CN104833837A - 一种基于模拟光电转换的隔离型脉冲电压实时测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模拟光电转换的隔离型脉冲电压实时测量***，包括锥形电容分压器、同轴积分器、模拟电-光转换发射模块、模拟光-电转换接收模块、高速数据采集卡、工控机以及同步脉冲测量模块。高电压脉冲经锥形电容分压器后，由模拟电-光转换发射模块将脉冲电压波形按线性比例转换为光强脉冲波形，通过单模石英光纤传输到远端，再由模拟光-电转换接收模块将传输的光强脉冲信号转为电压波形信号，由高速数据采集卡采集并记录，在工控机上进行记录和处理。同时可以通过同步脉冲输出完成对增强电荷耦合器件以及光谱分析仪等同步测量***的触发。本发明解决了高电压实验和脉冲功率装置中远距离实时测量脉冲电压的问题和地电位隔离的问题。

Description

一种基于模拟光电转换的隔离型脉冲电压实时测量***

技术领域

本发明涉及高电压脉冲的隔离型实时测量技术领域，特别涉及一种基于模拟光电转换的隔离型脉冲电压实时测量***。

背景技术

脉冲高电压放电研究中以及脉冲功率***中，除了要有产生脉冲高电压的设备，还必须有能测量这些脉冲高电压的仪器和设备。脉冲高电压实验及脉冲功率***中，都要求对脉冲高电压波形进行隔离测量，以保护测试设备和实验人员的安全，同时，为测量实验中的各过程进行同步性测量，往往要求脉冲测量***具备实施响应的能力。

发明内容

基于此，本发明公开了一种基于模拟光电转换的隔离型脉冲电压实时测量***；

所述***包括电容分压器、积分器、模拟电-光转换发射模块、模拟光-电转换接收模块，数据采集卡、工控机和同步测量模块；

所述电容分压器将测量得到的脉冲电压信号发送给积分器；

所述积分器接收电容分压器发送的脉冲电压信号，并将所述脉冲电压信号进行处理后发送给模拟电-光转换发射模块；

所述模拟电-光转换发射模块将接收的所述处理后的脉冲电压信号转换成光信号，并将所述光信号发送给模拟光-电转换接收模块；

所述模拟光-电转换接收模块将收到的光信号转换为电压信号并发送给数据采集卡和同步测量模块；

数据采集卡将接收到的电压信号转换成数字信号供工控机进行处理；

所述同步测量模块包括有电荷耦合器件、光谱分析仪或其他同步测量装置，所述同步测量模块通过接收所述模拟光-电转换接收模块发送的电压信号来实现对所述同步测量装置的触发。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中基于模拟光电转换的脉冲电压实时测量***的示意图；

图2为本发明的一个实施例中基于模拟光电转换的脉冲电压实时测量***的原理图；

图3为本发明的一个实施例测量出的雷电脉冲波形示意图；

图4为本发明的一个实施例测量出的上升沿低于10ns的陡上升沿脉冲电压波形示意图。

具体实施方式

下面将对本公开参照附图1至4进行进一步说明。特别声明，以下的描述本质上只是起到了宏观解释和实例说明的作用，绝不对本公开及其应用或使用进行任何限制。除非另外特别说明，否则，在实施例中阐述的部件和步骤的相对布置以及数字表达式和数值并不限制本公开的范围。另外，本领域技术人员已知的技术、方法和装置可能不被详细讨论，但在适当的情况下意在成为说明书的一部分。

