一种D-dot传感器的制作方法
文献发布时间:2023-06-19 16:04:54
技术领域
本发明涉及一种脉冲电压传感器的制作方法,具体涉及一种D-dot传感器的制作方法,应用于前沿时间在ns至百ns量级,幅值在MV级的电压脉冲D-dot传感器设计。
背景技术
在脉冲功率装置中,针对MV级电压脉冲测量,通常采用电容耦合传感器。通过合理设置电容耦合传感器的电路参数,其输出信号可以是待测电压脉冲的微分波形,即微分型电容耦合传感器(又称D-dot传感器)。所获得的微分信号经过数值积分或RC积分回路可将微分信号复原。若采用数值积分,测量系统的硬件组成非常简洁,仅由D-dot传感器自身和测量电缆组成;测量系统的响应特性基本取决于D-dot传感器的几何结构和介质材料,因此D-dot传感器设计方法的核心是明确电容耦合D-dot传感器结构参数与响应特性的数值关系。
目前D-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)装置即采用该D-dot传感器对双板传输线电压和绝缘堆栈电压进行测量。中国工程物理研究院也采用D-dot传感器对初级试验平台中脉冲电压进行了测量。尽管上述研究工作成功将D-dot传感器应用在脉冲功率装置中,但是依然缺乏准确完善的设计方法。
针对D-dot传感器的物理设计方法,应该是从设计指标出发,明确D-dot传感器的响应能力要求,进而给出D-dot传感器的电路参数和结构参数的要求。目前关于D-dot传感器的设计工作存在以下问题:
1、D-dot传感器电路模型过度简化,不能完整反映微分型电容耦合D-dot传感器的响应能力。典型的D-dot传感器电路模型如图1所示,图中V
该模型未考虑回路电感的影响,并且(A)式的求解,只是在1/(ωC
(B)式仅刻画了D-dot传感器的理想工作状态,不能描述D-dot传感器实际的传递函数。
2、未能明确阐述D-dot传感器的电路参数和结构参数的关系。设计工作对D-dot传感器的响应特性是否满足要求缺少预判,只能依赖实验确定。
发明内容
本发明的目的是针对现有D-dot传感器的电路模型过度简化,不能完整反映D-dot传感器的响应能力,且未能明确阐述D-dot传感器的电路参数与结构参数关系的技术问题,而提供一种D-dot传感器的制作方法,建立了D-dot传感器设计指标与结构参数的数值关系。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案为:
本发明一种D-dot传感器的制作方法,其特殊之处在于,包括以下步骤:
步骤1:确定目标D-dot传感器的结构参数,所述结构参数包括步骤1中所述的结构参数包括D
步骤2:依据待测信号,确定D-dot传感器的设计指标,所述设计指标包括前沿响应特性参数K及幅值刻度k;
步骤3:建立D-dot传感器的设计指标与其电路参数之间的数值关系,所述电路参数包括D-dot传感器接收电极与高压电极的电容C
步骤4:建立D-dot传感器的电路参数与其结构参数之间的数值关系,获得结构参数;
步骤5:依据步骤4获得的结构参数制作目标D-dot传感器。
进一步地,步骤2具体为:
2.1)定义待测信号为u
2.2)定义D-dot传感器的输出信号为u
2.3)定义D-dot传感器输出信号的积分信号为u
2.4)定义D-dot传感器的前沿响应特性参数K=t
2.5)定义D-dot传感器的幅值刻度
进一步地,步骤3具体为:
3.1)当u
式中,C
3.2)依据步骤3.1),在阶跃响应函数H(t)不产生过冲和震荡时,给出关于电路参数C
L≤Z
3.3)根据步骤3.1)和步骤3.2)可知,当L=Z
3.4)根据步骤2.1)、2.3)和3.3),得出t
3.5)根据步骤2.4)、3.3)和3.4),获得K∈(0.99,1.0)对D-dot传感器电路参数的约束为
3.6)由步骤3.1)可得D-dot传感器的阶跃响应函数H(t)幅值为ZC
3.7)将步骤2.5)和步骤3.6)联立可得
进一步地,步骤4具体为:
4.1)D-dot传感器的电缆引出同轴结构阻抗应与信号电缆阻抗Z相同,由此给出对D
式中:ε
4.2)当高压电极和地电极结构确定时,
式中:ε
4.3)建立D-dot传感器的电路参数电容C
F(x
式中:F(x
4.4)将步骤3.5)和步骤4.3)联立,获得结构参数l的取值下限;
4.5)建立D-dot传感器的电路参数电感L与结构参数的数值关系
式中:μ是D-dot传感器的绝缘子磁导率;G(x
4.6)将步骤3.2)和步骤4.5)联立,获得结构参数l的取值上限。
