CN109727760A - 一种超宽带非入侵式电流测量仪及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种超宽带非入侵式电流测量仪，包括：测量探头；测量探头包括：一次绕组、二次绕组和磁环；一次绕组和二次绕组相互绝缘地绕制在同一磁环上；一次绕组包括两根引出线；或者，一次绕组以束流形式从磁环中心穿过；二次绕组的两根引出线用于连接测量仪表；磁环由带状软磁合金材料绕制而成，所述磁环内部磁畴的易磁化方向归一化为垂直于所述磁环环面方向。基于上述方案，由于磁环内部磁畴的易磁化方向被归一化为垂直于所述磁环环面方向，这使得电流测量仪即使在高频RF磁场的作用下，也不会发生磁轴反复翻转的现象，因此，其能够应用于脉冲加速器束流的测量中。本发明实施例还提供了一种超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及电流测量设备领域，具体涉及一种超宽带非入侵式电流测量仪及其制备方法。
背景技术
电流测量分为侵入式和非侵入式两种方式。侵入式电流测量的依据是传统的欧姆定律，其具有成本低、精度较高、体积小的优点，其缺点也非常明显，温漂较大，精密电阻的选择较难且无隔离效果。非侵入式电流测量主要通过电流互感器(Current Transformer，CT)、霍尔传感器等设备实现。其中，电流互感器是目前我国电能计量装置中使用最广泛的电流测量方式。
电流互感器主要由一次绕组、二次绕组、铁芯、绕组间与铁芯的绝缘以及外壳组成，工作原理与变压器类似。如图1所示，绕组N1接被测电流，称为一次绕组(或初级绕组)，绕组N2接测量仪表，称为二次绕组(或次级绕组)。电流互感器铁芯内的交变主磁通由一次线圈内电流所产生，一次主磁通在二次线圈中感应出二次电势而产生二次电流。一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被测电路的负荷电流，而与二次电流无关。电流互感器一、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定互感比(又称额定电流比)：Kn＝In/I2n。电流互感器将一次线圈中的电流转换为比较统一的电流，便于二次仪表测量。另外，线路上的电压都比较高，如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离的作用。
电流互感器原理简单，使用方便，可以测量非常大的电流，消耗的功率却很少，是目前大电流电子电能表中使用得最多的感应器。国内成熟商业产品一般采用铁氧体磁环或者普通的软磁合金磁环，频率响应带宽的上限截止频率不大于3MHz，其测量动态范围小、频带窄、易受电磁干扰、精度低、绝缘结构复杂、造价高，这些都是它的缺点。
在脉冲加速器中，荷电粒子束流一般都具有比较精细的时间结构，需要带宽高达300MHz以上的电流互感器进行束流的流强测量、相位测量或者时间结构分析。图2给出电流互感器分别对用于测试的矩形脉冲(左上)和待测的加速器脉冲束流(右上)的输出波形(第二行)。电流互感器对于矩形波形的电流脉冲激励的响应，通常用上升时间和顶降两个特征量来描述。对于矩形脉冲的上升沿(IEEE规定脉冲幅度从10％上升到90％幅值所经历的时间)，互感器输出波形的上升时间常数为τrise；对于矩形脉冲的平顶，互感器输出波形的顶降时间常数为τdroop。由于目前国内的工业用电流互感器带宽上限都在200kHz以下，有文献记载的电流互感器带宽上限都不超过300MHz。因此，对于上升时间小于10ns的脉冲加速器的束流，这些电流互感器都无法满足测量需求。
