百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及高空电磁脉冲(High-attitude electromagnetic pulse，HEMP)脉冲电流传感器的时域标定技术，具体涉及百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置及其使用方法。

背景技术

HEMP脉冲电流是电子设备抗HEMP试验的重要参数，具有前沿快、幅值高、频谱宽等的特点。

HEMP脉冲电流传感器通常采用包含铁氧体磁芯的罗氏线圈，将被测电流转换为测量电压，然后利用数据采集设备记录和存储。传感器的标定包括频域标定和时域标定两种，前者主要用于确定传感器的频响特性能够涵盖被测信号频谱，时域标定主要用于传感器转换系数的确定、传感器的测量范围及线性度等。

如公告号为CN203054096U的中国专利提出了用于校准脉冲电流的装置，公告号为CN105954697A的中国专利提出了一种脉冲电流传感器的宽频带精密标定方法和装置，公告号为CN106249185A的中国专利提出了用于标定高频电流传感器的阻抗匹配单元、系统和方法等，给出了现行脉冲传感器的时域标定方法，主要利用脉冲源和匹配负载，在测试夹具上形成标准电流，对传感器进行标定。这一方式的主要问题是，脉冲源、测试夹具、匹配负载等通过同轴电缆连接，受电缆绝缘能力限制，其传递信号幅度通常小于2kV，对应的电流幅度小于40A(2kV/50Ω)。如公开号为CN109557490A的中国专利提出了基于脉冲电流源用于快脉冲测量探头的标定装置及方法，其中提供了一种基于形成线脉冲电流源的标定装置，可提供用于标定的方波脉冲电流信号，但这一装置由于采用高压脉冲开关，其最低输出幅度大于1kA，且形成线的方式只能输出方波信号，与HEMP脉冲电流最为常见的双指数波形差别较大。

因此，为满足HEMP试验标准化和规范化需求，提高HEMP脉冲电流的测量精度，提出一种百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置及其使用方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的由于采用高压脉冲开关，其最低输出幅度大于1kA，且形成线的方式只能输出方波信号，与HEMP脉冲电流最为常见的双指数波形差别较大的技术问题，而提出百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置及其使用方法。

本发明的技术方案如下：

一种百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置，其特殊之处在于：包括示波器、控制模块、充电模块以及波形生成与测试主回路模块；

所述波形生成与测试主回路模块用于生成标定用百安培级、双指数HEMP脉冲电流波形，并测试该电流波形的参数，将该电流波形作为标定用信号，其输出端与示波器的第一通道连接，待标定脉冲电流传感器设置在波形生成与测试主回路模块中，待标定脉冲电流传感器的输出端与示波器的第二通道连接，用于将待标定脉冲电流传感器输出的电压信号发送给示波器；

所述控制模块与充电模块和波形生成与测试主回路模块连接，用于控制充电模块为波形生成与测试主回路模块充电，以及控制波形生成与测试主回路模块的启动与结束。

进一步地，所述波形生成与测试主回路模块包括依次串联的充电电容、控制开关、电感、金属镀膜电阻以及分流器；

所述分流器的接地端和充电电容的接地端均接地；所述充电电容与充电模块连接；所述分流器的输出端与示波器的第一通道连接；所述待标定脉冲电流传感器套设在金属镀膜电阻上，将脉冲电流信号转换为电压信号。

进一步地，还包括衰减器；

所述分流器的输出端通过衰减器与示波器的第一通道连接。

进一步地，所述充电电容的容值C、金属镀膜电阻的阻值R以及电感的电感量L通过以下公式选取：

t

其中，t

进一步地，所述分流器与衰减器以及衰减器与示波器之间，通过同轴电缆连接；待标定脉冲电流传感器的输出端通过同轴电缆与示波器的第二通道连接；

所述充电电容与充电模块通过高压电源线连接；

所述充电模块采用高压直流源，高压直流源的最大输出电压为20kV。

进一步地，所述分流器、充电电容接地端通过金属支柱与接地的金属底板相连，控制开关、电感以及金属镀膜电阻通过绝缘支柱固定于金属底板上，充电电容、电感、金属镀膜电阻通过金属卡扣安装于对应的金属支柱或绝缘支柱。

进一步地，拟采用标定用信号前沿t

进一步地，拟采用标定用信号前沿t

本发明还提出一种百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置的使用方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：根据标定用信号的前沿和半宽，设计波形生成与测试主回路模块，并组装权利要求1-8任一所述的百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置，连接待标定脉冲电流传感器；

步骤2：控制模块控制充电模块对波形生成与测试主回路模块进行充电；

步骤3：控制模块控制波形生成与测试主回路模块启动，生成标定用信号，并发送给示波器，同时待标定脉冲电流传感器生成电压信号发送给示波器；

步骤4：记录标定用信号，并基于标定用信号计算标定用电流幅值I

步骤5：基于标定用电流幅值I

进一步地，所述步骤1具体为：

1.1根据标定用信号的前沿和半宽，按照公式t

1.2安装待标定脉冲电流传感器，使金属膜电阻穿过待标定脉冲电流传感器的中心孔，待标定脉冲电流传感器输出端连接至示波器的第二通道；

所述步骤3具体为：

控制模块控制波形生成与测试主回路模块启动，生成标定用信号，并将分流器测得的标定用信号发送给示波器，同时待标定脉冲电流传感器生成电压信号发送给示波器。

本发明的有益效果：

1、本发明中，采用开放式脉冲波形生成与测试主回路，待标定脉冲电流传感器可安装于波形生成回路中，用于标定传感器的脉冲电流信号无需外接电缆进行引出，生成电流的幅度可达到百安培量级。

