CN219842492U - 一种非侵入式电磁脉冲测量装置及测量电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非侵入式电磁脉冲测量装置及测量电路，测量装置包括中心导体、外导体、耦合电极板以及电缆组件。外导体呈圆筒状。耦合电极板的其中一个侧面设置有薄膜介质，薄膜介质与外导体的内侧壁连接。匹配电阻设置于外导体的外部。电缆组件的一端穿设于外导体以及薄膜介质，并与耦合电极板电连接，电缆组件的另一端与匹配电阻的另一端电连接。中心导体悬置于外导体的内部，并与外导体同轴设置，中心导体用于分别连接负载以及电磁脉冲源。本申请采用非侵入式的检测方式，装置简单且成本较低，同时解决侵入式的电磁脉冲测量方式对测量信号造成的影响，实现对高压电磁脉冲的无损测量，从而保证测量的准确性。

Description

一种非侵入式电磁脉冲测量装置及测量电路

技术领域

本实用新型涉及电磁脉冲技术领域，尤其涉及一种非侵入式电磁脉冲测量装置及测量电路。

背景技术

高压电磁脉冲具有电压幅值大、场强高和频谱宽等特点，对于电磁脉冲的测量，主要是对电磁脉冲的时间和空间分布特性进行测量。时间分布特性主要包括脉冲宽度、脉冲上升时间和脉冲下降时间，空间分布特性主要指脉冲的幅值。目前，高压电磁脉冲的主要测量手段是采用阻容分压的技术，阻容分压要求高压探头与脉冲的作用物体相接触，属于侵入式的电磁脉冲测量方式。

阻容分压测量技术在对高压超短脉冲测量时，阻容分压探头带宽有限，会对测量的脉冲信号造成影响，引起测量信号的畸变，影响后续对电磁脉冲特性的精确分析。因此，现有技术的电磁脉冲测量方式在对高压超短脉冲测量时无法保证测量准确性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种非侵入式电磁脉冲测量装置及测量电路，以解决现有技术的电磁脉冲测量方式在对高压超短脉冲测量时无法保证测量准确性的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种非侵入式电磁脉冲测量装置，包括：

外导体，所述外导体呈圆筒状，所述外导体的外侧壁接地；

耦合电极板，所述耦合电极板的其中一个侧面设置有薄膜介质，所述薄膜介质与所述外导体的内侧壁连接；

匹配电阻，所述匹配电阻设置于所述外导体的外部，所述匹配电阻的一端接地；

电缆组件，所述电缆组件的一端穿设于所述外导体以及薄膜介质，并与所述耦合电极板电连接，所述电缆组件的另一端与所述匹配电阻的另一端电连接；以及

中心导体，所述中心导体悬置于所述外导体的内部，并与所述外导体同轴设置，所述中心导体用于分别连接负载以及电磁脉冲源。

进一步的，所述中心导体和外导体的内侧壁之间设置有绝缘填料。

进一步的，所述电缆组件包括电缆接头和同轴电缆；

所述电缆接头安装于所述外导体的外侧壁上，所述电缆接头的内部设置有内电极，所述内电极的一端穿设于所述外导体以及所述薄膜介质，并与所述耦合电极板电连接，所述内电极的另一端经所述同轴电缆与所述匹配电阻的另一端连接。