在一个实施例中，本发明公开了一种基于模拟光电转换的隔离型脉冲电压实时测量***；

所述***包括电容分压器、积分器、模拟电-光转换发射模块、模拟光-电转换接收模块，数据采集卡、工控机和同步测量模块；

所述电容分压器将测量得到的脉冲电压信号发送给积分器；

所述积分器接收电容分压器发送的脉冲电压信号，并将所述脉冲电压信号进行处理后发送给模拟电-光转换发射模块；

所述模拟电-光转换发射模块将接收的所述处理后的脉冲电压信号转换成光信号，并将所述光信号发送给模拟光-电转换接收模块；

所述模拟光-电转换接收模块将收到的光信号转换为电压信号并发送给数据采集卡和同步测量模块；

数据采集卡将接收到的电压信号转换成数字信号供工控机进行处理；

所述同步测量模块包括有电荷耦合器件、光谱分析仪或其他同步测量装置，所述同步测量模块通过接收所述模拟光-电转换接收模块发送的电压信号来实现对所述同步测量装置的触发。

本实施例在于提出了一种基于模拟光电转换的隔离型脉冲电压实时测量***，该测量***不仅能够实时测量高电压实验和脉冲功率***中产生的脉冲电压波形，而且可以进行实验***和测量***的地电位隔离，实现远距离测量，保障了测量人员的人身安全。

在一个实施例中，所述电容分压器为锥形电容分压器，包括有同轴的第一锥体和第二锥体；所述第一锥体的底面与GIS腔体中的母线及两者间填充的第一介质构成高压臂电容；所述第一锥体的外表面与第二锥体的内表面及它们中间填充的第二介质构成低压臂电容。

本实施例在于对电容分压器进行进一步的限定，本发明的电容分压器可以选择锥形电容分压器，所述第二锥体内具有一锥形空间，此锥形空间与预留窗口的大小有关，此预留窗口由电容分压器的大小决定。

本实施例中所述锥形电容分压器这种锥体结构在电压波传播方向上的尺寸是渐变的，这种渐变方式实现了锥体波阻抗到同轴电缆波阻抗的平滑过渡，形成内部阻抗的相匹配，从而避免形成折反射，进而避免因折反射引起的波形振荡和畸变。

在一个实施例中，所述第一锥体的锥角与第二锥体的锥角的角度相同，且第一锥体完全置入第二锥体内；所述第一锥体底部外侧有螺纹，所述第二锥体底部内侧有螺纹，所述第一锥体底部通过所述螺纹旋入第二锥体底部。

本实施例中，第一锥体和第二锥体的锥角的范围可变，变化范围15°-45°，第一锥体和第二锥体的底部螺纹用于将第一锥体和第二锥体其相对位置固定，以保证分压比恒定，减小测量不确定度。

本实施例第一锥体的底面直径与所测的脉冲电压信号的频率相关，具体的，当脉冲电压沿着母线轴向传播时，不同的横截面处在同一时刻感应到的电位是不相等的，要测量出准确的电压波形，就要求感应电极板的尺寸远远小于测量波形的波长。

在一个实施例中，所述积分器、模拟电-光转换发射模块置于同一屏蔽箱内，且所述屏蔽箱与电容分压器共地，所述模拟电-光转换发射模块采用电池供电，且所述供电电池也置于屏蔽箱内。

更为具体的，本实施例所述的屏蔽箱与电容分压器的第二锥体共地。

本实施例中将所述积分器、模拟电-光转换发射模块置于同一屏蔽箱内是为了有效的一致空间电场的干扰，保护模拟电-光转换发射模块，提高测量的准确性。

在一个实施例中，所述积分器为阻容积分器，所述积分器外部包裹有第一外壳，所述第一外壳采用金属制成的空心圆柱结构，用于保证积分器两侧的电位一致。

本实施例的阻容积分器也可由其他积分电路进行替换，通过积分电路可以对分布式同轴锥形分压器的低频响应进行补偿，从而改善低频特性。阻容积分电路中的电阻的阻值范围可取为20Ω～80Ω，采用并联结构可减小电感，增大容量；电容的容值范围可取为50pF～2nF。根据不同的测量要求可以通过调整电容或电阻的取值，以便更加适用于实际的测量情况。

