CN114878943A - 一种D-dot探头低频性能的评估与保证方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种D‑dot探头低频性能的评估与保证方法，包括：根据待测探头100和传输线的结构建立等效电路模型；将所述等效电路模型输入至电路仿真系统，在系统中调节所述水介质的阻抗值，获得对应的电路仿真数据；分析所述电路仿真数据中的所述高压臂电容C1、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，确定所述待测探头100的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系。可通过待测信号对探头的低频下限的要求来计算传输线水介质电阻率的理想值，作为传输线水介质寿命的判断标准，便于及时更换传输线水介质以保持探头的低频性能，提高测量的稳定性及准确性。
Description
技术领域
本申请涉及电子设备技术领域，特别涉及一种D-dot探头低频性能的评估与保证方法。
背景技术
当前大型脉冲功率装置高压脉冲的幅值一般达到百千伏或兆伏级别，必须通过分压器分压后才能使用示波器进行测量。脉冲高电压分压器主要包括电阻式和电容式两种，其中电容式分压器作为非接触式高电压脉冲测量器件，相比于电阻式体积更小、绝缘性能更好、频率响应范围更宽，对被测电路影响更小。电容式分压器工作模式包括自积分模式和微分模式，微分工作模式下的电容分压器由于低压臂结构电容比自积分模式小的多，因此高频性能优异，结构也更简单，被广泛应用于快前沿高压脉冲的测量。
目前，常用的同轴型D-dot探头100结构简单紧凑，主要结构如图1和图3所示：探头100安装在传输线外筒201上,主要由基座法兰104、探头外壳103、同轴射频连接器301、绝缘层102、信号电极101构成。传输线外筒201与传输线内筒202形成容纳水介质的传输线腔203；基座与传输线外筒201焊接相连，探头外壳103通过螺杆紧密固定在基座上，两者内侧端面设置有密封槽，通过压缩橡胶密封圈实现与外界的密封隔离，探头外壳103与信号电极间由绝缘层102填充，同轴射频连接器301同样由螺丝固定在探头100顶部，内芯与信号电极101相连。探头的信号电极与传输线内筒构成高压臂电容C1，其中介质通常为去离子水；信号电极101与探头外壳103(与接地外筒相连)间的结构电容为低压臂电容C2，介质通常为某些相对介电常数2-4.5之间的绝缘材料(环氧树脂、有机玻璃、聚四氟乙烯、尼龙等)填充(绝缘、密封作用)。
D-dot探头在水介质传输线服役时，传输线腔203内的去离子水作为探头高压臂结构电容的介质，其电阻率会随着装置的运行以及时间的推移而变化，实验室相关装置新处理过的去离子水电阻率约为2MΩ×cm，然而约一个月过后实测电阻率约为0.2MΩ×cm。水质的劣化过程导致水介质电阻率降低，势必对给探头性能带来影响，特别是探头的低频响应性能；探头低频下限的变化将直接造成输出信号幅值的变化，仍采用之前标定的灵敏度系数进行换算则会造成测量结果的较大误差。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种D-dot探头低频性能的评估与保证方法，以解决随探头使用时间的增加，质的劣化过程导致水介质电阻率降低，如何评估与保证探头低频下限的技术问题。
本申请的实施例第一方面提供了一种D-dot探头低频性能的评估与保证方法，包括：
根据待测探头和传输线的结构建立等效电路模型；
将所述等效电路模型输入至电路仿真系统，在所述电路仿真系统中调节所述水介质的阻抗值，获得对应的电路仿真数据；
分析所述电路仿真数据中的所述高压臂电容C1、、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，确定所述待测探头的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系。
进一步地，所述等效电路模型包括：所述待测探头的信号电极与传输线内筒构成的高压臂电容C1、所述信号电极与所述待测探头外壳构成的低压臂电容C2、所述信号电极的电感L、所述信号电极与传输线内筒间水介质的阻值Rw。
进一步地，所述分析所述电路仿真系统中的所述高压臂电容C1、、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，包括：
调节所述电路仿真系统中的水介质的阻值Rw，计算对应的高压臂电容C1的的容抗与所述水介质阻值Rw的比值。
进一步地，还包括：
所述低压臂电容C2满足以下关系：
其中，所述待测探头的绝缘层相对介电常数为ε1，ε0为真空介电常数，
为所述待测探头外壳内孔径；
为所述信号电极直径。
进一步地，还包括：
所述信号电极的电感L满足关系：
其中，l为所述信号电极杆长度，d为所述信号电极的直径。
进一步地，还包括：
所述高压臂电容C1，满足关系：
其中，k表示所述探头的待测信号幅值，与探头输出电压u2经数值积分后的幅值的比值；Z为探头输出阻抗值。
进一步地，所述确定所述待测探头的低频下限、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系，包括：
将高压臂电容C1的的容抗与所述水介质阻值Rw的比值取定值为2；
所述待测探头的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ满足关系式：
