CN115144909A - 一种微分型电流探测器标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压电脉冲标定装置及其标定方法，具体涉及一种微分型电流探测器标定装置及方法，解决现有现有B‑dot传感器线下标定装置难以通用的技术问题。该微分型电流探测器标定装置，包括馈入电极、套设在馈入电极上的馈入绝缘体、套设在馈入绝缘体上的前盖板、与前盖板连接的外壳、位于外壳内部的支撑绝缘体、内电极以及后盖板；前盖板、外壳与后盖板组成标定机构；内电极一端穿过支撑绝缘体与馈入绝缘体接触，另一端与后盖板连接；外壳上设置有第一B‑dot安装孔与第二B‑dot安装孔，第一B‑dot安装孔与第二B‑dot安装孔用于安装待标定B‑dot探头。利于不同应用场景的微分型电流探测器标定，具有较强的通用性。

Description

一种微分型电流探测器标定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高压电脉冲标定装置及其标定方法，具体涉及一种微分型电流探测器标定装置及方法。

背景技术

在脉冲功率装置中，针对百kA级的脉冲电流测量，通常采用电磁感应线圈探测器。通过合理的设置电磁感应线圈探测器的电路参数，其输出信号可以是待测电流脉冲的微分波形，即微分型电流探测器(又称B-dot)。所获得的微分信号经过数值积分或RC积分回路可将信号复原。

目前B-dot传感器在脉冲功率装置中已获得广泛应用。圣地亚实验室的PBFA-Z(Particle Beam Fusion Accelerator)装置即采用B-dot传感器对磁绝缘传输线电流进行测量。中国工程物理研究院卫兵等人也采用B-dot传感器对阳加速器、“聚龙一号”等装置的真空磁绝缘传输线电流进行了测量。

B-dot传感器灵敏度受其探头安装位置、线圈角度等因素的影响，其标定通常采用在线标定的方式。对于大型装置而言，一些位置处的B-dot传感器在线标定十分麻烦，不利于其探头校准或更换。强激光与粒子束2015年第27卷第7期，075004文献“测量数MA脉冲电流的探头设计与标定”中采用PTS装置复制电流区域结构的方式进行线下标定，标定后将B-dot传感器与阳极作为一个整体安装到PTS装置上，解决PTS负载区B-dot传感器更换的需要。这种方式仅适用于结构复杂，但体积较小、便于拆卸的单元部件，对于体积庞大、拆卸复杂的单元部件而言，制作同结构模型成本高昂且用途单一，标定结果无法外推至其他结构。

发明内容

本发明的目的是解决现有B-dot传感器线下标定装置难以通用的技术问题，而提供一种微分型电流探测器标定装置及方法，利于不同应用场景的微分型电流探测器标定，具有较强的通用性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种微分型电流探测器标定装置，其特殊之处在于：包括外壳、设置在外壳内部的支撑绝缘体、内电极，以及设置在外壳前后两端的前盖板与后盖板，以及贯穿设置在前盖板上的馈入绝缘体和套设在馈入绝缘体内部的馈入电极；

内电极沿轴向设置，其一端设置在支撑绝缘体上且与馈入绝缘体接触，另一端与后盖板连接；

馈入电极位于前盖板内侧的一端穿出馈入绝缘体，延伸至内电极一端的内部；

外壳上设置有B-dot安装孔，用于安装待标定B-dot探头。

进一步地，所述外壳同一圆周上对称设置有第一B-dot安装孔与第二B-dot安装孔；标定机构内部为空腔或者变压器油。

进一步地，所述馈入电极插接设置在内电极一端内部。

进一步地，还包括设置在馈入绝缘体上的线圈。

另外，本发明还提供了一种微分型电流探测器标定方法，基于上述一种微分型电流探测器标定装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、利用有限元仿真软件建立实验装置的待测电流区域结构模型，并在B-dot处设置电流探针与磁场探针；

S2、通过对待测电流区域结构模型中馈入模拟信号，获取待测电流区域结构模型中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系；

S3、建立微分型电流探测器的标定装置，在标定装置上进行B-dot标定，获得标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系；

S4、建立微分型电流探测器的标定装置仿真模型，利用标定装置仿真模型获取标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd之间的关系，结合步骤S3中标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系，获得B-dot输出信号V_Bd与B-dot处磁场B_Bd的关系；

S5、结合步骤S2的待测电流区域结构模型中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系、步骤S4的B-dot输出信号V_Bd与B-dot处磁场B_Bd的关系，获得实验装置中B-dot处电流响应，完成B-dot标定。

