脉冲分流器的发展现状研究.pdf

2 0 1 6 年1 2 月宇航计测技术D e c ，2 0 1 6 第3 6 卷第6 期 J o u m a lo fA s t r o n a u t i cM e t r o l o g ya n dM e a s u r e m e n tV o I 3 6 ，N o 6 文章编号：1 0 0 0 一7 2 0 2 ( 2 0 1 6 ) 0 6 0 0 8 2 一0 7中图分类号：T B 9 7 1 文献标识码：A 脉冲分流器的发展现状研究 崔绍颖王书强马志毅 ( 北京东方计量测试研究所，北京1 0 0 0 8 6 ) 摘要脉冲电流的准确可靠测量在国防军工计量领域有着极其重要的科学意义与应用价值，脉冲分流器 是脉冲电流测试中常用的信号转换装置。从脉冲分流器的原理出发，分析各国脉冲分流器研制的现状。围绕其结 构开展研究，对脉冲分流器进行分类，总结出不同结构和材料分流器的测量范围、准确度等特性。研究结果为可为 脉冲分流器的发展方向、今后提升脉冲分流器的测量准确度提供参考。 关键词脉冲电流测量分流器 t u so fP u l s eC u r r e n tS h u n C U IS h a o - y i n gW A N GS h u - q i a n gM AZ h i y i ( B e i j i n g0 r i e n tI n s t i t u t eo fM e a s u r e m e n ta n dT e s t ，B e i j i n g1 0 0 0 8 6 ) A b s t r a c tA c c u r a t ea n dr e l i a b l em e a s u r e m e n to f 。p u l s ec u r r e n th a sg r e a ts c i e n t i f j cV a l u ea n dw i d e a p p l i c a t i o n s I nt h ep u l s ec u r r e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m ，p u l s ec u r r e n ts h u n t sa r et h ec o m m o nd e v i c e sf o r s i g n a lc o n V e r s i o n B a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs h u n t s ，t h es t a t u so ft h ep u l s ec u r r e n ts h u n t sw a si n v e s t i g a - t e d T h es t l l l c t u r e so ft h ep u l s es h u n t sw e r ef o c u s e d T h ep u l s es h u n t sw e r ec l a s s i 6 e d ，a n df I u r t h e H n o r e ， t h em e a s u r e m e n tr a n g e ，a c c u r a c ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c so fs h u n t sw i t hd i f f b r e n ts t l l l c t u r ea n dm a t e r i a l w e r es u m m a r i z e d T h er e s e a r c hp r o V i d e sr e f e r e n c et ot h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o na n dt h ep m