发明内容
为了至少部分地解决现技术存在的问题，本发明实施例期望提供一种超宽带非入侵式电流测量仪及其制备方法。
根据第一方面，一种实施例中提供了一种超宽带非入侵式电流测量仪，包括：测量探头；所述测量探头包括：一次绕组、二次绕组和磁环；其中，
所述一次绕组和二次绕组相互绝缘地绕制在同一磁环上；
所述一次绕组包括两根用于连接被测电流的引出线；或者，当被测对象为脉冲加速器束流时，所述一次绕组以束流从磁环中心穿过的形式体现，不需要引出线；
所述二次绕组的两根引出线用于连接测量仪表；
所述磁环由带状软磁合金材料绕制而成，所述磁环内部磁畴的易磁化方向归一化为垂直于所述磁环环面方向。
优选地，所述软磁合金采用非晶态软磁合金或者纳米晶磁合金；
优选地，所述纳米晶磁合金包括钴基纳米晶合金和/或铁基纳米晶合金。
优选地，所述二次绕组的两根引出线以双绞线的形式穿过用于消除共模噪声的磁珠(铁氧体或软磁合金材料)，并在输出端接头处设计有匹配阻抗。
优选地，所述磁环通过退火热处理工艺和横磁处理工艺制成。
优选地，所述退火热处理工艺各时段的炉温和时长满足如下要求：
所述横磁处理工艺各时段的炉温和时长满足如下要求：
。
优选地，所述带状软磁合金材料之间通过厚度小于10μm的绝缘材料相隔离，所述带状软磁合金材料与一次绕组和二次绕组之间通过绝缘带材相隔离。
优选地，所述绝缘材料为以下材料至少其中之一：Mylar膜、氧化镁和环氧树脂；所述绝缘带材为玻璃丝带。
根据第二方面，一种实施例中提供了一种超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法，包括：通过以下方式制备电流测量仪探头：
将带状软磁合金材料绕制成磁环，所述带状软磁合金材料之间通过绝缘材料相隔离；
对所述磁环进行退火热处理和横磁处理；
采用第一绝缘带材以半叠绕方式将所述磁环的环体外围绕满；
在第一绝缘带材层之上沿磁环均匀绕制一次绕组，所述一次绕组两端预留引出线；或者，当被测对象为脉冲加速器束流时，一次绕组以束流从磁环中心穿过的形式体现，不需要引出线；
采用第二绝缘带材以半叠绕的方式将绕制所述一次绕组的磁环绕满；
在第一绝缘带材层之上沿磁环均匀绕制二次绕组，所述二次绕组两端预留引出线；
采用第二绝缘带材以半叠绕的方式将绕制所述二次绕组的磁环绕满制成电流测量仪探头；
所述退火热处理各时段的炉温和时长满足如下要求：
所述横磁处理各时段的炉温和时长满足如下要求：
。
10、优选地，所述绝缘材料为以下材料至少其中之一：Mylar膜、氧化镁和环氧树脂；
所述第一绝缘带材和/或第二绝缘带材为玻璃丝带；
所述一次绕组和二次绕组为的材料为无氧铜芯漆包线。
优选地，所述方法还包括：实时测量模拟电流信号和电流测量仪探头输出信号之间的正向传输系数，根据所述正向传输系数的测量结果，在二次绕组绕线与信号输出接头处进行50Ω阻抗匹配。
与现有技术相比，本发明实施例至少具备以下优点：
根据本发明实施例提供的超宽带非入侵式电流测量仪，包括：测量探头；所述测量探头包括：一次绕组、二次绕组和磁环；其中，所述一次绕组和二次绕组相互绝缘地绕制在同一磁环上；所述一次绕组的两根引出线用于连接被测电流；或者，当被测对象为脉冲加速器束流，则一次绕组以束流从探头中心穿过的形式体现，不需要引出线；所述二次绕组的两根引出线用于连接测量仪表；所述磁环由带状软磁合金材料绕制在磁环上制成，所述磁环材料内部磁畴的易磁化方向归一化为垂直于所述磁环环面方向。基于上述方案，由于磁环材料内部磁畴的易磁化方向被归一化为垂直于所述磁环环面方向，这使得本发明实施例所提供的电流测量仪即使在高频RF磁场的作用下，也不会发生磁轴反复翻转的现象，也就是说，本发明实施例所提供的电流测量仪的磁环磁导率不会随着RF磁场变化而变化；同时，由于磁环材料的磁致伸缩系数极小甚至为零，并且在二次绕组的两根引出线在信号输出之前，以双绞线的形式从用于消除共模噪声的铁氧体或软磁合金磁珠中心穿过，使得探头的机械噪声和共模噪声都非常小，因此，本发明实施例所提供的电流测量仪即使应用于脉冲加速器隧道中也可以正常工作，进行脉冲束流的测量。