其中，I为所述信号电极下端面至传输线内筒的距离；S为所述信号电极下端端面与所述传输线内筒之间形成的等效水柱的横截面积。
进一步地，包括：
若所述待测探头的低频下限高于预设阈值，则更换所述探头或更换所述传输线中所述水介质。
本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本申请实施例中，探头服役过程中通过测量水介质电阻率以及计算C1容值后，可通过包含探头低频下限fmin与高压臂电容C1及水介质电阻率ρ的数学关系计算探头的实际下限频率fmin，可通过待测信号对探头的低频下限的要求来计算传输线水介质电阻率的理想值，作为传输线水介质寿命的判断标准，便于及时更换传输线水介质以保持探头的低频性能，提高测量的稳定性及准确性。
附图说明
图1是本申请一个实施例提供的一种探头结构示意图；
图2是本申请一实施例提供的水介质阻值的探头等效电路模型；
图3是本申请一实施例提供的水传输线横截面结构示意图；
图4是本申请一实施例提供的十个水柱阻值对应的频响特性曲线图；
附图1至4的标号为：
100、探头；101、信号电极；102、绝缘层；103、探头外壳；104、基座法兰；201、传输线外筒；202、传输线内筒；203、传输线腔；301、同轴射频连接器；204、等效水柱。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本申请实施例结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
以下将参照附图更详细地描述本申请。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
如图1、图2和图3所示，本申请的一实施例中，一种D-dot探头100低频性能的评估与保证方法，包括：
根据待测探头100和传输线的结构建立等效电路模型；
将所述等效电路模型输入至电路仿真系统，在电路仿真系统系统中调节所述水介质的阻抗值，获得对应的电路仿真数据；
分析所述电路仿真数据中的所述高压臂电容C1、、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，确定所述待测探头100的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系。
在该技术方案中，将信号电极101与传输线内筒202之间介质的阻值计入探头100测量时的等效电路模型，图2为一种考虑水介质阻值的探头100等效电路图。Rw表示探头100高压臂结构电容两极间水介质的电阻，Rw与高压臂电容C1、共同对信号电极101与传输线内筒202之间的电流的分流效应不可避免，Rw分流作用的强弱取决于C1的容抗与Rw阻值之比。任一待测电压脉冲信号可看成是若干个不同角频率、幅值及相位的正弦信号的叠加(傅里叶分解)，为较好的响应待测信号波形，要求测量探头100实际低频下限fmin须等于或小于某一极限值。Rw阻值越小则分流作用越强，探头100的实际低频截止频率fmin越大，fmin对应的C1的容抗亦越小，Rw、fmin与C1的容抗三者之间存在一定的对应关系，下面便是通过一定的方法来准确获得探头100实际频响下限。本申请通过将所述等效电路模型输入至电路仿真系统，在系统中调节所述水介质的阻抗值，获得对应的电路仿真数据；分析所述电路仿真数据中的所述高压臂电容C1、、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，确定所述待测探头100的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系，在探头100在安装时，选择预设低频下限的探头100、也可以在探头100服役过程中水介质电阻准确判断出随水介质电阻的变化，探头100的低频下限是否满足要求。
进一步地，所述等效电路模型包括：所述待测探头100的信号电极101与传输线内筒202构成的高压臂电容C1、所述信号电极101与所述待测探头外壳103构成的低压臂电容C2、所述信号电极101的电感L、所述信号电极101与传输线内筒202间水介质的阻值Rw。
在该技术方案中，D-dot探头100的灵敏度系数k定义为水介质传输线内筒202上的待测电压信号u1的幅值与探头100输出信号u2经数值积分后的幅值的比值，用以在探头100服役时将输出信号换算成待测信号的系数，一般通过标准探头100对比测量的方法进行标定来获取。另外，在D-dot探头100的频响范围内，其灵敏度系数k等于高压臂电容C1与探头100输出阻抗Z两者乘积的倒数，即k＝1/C1Z，探头100输出端通常连接信号同轴电缆，获取探头100输出阻抗Z，可获得探头100高压臂电容C1的值。
进一步地，所述分析所述电路仿真系统中的所述高压臂电容C1、、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，包括：
调节所述电路仿真系统中的水介质的阻值Rw，计算对应的高压臂电容C1的的容抗与所述水介质阻值Rw的比值。
进一步地，还包括：
所述低压臂电容C2满足关系：
其中，所述待测探头100的绝缘层102相对介电常数为ε1，ε0为真空介电常数，
为所述待测探头外壳103内孔径；
为所述信号电极101直径。
进一步地，还包括：
所述信号电极101的电感L满足关系：
