CN110275125A - 一种校准冲击电流测量装置动态特性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明技术方案提供的校准冲击电流测量装置的动态特性的系统由直流电压源、充电电阻、同轴电缆、继电器、继电器触发回路、金属屏蔽盒、连接件组成。本发明提供的校准冲击电流测量装置动态特性的系统和方法产生方波电流的回路为同轴结构，全部使用同轴连接件连接各部件，而且电缆的放电电流与入地电流方向相反，回路杂散电感极小，此外，本发明提供的系统对产生方波电流的回路进行了简化，不使用同轴电缆的匹配电阻，所述回路输出的方波电流的幅值为直流电压源输出的电压与同轴电缆波阻抗的比值，因此，电流幅值可通过直流电压源的输出电压调节，电流脉宽可根据同轴电缆长度进行调节，生成方波电流更容易。

Description

一种校准冲击电流测量装置动态特性的系统和方法

技术领域

本发明涉及冲击电流测量技术领域,并且更具体地，涉及一种校准冲击电流测量装置动态特性的系统和方法。

背景技术

动态特性是冲击电流测量装置的关键技术参数之一，表征为测量装置的高频信号的响应特性。冲击雷电流波形的频率成分非常复杂，覆盖频率范围从几十Hz至数百kHz。因此要求测量装置具有转换高频信号的能力。评价冲击电流频率特性的方法，一种是测量频率响应特性，使用能产生高频电流信号的电流源对测量传感器进行校准，但目前宽频电流源的电压幅值非常低，一般为几A，最大频率小于10kHz，测量结果误差较大。另一种方法，也是IEC标准的推荐方法，使用冲击电流测量装置测量一近似方波的电流信号，根据测量得到的阶跃波响应波形，计算响应时间，相对过冲以及稳定时间。也可以根据阶跃波响应波形数据，使用卷积积分计算传感器的测量误差。

产生近似方波的电流源主要有两种方法，一种是利用电容作为储能元件，通过开关对回路放电，产生方波电流；另一种方法是利用同轴电缆作为储能元件，两种方法都要求回路杂散电感极小，继电器具有极小的导通时间。另外现有技术中，产生方波电流的回路中存在匹配电阻用于匹配同轴电缆的波阻抗，电缆的波阻抗典型值为50Ω或75Ω，回路电流大，要求匹配电阻的功率非常大，研制难度相应增大。

发明内容

为了解决现有技术中产生方波电流的回路杂散电感大，存在匹配电阻用于匹配同轴电缆的波阻抗，但是匹配电阻功率大，研制难度大的技术问题，本发明提供一种校准冲击电流测量装置动态特性的系统，所述系统包括：

直流电压源，其与充电电阻第一端连接，用于通过充电电阻给同轴电缆充电，并在充电完成后，控制继电器触发回路发出触发信号以触发继电器导通，生成方波电流；

同轴电缆，其芯线第一端与充电电阻第二端连接，其芯线第二端通过同轴连接件与继电器连接，其屏蔽层与直流电压源的地端连接；

继电器，其位于金属屏蔽盒内，其中，继电器第一端与同轴电缆芯线的第二端连接，继电器第二端与冲击电流测量装置的输入端连接；

继电器触发回路，其位于金属屏蔽盒外，通过同轴连接件与继电器连接；

金属屏蔽盒，其用于容纳继电器，且其外层分别与同轴电缆屏蔽层、冲击电流测量装置连接。

进一步地，所述系统还包括第一补偿电缆，其位于同轴电缆第二端和继电器第一端之间，通过T型同轴连接件分别与同轴电缆第二端和继电器第一端连接。

进一步地，所述系统还包括数字示波器，其与冲击电流测量装置的输出端连接，用于显示冲击电流测量装置输出的阶跃响应波形。

进一步地，所述充电电阻是由若干个电阻串并联组成。

进一步地，当所述冲击电流测量装置是罗氏线圈时，其和继电器一起位于金属屏蔽盒内，其在继电器第二端穿心而过后，通过金属连接件与金属屏蔽盒相连；当所述冲击电流测量装置是分流器时，其位于金属屏蔽盒外，金属屏蔽盒与带法兰金属连接件通过同轴电缆连接件相连，金属连接件的法兰与分流器的外壳相连。