附图说明
图1是现有电流互感器基本结构图；
图2是现有电流互感器对矩形脉冲和加速器束流脉冲的输出响应图；
图3是本发明超宽带非入侵式电流测量仪在一种实施例中的结构示意图；
图4是带电粒子束流周围的RF磁场方向；
图5是本发明对磁环进行的退火热工艺图；
图6是本发明对磁环进行的横磁处理工艺图；
图7是本发明电流互感器的等效电路；
图8是铁基纳米晶合金材料的磁导率频率特性曲线；
图9是本发明超宽带非入侵式电流测量仪的磁环基本结构示意图；
图10是本发明超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法在一种实施例中的流程图；
图11是本发明超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法在制备电流测量仪的过程中所制备的第二种中间产物结构图；
图12是本发明超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法在制备电流测量仪的过程中所制备的第三种中间产物结构图；
图13是本发明超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法在制备电流测量仪的过程中所制备的第四种中间产物结构图；
图14是本发明超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法在制备电流测量仪的过程中所制备的第五种中间产物结构图；
图15是本发明超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法在制备电流测量仪的过程中所制备的第六种中间产物结构图；
图16是本发明超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法在制备电流测量仪的过程中所制备的第七种中间产物结构图；
图17是本发明超宽带入侵式电流测量仪在一种实施例中电流互感器的上升时间测量结果；
图18是本发明超宽带入侵式电流测量仪在一种实施例中电流互感器的频率响应测量结果。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
实施例一
本发明实施例一提供了一种超宽带非入侵式电流测量仪，所述电流测量仪包括：测量探头。图3为所述超宽带非入侵式电流测量仪的基本结构示意图，参照图3，所述测量探头包括：一次绕组、二次绕组和磁环；其中，
所述一次绕组和二次绕组相互绝缘；
所述一次绕组绕制在磁环上，包括两根用于连接被测电流的引出线；或者，当被测对象为脉冲加速器束流时，所述一次绕组以束流从探头中心穿过的形式体现，不需要引出线；所述二次绕组绕制在磁环上，包括两根用于连接测量仪表的引出线；图3为第一绕组和二次绕组同时绕制在磁环上时电流测量仪的示意图，所述一次绕组的匝数为N3，所述二次绕组的匝数为N4。需要说明的是，图中只是示意性的示出了一种一次绕组和二次绕组的结构，并不用于对一次绕组和二次绕组的形状、结构、位置、匝数等进行限制。