其中，l为所述信号电极101杆长度，d为所述信号电极101的直径。
进一步地，还包括：
所述高压臂电容C1，满足关系：
其中，k表示所述探头100的待测信号幅值，与探头100输出电压u2经数值积分后的幅值的比值；Z为探头100输出阻抗值。
进一步地，所述确定所述待测探头100的低频下限、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系，包括：
将高压臂电容C1的的容抗与所述水介质阻值R的比值取定值为2；
所述待测探头100的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ满足关系式：
其中，I为所述信号电极101下端面至传输线内筒202的距离；S为所述信号电极101下端端面与所述传输线内筒202之间形成的等效水柱204的横截面积。
在该技术方案中，为合理计算探头100高压臂两极间水介质阻值的大小，在信号电极101与传输线内筒202之间选取与信号电极101相同直径的水柱进行两极间介质阻值的计算，长度即为信号电极101下端面至传输线内筒202的距离。图3通过传输线探头100位置中心横截面结构示意图体现了探头100高压臂电容两极间等效水柱204的位置结构，均匀圆柱材质的电阻计算公式如下：
式中：ρ表示材料的电阻率；I表示水柱有效长度(这里信号电极101下端面至传输线内筒202的距离)；S表示柱体横截面积。计算水柱长度I与截面积S之比约为48.9/cm，水介质电阻率从2MΩ·cm降至0.2MΩ·cm过程中计算对应水柱的阻值由约97.8MΩ降至约9.78MΩ。为进一步分析水介质阻值对电路的影响，在10～100MΩ区间内均匀取十个值对Rw进行赋值，利用电路仿真系统对图2所示等效电路模型进行扫频仿真，优选地，电路仿真系统为pspice系统。u1表示传输线内外同之间的待测电压信号，仿真时采用已知幅值100V的正弦交流信号进行馈入，频率范围为1000Hz～500MHz，软件在后端端采集的各频点对应电压信号u2即为探头100的输出信号。电路中其他电学参数赋值情况：C1约0.24nF，C2约为6nF，L约为10.8nH，探头100输出阻抗Z取为50Ω(即信号电缆的输入阻抗)。
探头100输出电压u2关于频率f的函数图形如图4所示，理论上D-dot探头100的输出信号与待测信号的角频率ω或频率f成正比(D-dot探头100的原理)，故图中各阻值对应图形十分接近且近似为一条斜向上的直线。若将u2/(ωu1)作纵轴，这条斜向上的直线便转为水平线，这样便能较准确的确定探头100频响上、下限。为了量纲的一致，采用20lg[u2/(C1Zωu1)]作为纵轴，单位便是dB。将转换后的曲线与-1dB直线交点的频率作为探头100的频响上、下限。
如图4所示，处理获得十个水柱阻值对应的频响特性曲线，探头100的频响特性曲线中较低频率区间不再平坦，而是出现衰减，频率越低，衰减愈加严重。这是由于Rw的引入导致与容抗并联阻抗变小，且该并联阻抗与低压臂电容C2、信号电极101的电感L及Z三者的综合阻抗之比在一定低频率范围内不再与频率成正比所致，此时随着频率的降低，探头100分压比增大，验证说明高压臂电容两极间介质电阻的存在影响探头100的低频响应性能；图中亦可看出水介质阻值Rw值越大，-1dB对应的探头100低频下限越小，当水介质阻值Rw值无穷大时探头100的低频下限趋于0Hz，故增大Rw值有助于降低探头100的低频下限。
通过读取各频响特性曲线在-1dB交点处频率来计算相应高压臂电容C1的容抗，其与对应等效水柱204阻值的比值可以反映Rw的分流效果，可表征探头100低频下限与水柱阻值之间的耦合关系。
表1各Rw阻值对应频响曲线与-1dB交点频率及相应高压臂C1容抗统计
由表1统计结果看出，各频响特性曲线在-1dB交点处频率计算相应C1的容抗与对应Rw阻值的比值约为1:2，故该D-dot探头100于水线服役时，其低频下限fmin与高压臂电容C1及水介质电阻率ρ存在如下式的对应关系；
由电容特性可知，探头100高压臂电容C1容值与信号电极101下端面至传输线内筒202间距离成反比，故C1与I之间为反比关系，探头100在不同内外径比的水介质传输线服役时，上式亦能适用。
进一步地，包括：
若所述待测探头100的低频下限高于预设阈值，则更换所述探头100或更换所述传输线中所述水介质。
本申请通过将所述等效电路模型输入至电路仿真系统，在系统中调节所述水介质的阻抗值，获得对应的电路仿真数据；分析所述电路仿真数据中的所述高压臂电容C1、、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，确定所述待测探头100的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系，在探头100在安装时，选择预设低频下限的探头100、也可以在探头100服役过程中水介质电阻准确判断出随水介质电阻的变化，探头100的低频下限是否满足要求。
以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种D-dot探头(100)低频性能的评估与保证方法，其特征在于，包括：
根据待测探头(100)和传输线的结构建立等效电路模型；
将所述等效电路模型输入至电路仿真系统，在所述电路仿真系统中调节所述水介质的阻抗值，获得对应的电路仿真数据；