进一步地，所述系统中的带法兰的金属连接件根据分流器的尺寸在法兰上设置对应尺寸的连接口。

进一步地，当所述冲击电流测量装置是罗氏线圈时，其直接与数字示波器连接；当所述冲击电流测量装置是分流器时，分流器的输出信号通过第二补偿电缆和匹配器连接至数字示波器。

进一步地，所述金属屏蔽盒上有三个穿孔，并在所述穿孔上安装同轴电缆座，其中，两个同轴电缆座芯与继电器相连，另一个电缆座使用绝缘材料片与金属屏蔽盒绝缘，并通过同轴连接件与继电器触发回路连接。

进一步地，所述系统输出的方波电流的幅值等于直流电压源的输出电压与同轴电缆波阻抗的比值，方波电流的脉宽与同轴电缆的长度成正比。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种利用校准冲击电流测量装置动态特性的系统来校准冲击电流测量装置的动态特性的方法，所述方法包括：

将冲击电流测量装置与所述校准冲击电流测量装置动态特性的系统进行连接；

调节直流电压源的输出电压，直至电压稳定；

控制继电器触发回路产生触发信号以触发继电器导通，并产生方波电流；

冲击电流测量装置对方波电流进行测量，根据在数字示波器上显出输出的阶跃响应波形确定冲击电流测量装置的动态特性；

将输出的阶跃响应波形进行归一化处理，生成单位阶跃响应数列，根据已知的输入方波电流波形的数据列，通过卷积积分方法确定输出的方波电流波形的数据列，分别计算输入方波电流波形的数据列和输出方波电流波形的数据列的电流峰值、上升时间以及半峰值时间，并计算其相对误差从而得到冲击电流测量装置的动态特性对测量的方波电流幅值和时间参数引入的测量误差。

本发明技术方案提供的校准冲击电流测量装置的动态特性的系统由直流电压源、充电电阻、同轴电缆、继电器、继电器触发回路、金属屏蔽盒、连接件组成。充电电阻由多个电阻串并联组成，同轴电缆的芯线与充电电阻末端相连，同轴电缆的屏蔽层与直流电压源的地端相连。直流电压源通过充电电阻给同轴电缆充电，充电完成之后，控制继电器触发回路给继电器发出触发信号，同轴电缆通过继电器对回路放电，继电器安装在金属屏蔽盒内，屏蔽盒上的电流方向与继电器电流方向相反。屏蔽盒与电缆屏蔽层相连。本发明提供的校准冲击电流测量装置动态特性的系统和方法产生方波电流的回路为同轴结构，全部使用同轴连接件连接各部件，而且电缆的放电电流与入地电流方向相反，回路杂散电感极小，此外，本发明提供的系统对产生方波电流的回路进行了简化，不使用同轴电缆的匹配电阻，所述回路输出的方波电流的幅值为直流电压源输出的电压与同轴电缆波阻抗的比值，因此，电流幅值可通过直流电压源的输出电压调节，电流脉宽可根据同轴电缆长度进行调节，生成方波电流更容易。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明第一个优选实施方式的校准冲击电流测量装置动态特性的系统的结构示意图；

图2为根据本发明第二个优选实施方式的校准冲击电流测量装置动态特性的系统的结构示意图；

图3为根据本发明第三个优选实施方式的校准冲击电流测量装置动态特性的系统的结构示意图。

图4为利用本发明第三个优选实施方式的校准冲击电流测量装置动态特性的系统对冲击电流测量装置进行校准的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例一

图1为根据本发明第一个优选实施方式的校准冲击电流测量装置动态特性的系统的结构示意图。如图1所示，在本优选实施方式中，所述校准冲击电流测量装置动态特性的系统100包括：

直流电压源101，其与充电电阻102第一端连接，用于通过充电电阻102给同轴电缆103充电，并在充电完成后，控制继电器触发回路105发出触发信号以触发继电器104导通，生成方波电流。

同轴电缆103，其芯线第一端与充电电阻102第二端连接，其芯线第二端通过同轴连接件110与继电器104连接，其屏蔽层与直流电压源101的地端连接。

所述系统中生成的方波电流脉宽与同轴电缆长度成正比，行波在同轴电缆中的传输速度v由绝缘的介电特性和磁导率决定：

式中ε—介电常数，μ—材料磁导率；ε_r—相对介电常数；μ_r—相对磁导率；C—光速，3×10⁸m/s。同轴电缆中的绝缘介质为聚乙烯时，其相对介电常数为2.3，相对磁导率为1，因此计算行波的传导速度为1.98×10⁸m/s。