本发明实施例中，所述磁环由带状软磁合金材料绕制而成。
所述磁环内部磁畴的易磁化方向归一化为垂直于所述磁环环面方向。
在脉冲加速器中具有复杂时间结构的束流测量上，束流在空间中激励起的磁场为RF磁场，其方向如图4所示，它与磁环内部的角向是一致的。当采用软磁合金带材绕制的磁环作为绕制电流互感器的磁环，则此RF磁场的方向与带材绕制的方向是平行的。在不进行任何外磁场处理的情况下，磁环内部磁畴的易磁化方向为任意的，然而，在高频RF磁场的作用下，绝大部分磁畴内的磁轴会不断来回翻转，这使得磁环的磁导率严重下降，磁致伸缩效应更加明显，电流互感器的输出将是不可预测的，也就是说，这种情况下电流互感器无法正常工作。
因此，在本发明实施例中对软磁合金带材绕制的磁环进行外加磁场处理，使其磁环内部磁畴的易磁化方向归一化为垂直于环面的方向(也即与束流方向一致)，这样，在高频RF磁场的作用下，用处理后的磁环制成的电流互感器就不会发生磁轴反复翻转的现象，磁环磁导率不会依RF磁场而变化，磁致伸缩效应可以忽略，因此，电流互感器保持正常工作。
本发明实施例通过对磁环进行特殊的退火热处理工艺和横磁处理工艺，可使电流传感器具有更宽的带宽及更快的响应速度，以满足加速器短脉冲束流的流强和波形测量需要。
所述磁环中的带状软磁合金材料需经过图5所示的退火热处理工艺，所述磁环中的磁环需经过图6所示的横磁处理工艺。
具体的，按图5所示的热处理工艺曲线，各时段的炉温和时长可选择如下数值：
该退火热处理工艺中需要注意的是：
1、保温段温度管控：程序设定为曲线程序的设定值，保温段正负公差为实际炉温的允许偏差范围；
2、升温段温度管控：除第一段升温段外，其余升温段温控表中实际温度与设定温度之间的偏差，不超过±20℃；各个温控表之间的实际温度之差≤20℃；第一段升温温控表之间差异不管控。
对带状软磁合金材料进行退火热处理的过程是对软磁合金材料进行纳米晶化的过程，这一过程能够使得材料内部在微观上呈现有序状态，不仅降低了噪声，提高了信噪比，也使得电流互感器具有更高的带宽及更快的响应速度。
按图6所示的横磁处理工艺，各时段的炉温和时长可选择如下数值：
该横磁处理工艺中需要注意的是：
1、磁场提供者为通电螺线管，磁场大小与螺线管的圈数以及电流的大小有关，450A磁场电流获得的磁场强度约为600Gs；
2、磁场方向为垂直磁环环面；
3、加温至T2℃时，打开磁场电流加横向磁场，保温后自然降温至T3℃出炉，全程通氦气保护。
为了进一步解决电流互感器的窄带宽问题，先从对其等效电路的分析入手。电流互感器等效电路如图7所示，根据待测信号的强弱，电流互感器由单匝至上千匝磁环绕线(等效为电感L，电阻RL)构成，由线缆和接头带来的杂散电容CS、杂散电感LS和匹配电阻R也标示在该等效电路中。在测量矩形电流脉冲时，输出信号的上升沿、顶降时间常数分别对应于电流互感器探头的频率响应的上限和下限截止频率。在理想情况下，输出信号上升沿对应的时间常数τrise：
其中，等效电感LS＝μrμ0N2hln(b/a)/(2π)，μ0为空气磁导率，μr为相对磁导率，N为线圈匝数，b和a分别为线圈磁环的外径和内径。上升时间常数τrise与电流互感器带宽上限截止频率fHigh-cutoff的关系为
τrise*fHigh-cutoff＝0.35 (2)
可见，LSCS越小，电流互感器带宽上限截止频率fHigh-cutoff越高。而实际测量中，τrise与互感器探头的杂散电感、耦合电容、磁导率随频率的变化、腔体共振、涡流效应、磁环损耗、信号传播速度等因素都有一定的关系。
