5.1脉冲功率测量技术5.脉冲功率测量技术5.1脉冲功率测量技术5.1脉冲功率测量技术.ppt

纳秒级测量技术 纳秒级测量技术 纳秒级测量技术 电阻分压器 电阻分压器 电阻分压器 电阻分压器 两级电阻分压器 两级电阻分压器 两级电阻分压器 电容分压器 电容分压器 罗柯线圈 罗柯线圈 分流器 * * 纳秒级高压脉冲的特点： 一、被测脉冲前沿快。被测脉冲前沿通常约在10ns量级，有时可低达亚纳秒，即响应带宽可高达1GHz。为了使测量系统上升时间不应超过被测波形上升时间的1/3。因此，通常要求纳秒级高电压大电流脉冲测量系统的上升时间为亚纳秒到十纳秒范围，而根据上述规律用于标定测量系统的方波脉冲的上升时间应与之相当或者更小。 对于这样的上升时间要求，即使测量和标定系统中存在很微小的杂散参数或不连续性，都可能对测量标定结果产生显著的影响，因此测量和标定系统的设计都必须非常仔细地考虑杂散参数和不连续性的影响。 二、被测脉冲幅值高。电压、电流的幅值通常可达MV，MA量级。现代数字化高速示波器的峰峰值记录电压往往在100V量级，因此被测电压在测量系统中的衰减位数为104量级。分压器的衰减倍数一般应达到103量级，这样的衰减倍数一级分压器较难做到，二级分压器的响应可能也不理想，设计难度大。 对于电流测量而言，普遍使用的罗柯夫斯基线圈的设计电流衰减倍数通常宜为102量级，相应的信号电阻阻值不宜大于0.1欧，信号电阻的瞬时功率为106量级，难以采用标准器件，其制作难度也较大。 三、快脉冲情况下的电磁干扰。由于脉冲前沿快，相应的短波长成分能量大，空间电磁干扰强，在开关通断过程中产生的电磁波和从高压测量回路中辐射的电磁波很容易在低压测量回路中产生干扰。这种干扰的幅值尽管不高，但它并未经过测量系统的衰减，因此可以大大降低被记录信号的信噪比，有时干扰甚至远大于真实信号。 理想的电阻分压器由两个纯电阻串联而成，其中任何一个电阻上的电压都小于输入电压，通常输出信号从较小的电阻上引出。 实际上，任何电阻都具有一定的杂散电感，电阻之间、电阻与地之间都有一定的杂散电容，分压器和测量回路中往往不可避免还有引线。 正因为这些杂散的电感和电容，设计纳秒级响应时间的电阻分压器比较困难。 两级电阻分压器在低压臂电阻较高时使用。假如低压臂电阻选取为50欧，为了得到1000倍的分压比，则分压器电阻将达到50千欧，即使分压器对地电容为1PF，其上升时间也将达到11ns，因此，这时一级分压将很难达到使用要求，所以考虑用两级分压。 可以将第一级分配100倍分压比，第二级10倍，如果两级对地电容均为1PF，低压臂电阻均为50欧，则分压器上升时间为1.1ns。 两级分压可以大大改善分压器的响应。 假如被测电压很高、前沿很快，如数MV、几ns，则可能两级分压器的响应仍不能达到使用要求。可以考虑对分压器的响应进行补偿。 补偿的方法就是抵消一部分电容的作用。 两级电阻分压器第一级一般用水电阻构成，高低压臂连通以克服温度变化对分压比的影响，因此不便在第一级使用补偿电感。 在第二级补偿时，补偿效果仅作用于第二级，补偿效果非常有限。 补偿一般用于一级电阻分压器中。 理想的电容分压器由两个纯电容串联而成，其中任何一个电容上的电压都小于输入电压，通常输出信号从较大的电容上引出。 分立式：分立的电容器组成，构成的分压器自成一体，结构上不依赖于被测系统。 对于分立式电容分压器而言，由于实际电容器都具有一定的杂散电感和泄露电阻，电容器外壳与地之间也有一定的杂散电容，有时还必须考虑引线电感。 由于容抗随脉冲频率增大而减小，感抗随脉冲频率增大而增大，因此，分立式电容分压器从原理上讲比较适用于前沿较慢（几十ns）脉冲的测量而不太适于脉冲前沿很快（10ns以下）的情况。 耦合式：利用测量电极与被测系统高压电极之间的耦合电容形成高压臂，构成分压器与被测系统组成一体，不能单独使用。 在脉冲功率技术中，耦合式电容分压器经常用于传输线脉冲电压的测量，其高压臂电容通常利用插入的探测电极与高压电极之间（一般充有液体绝缘介质）的耦合电容得到，因此L’和Ce’可以忽略。对于油介质传输线，R’很大，也可以忽略。 因此，能否得到好的分压器特性能就主要取决于低压臂以及测量回路的制作水平。 低压臂电容通常利用平板形探测电极与传输线接地电极之间的耦合电容得到的（若传输线是同轴形的，探测电极的形状与其一致）。 罗柯线圈实际上是一种原边为单匝线圈、副边为多匝线圈的无磁芯电流互