采样电阻2一端与带螺纹外导体9连接，另一端也与镀金内导体7连接；
外导体、内导体以及电阻之间填充四氟衬套4以实现绝缘，以保证内导体和外导体间具有较高的耐电强度。
如图4所示带有等效电路的ns-kA级电流信号测量系统，其中，分压大电阻1用R1表示，并联后的n个并联采样电阻2用Rs表示(单个并联采样电阻2的阻值为nRs)，电缆阻抗用R2表示，所以串联电路的分压比为1+R1/R2。R2一般为50Ω，R1取值应远大于R2，所以分压比近似为R1/R2。Rs取值应接近R2，所以模块15的阻值近似为Rs，进而Rs上的采样电压Us(t)为：
Us(t)≈i2(t)Rs,
其中i2(t)为流经罗氏线圈10的电流，考虑到R1和R2组成的串联分压电路，所以模块15输出电压为：
对于满足自积分条件的罗氏线圈10而言，待测电流i1(t)与测得电流i2(t)满足如下关系：
其中N为线圈匝数，所以采样电压Us(t)与待测电流i1(t)满足如下关系：
根据上式，在R2＝Rs＝50Ω的前提下，可以通过选择分压大电阻1的阻值R1，来方便的调节该同轴电缆连接器的信号衰减比。
较优的，分压大电阻1的电阻阻值大于500Ω，用于实现(500+R2)/R2的分压比。
同时，由于该同轴电缆连接器采用n个并联电阻2进行信号采样，并联后的电阻阻值为50Ω，是文献中所用的小阻值采样电阻阻值的数百倍(文献中小采样电阻阻值为几十～几百mΩ)，所以，采样电压放大了数百倍，在外界噪声幅值不变的前提下，同轴电缆连接器的信噪比也提高了数百倍。因而，本发明同轴电缆连接器具有高信噪比的特点。
本发明中，带螺纹外导体9设有外螺纹，且外螺纹尺寸与安装工件5的内螺纹尺寸相匹配；引出外导体8可加工成SMA型、BNC型或者N型，用于与SMA型、BNC型或者N型的测量电缆相匹配，具体根据应用环境而定。
现结合实例、附图对本发明作进一步描述：
实施例一
如图5所示，安装于安装工件5表面的高信噪比同轴电缆连接器本身就包含了信号采样与衰减功能。同时，同轴电缆连接器一端的镀金外导体6和镀金内导体7仅需与罗氏线圈10相连接，同轴电缆连接器另一端的引出外导体8仅需通过电缆12与示波器14相连，便可测量ns-kA级电流信号，参见图4。
考虑一组实际参数：罗氏线圈匝数N＝1000；分压大电阻R1＝500Ω；单个并联采样电阻取200Ω，并联个数n＝4，所以采样电阻Rs＝50Ω；电缆阻抗R2＝50Ω。根据公式则Us(t)/i1(t)＝1/220V/A。如果待测电流i1(t)＝7kA，则示波器上显示的信号幅值为31.8V，该值在示波器测量范围(<100V)。
图6给出了由罗氏线圈与高信噪比同轴电缆连接器所测得的电流波形，该波形与经过标准电流线圈所测得的波形相符。同时，该图显示，叠加在主波形上的干扰信号微弱，并未影响到主波形，这说明了该同轴电缆连接器的高信噪比特性。图6证实了测电流用的高信噪比同轴电缆连接器的可用性。

Claims (6)

1.一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器，其特征在于，所述同轴电缆连接器的构成包括镀金外导体(6)、引出外导体(8)、带螺纹外导体(9)、引出内导体(3)、镀金内导体(7)、分压大电阻(1)和n个并联采样电阻(2)，其中n≥3；
引出外导体(8)、镀金外导体(6)和带螺纹外导体(9)构成同轴电缆连接器的外导体，带螺纹外导体(9)由两个半径不等的内部中空的圆柱构成，镀金外导体(6)为内部中空的圆柱，带螺纹外导体(9)的下半部分与镀金外导体(6)相连固定，引出外导体(8)固定在带螺纹外导体(9)顶端；
引出内导体(3)和镀金内导体(7)构成同轴电缆连接器的内导体，引出内导体(3)固定连接引出外导体(8)，镀金内导体(7)贯通镀金外导体(6)且突出镀金外导体(6)部分；
分压大电阻(1)和n个并联采样电阻(2)构成同轴电缆连接器的电阻，分压大电阻(1)位于同轴电缆连接器中心，n个并联采样电阻(2)均匀布放于分压大电阻(1)与带螺纹外导体(9)之间；其中，分压大电阻(1)一端与引出内导体(3)连接，另一端与镀金内导体(7)连接；并联采样电阻(2)一端与带螺纹外导体(9)连接，另一端也与镀金内导体(7)连接；
外导体、内导体以及电阻之间填充四氟衬套(4)以实现绝缘。
2.根据权利要求1所述一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器，其特征在于，分压大电阻(1)和并联采样电阻(2)均为高精度薄膜体电阻。
3.根据权利要求1所述一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器，其特征在于，分压大电阻(1)的电阻阻值大于500Ω，用于实现(500+R2)/R2的分压比，其中R2为外接电缆的特征阻抗。
4.根据权利要求1所述一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器，其特征在于，引出外导体(8)加工成SMA型、BNC型或者N型。
5.根据权利要求1所述一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器，其特征在于，带螺纹外导体(9)设有外螺纹，且外螺纹尺寸与安装工件(5)的内螺纹尺寸相匹配。
6.根据权利要求1所述一种测电流用的高信噪比同轴电缆连接器，其特征在于，镀金内导体(7)突出镀金外导体(6)3～5mm。
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