m o t i o no f m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h ep u l s ec u r r e n ts h u n t s K e yw o r d s P u l s ec u r r e n tM e a s u r e m e n tS h u n t 1 引言 随着科学技术的进步，脉冲电流测量广泛应用 于核爆炸模拟、受控核聚变试验、脉冲激光器、高功 率微波、定向能武器、电磁发射及推进、电磁成形、材 料表面处理等领域中。因此，脉冲电流的准确可靠 测量在国防军工计量领域有着极其重要的科学意义 与应用价值。 脉冲电流测量通常需要将被测脉冲电流信号转 收稿日期：2 0 1 6 一1 0 2 l ，修回日期：2 0 1 6 一l 】一3 0 作者简介：崔绍颖( 1 9 9 2 一) ，女，硕士研究生，主要研究方向：电磁测蛙技术。 化为测试设备所能接受的量值进行测量。常用的转 换装置包括脉冲分流器、R o g o w s k i 线圈、霍尔电流传 感器、磁光式电流传感器等。其中，脉冲分流器 的原理直观、制作方便、准确度和稳定性高，脉冲分 流器法是目前测量脉冲电流最常用的方法。 脉冲电流信号的幅值范围为几安到几百千安 培，上升时间为几个微秒，最短可达纳秒级。采用脉 冲分流器测量千安级幅值以及纳秒级上升时间的脉 冲电流，必须考虑分布电容、电感、趋肤效应和热效 万方数据 第6 期 脉冲分流器的发展现状研究 应等因素。脉冲分流器的频率范围、电流幅值范围、 测量准确度、上升时间等限制了其使用，需要进一步 的研究。目前，相关研究机构从脉冲分流器的结构、 材料、校准方法等方面开展各项研究。结构和材料 的改进可以提高脉冲分流器的测量范围、准确度和 响应速度等特性。 同样导致阻抗发生变化。阻抗的变化会导致幅值误 差和波形畸变，因此在选择分流器的材料和设计结 构时，应考虑减小趋肤效应和热效应。 另外，分流器的高频响应特性、稳定性、对电磁 干扰的屏蔽以及在电动力作用下的机械强度都是必 须考虑的问题。 2 脉冲分流器的基本原理3 脉冲分流器的结构 分流器本质上是能产生与施加电流成比例的电 压信号的电阻器，本文所指的脉冲分流器，是指宽频 带、低电感、分布参数较小的可用来测量脉冲电流的 分流器。分流器为了减小误差通常设计为四端结 构，如图1 所示。其阻值一般在几毫欧姆到几欧姆 之间，能测量的脉冲电流信号范围为几安到几十千 安甚至上百千安J 。 ! 。I 兰L R 。 图l 脉冲分流器原理图 利用脉冲分流器i 贝0 量脉冲电流，是将电阻数值 已知的分流器串联在被测电路里，通过测量或者观 测脉冲分流器两端的电压，即可获得被测脉冲电流 的大小或波形 M ( ) = 尺。i ( )( 1 ) 式中：“( f ) 脉冲分流器两端电压，V ；尺；脉 冲分流器的电阻，n ；i ( ) 通过脉冲分流器的电 流，A 。 由于快速变化的电磁场，脉冲分流器的残余电 感等分布参数的影响不能忽略，而且随着被测电流 频率的增加，分布电感的影响更加明显。因此，脉冲 分流器两端电压实际上是电阻电压与电感电压之和 J ? ，+ 、 M ( ) = R ；i ( f ) + 。半( 2 ) n 式中：。脉冲分流器的残余电感，H 。 由式( 2 ) 可知，电感压降随着电流变化率的增 大而增大，甚至会比电阻压降大很多。残余电感会 导致脉冲分流器蚓喻跃响应出现明显的上冲，既不 能用来确定幅值，也不能用来确定波形。因此，减小 残余电感是设计脉冲分流器的首要任务。 其次，快速变化的电流经过脉冲分流器时，趋肤 效应会导致电流分布不均匀，阻抗发生变化，热效应 一般来说，特定的结构可以减小脉冲分流器的 分布参数、趋肤效应等因素带来的影响。脉冲分流 器的结构大致可分为对折式、盘式和同轴式三种形 式。近年来，为适应脉冲电流幅值增大、上升时间缩 短的趋势，许多国家开始研制新型结构脉冲分流器。 这些结构的改进提高了脉冲分流器的带宽、减小了 分布参数，改善了其瞬态特性。 