同轴电缆的波阻抗为50Ω或75Ω，如果电缆末端连接匹配电阻时，反射系数为0，不产生反射；但当电缆末端连接阻值为几mΩ的分流器时，相当于短路，反射系数为-1，行波完全反射，沿着同轴电缆传播。100m的同轴电缆从始端传输到末端需要的时间约为500ns，反射回程需要500ns，因此可产生脉宽为1μs的电流方波。

继电器104，其位于金属屏蔽盒106内，其中，继电器104第一端与同轴电缆103芯线的第二端连接，继电器104第二端与冲击电流测量装置的107输入端连接。在本优选实施方式中，所述冲击电流测量装置为罗氏线圈。

继电器触发回路105，其位于金属屏蔽盒106外，通过同轴连接件110与继电器104连接。

金属屏蔽盒106，其用于容纳继电器104，且其外层分别与同轴电缆104屏蔽层、冲击电流测量装置107连接。

方波电流的上升时间和过冲受继电器的导通时间和回路电感的影响，导通时间越长，上升时间也越长。回路电感越大，上升时间和过冲越长。继电器外层增加金属屏蔽盒后，能起到回流作用，电流的方向与继电器的电流方向相反，从而尽量减少回路电感。

优选地，所述系统100还包括数字示波器109，其与冲击电流测量装置107的输出端连接，用于显示冲击电流测量装置107输出的阶跃响应波形。

优选地，所述充电电阻102是由若干个电阻串并联组成。

优选地，在本优选实施方式中，所述冲击电流测量装置是罗氏线圈，其和继电器104一起位于金属屏蔽盒106内，其在继电器104第二端穿心而过后，通过金属连接件108与金属屏蔽盒106相连。

优选地，在本优选实施方式中，所述冲击电流测量装置是罗氏线圈，其直接与数字示波器109连接。

优选地，所述金属屏蔽盒上有三个穿孔，并在所述穿孔上安装同轴电缆座，其中，两个同轴电缆座芯与继电器相连，另一个电缆座使用绝缘材料片与金属屏蔽盒绝缘，并通过同轴连接件与继电器触发回路连接。在本优选实施方式中，与继电器相连的同轴电缆座芯中，其中一个直接与继电器引脚焊接，另一个则通过金属连接件108与继电器连接，金属连接件在线圈内部穿心而过。

优选地，所述系统输出的方波电流的幅值等于直流电压源的输出电压与同轴电缆波阻抗的比值，方波电流的脉宽与同轴电缆的长度成正比。

实施例二

图2为根据本发明第二个优选实施方式的校准冲击电流测量装置动态特性的系统的结构示意图。如图2所示，在本优选实施方式中，所述校准冲击电流测量装置动态特性的系统200包括直流电压源201、充电电阻202、同轴电缆203、继电器204、继电器触发回路205、金属屏蔽盒206、冲击电流测量装置的207、金属连接件208和数字示波器209，所述部件的作用和连接方式与实施实施例一中的对应部件相同，此处不再赘述。本优选实施方式中，所述冲击电流测量装置仍然为罗氏线圈。与图1所示校准冲击电流测量装置动态特性的系统100不同的是，在本实施方式中，同轴电缆203和继电器204之间，通过T型同轴连接件连接了第一补偿电缆212。由于同轴电缆的波阻抗较小，继电器电流回路和外层金属屏蔽盒形成的类似形成线的波阻抗非常大，此时电流波形上升沿可能出现一个缓慢爬坡的过冲，为了改善这一情况，在继电器204之前增加一个杂散电感极小的电容可有效解决过冲爬坡缓慢的问题，而方法之一就是增加一段短补偿电缆。

实施例三

图3为根据本发明第三个优选实施方式的校准冲击电流测量装置动态特性的系统的结构示意图。如图3所示，在本优选实施方式中，所述校准冲击电流测量装置动态特性的系统300包括：

直流电压源301，其与充电电阻302第一端连接，用于通过充电电阻302给同轴电缆303充电，并在充电完成后，控制继电器触发回路305发出触发信号以触发继电器304导通，生成方波电流。

同轴电缆303，其芯线第一端与充电电阻302第二端连接，其芯线第二端通过同轴连接件310与继电器304连接，其屏蔽层与直流电压源301的地端连接。

继电器304，其位于金属屏蔽盒306内，其中，继电器304第一端与同轴电缆303芯线的第二端连接，继电器304第二端与冲击电流测量装置的309输入端连接。在本优选实施方式中，所述冲击电流测量装置为分流器。