输出信号下降至初值的1/e时所需的时间为τdroop：
可见，LS越大，或者线圈及线缆等效电阻RL越小，τdroop就越大，二次线圈输出的矩形电流脉冲顶降就越小。顶降与电流互感器带宽下限截止频率fLow-cutoff的关系为：
τdroop*fLOW-cutoff＝0.35 (4)
而电流互感器的灵敏度Vout/Ibeam则与绕制线圈的匝数N成反比，即在互感器带宽范围内，匝数N越大，输出电压越小，灵敏度越低。这样，我们必须在上升时间常数、顶降时间常数和灵敏度的设计上做一个平衡。
在图7的电流互感器的等效电路中，探头磁环中的总磁通为ΦT为：
其中，L0为单圈绕线的磁环电感，ib为待测电流，LS为二次绕组对应的电感，iS为二次绕组中流过的电流，NS为二次绕组的匝数。
因此，该电流测量仪的灵敏度为：
其中，s为拉氏算子，对于ω＞＞1/τc,灵敏度可以简化为：
由公式(3)可以看到，顶降时间常数与二次绕组的等效电感LS有关，从而与线圈匝数NS紧密相关。因此，可以根据公式(7)选取合适的二次绕组匝数NS来调整电流互感器的灵敏度。实际应用中，二次绕组的匝数通常小于50匝。
下面通过对软磁合金材料的选择以进一步改善电流互感器的带宽性能。
电流互感器的磁环一般以铁、钴、镍单晶体或者单晶体的组合作为基体，掺杂以铜、钼等元素以满足不同的应用需求。单晶体磁晶的晶轴方向将影响磁体的磁化方向。铁单晶体的磁致伸缩系数为正，镍单晶体的磁致伸缩系数为负，二者以适当比例结合，可以使磁致伸缩系数小于10-6。
本发明实施例选用非晶态软磁合金或者纳米晶磁合金作为绿色、价廉的先进软磁材料，其具有饱和磁通高、相对磁导率高、磁致伸缩率低等独特优势。
比如，可以采用国外某知名软磁材料的产品—钴基纳米晶或非晶软磁合金VitroVac 6025F化学组成为(Co，Fe，Mo)73(Si，B)27，其具有扁平磁滞回线型，磁导率(0.4A/m)100000～150000，矫顽力0.3A/m，饱和磁感0.55T，剩磁比<0.05，铁芯损耗(20kHz，0.2T)3W/kg，饱和磁致伸缩系数λs<0.2×10-6。
再比如，国内某软磁材料厂家生产的铁基纳米晶材料初始相对磁导率为8.5×104，相对磁导率μr为8×104@10kHz，并具有优良的频率特性，该铁基纳米晶合金材料的磁导率频率特性曲线如图8所示。其饱和磁导率高，具有很强的抗饱和性能。饱和磁滞伸缩系数λs小到10-6量级，比铁氧体或硅钢片等传统铁磁材料都小得多，因而噪声非常小。
参照图9中左图，所述带状软磁合金以交叠方式绕制成磁环；具体的，带状软磁合金之间以特殊的绝缘材料进行隔离，绕制而成的磁环如图9有图所示。所述带状软磁合金材料之间所采用的特殊的绝缘材料可以是Mylar膜、MaO涂层或环氧树脂渗透等，使得涡流效应达到最小，减小铁芯的励磁安匝和损耗安匝，使得能量转换效率最高，电流互感器输出波形失真最小。所述带状软磁合金的厚度不大于20μm。优选的，所述特殊的绝缘材料附着在带状软磁合金表面，使得该带状软磁合金与绝缘材料呈交叠形式，这样每一层软磁合金带材之间是互相隔离的。所述绝缘材料包括但不限于：Mylar膜、氧化镁、环氧树脂等。以Mylar膜为例，所述软磁合金带材和Mylar膜以交叠方式一起绕制成磁环；以环氧树脂为例，所述软磁合金磁环的具体制备方式为：带状软磁合金绕制成磁环后，整体浸泡于液态绝缘材料中，带状软磁合金与液态绝缘材料充分接触后，通过虹吸作用使得带状软磁合金表面附着有绝缘材料，待绝缘材料凝固后在带状软磁合金表面形成绝缘薄膜。
