CN108957146A - 具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器及使用方法 - Google Patents

具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器及使用方法 Download PDF

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Abstract

具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器及使用方法,包括探测器前端和探测器后端两部分;探测器前端包括前端天线、积分电路、放大电路、电光转换电路、电光转换电路、控制信号响应电路与标准方波产生电路;探测器后端包括光电转换电路、放大电路、输出电路、光电转换电路、开关控制电路、控制信号产生电路与电光转换电路;将探测器放置于标准脉冲场环境中,得到其灵敏度系数S0,在实验室灵敏度系数阶段,记录标准方波从前端经电光——光电转换传输到后端的输出幅值U0;在实际使用时,读取当前状态下的标准方波输出幅值U1;当前试验状态下的系统灵敏度系数S1=S0×(U0÷U1),本发明提高脉冲电场测量的精确度。

Description

具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器及使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及脉冲电场测量技术领域,特别涉及具有灵敏度系数自校准功能的脉冲 电场探测器及使用方法。
背景技术
[0002]电磁脉冲作为一种瞬变电磁现象,具有瞬时能量高、宽频谱、高场强等特点。电磁 脉冲可以通过孔缝、线缆等多种途径对电子设备造成干扰或失效,因此对脉冲电场信号的 测量就显得尤为重要。
[0003] ⑴脉冲电场探测器的分类:
[0004] 脉冲电场测量探测器可以分为无源探测器和有源探测器。
[0005] 脉冲电场无源探测器不需要内置电源,天线结构有单极柱状天线、渐近圆锥天线、 平行板天线等,天线与记录设备(数字示波器等)之间需要通过电缆连接,如montena公司生 产的D-Dot型系列脉冲电场探测器使用的是渐近圆锥天线。当使用无源探测器时,天线和电 缆往往同时暴露于脉冲电场环境中,连接电缆的存在会对其附近场环境造成较大改变,从 而引入较大的测量不确定度。另外,对于无源探测器,当测量位置距离屏蔽测试间较远时, 需要连接较长的电缆,不利于高频信号的传输,也容易引入电磁干扰至测量系统。再者,无 源探测器多属于微分测量,即探测器输出波形为脉冲电场波形的微分波形,需要另外配置 积分器或通过数值积分的方法获取脉冲电场原始波形,增加了测量的难度。
[0006]为了克服无源探测器的上述不足,脉冲电场有源测量方式越来越成为优先选择。 从公开技术和本发明人的工作经历可知,有源脉冲电场探测器内部集成电池作为电源,且 基本采用原始波形测量的方式,即探测器输出为脉冲电场原始波形,不再需要额外配置积 分器或采用数值方法对测量数据进行处理。另外,为了减小连接电缆对场环境的干扰,有源 脉冲电场探测器采用光纤进行测量信号的远距离传输,有利于保持测量信号的高频特征, 也可消除电磁干扰的引入。
[0007]典型的有源脉冲电场探测器采用模拟电路的方式实现,主要由前端和后端两部分 组成。探测器前端放置在脉冲电场环境中,用于脉冲电场信号的采集;探测器后端放置在屏 蔽间等测试间,并与数字示波器通过电缆连接,用于测量信号的记录和显示;前端与后端通 过一根光纤相连,如图6所示。
[000S ]有源脉冲电场探测器前端包括前端电池、前端天线、前端积分电路、前端放大电 路、前端电光转换电路等模块;后端包括后端电池、后端光电转换电路、后端放大电路、后端 输出电路等模块。上述各模块连接关系如图7所示,为了图示的简洁,图中没有画出前端和 后端电池模块,电池负责为各模块供电。