继电器触发回路305，其位于金属屏蔽盒306外，通过同轴连接件310与继电器304连接。

金属屏蔽盒306，其用于容纳继电器304，且其外层分别与同轴电缆304屏蔽层、冲击电流测量装置309连接。

同实施例一和实施例二，方波电流的上升时间和过冲受继电器的导通时间和回路电感的影响，导通时间越长，上升时间也越长。回路电感越大，上升时间和过冲越长。继电器外层增加金属屏蔽盒后，能起到回流作用，电流的方向与继电器的电流方向相反，从而尽量减少回路电感。

优选地，所述系统300还包括数字示波器314，其与冲击电流测量装置309的输出端连接，用于显示冲击电流测量装置309输出的阶跃响应波形。在本实施方式中，所述冲击电流测量装置是分流器，其位于金属屏蔽盒306外，金属屏蔽盒306与带法兰金属连接件307通过同轴电缆连接件310相连，金属连接件307的法兰与分流器的外壳相连。

优选地，所述系统中的带法兰的金属连接件307根据分流器的尺寸在法兰上设置对应尺寸的连接口。

优选地，当所述冲击电流测量装置是分流器时，分流器的输出信号通过第二补偿电缆312和匹配器313连接至数字示波器314。

优选地，所述金属屏蔽盒上有三个穿孔，并在所述穿孔上安装同轴电缆座，其中，两个同轴电缆座芯与继电器相连，另一个电缆座使用绝缘材料片与金属屏蔽盒绝缘，并通过同轴连接件与继电器触发回路连接。在本优选实施方式中，冲击电流测量装置309位于金属屏蔽盒306外，因此，继电器的引脚分别焊接在两个同轴电缆座芯上。

优选地，所述充电电阻302是由若干个电阻串并联组成。

优选地，所述系统输出的方波电流的幅值等于直流电压源的输出电压与同轴电缆波阻抗的比值，方波电流的脉宽与同轴电缆的长度成正比。

图4为利用本发明第三个优选实施方式的校准冲击电流测量装置动态特性的系统对冲击电流测量装置进行校准的方法的流程图。如图4所示，根据第三个优选实施方式中的校准冲击电流测量装置动态特性的系统对冲击电流测量装置进行校准的方法400从步骤401开始。如图4所示，利用第三个优选实施方式中的校准冲击电流测量装置动态特性的系统对冲击电流测量装置进行校准的方法400从步骤401开始。

在步骤401，将冲击电流测量装置与所述校准冲击电流测量装置动态特性的系统进行连接。

在本优选实施方式中，要求输入的方波电流峰值100A，上升时间小于2ns，脉宽为1μs，冲击电流测量装置为10mΩISM分流器。使用10kV高稳定度直流电压源对射频同轴电缆RG213充电，充电电阻由6个耐受电压2kV，阻值10kΩ组成，每组两个电阻并联，然后3组串联，总阻值为15kΩ。充电电阻一端与直流源的高压输出端相连，另一端与同轴电缆芯线相连。同轴电缆的耐受直流电压大于10kV。

为了获得1μs脉宽的方波电流，同轴电缆的长度为100m，波阻抗为50Ω。同轴电缆的末端焊接耐受电压大于5kV的电缆连接头。

使用耐受电压7kV的干簧继电器作为放电开关，制作尺寸为：长150mm，宽100mm，高100mm，厚度为3mm的黄铜盒作为继电器外层的金属屏蔽盒。屏蔽盒三个面打孔，分别安装同轴电缆座。继电器的引脚与两端的电缆座芯焊接在一起，侧面的电缆座使用绝缘材料片与屏蔽盒绝缘，连接继电器的触发回路。

金属屏蔽盒与带法兰金属连接件通过同轴电缆连接件相连，金属连接件的法兰与分流器的外壳相连。

为了改善方波电流波形上升部分的缓慢上升过程，减小上升时间。可在继电器之前使用T形同轴电缆连接件，并联一段RG213同轴电缆，相当于并联一个电容。

分流器的电压输出信号通过同轴电缆和匹配电阻连接至数字示波器。

在步骤402，调节直流电压源的输出电压，直至电压稳定。由于要求输出的方波电流的峰值为100A，由于输出电流波形的幅值为直流电压源输出电压与同轴电缆波阻抗的比值，当同轴电缆波阻抗的阻值为50Ω时，直流电压源的输出电压为1kV至5kV，方波电流的幅值为20A至100A。脉宽1μs。