由于电流互感器安装在脉冲加速器隧道中，一般需要长距离同轴线或者双轴线进行信号传输，因此，需要在电流互感器内部二次绕组的两根引线以双绞线的形式从用于消除共模噪声的铁氧体或软磁合金磁珠中心穿过，以提高输出信号的信噪比；同时，需要对电流互感器的信号输出端口做阻抗匹配，从而避免因阻抗不匹配造成信号反射、波形失真等问题。
因此，在本发明的一种可选实施方式中，所述二次绕组的信号输出接头处还设计有匹配阻抗。
综上，本发明实施例一提供的超宽带非入侵式电流测量仪，包括：测量探头；所述测量探头包括：一次绕组、二次绕组和磁环；其中，所述一次绕组和二次绕组相互绝缘地绕制在同一磁环上；所述一次绕组的两根引出线用于连接被测电流，如果被测对象为脉冲加速器束流，则一次绕组以束流从探头中心穿过的形式体现，不需要引线；所述二次绕组的两根引出线用于连接测量仪表；所述磁环由带状软磁合金材料绕制在磁环上制成，所述磁环材料内部磁畴的易磁化方向归一化为垂直于所述磁环环面方向。基于上述方案，由于磁环材料内部磁畴的易磁化方向被归一化为垂直于所述磁环环面方向，这使得本发明实施例所提供的电流测量仪即使在高频RF磁场的作用下，也不会发生磁轴反复翻转的现象，也就是说，本发明实施例所提供的电流测量仪的磁环磁导率不会随着RF磁场变化而变化，同时，由于磁环材料的磁致伸缩系数极小甚至为零，并且在二次绕组的两根引线在信号输出之前，以双绞线的形式从用于消除共模噪声的铁氧体或软磁合金磁珠中心穿过，使得探头的机械噪声和共模噪声都非常小，因此，本发明实施例所提供的电流测量仪即使应用于脉冲加速器隧道中也可以正常工作，进行脉冲束流的测量。
实施例二
本发明实施例二提供了一种超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法，参照图10，该方法，包括：通过以下步骤制备电流测量仪探头：
步骤1001、将带状软磁合金材料绕制成磁环；
所述带状软磁合金材料之间通过绝缘材料相隔离。
所述绝缘材料可以为Mylar膜、MgO涂层或者环氧树脂等等。
当所述绝缘材料为Mylar膜时，带状软磁合金材料与带状的Mylar膜平铺在一起，两层带状材料以交叠方式绕制成磁环，可参照图9左图。
所述绝缘材料也可以是MgO涂层或者环氧树脂，当所述绝缘材料为MgO涂层或者环氧树脂时。磁环的具体制备方式为：先将带状软磁合金绕制成环，然后整体浸在液态绝缘材料中，利用虹吸作用使得绝缘材料吸附在软磁合金带材表面，达到软磁合金带材层间彼此绝缘的目的。
步骤1002、对所述磁环进行退火热处理和横磁处理；
对所述磁环进行退火热处理和横磁处理的加工示意图如图11所示。
步骤1003、采样第一绝缘带材以半叠绕方式将所述磁环的环体外围绕满；
半叠绕方式是指：在磁环外围沿环体重复绕制第一绝缘带材，第一绝缘带材沿同一方向重复绕制，直至包裹整个环体，绕制过程中，每一圈带材的一半覆盖上一圈带材的一半。
具体的，按照图12所示方式在磁环环体上绕制一圈之后，下一圈压住上一圈的一半再绕制一圈，之后再一圈压住上一圈的一半绕制一圈，按照此方式重复绕制，直至将磁环外围全部绕满。
步骤1004、在第一绝缘带材层之上沿磁环均匀绕制一次绕组，所述一次绕组两端预留引出线；或者，将一次绕组以束流形式从磁环中心穿过；
第一绕组的制备方式如图13所示，其中，图13中左图为在第一绝缘带材层之上沿磁环绕制一次绕组的示意图，图13中右图为以束流形式穿过磁环中心，从而形成一次绕组的示意图。
当被测对象为脉冲加速器束流时，将一次绕组以束流从磁环中心穿过的形式体现，不需要引出线；
步骤1005、当所述一次绕组为沿磁环均匀绕制而成时，采用第二绝缘带材以半叠绕的方式将绕制所述一次绕组的磁环绕满；