2、本发明中，波形生成与测试主回路模块中的充电电容、金属镀膜电阻、电感等部件的参数根据待标定脉冲电流传感器进行设计，可生成更接近待标定信号(波形)参数的双指数脉冲电流，标定结果更准确。

3、本发明中，采用分流器作为参考探头，具有可溯源性，在对待标定脉冲电流传感器的转换系数进行标定时，实现了可溯源。

4、本发明中，在满足高电压绝缘要求的前提下，选用低电感开关、金属镀膜电阻组成波形生成与测试主回路，且结构十分紧凑，可保证ns量级脉冲波形前沿。

附图说明

图1是本发明百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置实施1的结构示意图；

图2是本发明百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置实施例1中，波形生成与测试主回路模块的结构示意图；

图3是本发明实施例1中，标定用典型电流波形(前沿10ns/半宽100ns)；

图4是本发明实施例1中，标定用典型电流波形(前沿20ns/半宽500ns)；

图中，1、示波器；2、控制模块；3、充电模块；4、波形生成与测试主回路模块；41、充电电容；42、控制开关；43、电感；44、金属镀膜电阻；45、分流器。

具体实施方式

实施例1：

本发明针对HEMP脉冲电流传感器时域标定中，脉冲源输出幅度偏低(<100A)或过高(>1000A)，波形特征参数(前沿、半宽)与被测HEMP脉冲电流波形差异较大等问题，提出了一种百安培级HEMP脉冲电流传感器时域标定装置。该装置基于开放式结构的标定波形生成及测试回路，及20kV以上绝缘能力且便于更换的回路组件，可生成不同前沿及半宽的百安培量级、双指数波HEMP脉冲电流，同时采用可计量的分流器作为参考传感器，实现了HEMP脉冲电流传感器的可溯源标定。

具体的：

本发明提出一种百安培级HEMP脉冲电流传感器标定装置，如图1所示，包括示波器1、控制模块2、充电模块3以及波形生成与测试主回路模块4。

各部件的组成及连接方式如下：

如图2所示，波形生成与测试主回路模块4包括依次串联的充电电容41、控制开关42、电感43、金属镀膜电阻44以及分流器45，分流器45、充电电容41接地端通过金属支柱与接地的金属底板相连，其他器件通过绝缘支柱固定于金属底板上，金属底板接地，充电电容41、电感43、金属镀膜电阻44通过金属卡扣安装于对应的金属支柱或绝缘支柱，便于更换不同电容值的充电电容41、不同电感值的电感43、不同电阻值的金属镀膜电阻44，可用于生成不同波形参数(前沿、半宽)的脉冲电流(参考信号)；分流器45包括输入端、输出端和接地端，输入端与接地端之间为经过计量的小电阻，输出端通过同轴电缆连接至示波器1的第一通道CH1，在示波器1第一通道CH1的前端增加衰减器，待标定脉冲电流传感器安装于金属镀膜电阻44处，金属镀膜电阻44从待标定脉冲电流传感器中心孔穿过，待标定脉冲电流传感器输出端通过同轴电缆连接至示波器1的第二通道CH2。

充电模块3为高压直流源，高压直流源最大输出20kV，通过高压电源线连接充电电容41。

控制模块2用于控制高压直流源为波形生成与测试主回路模块4中的充电电容41充电，以及控制波形生成与测试主回路模块4中的控制开关42。

示波器1的第一通道CH1通过同轴电缆连接波形生成与测试主回路模块4中的分流器45，第二通道CH2通过同轴电缆连接待标定脉冲电流传感器。

波形生成与测试主回路模块4中各元件器件的主要技术指标：充电电容41采用高压陶瓷电容，耐压大于30kV；控制开关42采用绝缘气体封装的继电器，耐压大于20kV；金属镀膜电阻44长度70mm，直径8mm；电感43为空心绕线电感；充电电容41、金属镀膜电阻44、电感43取值根据标定所需波形参数确定，为满足ns量级前沿、百安培量级幅度，充电电容41的容值通常在0.1～10nF，金属镀膜电阻44的阻值在10～100Ω，电感43的电感量在10～500nH；分流器45阻值R

基于上述标定装置，本发明还提出其使用方法，包括以下步骤：

步骤1：根据拟选用的标定用信号波形特征，如IEC61000-2-10规定的脉冲电流波形前沿t

步骤2：安装经计量的分流器45(本实施例中分流器45的阻值为0.104Ω)，分流器45经40dB衰减器连接至示波器1的第一通道CH1；

步骤3：安装待标定脉冲电流传感器，使金属镀膜电阻44穿过电流环中心孔，待标定脉冲电流传感器输出端连接至示波器1的第二通道CH2；

步骤4：设置波形生成与测试主回路模块4加压15kV，控制模块2下发命令，高压直流源给波形生成与测试主回路模块4的充电电容41充电；

步骤5：控制模块2下发命令，波形生成与测试主回路模块4的控制开关42动作，充电电容41放电，生成标定用信号，并将分流器45测得的标定用信号发送给示波器1；同时，待标定脉冲电流传感器发送待标定信号给示波器1；

步骤6：记录测量结果，第一通道CH1实测波形前沿10.5ns，半宽97ns，经换算电流幅度为I

步骤7：计算待标定脉冲电流传感器在该电流幅值等级下的转换系数k＝V

之后，可以按照上述使用方法，依据标定具体要求，实施传感器的标定工作。

另外，可根据不同标定用信号需求，更换波形生成与测试主回路模块4的充电电容41、电感43及金属镀膜电阻44，产生其他波形参数的脉冲电流，如MIL-STD-188-125-1规定的前沿20ns，半宽500ns双指数波。调整后(充电电容41的容值取6nF、电感43的电感43量取1uH、金属镀膜电阻44的阻值取100Ω)，实际测得的输出波形如图4所示，前沿18ns，半宽480ns。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于：没有衰减器。