在步骤403，控制继电器触发回路产生触发信号以触发继电器导通，并产生方波电流。

在步骤404，冲击电流测量装置对方波电流进行测量，根据在数字示波器上显出输出的阶跃响应波形确定冲击电流测量装置的动态特性。当冲击电流测量装置为10mΩISM分流器，可得分流器输出的阶跃响应波形的上升时间约为2ns，过冲小于15％，稳定时间小于30ns。

在步骤405中，将输出的阶跃响应波形进行归一化处理，生成单位阶跃响应数列，根据已知的输入方波电流波形的数据列，通过卷积积分方法确定输出的方波电流波形的数据列，分别计算输入方波电流波形的数据列和输出方波电流波形的数据列的电流峰值、上升时间以及半峰值时间，并计算其相对误差从而得到冲击电流测量装置的动态特性对测量的方波电流幅值和时间参数引入的测量误差。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (10)

1.一种校准冲击电流测量装置动态特性的系统，其特征在于，所述系统包括：

直流电压源，其与充电电阻第一端连接，用于通过充电电阻给同轴电缆充电，并在充电完成后，控制继电器触发回路发出触发信号以触发继电器导通，生成方波电流；

同轴电缆，其芯线第一端与充电电阻第二端连接，其芯线第二端通过同轴连接件与继电器连接，其屏蔽层与直流电压源的地端连接；

继电器，其位于金属屏蔽盒内，其中，继电器第一端与同轴电缆芯线的第二端连接，继电器第二端与冲击电流测量装置的输入端连接；

继电器触发回路，其位于金属屏蔽盒外，通过同轴连接件与继电器连接；

金属屏蔽盒，其用于容纳继电器，且其外层分别与同轴电缆屏蔽层、冲击电流测量装置连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第一补偿电缆，其位于同轴电缆第二端和继电器第一端之间，通过T型同轴连接件分别与同轴电缆第二端和继电器第一端连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括数字示波器，其与冲击电流测量装置的输出端连接，用于显示冲击电流测量装置输出的阶跃响应波形。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电电阻是由若干个电阻串并联组成。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述冲击电流测量装置是罗氏线圈时，其和继电器一起位于金属屏蔽盒内，其在继电器第二端穿心而过后，通过金属连接件与金属屏蔽盒相连；当所述冲击电流测量装置是分流器时，其位于金属屏蔽盒外，金属屏蔽盒与带法兰金属连接件通过同轴电缆连接件相连，金属连接件的法兰与分流器的外壳相连。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统中的带法兰的金属连接件根据分流器的尺寸在法兰上设置对应尺寸的连接口。

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当所述冲击电流测量装置是罗氏线圈时，其直接与数字示波器连接；当所述冲击电流测量装置是分流器时，分流器的输出信号通过第二补偿电缆和匹配器连接至数字示波器。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属屏蔽盒上有三个穿孔，并在所述穿孔上安装同轴电缆座，其中，两个同轴电缆座芯与继电器相连，另一个电缆座使用绝缘材料片与金属屏蔽盒绝缘，并通过同轴连接件与继电器触发回路连接。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统输出的方波电流的幅值等于直流电压源的输出电压与同轴电缆波阻抗的比值，方波电流的脉宽与同轴电缆的长度成正比。

10.利用权利要求1至9中任意一种校准冲击电流测量装置动态特性的系统来校准冲击电流测量装置的动态特性的方法，其特征在于，所述方法包括：

将冲击电流测量装置与所述校准冲击电流测量装置动态特性的系统进行连接；

调节直流电压源的输出电压，直至电压稳定；

控制继电器触发回路产生触发信号以触发继电器导通，并产生方波电流；

冲击电流测量装置对方波电流进行测量，根据在数字示波器上显出输出的阶跃响应波形确定冲击电流测量装置的动态特性；

将输出的阶跃响应波形进行归一化处理，生成单位阶跃响应数列，根据已知的输入方波电流波形的数据列，通过卷积积分方法确定输出的方波电流波形的数据列，分别计算输入方波电流波形的数据列和输出方波电流波形的数据列的电流峰值、上升时间以及半峰值时间，并计算其相对误差从而得到冲击电流测量装置的动态特性对测量的方波电流幅值和时间参数引入的测量误差。