进一步的，所述耦合电极板设置于所述外导体的中部，所述电缆组件正对所述耦合电极板设置。

进一步的，所述中心导体为铜柱或不锈钢柱。

进一步的，所述匹配电阻被配置为电阻值与所述电缆组件的阻抗保持一致。

一种测量电路，包括积分器、数据采集模块以及如上述任一项所述的非侵入式电磁脉冲测量装置；

所述非侵入式电磁脉冲测量装置通过电缆组件连接所述积分器的输入端，所述积分器的输出端连接所述数据采集模块。

进一步的，所述积分器为无源积分器或有源积分器。

一种测量方法，应用于上述所述的测量电路，所述方法包括步骤：

向中心导体输入电磁脉冲电流，并通过所述中心导体传递至负载；

通过非侵入式电磁脉冲测量装置获得响应所述电磁脉冲电流的测量数据；

将所述测量数据通过积分器进行积分运算后发送至数据采集模块。

进一步的，所述通过非侵入式电磁脉冲测量装置获得响应所述电磁脉冲电流的测量数据的步骤包括：

通过所述耦合电极板与所述中心导体耦合形成第一耦合电容；

通过所述耦合电极板与所述外导体的内侧壁耦合形成第二耦合电容；

通过所述第一耦合电容以及所述第二耦合电容的输出电压获得所述测量数据。

本实用新型的有益效果在于：本申请采用同轴心设置的中心导体和外导体，并在外导体内设置耦合电极板，耦合电极板与中心导体之间形成一个耦合电容，耦合电极板与外导体的内侧壁形成另一个耦合电容，耦合电容响应流经中心导体的电磁脉冲电流生成电压测量数据，并将测量数据经电缆组件输出至积分器进行积分后发送至数据采集模块。可见，本申请采用非侵入式测量方式，装置简单且成本较低，同时解决侵入式的电磁脉冲测量方式对测量信号造成的影响，实现对高压电磁脉冲的无损测量，从而保证测量的准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例的非侵入式电磁脉冲测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二的测量电路的原理示意图；

图3为本实用新型实施例二的测量电路的等效电路图；

图4为本实用新型实施例三的测量方法的第一流程框图；

图5为本实用新型实施例三的测量方法的第二流程框图。

标号说明：

10、非侵入式电磁脉冲测量装置；100、外导体；200、中心导体；300、耦合电极板；310、薄膜介质；400、电缆组件；410、电缆接头；411、内电极；420、同轴电缆；20、积分器；30、数据采集模块；40、电磁脉冲源；50、负载。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

实施例一

本实施例提供一种非侵入式电磁脉冲测量装置10，应用于对电磁脉冲进行测量。

请参照图1，所述非侵入式电磁脉冲测量装置10包括中心导体200、外导体100、耦合电极板300以及电缆组件400。所述外导体100呈圆筒状，所述外导体100的外侧壁接地。所述耦合电极板300的其中一个侧面设置有薄膜介质310，所述薄膜介质310与所述外导体100的内侧壁连接。所述匹配电阻R_m设置于所述外导体100的外部，所述匹配电阻R_m的一端接地。所述电缆组件400的一端穿设于所述外导体100以及薄膜介质310，并与所述耦合电极板300电连接，所述电缆组件400的另一端与所述匹配电阻R_m的另一端电连接。所述中心导体200悬置于所述外导体100的内部，并与所述外导体100同轴设置，所述中心导体200用于分别连接负载以及电磁脉冲源。

本实施例中的非侵入式电磁脉冲测量装置10的工作原理为：中心导体200穿设于外导体100的内部，电磁脉冲源电连接中心导体200的一端，中心导体200的另一端电连接负载。测量时，电磁脉冲源40馈电，提供电磁脉冲电流，设置于外导体100内侧壁的耦合电极板300与中心导体200之间形成第一耦合电容C₁，同时，耦合电极板300与外导体100内侧壁形成第二耦合电容C₂，第一耦合电容C₁和第二耦合电容C₂响应中心导体200的电磁脉冲电流产生电压测量数据，测量数据经电缆组件400输出至积分器进行积分，再发送至数据采集模块。数据采集模块通过对采集的数据进行分析，获得脉冲宽度、脉冲上升时间和脉冲下降时间以及脉冲幅值等电磁脉冲电流的相关参数。其中，匹配电阻R_m对测量装置进行阻抗匹配。

可以理解的，本实施例采用非侵入式的检测方式，装置简单且成本较低，同时解决侵入式的电磁脉冲测量方式对测量信号造成的影响，实现对高压电磁脉冲的无损测量，从而保证测量的准确性。其中，中心导体200的两端均独立设置有用于连接电磁脉冲源和负载的电缆和电缆连接头。

可选的，所述中心导体200和外导体100的内侧壁之间设置有绝缘填料。示例性地，该绝缘填料可以是空气、绝缘油和聚乙烯等。可以理解的，中心导体200与外导体100之间设置有绝缘填料，有利于避免中心导体200与外导体100之间产生电接触。

可选的，所述电缆组件400包括电缆接头410和同轴电缆420。所述电缆接头410安装于所述外导体100的外侧壁上，所述电缆接头410的内部设置有内电极411，所述内电极411的一端穿设于所述外导体100以及所述薄膜介质310，并与所述耦合电极板300电连接，所述内电极411的另一端经所述同轴电缆420与所述匹配电阻R_m的另一端连接。

本实施例中，外导体100和薄膜介质310均设置有通孔，电缆接头410的内电极411穿过通孔并与耦合电极板300焊接，以使耦合电极板300固定于外导体100的内侧壁上。耦合电极板300与外导体100的内侧壁之间设置薄膜介质310，薄膜介质310采用高介电常数的绝缘耐压材料，示例性地，可以采用沉积的方式在耦合电极板300的表面上形成薄膜介质310，也可以采用现有的薄膜粘贴至耦合电极板300的表面。可以理解的，本实施例采用高介电常数的薄膜介质310，可以提高第二耦合电容C₂的电容值。