该步骤后，所制备成的磁环示意图为图14，如图14所示，磁环上绕制第一绕组的位置完全被第二绝缘带材绕满。
相应的，当所述一次绕组是以束流形式从磁环中心穿过时，则此步骤可以省略。
步骤1006、在第一绝缘带材层之上沿磁环均匀绕制二次绕组，所述二次绕组两端预留引出线；
在步骤1005基础上，进一步在磁环上均匀绕制二次绕组，绕制后的结构示意图如图15所示。
步骤1007、采用第二绝缘带材以半叠绕的方式将绕制所述二次绕组的磁环绕满制成电流测量仪探头。
步骤1007之后，所制备出的电流测量仪探头示意图如图16所示。
上面所述的第一绝缘带材和第二绝缘带材可以相同也可以不同，所述第一绝缘带材和/或第二绝缘带材可以为玻璃丝带。当所述第一绝缘和第二绝缘带材不同时，所述第一绝缘和第二绝缘带材之中一个采用玻璃丝带，另外一个采用其它绝缘带材。
具体的，对所述磁环进行退火热处理，并对所述磁环进行横磁处理。
所述退火热处理各时段的炉温和时长满足如下要求：
该退火热处理工艺中需要注意的是：
1、保温段温度管控：程序设定为曲线程序的设定值，保温段正负公差为实际炉温的允许偏差范围；
2、升温段温度管控：除第一段升温段外，其余升温段温控表中实际温度与设定温度之间的偏差，不超过±20℃；各个温控表之间的实际温度之差≤20℃；第一段升温温控表之间差异不管控。
所述横磁处理各时段的炉温和时长满足如下要求：
。
该横磁处理工艺中需要注意的是：
4、磁场提供者为通电螺线管，磁场大小与螺线管的圈数以及电流的大小有关，450A磁场电流获得的磁场强度约为600Gs；
5、磁场方向为垂直磁环环面；
6、加温至T2℃时，打开磁场电流加横向磁场，保温后自然降温至T3℃出炉，全程通氦气保护。
所述一次绕组和二次绕组为的材料为无氧铜芯漆包线。
在本发明的一种可选实施方式中，首先在磁环外围的玻璃丝带层之上沿磁环均匀绕制N1圈无氧铜芯漆包线，两端各留出10cm长用于接头焊接，作为一次绕组；然后采用半叠绕的方式缠玻璃丝带绕满，再在玻璃丝带层之上沿磁环均匀绕制NS圈无氧铜芯漆包线，两端各留出10cm长用于接头焊接，作为二次绕组线圈。外部再采用半叠绕的方式缠玻璃丝带绕满，起整体对地绝缘、保护绕线的作用；四根引线(如没有一次绕组，则只有两根引线)经由固定座的侧穿孔、引出孔引出，固定座的侧穿孔和引出孔边缘应打磨光滑无毛刺，引线应由套管保护。
由于电流互感器安装在脉冲加速器隧道中，一般需要长距离同轴线或者双轴线进行信号传输，因此，需要在电流互感器内部二次绕组的两根引线以双绞线的形式从用于消除共模噪声的铁氧体或软磁合金磁珠中心穿过，以提高输出信号的信噪比；同时，需要对电流互感器的信号输出端口做阻抗匹配，从而避免因阻抗不匹配造成信号反射、波形失真等问题。
阻抗匹配的具体实现方式为：电流互感器绕制完成后，必须利用网络分析仪(或者高频信号发生器+示波器)实时测量模拟电流信号和电流互感器输出信号之间的正向传输系数(网络分析仪中的S21参量)，根据实时测量的结果，在二次绕组绕线与信号输出接头处做50Ω阻抗匹配设计。
应用示例
该示例中选用经过软磁合金退火和横磁处理工艺的铁基纳米晶软磁合金带材磁环，绕制10匝线圈并做了50Ω阻抗匹配，模拟束流脉冲信号经SRS DG645脉冲信号源发出，该快电流互感器的上升时间和频率响应的测量结果分别如图17和图18所示，其中，图17中左图为测试脉冲信号示意图，图17中右图为本示例所提供的电流互感器的上升时间示意图。可以看到测试脉冲信号脉宽7ns，上升沿143ps，软磁合金绕制的快电流互感器输出信号的上升时间约为412ps(fHigh-cutoff＝850MHz)。