分析所述电路仿真数据中的所述高压臂电容C1、、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，确定所述待测探头(100)的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等效电路模型包括：所述待测探头(100)的信号电极(101)与传输线内筒(202)构成的高压臂电容C1、所述信号电极(101)与所述待测探头(100)外壳构成的低压臂电容C2、所述信号电极(101)的电感L、所述信号电极(101)与传输线内筒(202)间水介质的阻值Rw。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析所述电路仿真系统中的所述高压臂电容C1、、所述仿真电路低频下限数据、所述水介质的阻值Rw，包括：
调节所述电路仿真系统中的水介质的阻值Rw，计算对应的高压臂电容C1的的容抗与所述水介质阻值Rw的比值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
所述低压臂电容C2满足下面关系式：
其中，所述待测探头(100)的绝缘层(102)相对介电常数为ε1，ε0为真空介电常数，
为所述待测探头(100)外壳内孔径；
为所述信号电极(101)直径。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
所述信号电极(101)的电感L满足以下关系：
其中，l为所述信号电极(101)杆长度，d为所述信号电极(101)的直径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
所述高压臂电容C1，满足以下关系：
其中，k表示所述探头(100)的待测信号幅值，与探头(100)输出电压u2经数值积分后的幅值的比值；Z为探头(100)输出阻抗值。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定所述待测探头(100)的低频下限、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ间的关系，包括：
将高压臂电容C1的的容抗与所述水介质阻值Rw的比值取定值为2；
所述待测探头(100)的低频下限fmin、高压臂电容C1与所述水介质的电阻率ρ满足以下关系式：
其中，I为所述信号电极(101)下端面至传输线内筒(202)的距离；S为所述信号电极(101)下端端面与所述传输线内筒(202)之间形成的等效水柱(204)的横截面积。
8.根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，包括：
若所述待测探头(100)的低频下限高于预设阈值，则更换所述探头(100)或更换所述传输线中所述水介质。
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|---|---|---|---|---|
| CN115508607A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-12-23 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于浮地系统的电压测量电路及方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0764502A (ja) * | 1993-08-23 | 1995-03-10 | Fujitsu General Ltd | Ｐｄｐ駆動回路 |
| CN107037254A (zh) * | 2017-01-23 | 2017-08-11 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种用于真空二极管电压测量的D‑dot探头 |
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2022
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Patent Citations (2)
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| JPH0764502A (ja) * | 1993-08-23 | 1995-03-10 | Fujitsu General Ltd | Ｐｄｐ駆動回路 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 卫兵;顾元朝;周荣国;杨亮;王雄;: "阳加速器水传输线D-dot的设计、标定和实验", 强激光与粒子束, no. 05, 15 May 2007 (2007-05-15) * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115508607A (zh) * | 2022-10-31 | 2022-12-23 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于浮地系统的电压测量电路及方法 |
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