CN109581258A - 一种镜面-单锥标准脉冲场复现系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镜面‑单锥标准脉冲场复现系统及方法。本发明的镜面‑单锥标准脉冲场复现系统，包括镜面‑单锥子系统、位移量监控‑自动调整子系统、馈源‑射频子系统和软件控制子系统；所述的馈源‑射频子系统，包括脉冲信号源、示波器、阻抗变换器以及同轴电缆，通过同轴电缆把脉冲信号源与阻抗变换器连接，阻抗变换器作为馈源使用；所述的软件控制子系统，用于控制脉冲信号源和示波器，并且采集位移监控装置的数据；当锥尖相对于镜面的位移量超过设定范围时，软件控制子系统控制自动调整机构对锥体角度进行微调，减小锥尖与镜面之间的变形量。本发明确保标准脉冲场所依赖的几何外形不变，具有实现方式简单、成本低等优点。

Description

一种镜面-单锥标准脉冲场复现系统及方法

技术领域

本发明涉及标准脉冲场复现技术领域，具体地说是一种具有自动位置监控和调整的镜面-单锥标准脉冲场复现系统及方法。

背景技术

对于大电流绝缘开关，当绝缘材料逐渐失效时会出现局部放电现象；这种放电现象在300MHz～3GHz频段可采用脉冲传感器来测量。我国电网领域现有的局部放电传感器的校准装置，普遍采用从英国引进的技术，并利用吉赫兹横电磁波小室，这种装置有如下缺陷：

1)所产生的脉冲场强与输入的脉冲源之间没有明确的解析式，只能通过参考探针来测量；而参考探针通过计算的结果与实物之间的差别较大；

2)交叉极化较差。在有的频点，尤其靠近中间芯板边缘地方的交叉极化与主极化分量的比值可达50％。

最早由美国科学和技术标准化研究院NIST研究和实现的镜面-单锥系统，具有严格的解析式，能够把脉冲电压信号u(t)转换成标准化脉冲场e(t)。这种精确的转化关系成立的前提是基于精确的镜面-单锥几何位置关系；一旦这种几何位置有了变形，转化关系就不再是精确的，就会在脉冲场中引入误差；而且变形越大，误差越大。

文献1：杨超、孟萃、李鹏辉等人，高电压技术，第42卷第5期，第1476-1482页，2016年，公开了一种镜面单锥TEM小室电磁场标准装置。包括文献1在内的现有标准脉冲场复现装置，有如下缺陷：

1)不具备方便的几何变形量实时监测能力，只能定期地邀请专业人员进行测量，而且测量非常耗时；如果在使用过程中发生了几何变形，使用人员无法及时获得相应信息，从而导致量值传递过程中产生较大误差。如果测量结果出现争议，就给使用人员寻找问题来源带来困难。

2)不具有变形量自动修正能力

只能采用手动方式进行调节，并且调整后的效果需要再次测量才能确认。

发明内容

为能够方便、实时监测出镜面-单锥几何位置变形量，并且在出现较大变形量时能够自动修复，确保镜面-锥体的几何关系在允许的范围内，本发明提供一种具有自动位置监控和调整的镜面-单锥标准脉冲场复现方法，以便获得足够准确的标准脉冲场。

本发明采用如下的技术方案：一种镜面-单锥标准脉冲场复现系统，包括镜面-单锥子系统、位移量监控-自动调整子系统、馈源-射频子系统和软件控制子系统；

所述的镜面-单锥子系统，包括一锥体和位于锥体下方的镜面，该锥体尖部朝下锥底悬挂于一法兰盘上；

所述的位移量监控-自动调整子系统，包括位于镜面下方的位移监控装置和安装在锥底处的自动调整机构，所述的位移监控装置用于监测锥尖相对于镜面的位移量；

所述的馈源-射频子系统，包括脉冲信号源、示波器、阻抗变换器以及同轴电缆，所述的阻抗变换器，通过同轴电缆把脉冲信号源与阻抗变换器连接，阻抗变换器作为馈源使用；所述阻抗变换器一端连接锥尖，另一端连接同轴电缆，并且阻抗变换器和同轴电缆都悬挂于锥尖，随着锥尖一起移动；