进一步地，步骤S2具体为：

对待测电流区域结构模型中馈入模拟信号，利用电流探针测量电流测点处的待测电流，利用磁场探针获取B-dot处磁场，得到待测电流与B-dot处磁场的比值k_V；从而获取实验装置中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系：

I₀＝k_VB_V。

进一步地，步骤S3具体为：

3.1)建立微分型电流探测器的标定装置，在B-dot安装孔上安装待标定B-dot，并在馈入绝缘体上套设罗氏线圈；

3.2)开始标定B-dot，对馈入电极馈入脉冲电流信号，利用罗氏线圈获取标定电流I_Bd；

3.3)获取标定电流I_Bd与待标定B-dot输出信号V_Bd的比值k_Vd，从而可得标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系：

I_Bd＝k_VdV_Bd。

进一步地，步骤S4具体为：

4.1)建立微分型电流探测器的标定装置仿真模型；

4.2)对标定装置仿真模型馈入标定电流I_Bd，利用磁场探针获取标定装置仿真模型中B-dot处磁场B_Bd，得到标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd的比值k_Bd；从而获得标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd之间的关系：

I_Bd＝k_BdB_Bd；

4.3)根据步骤3.3.)中的I_Bd＝k_VdV_Bd与步骤4.2)中的I_Bd＝k_BdB_Bd，可得B-dot处磁场B_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系：

进一步地，步骤S5具体为：

5.1)定义S1实验装置中B-dot输出信号为V_C，根据步骤4.3)，可知B-dot处磁场B_V：

5.2)将

代入步骤S2中的I₀＝k_VB_V，得到

完成B-dot标定。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1.本发明微分型电流探测器标定方法，基于B-dot磁场响应，可对不同应用场景下的B-dot进行标定，通用性强。

2.本发明微分型电流探测器标定装置，采用的前盖板、外壳与后盖板组成矩形箱体，其中内电极类似于平板传输线，提高了其标定区域的磁场均匀性。

3.本发明微分型电流探测器标定装置，沿B-dot轴线方向磁场梯度小，标定误差小。

4.本发明微分型电流探测器标定装置，其B-dot安装孔(即第一B-dot安装孔与第二B-dot安装孔)的孔深测量精度高，更有利于提高标定精度。

附图说明

图1为本发明一种微分型电流探测器标定装置的剖视图。

图2为本发明一种微分型电流探测器标定装置的横截面剖视图。

图2中附图标记为：

1-馈入电极，2-馈入绝缘体，3-前盖板，4-支撑绝缘体，5-内电极，6-外壳，7-后盖板，8-第一B-dot安装孔，9-第二B-dot安装孔。

图3为本发明一种微分型电流探测器标定装置的实验装置中待测电流区域结构模型示意图，其中I₀是高压电极上的电流，即待测电流，V_C是B-dot的输出信号，B_V是B-dot处磁场。

图3中附图标记为：

10-地电极，11-高压电极。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种微分型电流探测器标定装置，包括馈入电极1、馈入绝缘体2、前盖板3、支撑绝缘体4、内电极5、外壳6、后盖板7。

首先，内电极5、支撑绝缘体4均处于外壳6内部，(支撑绝缘体4与外壳6，二者之间无固定连接)，支撑绝缘体4用于支撑内电极5；内电极5的一端与后盖板7采用螺钉连接，另一端与支撑绝缘体4采用螺钉连接；

前盖板3、外壳6与后盖板7组成矩形箱体；其中，后盖板7与外壳6采用螺钉连接；前盖板3与外壳6采用螺钉连接；内电极5与矩形箱体组成平板传输线。

馈入绝缘体2使用螺钉安装到前盖板3上，起到隔离馈入电极1与外壳6作用。馈入电极1穿过馈入绝缘体2延伸至内电极5中，馈入电极1与馈入绝缘体2的端部采用螺钉连接，馈入电极1与内电极5采用插接的连接方式。

其次，在外壳6上设置有两个B-dot安装孔，用于安装待标定B-dot探头，同时还可用于检测内电极5安装位置。

最后，在馈入绝缘体2上套一个罗氏线圈用于监测标定电流。当在馈入电极1上馈入标定电流(或者脉冲电流信号)，标定电流通过馈入电极1传导至内电极5上，并通过后盖板7、外壳6及前盖板3回流。将本发明的微分型电流探测器标定装置的内外，所有缝隙中均设置胶圈密封，其内部可视情况充变压器油。