在一个实施例中，所述模拟电-光转换发射模块通过单模石英光纤将光信号传送给光-电转换接收模块。

本实施例中的电-光转换发射模块能实时的将电信号转换为光信号发送给光-电转换接收模块，选用单模石英光纤传输光信号是为了满足将光信号进行远距离，大容量的传输的要求，并且这样做具有良好的实时响应特性，以及地电位隔离和抗电磁干扰性能。

在一个实施例中，所述电容分压器通过第一锥体的顶端连接同轴电缆后再与积分器相连接；所述同轴电缆的连接头采用气密射频连接头。

本实施例中，同轴电缆的连接头采用气密射频接头，保证高频传输性能和***的气密性要求。分压器具有锥形结构，第一锥体和第二锥体从底面到锥顶尺寸结构逐渐减小到与同轴电缆的连接头相匹配，这种锥体结构在电压波传播方向上的尺寸是渐变的，而这种渐变方式实现了锥体波阻抗到同轴电缆波阻抗的平滑过渡，形成内部阻抗的相匹配，从而避免形成折反射，进而避免因折反射引起的波形振荡和畸变。

在一个实施例中，所述第一介质采用空气、氮气或六氟化硫气体中的一种或多种混合气体；第二介质采用聚酰亚胺、聚乙烯、聚四氟乙烯或其它通用的高频介质材料；第一锥体和第二锥体由导电金属材料制成。

在一个实施例中，所述电容分压器外部包裹有第二外壳，所述第二外壳接地，所述第二外壳为与电容分压器同轴的空心圆柱体，用以支撑以及固定电压分压器。

在本实施例中，将第二外壳接地可以保证操作人员的安全，将第一锥体和第二锥体固定于第二外壳可以确保其相对位置固定。

在一个实施例中，图1为本发明基于模拟光电转换的脉冲电压实时测量***示意图。在本实施例中，包含锥形电容分压器1、同轴积分器2、模拟电-光转换发射模块3、模拟光-电转换接收模块4、高速数据采集卡5、工控机6和同步测量模块。其中，锥形电容分压器1与同轴积分器2通过射频接头连接；同轴积分器2的另一端作为输出端将电信号传递给模拟电-光转换发射模块3；模拟电-光转换发射模块3将电压信号按线性比例转换为模拟光强信号，并通过单模石英光纤传递至远端模拟光-电转换接收模块4；模拟光-电转换接收模块4将光强信号按线性比例转换为电压信号，输入至高速数据采集卡进行数字化转换，并将数字化结构传递给工控机6进行显示、存储和分析处理。

在一个实施例中，图2为本发明基于模拟光电转换的脉冲电压实时测量***原理图。在本实施例中，电容分压器包括同轴的第一锥体1-1和第二锥体1-2，第二锥体1-1内具有一锥形空间，此锥形空间锥角与预留窗口的结构相关，变化范围为15°～45°，第一锥体1-2位于该锥形空间中，在第一锥体1-1的外表面与第二锥体1-2的内表面之间填充有电介质膜1-3。电介质膜1-3的材料可以采用聚酰亚胺、聚乙烯或聚四氟乙烯，也可以采用其它通用的高频低损耗电介质材料。第一锥体1-1可以设在外壳1-6内，外壳1-6接地。

第一锥体的锥顶1-1-2与同轴电缆接头1-7相连，同轴电缆接头1-7的另一端作为信号输出端，与所述同轴积分器2的一端2-1相连。

第一锥体的底面1-1-1作为电容分压器高压臂的一部分，可与母线1-4及母线1-4与底面1-1-1之间的填充气体1-5构成高压臂电容，底面直径与所测信号的频率相关，具体的，当脉冲电压沿着母线轴向传播时，不同的横截面处在同一时刻感应到的电位是不相等的，要测量出准确的电压波形，就要求感应电极板的尺寸远远小于测量波形的波长。电极的轴向尺寸可按下式计算：

$d=\left(\frac{{2c}_0}{f_{\max }}\right)[\frac{\mathrm{\π}}{2}-\frac{1}{\sin (1-2\mathrm{\Δ}/V)}]/2\mathrm{\π}---\left(1\right)$