所述的软件控制子系统，用于控制脉冲信号源和示波器，并且采集位移监控装置的数据；当锥尖相对于镜面的位移量超过设定范围时，软件控制子系统控制自动调整机构对锥体角度进行微调，减小锥尖与镜面之间的变形量。

作为上述技术方案的补充，本发明的镜面-单锥标准脉冲场复现系统还包括屏蔽室-温度调整子系统，屏蔽室用于隔离电磁信号，温度调节子系统用于控制屏蔽室的温度，屏蔽室与位于屏蔽室下方的地板之间装有减震器。

作为上述技术方案的补充，所述的自动调整机构安装在锥体与天花板的法兰盘之间，所述的自动调整机构包括呈周向均布的两个相邻的固定支点和两个相邻的电动微调机构。

作为上述技术方案的补充，所述的电动微调机构采用蜗轮蜗杆式电动微调机构，其包括低速数控马达、蜗轮、蜗杆和螺杆，螺杆与蜗轮采用螺纹连接，低速数控马达固定在法兰盘上，螺杆的顶部与锥底固定连接，低速数控马达驱动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮旋转，由蜗轮的旋转带动螺杆升降，从而实现锥底局部高度的微调。

作为上述技术方案的补充，所述的法兰盘固定在屏蔽室的承重梁上。

作为上述技术方案的补充，所述的位移监控装置包括激光测距仪或接触式位移传感器，通过激光测距仪或接触式位移传感器监测锥尖相对于镜面的位移量。

作为上述技术方案的补充，所述的软件控制子系统安装于台式电脑中。

本发明还提供一种镜面-单锥标准脉冲场复现方法，其采用上述的镜面-单锥标准脉冲场复现系统，其步骤包括：

1)在悬挂于锥体尖部的馈源上安装靶标或可供观测的参考点，在馈源互相垂直的两个方向分别安装一个靶标或可供观测的参考点；

2)把激光测距仪或接触式位移传感器安装于镜面与地板之间；

3)分别测量并记录两个方向上激光测距仪或接触式位移传感器至靶标的距离或位移量，作为参考值

4)每隔一设定时间，重新测量一次x和y两个方向上的距离，记为

5)比较

6)当ΔR大于等于限值T_允许时，启动自动调整机构；

7)重复步骤4)～步骤6)，当ΔR小于限值T_允许时，视作完成当前状态下的自动监控和位置调整；

8)间隔一设定时间后，如果需要继续监测，则重复步骤4)～7)，直至不需要监控位置为止。

本发明的方法为一种短时(nS量级)、瞬态脉冲场的准确和可靠的复现方法，可用于电网、雷击和高铁等场合所用UHF频段脉冲传感器的校准。

本发明提出一种锥体的自动监测和调整方法，即采用激光测距仪或其他位移传感器来通过监测锥尖(馈源部分)的位移变化量来检测锥体的几何位置状态，当偏转到一定程度时，启动自动调整机构来纠正锥体的位置，确保锥体的几何位置满足误差要求。

本发明在水平面上两个正交方向上采用激光测距的方法实现锥体几何位置信息的监测以及通过锥体与法兰盘相连接部分的自动调整机构来自动纠正锥体由于材料不均匀或应力导致的缓慢位置变形，确保标准脉冲场所依赖的几何外形不变，具有实现方式简单、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1中镜面-单锥标准脉冲场复现系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1中自动调整机构的结构俯视图；

图3为本发明实施例1中电动微调机构的结构俯视图；

图4为为本发明实施例2中镜面-单锥标准脉冲场复现方法的流程图。

图中，1-锥体，2-镜面，3-屏蔽室，4-法兰盘，5-位移监控装置，6-电动微调机构，7-脉冲信号源，8-示波器，9-阻抗变换器，10-同轴电缆，11-固定支点，12-减震器，13-承重梁，14-台式电脑，15-待测传感器，16-空调，61-低速数控马达，62-蜗轮，63-蜗杆，64-螺杆。