另外，本发明还提供了一种微分型电流探测器标定方法，基于上述微分型电流探测器标定装置，包括以下步骤：

S1、利用有限元仿真软件建立实验装置的待测电流区域结构模型，并在B-dot处设置电流探针与磁场探针；

S2、通过对待测电流区域结构模型中馈入模拟信号，获取待测电流区域结构模型中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系；

对待测电流区域结构模型中馈入模拟信号，利用电流探针测量电流测点处的待测电流，利用磁场探针获取B-dot处磁场，得到待测电流与B-dot处磁场的比值k_V；从而获取实验装置中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系：

I₀＝k_VB_V。

S3、建立微分型电流探测器的标定装置，在标定装置上进行B-dot标定，获得标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系；

3.1)建立微分型电流探测器的标定装置，在B-dot安装孔上安装待标定B-dot，并在馈入绝缘体2上套设罗氏线圈；

3.2)开始标定B-dot，对馈入电极1馈入脉冲电流信号，利用罗氏线圈获取标定电流I_Bd；

3.3)获取标定电流I_Bd与待标定B-dot输出信号V_Bd的比值k_Vd，从而可得标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系：

I_Bd＝k_VdV_Bd。

S4、建立微分型电流探测器的标定装置仿真模型，利用标定装置仿真模型获取标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd之间的关系，结合步骤S3中标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系，获得B-dot输出信号V_Bd与B-dot处磁场B_Bd的关系；

4.1)建立微分型电流探测器的标定装置仿真模型；

4.2)对标定装置仿真模型馈入标定电流I_Bd，利用磁场探针获取标定装置仿真模型中B-dot处磁场B_Bd，得到标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd的比值k_Bd；从而获得标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd之间的关系：

I_Bd＝k_BdB_Bd；

4.3)根据步骤3.3.)中的I_Bd＝k_VdV_Bd与步骤4.2)中的I_Bd＝k_BdB_Bd，可得B-dot处磁场B_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系：

S5、结合步骤S2的待测电流区域结构模型中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系、步骤S4的B-dot输出信号V_Bd与B-dot处磁场B_Bd的关系，获得实验装置中B-dot处电流响应，完成B-dot标定。

5.1)定义S1实验装置中B-dot输出信号为V_C，根据步骤4.3)，可知B-dot处磁场B_V：

5.2)将

代入步骤S2中的I₀＝k_VB_V，得到

完成B-dot标定。

本发明微分型电流探测器标定方法实施例(主要目的是标定在实验装置中待测电流I₀与待标定B-dot输出信号V_C之间的关系)的具体操作步骤如下：

步骤一：如图3所示，为实验装置待测电流区域结构模型示意图，该结构模型中包括地电极10与高压电极11；利用有限元仿真软件建立待测电流区域结构模型，并在拟安装B-dot位置处设置电流探针和磁场探针。

步骤二：对仿真模型中馈入模拟信号，利用电流探针测量高压电极11上的电流I₀(即待测电流)，利用磁场探针获取B-dot所在位置处磁场B_V，将二者相除得到电流与磁场的比值k_V。由此得到实验装置中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系，即

I₀＝k_VB_V (1)

步骤三：如图1所示，建立标定装置，在B-dot安装孔(即第一B-dot安装孔与第二B-dot安装孔，任选其一)上安装待标定B-dot，在馈入绝缘体2上套设罗氏线圈。

步骤四：开展标定实验，从馈入电极1馈入脉冲电流信号，利用罗氏线圈测量标定电流I_Bd，设此时B-dot输出信号为V_Bd，则有

I_Bd＝k_VdV_Bd (2)

步骤五：建立微分型电流探测器的标定装置仿真模型，获取标定装置仿真模型中标定电流I_Bd与标定平台中B-dot处磁场B_Bd之间的关系，即

I_Bd＝k_BdB_Bd (3)

步骤六：将(2)式代入(3)式，可得B-dot处磁场B_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系

步骤七：令B_Bd＝B_V，则V_Bd＝V_C，此时(4)式化为

代入(1)式，可得式(5)

完成B-dot标定。

本发明中的标定方法涉及B-dot所在的脉冲功率装置(下称实验装置)与标定装置两台设备，为表明二者关系，同时避免术语混淆，现说明如下：

标定的最终目的是获得实验装置中待测电流与B-dot输出之间的关系，由于直接标定存在困难，故另外建造一台标定装置来进行辅助标定。无论B-dot探头安装在哪台装置上，“B-dot处磁场”均表示B-dot探头本身的表面磁场，“B-dot输出信号”均表示B-dot探头本身的输出信号。对同一B-dot探头而言，B-dot处磁场与B-dot输出信号之间的关系是确定的，无论是安装到哪个装置上。