3 1 对折式脉冲分流器 对折式脉冲分流器采用带状对折式结构，如图 2 所示。c 、c ：为电流端子，与被测回路串联，引入并 引出电流；p 。、p ：为电压端子，引出电压并与测量设 备相连。 p ? 、l ：_ lK j ：j7 ，j 1 ：| j ? ：。一：= ：= ，0 ? 一一一，i1 1 K i i ，i j 0 。一一一一j | _ ；f 山绝、缘层电阻带弋一 ! Qfb oo 图2 带状对折式脉冲分流器 螺栓 国防科学技术大学研制了一种结构紧凑的折带 式脉冲分流器3 ；，如图3 所示。该脉冲分流器使用 厚度0 0 2 m m ，宽度8 0 m m 的不锈钢作为电阻材料， 折带间隙为6 m m ，接头部分用无氧铜片与不锈钢电 阻带焊接，作为电流端，Q 。接头芯线与电阻带下层 焊接，外壳与电阻带上层连接，作为电压端。 该分流器可用来测量脉宽为1 0 n s 1 0 0 n s 、幅值 为5 0 k A 的脉冲电流；其动态电阻为1 2 5 7 m n ，响应 时问为1 2 l n s 。采用该脉冲分流器i 贝0 得s p a r k 0 4 万方数据 宇航计测技术 2 0 1 6 年 图3 紧凑型折带式脉冲分流器 型脉冲功率调制器的电子束波形与原波形基本一 致，电子束流强度为4 7 0 1 k A ，与采用R o g o w s k i 线圈 法所测结果很接近。 对折式脉冲分流器的优点在于结构简单、便于 制作，与同轴型分流器相比在空间有限的情况下易 于安装，但对折式分流器具有较大残余电感，在测量 时会带来较大误差。 3 2 盘式脉冲分流器 盘式脉冲分流器是制成平面型的同轴盘式分流 器，如图4 所示。其电阻材料可采用碳膜或金属，通 常安装在同轴传输线的末端，由盘的中心及边缘取 出电压信号，然后经由高频同轴电缆把信号传至测 量端4 | 。 卜电缆；2 一圆轴锥形套；3 一绝缘压块；4 一薄电阻盘 图4 盘式脉冲分流器 北京无线电计量测试研究所提出了一种针对交 流电流和脉冲电流的盘式分流器L 5J ，如图5 所示。 采用全金属材料和并联宽频大功率小电阻。盘式分 流器包括依次连接的上面板、紫铜圆盘、电阻和下面 板。电阻采用V I S H A Y 公司C S M 系列阻值O 1 2 Q ， 最大电流1 0 A 的电阻。上面板输入端的丁头正端 与紫铜圆盘中心孔连接，电阻一端与紫铜圆盘边缘 连接，另一端与下面板边缘连接，紫铜圆盘中心孔与 下面板输出端N 型头正端连接。 该系统中盘式分流器阻值为0 0 1 Q ，可用于测 量5 0 H z 一1 0 k H z ，1 A 一1 0 0 A 交流、脉冲电流。测试 系统由大电流源5 2 1 2 0 A 脉冲电流源L D I 一9 2 8 2 5 输出大电流，经过盘式分流器由数据采集卡测得电 I 霹 碜岛 压，计算得到电流值。交流电流测量不确定度可达 0 1 ，但其脉冲电流测量不确定度未给出。 盘式脉冲分流器结构采用同轴结构屏蔽外部干 扰、减小趋肤效应，具有很好的低感特性，残余电感 量极小，其阶跃响应上升时间可以达到n s 级。 3 3 同轴管式脉冲分流器 同轴管式脉冲分流器一般采用卡玛片( 丝) 、康 铜片( 丝) 均匀排列于薄壁绝缘管上，其结构和电流 流向如图6 所示。同轴管式脉冲分流器电阻丝的长 度、根数、直径或电阻片的厚度由阻值和温升决定。 卜电流端子；2 一电阻；3 一电压引出杆；4 一同轴连接器 5 一电流返回管 ( a )同轴管式分流器结构图 ( b )同轴管式分流器电流流向图 图6 同轴管式分流器 万方数据 第6 期脉冲分流器的发展现状研究 8 5 国防科学技术大学研制了一种测量纳秒级脉冲 大电流同轴分流器J ，如图7 所示，这是国内同轴管 式脉冲分流器较早的研究。该分流器电阻筒是由厚 度0 0 8 m m 的康铜皮卷焊而成，芯线杆采用直径 1 0 m m 的紫铜杆，Q g 型电缆接头的芯线焊在芯线杆 两端，在屏蔽管与小电阻筒以及小电阻筒与芯线杆 之间装