[0009]有源脉冲电场探测器是模拟信号处理电路,其输出电压幅度与脉冲电场强度成正 比,输出波形为脉冲电场波形。前端天线用于感应脉冲电场,并与积分电路一起构成积分 器,积分器输出波形为脉冲电场原始波形;前端放大电路对积分电路输出彳言号•进行放;大,同 时为后续电光转换电路提供足够的驱动能力;前端电光转换电路将放大电路输出电压转换 为光信号,利用光纤远距离传输至探测器后端。后端光电转换电路将探测器前端传输过来 的光信号转换为电信号;后端放大电路将光电转换电路输出的微弱电信号进行放大,为后 续输出提供一定的驱动能力;后端输出电路为阻抗匹配电路,最后通过50Q同轴电缆输出, 并在示波器上进行记录和显示。
[0010] (2)有源脉冲电场探测器存在的问题: 有源脉冲电场探测器使用半导体激光器作为光源,属于温度敏感元件。半导体激 光器发光效率(单位电流驱动产生的光功率)受外界温度变化影响较大,具体表现为随温度 升高,激光器发光效率降低。此外,探测器连接光纤的更换、光纤接口连接的松紧程度等因 素,也会使得探测器光通路中光功率衰减量不同。这些因素对基于模拟信号测量的有源脉 冲电场探测器灵敏度系数影响较大。
[0012] 脉冲电场探测器在使用前需要在实验室进行标定,确定其灵敏度系数(电场幅度 与探测器输出电压的比值)。探测器灵敏度与其使用的半导体激光器发光效率成反比,与其 光通路中光功率衰减量成正比。当实际使用环境温度与实验室标定环境温度差别较大,或 者实际使用的光通路与标定光通路差异较大时,探测器的灵敏度系数将发生较大变化,从 而引起测量误差。
[0013] 为了减小探测器测量误差,通常的方法是在实验现场对探测器进行重新标定,但 这种方法需要配套标定设备,同时也费时费力。
[0014] 为了减小探测器标定灵敏度系数的变化,公开技术方案是采用自动光功率控制电 路或者自动温度控制电路来保持输出光功率的恒定。自动光功率控制只能保持激光器输出 光功率的恒定,而不能保证发光效率(单位电流驱动产生的光功率)的恒定,自动温度控制 电路可以保持激光器发光效率的恒定,但激光制冷电路需要较高的电源功率,这在依靠电 池供电的脉冲电场探测器中是很难满足的。再者,上述方法也无法解决光通路差异导致的 光功率变化问题。因此,公开技术方案无法解决半导体激光器发光效率和光通路中光功率 衰减差异引起的探测器灵敏度变化问题。
发明内容
[0015] 为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供具有灵敏度系数自校准功 能的脉冲电场探测器及使用方法,为避免脉冲电场探头感应到的信号在传输过程中受到干 扰,将电信号经电光一光电转换,采用光纤传输的方式,将信号传输至远端屏蔽室,实现信 号的测量与记录。
[0016] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
[0017]具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器,包括探测器前端和探测器后端两 部分;
[0018]所述的探测器前端包括前端天线、前端积分电路、前端放大电路、前端电光转换电 路、前端电光转换电路、前端控制信号响应电路与前端标准方波产生电路;
[0019]探测器后端包括后端光电转换电路、后端放大电路、后端输出电路、后端开关控制 电路、后端控制信号产生电路与后端电光转换电路;
[0020]前端天线:用于感应电磁脉冲电场信号,并将其转换为电信号;
[0021]前端积分电路:用于将所述电信号进行积分,其输出波形与脉冲电场信号波形特 征一致,避免天线感应的脉冲信号波形变为微分信号;
[0022]前端放大电路:对积分电路输出的信号波形进行放大,同时为后端电光转换电路 提供足够的驱动能力;
[0023]前端电光转换电路:将放大电路输出的信号转换为光信号,利用光纤传输将信号 远距离传输至探测器后端;
[0024]后端光电转换电路:将探测器前端传输过来的光信号转换为电信号;
[0025]后端放大电路:将后端光电转换电路输出的微弱电信号进行放大,为后续输出提 供一定的驱动能力;
[0026]后端输出电路:将后端放大电路的输出信号进行阻抗匹配,变为50欧姆同轴线输 出,以便在示波器记录设备上进行波形显示和采集。