Claims (9)

1.一种微分型电流探测器标定装置，其特征在于：包括外壳(6)、设置在外壳(6)内部的支撑绝缘体(4)、内电极(5)，以及设置在外壳(6)前后两端的前盖板(3)与后盖板(7)，以及贯穿设置在前盖板(3)上的馈入绝缘体(2)和套设在馈入绝缘体(2)内部的馈入电极(1)；

所述内电极(5)沿轴向设置，其一端设置在支撑绝缘体(4)上且与馈入绝缘体(2)接触，另一端与后盖板(7)连接；

所述馈入电极(1)位于前盖板(3)内侧的一端穿出馈入绝缘体(2)，延伸至内电极(5)一端的内部；

所述外壳(6)上设置有B-dot安装孔用于安装待标定B-dot探头。

2.根据权利要求1所述的一种微分型电流探测器标定装置，其特征在于：所述外壳(6)同一圆周上对称设置有第一B-dot安装孔(8)与第二B-dot安装孔(9)；

所述标定机构内部为空腔或者变压器油。

3.根据权利要求2所述的一种微分型电流探测器标定装置，其特征在于：所述馈入电极(1)插接设置在内电极(5)一端内部。

4.根据根据权利要求3所述的一种微分型电流探测器标定装置，其特征在于：还包括设置在馈入绝缘体(2)上的线圈。

5.一种微分型电流探测器标定方法，基于权利要求1-4任一所述的一种微分型电流探测器标定装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用有限元仿真软件建立实验装置的待测电流区域结构模型，并在B-dot处设置电流探针与磁场探针；

S2、通过对待测电流区域结构模型中馈入模拟信号，获取待测电流区域结构模型中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系；

S3、建立微分型电流探测器的标定装置，在标定装置上进行B-dot标定，获得标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系；

S4、建立微分型电流探测器的标定装置仿真模型，利用标定装置仿真模型获取标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd之间的关系，结合步骤S3中标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系，获得B-dot输出信号V_Bd与B-dot处磁场B_Bd的关系；

S5、结合步骤S2的待测电流区域结构模型中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系、步骤S4的B-dot输出信号V_Bd与B-dot处磁场B_Bd的关系，获得实验装置中B-dot处电流响应，完成B-dot标定。

6.根据权利要求5所述的一种微分型电流探测器标定方法，其特征在于，步骤S2具体为：

对待测电流区域结构模型中馈入模拟信号，利用电流探针测量电流测点处的待测电流，利用磁场探针获取B-dot处磁场，得到待测电流与B-dot处磁场的比值k_V；从而获取实验装置中待测电流I₀与B-dot处磁场B_V之间的关系：

I₀＝k_VB_V。

7.根据权利要求6所述的一种微分型电流探测器标定方法，其特征在于，步骤S3具体为：

3.1)建立微分型电流探测器的标定装置，在B-dot安装孔上安装待标定B-dot，并在馈入绝缘体(2)上套设罗氏线圈；

3.2)开始标定B-dot，对馈入电极(1)馈入脉冲电流信号，利用罗氏线圈获取标定电流I_Bd；

3.3)获取标定电流I_Bd与待标定B-dot输出信号V_Bd的比值k_Vd，从而可得标定电流I_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系：

I_Bd＝k_VdV_Bd。

8.根据权利要求7所述的一种微分型电流探测器标定方法，其特征在于，步骤S4具体为：

4.1)建立微分型电流探测器的标定装置仿真模型；

4.2)对标定装置仿真模型馈入标定电流I_Bd，利用磁场探针获取标定装置仿真模型中B-dot处磁场B_Bd，得到标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd的比值k_Bd；从而获得标定电流I_Bd与B-dot处磁场B_Bd之间的关系：

I_Bd＝k_BdB_Bd；

4.3)根据步骤3.3.)中的I_Bd＝k_VdV_Bd与步骤4.2)中的I_Bd＝k_BdB_Bd，可得B-dot处磁场B_Bd与B-dot输出信号V_Bd之间的关系：

9.根据权利要求8所述的一种微分型电流探测器标定方法，其特征在于，步骤S5具体为：

5.1)定义S1实验装置中B-dot输出信号为V_C，根据步骤4.3)，可知B-dot处磁场B_V：

5.2)将

代入步骤S2中的I₀＝k_VB_V，得到

完成B-dot标定。

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