式中：

d-允许的电极直径；

c₀-光速；

f_max-被测波形最高频率；

ΔV/V-电极表面允许的相对电位差。

一般的，选取ΔV/V＝0.01，若f_max＝100MHz，计算可得出d＝191mm，即电极直径最大可选取191mm。

填充气体1-5可以采用空气、氮气或六氟化硫气体等。第二锥体1-2作为电容分压器低压臂一部分，可与第一锥体1-1的锥形侧壁及电介质膜1-3构成低压臂电容。由此形成的低压臂电容大于同一感应面积下平板电容分压器的低压臂电容，使得本发明的电容分压器的分压比较大。

第一锥体和第二锥体的材料可以采用易于导电的金属材料。同轴电缆的连接头采用气密射频接头，保证高频传输性能和***的气密性要求。

分压器具有锥形结构，第一锥体和第二锥体从底面到锥顶尺寸结构逐渐减小到与同轴电缆的连接头相匹配，这种锥体结构在电压波传播方向上的尺寸是渐变的，而这种渐变方式实现了锥体波阻抗到同轴电缆波阻抗的平滑过渡，形成内部阻抗的相匹配，从而避免形成折反射，进而避免因折反射引起的波形振荡和畸变。

由图2可见，分布式同轴锥形分压器1的电缆接头1-7的一端同轴积分器的一端2-1相连，同轴积分器的另一端2-2与模拟电-光转换发射模块3相连。同轴积分器外壳2-3可采用空心圆柱结构，该外壳的材料可采用可屏蔽外界干扰的金属，可保证积分器两侧的电位一致。可通过同轴结构波阻抗计算公式计算同轴积分器内导体和外壳之间的波阻抗，使其与电缆接头的波阻抗相等。同轴积分器2可采用结构较为简单的阻容积分电路，也可以采用其它积分电路，通过积分电路可以对分布式同轴锥形分压器的低频响应进行补偿，从而改善低频特性。阻容积分电路中的电阻2-4的阻值范围可取为20Ω～80Ω，采用并联结构可减小电感，增大容量；电容2-5的容值范围可取为50pF～2nF。根据不同的测量要求可以通过调整电容或电阻的取值，以便更加适用于实际的测量情况。

具体的，由理论分析可知积分器是一个低通滤波器，在改善测量***低频响应的同时会抑制高频响应，采用积分器的电路结构见图2，R_i与C_i分别为积分电阻和积分电容，利用Laplace变换可求得其单位方波响应：

$u_2\left(t\right)=\frac{C_1}{C_1+C_2+C_i}(1-e^{\frac{(C_1+C_2+C_i)t}{R_i{C}_i(C_1+C_2)}})---\left(2\right)$

在测量***中，C₂值为nF级，而C_i的大小远远小于C₂，所以上式可以简化为：

$u_2\left(t\right)=\frac{C_1}{C_1+C_2+C_i}(1-e^{\frac{t}{R_i{C}_i}})---\left(3\right)$

从而可以得到τ≈R_iC_i，即主要取决于R_i与C_i的乘积，积分器的高频截止频率故要求尽可能小，由于R_i＜＜R，即这样当R_i取值合适，C_i取值较小时，采用积分器可达到较好的测量效果；但当C_i较大时，τ会增大，不适于测量快前沿信，所以选取合适的积分器很重要。若要求测量***能测量到10ns的陡前沿波形，即要求测量***的高频响应要能达到50MHz，故R_iC_i最大可选。

在一个实施例中，当母线1-4上施加电压时，该电压通过分布式电容分压器所构成的高压臂电容和低压臂电容进行分压，电缆接头1-7取得分压后的电压信号，将该电压信号传输到同轴积分器2，通过同轴积分器2还原出原始电压波形，并通过高性能采集卡3将其转换为数字信号，通过光电转换***4和5实现远程的传输，最终将所测波形显示在工控机6上。

