一种D-dot传感器的制作方法

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。