进一步地,步骤1中,D
进一步地,步骤2.2)中,所述D-dot传感器的输出信号幅值U
进一步地,步骤4.1)中,所述D-dot传感器绝缘子的电缆阻抗Z取值为50Ω。
进一步地,步骤4.3)中,所述a
进一步地,步骤4.4)中,所述a
进一步地,优选地D-dot传感器的地电极与接收电极的间距l的设计值为2~3mm。
与现有技术相比,本发明技术方案的有益效果是:
本发明D-dot传感器的制作方法,能够依据待测信号的特征,有效的指导D-dot传感器的主体结构设计,与现有的设计方法相比,考虑的设计指标更为丰富,不仅包括测量系统的幅值刻度和阶跃响应前沿时间,还引入了新的限制条件,即阶跃响应无过冲震荡;电路模型中新引入电感,对D-dot传感器响应特性的估算更为完善;通过结构影响函数F(x
附图说明
图1为现有D-dot传感器电路简化模型结构示意图;
图2为现有典型的D-dot传感器结构示意图;
图3为本发明D-dot传感器电路模型结构示意图,其中u
图4为本发明实施例中油介质平板传输线上的D-dot传感器结构示意图。
图中附图标记为:
1-接收电极,2-D-dot传感器绝缘子,3-地电极,4-高压电极。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例并非对本发明的限制。
首先明确目标D-dot传感器设计中的关键结构参数,如图2所示,是一种典型的D-dot传感器结构,包括接收电极1、D-dot传感器绝缘子2、地电极3。图2中D-dot传感器的结构参数包括D
接收电极1和地电极3组成同轴结构,该同轴结构的作用是传输测量信号。当上述同轴结构阻抗与(测量系统中)信号电缆阻抗一致时,该同轴结构的长度不会影响D-dot传感器测量系统的传递函数。在工程上,同轴结构的长度通常取决于被测装置与测量时D-dot传感器的装配结构,为了保证D-dot传感器的适应性,该同轴结构的阻抗应该与D-dot传感器绝缘子2的电缆阻抗Z相同,其中Z一般设置为50Ω。令D-dot传感器绝缘子2的介电常数和磁导率分别为ε
此外,由于D
其次,依据待测信号的特征定义D-dot传感器的设计指标。定义待测信号为u
定义D-dot传感器的输出信号和其数值积分信号,分别为u
u
D-dot传感器的主要设计指标包括前沿响应特性和幅值刻度,其中前沿响应特性表征为u
为使u
K=t
幅值刻度k=U
在工程上基于信噪比和绝缘的考虑,D-dot传感器输出信号的输出信号幅值U
如图3所示,是本发明提出的D-dot传感器电路模型,C
式中:k
在工程上通常C
由(5)可得D-dot传感器的阶跃响应函数H(t)的幅值为ZC
k=1/ZC
联立(4)式和(6)式,得到关于C
由(2)式所决定,为避免阶跃响应函数H(t)产生过冲和震荡,(5)式中
L≤Z
同时在(5)式中,H(t)的前沿时间与L/C
定义波形10%~90%的上升时间为前沿时间,由(7)式计算得到D-dot传感器阶跃响应(最快时)前沿时间t
t
已知待测信号u
联立(3)式和(11)式,得到
t
联立(10)式和(12)式得到:
上述(7)、(13)和(8)式建立了设计指标与电路参数之间的数值关系,分别针对测量系统的幅值刻度和前沿响应要求,以及测量信号无过冲的前提条件,对D-dot传感器电路参数C
通过C
最后,参见图2,当高压电极4和地电极3结构确定时,C
式中ε
电路参数C
(16)式中ε
电路参数L的设计值,约束了结构参数l:
(17)式中μ是D-dot传感器绝缘子2的磁导率,G(x
综上所述,本设计方法从设计指标出发,对目标D-dot传感器的关键结构参数D
如图4所示,为了进一步说明,本发明以一个安装在油介质平板传输线上(变压器)的D-dot传感器为例,详细介绍该D-dot传感器的设计过程。平板传输线高压电极4与地电极3的间距d为60mm。D-dot传感器的待测信号即平板传输线传输的电压脉冲,其幅值U
将上述参数d、U
计算得到D
1)基于U
已知U
2)基于幅值刻度k和待测信号u
已知t
已知C
3)基于C
已知C
已知C
F(x
计算得到l>1.2mm。
已知L≤1.06×10
计算得到l≤5.9mm。
综上所述,当D
采用上述方法还可获得电容耦合传感器。
以上所述仅为本发明的实施例,并非对本发明保护范围的限制,凡是利用本发明说明书以及附图内容所作的等效结构变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均包括在本发明的专利保护范围内。
- 一种D-dot传感器的制作方法
- 一种电介质加载D-dot电场测量传感器