[0027]后端开关控制电路:提供开关控制信号,开关打开代表产生标准方波震荡电路,开 关关闭代表关闭标准方波震荡电路;
[0028] 后端控制信号产生电路:响应开关控制电路电路,开关打开和关闭状态下生成对 应的控制信号;
[0029]后端电光转换电路:控制信号经电光转换,光纤传输至探测器前端;
[0030]前端光电转换电路:将探测器后端传输过来光控制信号转换为电信号;
[0031] 前端控制信号响应电路:响应控制信号,产生能够打开和关闭标准幅值震荡方波 电路的驱动信号,以及控制该信号是否加载到天线端口;
[0032] 前端标准方波电路:将标准幅值震荡方波加载到天线端口,模拟天线感应到的电 磁脉冲电场信号,该信号经过整个测量通路回传至探测器后端,读取探测器后端输出的自 校准方波幅值变化率,实现对探测器灵敏度系数的自校准。
[0033]所述的前端电光转换电路与后端光电转换电路之间通过光纤1作为测量通路,光 纤1将探测器前端的测量信号传输至探测器后端。
[0034] 所述的后端电光转换电路与前端光电转换电路之间通过光纤2作为控制通路,用 于探测器后端能够控制探测器前端天线是否加载一个标准幅值方波,通过读取探测器后端 的自校准方波输出幅值,实现对探测器因发光效率和光功率变化导致的测量误差的校准。
[0035] 所述的探测器前端放置在电场环境中,用于脉冲电场的信号采集;
[0036] 所述的探测器后端放置在测量屏蔽间,用于负责信号的接收和记录;所述的探测 器前端与探测器后端通过光纤相连。
[0037] 具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器的使用方法,
[0038] 步骤一:
[0039] 将探测器放置于标准脉冲场环境中,通过测量待测电场与输出电压幅值之间的关 系,得到其灵敏度系数So,
[0040] 测量待测电场用E表示,输出电压幅值用U表示,则灵敏度So=E + U;
[0041] 步骤二
[0042] 在实验室灵敏度系数阶段,记录标准方波从前端经电光一一光电转换传输到后端 自校准方波的输出幅值U〇;
[0043] 步骤三:
[0044] 在实际使用时,在试验现场完成探测器的光纤、线缆连接后,首先读取当前状态下 的自校准方波输出幅值u1;
[0045] 步骤四:
[0046]当前试验状态下的系统灵敏度系数SiiSoX (Uo + Ui),进一步的进行修正当前探 测器灵敏度系数。
[0047] 本发明的有益效果:
[0048]本发明通过加载标准方波信号,反映探测器由于环境温度和光通路的变化而造成 的测试通路的变化情况,使得在使用脉冲电场探测器时,不再需要进行实验现场标定,且可 以通过自校准功能快速实现探测器灵敏度系数的现场校准,提高脉冲电场测量的精确度。
附图说明:
[0049] 图1为本发明连接示意图。
[0050] 图2为本发明各模块连接关系示意图。
[0051]图3为本发明控制通路后端电路原理图。
[0052]图4为本发明控制通路前端电路原理图。
[0053]图5为本发明自校准方波信号实例示意图。
[0054]图6为公开技术有源脉冲电场探测器连接示意图。
[0055]图7为公开技术有源脉冲电场探测器各模块连接关系示意图。
具体实施方式
[0056]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0057]从功能上分,包括测量通路和控制通路两部分;测量通路采用公开技术,如图6所 示,实现脉冲电场的基本测量功能;本发明通过控制通路实现脉冲电场探测器灵敏度的自 校准功能。
[0058] 从组成形式上分,所述的脉冲电场探测器仍分为前端和后端两部分,如图1所示。 所述探测器前端和后端需用两根光纤连接,光纤1供测量通路使用,光纤2供控制通路使用。 [0059]所述脉冲电场探测器增加自校准功能后,各模块连接关系如图2所示。所述脉冲电 场探测器控制通路由开关电路、控制命令生成电路、电光转换和光转换模块、控制模块和标 准方波电路组成。
[0060]控制通路通过探测器后端发出相应的控制命令,附图3给出了控制通路探测器后 端电路原理图;控制通路前端电路响应相关命令,执行自校准功能,附图4给出了控制通路 探测器前端电路原理图,所述脉冲电场探测器控制通路各模块功能如下:
[0061]后端开关电路:提供“开”、“关”动作信号,“开”代表打开前端标准方波电路,“关” 代表关闭前端标准方波电路;
[0062]控制命令生成电路:响应开关电路“开”、“关”动作信号,生成对应的控制命令编码 (数字信号);
[0063]电光转换电路:将控制信号经电光转换,使用光纤远距离传输至前端;
[0064]光电转换电路:将后端传输过来的光控制信号转换为电信号;
[0065]控制模块:响应控制信号,产生能够打开和关闭标准方波电路的驱动信号,用以控 制标准方波信号是否加载到天线端口;
[0066]标准方波电路:产生固定幅值的方波信号,将该信号加载到天线端口,模拟天线感 应到的脉冲电场信号,经过整个测量通路回传至探测器后端,读取后端输出的自校准方波 幅值变化情况,实现对探测器灵敏度系数的自校准。
[0067]总之,通过加载标准方波信号,反映探测器由于环境温度和光通路的变化而造成 的测试通路的变化情况,实现脉冲电场探测器的自校准。
[0068] 如图3所示:控制通路后端电路工作原理如下:
[0069]该控制电路的核心部件为单片机,例如选用STC15F104W型单片机。“非自锁触点开 关1”和“非自锁触点开关2”分别提供“开”、“关”前端标准方波电路开关信号。轻触“非自锁 触点开关1”,单片机引脚5将检测到低电平后,通过对单片机编程设置,在引脚8输出低电平 逻辑信号,持续时间为h,三极管S8550将导通,导通时间长度为t,驱动激光器,产生宽度为 的脉冲光信号。同理,当轻触“非自锁触点开关2”时,在引脚8输出低电平,持续时间t2,激 光器产生宽度为〖2的脉冲光信号,t2不等于t。上述光信号通过光纤传输至探测器前端。 [0070]如图4所示:控制通路前端电路工作原理如下:
[0071]控制通路前端电路仍以单片机为核心。控制光信号由探测器后端传至前端控制电 路的光电管,转换为控制电信号,幅度较低。控制信号经比较器后,转换为TTL电平的数字信 号,并连接至单片机引脚5。
[0072] 通过对单片机编程设置,当单片机检测到引脚5高电平持续时间为七时,即执行开 启标准方波的功能。具体过程如下:
[0073] (1)通过单片机程序设置,在单片机引脚1周期性输出高、低电平,模拟方波信号, 信号周期在1〜1〇此范围内,通过适当的分压连接至继电器。
[0074] ⑵在单片机引脚8输出高电平,引脚7输出低电平,则在附图中所示继电器线圈内 形成一个从左至右的电流,驱动继电器开关闭合,将标准方波加载至探测器前端天线上。 [0075]当单片机检测到引脚5高电平持续时间为t2时,即执行关闭标准方波的功能。具体 过程如下:
[0076] ⑴单片机引脚1设置为低电平。
[0077] ⑵在单片机引脚8输出低电平,引脚7输出高电平,则在附图4中所示继电器线圈 内形成一个从右至左的电流,驱动继电器开关断开,切断连接至探测器前端天线的通路。
[0078] 附图5给出了采用不同光纤连接探测器前端和后端时,探测器后端输出的自校准 方波信号。其中附图5 (a)是采用第一组光纤(两根)连接时的方波信号,附图5⑹是采用第 二组光纤(两根)连接时的自校准方波信号。
[0079] 采用第一组光纤(两根)连接时,探测器后端输出的自校准方波信号幅度(峰峰值) 为194mV;采用第二组光纤(两根)连接时,探测器后端输出的自校准方波信号幅度(峰峰值) 为200mV。自校准方波信号周期为8ys
[0080] 假设实验室标定的探测器灵敏度系数S〇 = 2〇0 (V/m) /mV;标定状态下记录的自校 准方波幅值U〇=194mV;
[0081] 在脉冲电场测量过程中,记录的自校准方波幅值1^ = 20011^;
[0082] 则当前测量状态下,探测器的灵敏度系数:
[0083] Si = S〇X (Uo/Ui) =200X (194/200) =194(V/m)/mV
[0084] 假设当前试验中,探测器测量某脉冲电场的输出幅度Ut = lOOmV,则待测电场的强 度£士=1^31 = 100\194二19.41^/111〇