请继续参照图1，可选的，所述耦合电极板300设置于所述外导体100的中部，所述电缆组件400正对所述耦合电极板300设置。可以理解的，电缆组件400的电缆接头410与耦合电极板300均设置于外导体100的中部，有利于优化测量装置的整体结构。进一步的，电缆接头410的外电极和外导体100共地。

可选的，中心导体200为圆柱结构，示例性地，所述中心导体200为铜柱或不锈钢柱。在其他实施例中，中心导体200可以采用其他导电材料，此处不做限制。

具体的，所述匹配电阻R_m被配置为电阻值与所述电缆组件400的阻抗保持一致。可以理解的，本实施例设置匹配电阻R_m进行阻抗匹配，匹配电阻R_m的电阻值大小和测量装置的特征阻抗、相连电缆组件400的阻抗保持一致，典型值为50Ω。

具体的，所述中心导体200和外导体100构成的节电容C需满足以下条件：

其中，b为外导体100的内直径，a为中心导体200的直径，ε_r1为中心导体200和外导体100之间材料的相对介电常数，ε₀为真空介电常数。

中心导体200的节电感L需满足以下条件：

其中，μ为磁导率。

电磁脉冲测量装置的特征阻抗Z满足以下条件：

其中，电磁脉冲测量装置的特征阻抗Z需与其相连电缆的阻抗保持一致，典型值为50Ω。

所述中心导体200与耦合电极板300之间形成耦合电容C₁，Z₁是节电容C和耦合电极板300面积S的函数，满足C₁＝f(C,S)。

耦合电极板300和外导体100的内侧壁形成耦合电容C₂，C₂满足以下条件：

其中，ε_r2为耦合电极板300和外导体100内壁间薄膜介质310的相对介电常数，d为耦合电极板300和外导体100内壁的距离。

实施例二

请参照图2和图3，本实施例提供一种测量电路，包括积分器20、数据采集模块30以及如实施例一所述的非侵入式电磁脉冲测量装置10。所述非侵入式电磁脉冲测量装置10通过所述电缆组件400连接所述积分器20的输入端，所述积分器20的输出端连接所述数据采集模块30。

本实施例中的测量电路的工作原理为：非侵入式电磁脉冲测量装置10对电磁脉冲电流进行测量，非侵入式电磁脉冲测量装置10响应流经中心导体200的电磁脉冲电流发送测量数据至积分器20，积分器20对测量数据进行积分运算后发送至数据采集模块30，由数据采集模块30采集积分器20输出的信号并进行处理。示例性地，数据采集模块30可以连接示波器和计算机，将采集的测量数据通过示波器进行显示，也可以转换为数字信号后传输给计算机进行数据保存或其他计算处理，此处不做限制。

请参照图3，可以理解的，本实施例的测量电路的等效电路包括电磁脉冲信号源、第一耦合电容C₁、第二耦合电容C₂、匹配电阻R_m以及积分器20，其中，所述积分器20为无源积分器20或有源积分器20。示例性地，本实施例采用无源积分器20，该无源积分器20包括：积分器20电阻R_I和积分器20电容C_I。

测量电路的等效电路中，电磁脉冲信号源的正极连接第一耦合电容C₁的一端，电磁脉冲信号源的负极接地。第一耦合电容C₁的另一端连接第二耦合电容C₂的一端，第二耦合电容C₂的另一端接地。匹配电阻R_m的一端分别连接第一耦合电容C₁的另一端、第二耦合电容C₂的一端以及积分器电阻R_I的一端，积分器电阻R_I的另一端连接积分器电容C_I的一端，积分器电容C_I的另一端接地。