可见，基于本发明所制备的一种电流互感器其能够有效改善电流互感器的高频响应性能，使得高频截止频率高于800MHz，低频截止频率低于4kHz。
本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种超宽带非入侵式电流测量仪，其特征在于，所述电流测量仪包括：测量探头；所述测量探头包括：一次绕组、二次绕组和磁环；其中，
所述一次绕组和二次绕组相互绝缘地绕制在同一磁环上；
所述一次绕组包括两根用于连接被测电流的引出线；或者，所述一次绕组以束流形式从所述磁环中心穿过；
所述二次绕组的两根引出线用于连接测量仪表；
所述磁环由带状软磁合金材料绕制而成，所述磁环内部磁畴的易磁化方向归一化为垂直于所述磁环环面方向。
2.根据权利要求1所述的超宽带非入侵式电流测量仪，其特征在于，所述软磁合金采用非晶态软磁合金或者纳米晶磁合金；
优选的，所述纳米晶磁合金包括钴基纳米晶合金和/或铁基纳米晶合金。
3.根据权利要求1所述的超宽带非入侵式电流测量仪，其特征在于，所述二次绕组的两根引出线以双绞线的形式穿过用于消除共模噪声的磁珠，所述磁珠为铁氧体或软磁合金材料。
4.根据权利要求1至3其中任一项所述的超宽带非入侵式电流测量仪，其特征在于，所述二次绕组的信号输出接头处设计有匹配阻抗。
5.根据权利要求1至3其中任一项所述的超宽带非入侵式电流测量仪，其特征在于，所述磁环通过退火热处理工艺和横磁处理工艺制成。
6.根据权利要求5所述的超宽带非入侵式电流测量仪，其特征在于，所述退火热处理工艺各时段的炉温和时长满足如下要求：
所述横磁处理工艺各时段的炉温和时长满足如下要求：
。
7.根据权利要求1至3其中任一项所述的超宽带非入侵式电流测量仪，其特征在于，所述带状软磁合金材料之间通过绝缘材料相隔离，所述带状软磁合金材料与一次绕组和二次绕组之间通过绝缘带材相隔离；
优选的，所述绝缘材料为以下材料至少其中之一：Mylar膜、氧化镁和环氧树脂；所述绝缘带材为玻璃丝带。
8.一种超宽带非入侵式电流测量仪的制备方法，其特征在于，包括：通过以下步骤制备电流测量仪探头：
将带状软磁合金材料绕制成磁环，所述带状软磁合金材料之间通过绝缘材料相隔离；
对所述磁环进行退火热处理和横磁处理；
采用第一绝缘带材以半叠绕方式将所述磁环的环体外围绕满；
在第一绝缘带材层之上沿磁环均匀绕制一次绕组，所述一次绕组两端预留引出线；或者，将一次绕组以束流形式从磁环中心穿过；
当所述一次绕组为沿磁环均匀绕制而成时，采用第二绝缘带材以半叠绕的方式将绕制所述一次绕组的磁环绕满；
在第一绝缘带材层之上沿磁环均匀绕制二次绕组，所述二次绕组两端预留引出线；
采用第二绝缘带材以半叠绕的方式将绕制所述二次绕组的磁环绕满制成电流测量仪探头；其中，
所述退火热处理各时段的炉温和时长满足如下要求：
所述横磁处理各时段的炉温和时长满足如下要求：
。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料为以下材料至少其中之一：Mylar膜、氧化镁和环氧树脂；
所述第一绝缘带材和/或所述第二绝缘带材为玻璃丝带；
所述一次绕组和二次绕组的材料为无氧铜芯漆包线。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：实时测量模拟电流信号和电流测量仪探头输出信号之间的正向传输系数，根据所述正向传输系数的测量结果，在二次绕组绕线与信号输出接头处设计匹配阻抗。
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