[0085]可以看出,由于环境温度或光通路的差异,使得标定和测量过程中探测器灵敏度 不同,通过记录自校准方波的幅度变化,实现对探测器灵敏度系数的校准。

Claims (6)

1. 具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器,其特征在于,包括探测器前端和探 测器后端两部分; 所述的探测器前端包括前端天线、前端积分电路、前端放大电路、前端电光转换电路、 前端光电转换电路、前端控制信号响应电路与前端标准方波电路; 探测器后端包括后端光电转换电路、后端放大电路、后端输出电路、、后端开关控制电 路、后端控制信号产生电路与后端电光转换电路; 前端天线:用于感应电磁脉冲电场信号,并将其转换为电信号; 前端积分电路:用于将所述电信号进行积分,其输出波形与电磁脉冲电场信号波形特 征一致; 前端放大电路:对积分电路输出的信号进行放大,同时为前端电光转换电路提供足够 的驱动能力; 前端电光转换电路:将放大电路输出的信号转换为光信号,利用光纤将信号远距离传 输至探测器后端; 后端光电转换电路:将探测器前端传输过来的光信号转换为电信号; 后端放大电路:将后端光电转换电路输出的电信号进行放大,为后续输出提供一定的 驱动能力; 后端输出电路:将后端放大电路的输出信号进行阻抗匹配,变为50欧姆同轴线输出,以 便在示波器记录设备上进行波形显示和采集; 后端开关控制电路:提供开关控制信号,开关打开代表产生标准方波震荡电路,开关关 闭代表关闭标准方波震荡电路; 后端控制彳目号广生电路:响应开关控制电路电路,开关打开和关闭状态下生成对应的 控制信号; 后端电光转换电路:控制信号经电光转换,光纤传输至探测器前端; 前端光电转换电路:将探测器后端传输过来光控制信号转换为电信号; 前端控制信号响应电路:响应控制信号,产生能够打开和关闭标准幅值震荡方波电路 的驱动信号,以及控制该信号是否加载到天线端口; 前端标准方波电路:将标准幅值震荡方波加载到天线端口,模拟天线感应到的电磁脉 冲电场信号,该信号经过整个测量通路回传至探测器后端,读取探测器后端输出的方波幅 值变化率,实现对探测器灵敏度系数的自校准。
2. 根据权利要求1所述的具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器,其特征在于, 所述的前端电光转换电路与后端光电转换电路之间通过光纤1作为测量通路,光纤1将探测 器前端的探测信号传输至探测器后端。
3. 根据权利要求1所述的具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器,其特征在于, 所述的后端电光转换电路与前端光电转换电路之间通过光纤2作为控制通路,用于探测器 后端能够控制探测器前端天线是否加载一个标准幅值方波,通过读取探测器后端的标准方 波输出幅值,实现探测器因光功率变化导致的测量误差。
4. 根据权利要求1所述的具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器,其特征在于, 所述的探测器前端放置在电场环境中,用于脉冲电场的信号采集。
5. 根据权利要求1所述的具有灵敏度系数自校准功能的脉冲电场探测器,其特征在于, 所述的探测器后端放置在测量屏蔽间,用于负责信号的显示和采集。
6.基于权利要求1所述系统的使用方法,其特征在于,包括以下步骤; 步骤一: 将探测器放置于标准脉冲场环境中,通过测量待测电场与输出电压幅值之间的关系, 得到其灵敏度系数So, _ 测量待测电场用E表示,输出电压幅值用U表示,则灵敏度So = E + U; 步骤二 在实验室灵敏度系数阶段,记录标准方波从前端经电光一一光电转换传输到后端的输 出幅值Uo; 步骤三: 在实际使用时,在试验现场完成探测器的光纤、线缆连接后,首先读取当前状态下的标 准方波输出幅值U1; 步骤四: 当前试验状态下的系统灵敏度系数Si = SQX (UQ + Ui),进一步的进行修正当前探测器灵 敏度系数。
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