本实施例中，积分器20的积分时间τ满足条件：

τ＝R_IC_I＞＞t_p；

其中，t_p是电磁脉冲电流的脉冲宽度。

并且，由于R_IC_I＞＞t_p，则R_IC_I＞＞T；

其中，T是电磁脉冲电流的脉冲周期。将周期化作角频率，可得

进一步的，非侵入式电磁脉冲测量装置10高压部分的阻抗为：

非侵入式电磁脉冲测量装置10高压部分的阻抗为：

更进一步的，非侵入式电磁脉冲测量装置10的输出电压为V_o，非侵入式电磁脉冲测量装置10的输入电压为V_i。

由此可以获得传递函数为：

当jωR_m(C₁+C₂)＜＜1，传递函数可以表述为：

当jωR_m(C₁+C₂)＞＞1，传递函数可以表述为：

可见，在全频率段范围内，非侵入式电磁脉冲测量装置10既有微分特性又有自积分特性。

实施例三

本实施例提供一种测量方法，应用于实施例二所述的测量电路。

请参照图4，该方法包括步骤：

S10、向中心导体输入电磁脉冲电流，并通过所述中心导体传递至负载；

S20、通过非侵入式电磁脉冲测量装置获得响应所述电磁脉冲电流的测量数据；

S30、将所述测量数据通过积分器进行积分运算后发送至数据采集模块。

请参照图5，具体的，步骤S20包括：

S21、通过所述耦合电极板与所述中心导体耦合形成第一耦合电容；

S22、通过所述耦合电极板与所述外导体的内侧壁耦合形成第二耦合电容；

S23、通过所述第一耦合电容以及所述第二耦合电容的输出电压获得所述测量数据。

可以理解的，本实施例采用非侵入式的检测方法，解决侵入式的电磁脉冲测量方式对测量信号造成的影响，实现对高压电磁脉冲的无损测量，从而保证测量的准确性。

示例性地，测量方法中各器件的连接过程为，电磁脉冲源40通过电缆和中心导体200相连，并对中心导体200馈电，以提供电磁脉冲电流。中心导体200通过电缆连接负载50，以向负载50传递电磁脉冲电流。电缆接头410先与匹配电阻R_m相连，匹配电阻R_m的被配置为电阻值与电缆的阻抗保持一致，例如，匹配电阻R_m的电阻值设置为50Ω。电缆接头410再与积分器20相连，积分器20则与数据采集模块30相连。

综上所述，本实用新型提供的非侵入式电磁脉冲测量装置、测量电路及测量方法，采用同轴心设置的中心导体和外导体，并在外导体内设置耦合电极板，耦合电极板与中心导体之间形成一个耦合电容，耦合电极板与外导体的内侧壁形成另一个耦合电容，耦合电容响应流经中心导体的电磁脉冲电流生成电压测量数据，并将测量数据经电缆组件输出至积分器进行积分后发送至数据采集模块。可见，本申请采用非侵入式测量方式，装置简单且成本较低，同时解决侵入式的电磁脉冲测量方式对测量信号造成的影响，实现对高压电磁脉冲的无损测量，从而保证测量的准确性。另外，在全频率段范围内，本申请的非侵入式电磁脉冲测量装置既有微分特性又有自积分特性。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种非侵入式电磁脉冲测量装置，其特征在于，包括：

外导体，所述外导体呈圆筒状，所述外导体的外侧壁接地；

耦合电极板，所述耦合电极板的其中一个侧面设置有薄膜介质，所述薄膜介质与所述外导体的内侧壁连接；

匹配电阻，所述匹配电阻设置于所述外导体的外部，所述匹配电阻的一端接地；

电缆组件，所述电缆组件的一端穿设于所述外导体以及薄膜介质，并与所述耦合电极板电连接，所述电缆组件的另一端与所述匹配电阻的另一端电连接；以及

中心导体，所述中心导体悬置于所述外导体的内部，并与所述外导体同轴设置，所述中心导体用于分别连接负载以及电磁脉冲源。

2.根据权利要求1所述的非侵入式电磁脉冲测量装置，其特征在于，所述中心导体和外导体的内侧壁之间设置有绝缘填料。

3.根据权利要求1所述的非侵入式电磁脉冲测量装置，其特征在于，所述电缆组件包括电缆接头和同轴电缆；

所述电缆接头安装于所述外导体的外侧壁上，所述电缆接头的内部设置有内电极，所述内电极的一端穿设于所述外导体以及所述薄膜介质，并与所述耦合电极板电连接，所述内电极的另一端经所述同轴电缆与所述匹配电阻的另一端连接。

4.根据权利要求1所述的非侵入式电磁脉冲测量装置，其特征在于，所述耦合电极板设置于所述外导体的中部，所述电缆组件正对所述耦合电极板设置。

5.根据权利要求1所述的非侵入式电磁脉冲测量装置，其特征在于，所述中心导体为铜柱或不锈钢柱。

6.根据权利要求1所述的非侵入式电磁脉冲测量装置，其特征在于，所述匹配电阻被配置为电阻值与所述电缆组件的阻抗保持一致。

7.一种测量电路，其特征在于，包括积分器、数据采集模块以及如权利要求1-6任一项所述的非侵入式电磁脉冲测量装置；

所述非侵入式电磁脉冲测量装置通过电缆组件连接所述积分器的输入端，所述积分器的输出端连接所述数据采集模块。

8.根据权利要求7所述的测量电路，其特征在于，所述积分器为无源积分器或有源积分器。