具体实施方式

图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案进行详细介绍。

实施例1

本实施例提供一种镜面-单锥标准脉冲场复现系统，如图1所示，包括镜面-单锥子系统、位移量监控-自动调整子系统、馈源-射频子系统、软件控制子系统和屏蔽室-温度调整子系统。

所述的镜面-单锥子系统，包括锥体1和位于锥体下方的镜面2，该锥体尖部朝下，锥底悬挂于法兰盘4上，所述的法兰盘4固定在屏蔽室3的承重梁13上。

所述的位移量监控-自动调整子系统，包括位于镜面下方的位移监控装置5和安装在锥底处的自动调整机构。所述的自动调整机构安装在锥底与法兰盘之间，如图2所示，所述的自动调整机构包括呈周向均布的两个相邻的固定支点11和两个相邻的电动微调机构6(如图3所示)。所述的电动微调机构采用蜗轮蜗杆式电动微调机构，其包括低速数控马达61、蜗轮62、蜗杆63和螺杆64，螺杆64与蜗轮62采用螺纹连接，低速数控马达61固定在法兰盘4上，螺杆64的顶部与锥底固定连接，低速数控马达驱动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮旋转，由蜗轮的旋转带动螺杆升降，从而实现锥底局部高度的微调。

所述的位移监控装置包括激光测距仪或接触式位移传感器，通过激光测距仪或接触式位移传感器监测锥尖相对于镜面的位移量。

所述的馈源-射频子系统，包括脉冲信号源7、示波器8、阻抗变换器9以及同轴电缆10，所述的阻抗变换器9，通过同轴电缆10把脉冲信号源7与阻抗变换器9连接，阻抗变换器9作为馈源使用；所述阻抗变换器9一端连接锥尖，另一端连接同轴电缆10，并且阻抗变换器9和同轴电缆10都悬挂于锥尖，随着锥尖一起移动。

所述的软件控制子系统，用于控制脉冲信号源和示波器，并且采集位移监控装置的数据；当锥尖相对于镜面的位移量超过设定范围时，软件控制子系统控制自动调整机构对锥体角度进行微调，减小锥尖与镜面之间的变形量。所述的软件控制子系统安装于台式电脑中。

所述的屏蔽室-温度调整子系统，包括屏蔽室和温度调节子系统，屏蔽室用于隔离电磁信号，温度调节子系统用于控制屏蔽室的温度，屏蔽室与位于屏蔽室下方的地板之间装有减震器12。

实施例2

本实施例提供一种镜面-单锥标准脉冲场复现方法，其采用实施例1所述的镜面-单锥标准脉冲场复现系统，如图4所示，其步骤包括：

1)在悬挂于锥体尖部的馈源上安装靶标或可供观测的参考点，在馈源互相垂直的两个方向分别安装一个靶标或可供观测的参考点；

2)把激光测距仪或接触式位移传感器安装于镜面与地板之间；

3)分别测量并记录两个方向上激光测距仪或接触式位移传感器至靶标的距离或位移量，作为参考值 R′_x、R′_y、分别表示单位矢量；

4)每隔一设定时间，重新测量一次x和y两个方向上的距离，记为

5)比较

6)当ΔR大于等于限值T_允许(如10mm)时，启动自动调整机构；

7)重复步骤4)～步骤6)，当ΔR小于限值T_允许时，视作完成当前状态下的自动监控和位置调整；

8)间隔一设定时间后，如果需要继续监测，则重复步骤4)～7)，直至不需要监控位置为止。

校准完成后，开始进行测量，根据下式计算得到标准脉冲场

式中，t为脉冲持续时间，从脉冲馈入到圆锥顶部时开始计时，单位为S；

c＝2.9979×10⁸，m/S；r、θ、θ₀分别表示到坐标原点的距离、与锥体轴心的夹角(即极化角)和锥体的夹角。

V_顶点为馈入到圆锥顶部的脉冲电压，单位为V。

求解式(2)得到EUM的传输函数

式中，u_Rx(t,θ)为示波器测量得到的EUM的输出电压。Z₀＝120π和Z_C＝50Ω分别表示单锥-镜面系统中的时域场强、波阻抗和特征阻抗。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种镜面-单锥标准脉冲场复现系统，包括镜面-单锥子系统，其特征在于，还包括位移量监控-自动调整子系统、馈源-射频子系统和软件控制子系统；