图3为本发明基于模拟光电转换的脉冲电压实时测量***实施例测量出的雷电冲击波形示意图。其中A为原电压波形，B分布式同轴锥形传感器测得波形。其从图3中可看出集成式冲击电压测量***对长波尾波形的还原性好，即低频响应好。

图4本基于模拟光电转换的脉冲电压实时测量***实施例测量出的上升沿低于10ns(约为6ns)的波形示意图。其中A为原电压波形，B分布式同轴锥形传感器测得波形。从图4可看出所设计的集成式冲击电压测量***能够完好的还原上升沿在6ns及其以上的电压波形，即高频响应好。这说明该测量***可以完整的还原出陡上升沿冲击电压波形的高频分量和低频分量。

虽然已示例实施例描述了本公开，但应理解，本公开不限于上述的示例性实施例。对于本领域技术人员显然的是，可以在不背离本公开的范围和精神的条件下修改上述的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种基于模拟光电转换的隔离型脉冲电压实时测量***，其特征在于：

所述***包括电容分压器、积分器、模拟电-光转换发射模块、模拟光-电转换接收模块，数据采集卡、工控机和同步测量模块；

所述电容分压器将测量得到的脉冲电压信号发送给积分器；

所述积分器接收电容分压器发送的脉冲电压信号，并将所述脉冲电压信号进行处理后发送给模拟电-光转换发射模块；

所述模拟电-光转换发射模块将接收的所述处理后的脉冲电压信号转换成光信号，并将所述光信号发送给模拟光-电转换接收模块；

所述模拟光-电转换接收模块将收到的光信号转换为电压信号并发送给数据采集卡和同步测量模块；

数据采集卡将接收到的电压信号转换成数字信号供工控机进行处理；

所述同步测量模块包括有电荷耦合器件、光谱分析仪或其他同步测量装置，所述同步测量模块通过接收所述模拟光-电转换接收模块发送的电压信号来实现对所述同步测量装置的触发。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于：优选的，所述电容分压器为锥形电容分压器，包括有同轴的第一锥体和第二锥体；所述第一锥体的底面与GIS腔体中的母线及两者间填充的第一介质构成高压臂电容；所述第一锥体外表面与第二锥体内表面及它们中间填充的第二介质构成低压臂电容。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于：所述第一锥体的锥角与第二锥体的锥角的角度相同，且第一锥体完全置入第二锥体内；所述第一锥体底部外侧有螺纹，所述第二锥体底部内侧有螺纹，所述第一锥体底部通过所述螺纹旋入第二锥体底部。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述积分器、模拟电-光转换发射模块置于同一屏蔽箱内，且所述屏蔽箱与电容分压器共地。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述积分器为阻容积分器，所述积分器外部有第一外壳，所述第一外壳采用金属制成的空心圆柱体结构，用于保证积分器两侧的电位一致。

6.根据权利要求4所述的***，其特征在于：所述模拟电-光转换发射模块采用电池供电，且所述供电电池也置于屏蔽箱内。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述模拟电-光转换发射模块通过单模石英光纤将光信号发送给模拟光-电转换接收模块。

8.根据权利要求3所述的***，其特征在于：所述电容分压器通过第一锥体的顶端连接同轴电缆后再与积分器相连接；所述同轴电缆的连接头采用气密射频连接头。

9.根据权利要求2所述的***，其特征在于：所述第一介质采用空气、氮气或六氟化硫气体中的一种气体或多种混合气体；第二介质采用聚酰亚胺、聚乙烯、聚四氟乙烯或其它通用的电介质材料；第一锥体和第二锥体由导电金属材料制成。

10.根据权利要求3所述的***，其特征在于：所述电容分压器外部有第二外壳，所述第二外壳接地，所述第二外壳为与电容分压器同轴的空心圆柱体，用以支撑以及固定电压分压器。