所述的镜面-单锥子系统，包括一锥体(1)和位于锥体下方的镜面(2)，该锥体(1)尖部朝下，锥底悬挂于一法兰盘(4)上；

所述的位移量监控-自动调整子系统，包括位于镜面下方的位移监控装置(5)和安装在锥底处的自动调整机构，所述的位移监控装置(5)用于监测锥尖相对于镜面的位移量；

所述的馈源-射频子系统，包括脉冲信号源(7)、示波器(8)、阻抗变换器(9)以及同轴电缆(10)，所述的阻抗变换器(9)贯穿镜面(2)，通过同轴电缆(10)把脉冲信号源(7)与阻抗变换器(9)连接，阻抗变换器(9)作为馈源使用；所述阻抗变换器(9)一端连接锥尖，另一端连接同轴电缆(10)，并且阻抗变换器(9)和同轴电缆(10)都悬挂于锥尖，随着锥尖一起移动；

所述的软件控制子系统，用于控制脉冲信号源(7)和示波器(8)，并且采集位移监控装置(5)的数据；当锥尖相对于镜面的位移量超过设定范围时，软件控制子系统控制自动调整机构对锥体角度进行微调，减小锥尖与镜面之间的变形量。

2.根据权利要求1所述的镜面-单锥标准脉冲场复现系统，其特征在于，还包括屏蔽室-温度调整子系统，屏蔽室(3)用于隔离电磁信号，温度调节子系统用于控制屏蔽室的温度，屏蔽室与位于屏蔽室下方的地板之间装有减震器(12)。

3.根据权利要求1或2所述的镜面-单锥标准脉冲场复现系统，其特征在于，所述的自动调整机构安装在锥底与法兰盘之间，所述的自动调整机构包括呈周向均布的两个相邻的固定支点(11)和两个相邻的电动微调机构(6)。

4.根据权利要求3所述的镜面-单锥标准脉冲场复现系统，其特征在于，所述的电动微调机构(6)采用蜗轮蜗杆式电动微调机构，其包括低速数控马达(61)、蜗轮(62)、蜗杆(63)和螺杆(64)，螺杆(64)与蜗轮(62)采用螺纹连接，低速数控马达(61)固定在法兰盘上，螺杆(64)的顶部与锥底固定连接，低速数控马达(61)驱动蜗杆(63)转动，蜗杆(63)带动蜗轮(62)旋转，由蜗轮(62)的旋转带动螺杆(64)升降，从而实现锥底局部高度的微调。

5.根据权利要求1或2所述的镜面-单锥标准脉冲场复现系统，其特征在于，所述的位移监控装置包括激光测距仪或接触式位移传感器，通过激光测距仪或接触式位移传感器监测锥尖相对于镜面的位移量。

6.根据权利要求1或2所述的镜面-单锥标准脉冲场复现系统，其特征在于，所述的软件控制子系统安装于台式电脑中。

7.一种镜面-单锥标准脉冲场复现方法，其采用权利要求1-6任一项所述的镜面-单锥标准脉冲场复现系统，其特征在于，包括步骤：

1)在悬挂于锥体尖部的馈源上安装靶标或可供观测的参考点，在馈源互相垂直的两个方向分别安装一个靶标或可供观测的参考点；

2)把激光测距仪或接触式位移传感器安装于镜面与地板之间；

3)分别测量并记录两个方向上激光测距仪或接触式位移传感器至靶标的距离或位移量，作为参考值

4)每隔一设定时间，重新测量一次x和y两个方向上的距离，记为

5)比较

6)当ΔR大于等于限值T_允许时，启动自动调整机构；

7)重复步骤4)～步骤6)，当ΔR小于限值T_允许时，视作完成当前状态下的自动监控和位置调整；

8)间隔一设定时间后，如果需要继续监测，则重复步骤4)～7)，直至不需要监控位置为止。