Лекция. Методы и средства измерений параметров импульсных электромагнитных полей, токов и напряжений icon

Лекция. Методы и средства измерений параметров импульсных электромагнитных полей, токов и напряжений



Смотрите также:
Учебная программа Дисциплины р14 «Методы радиофизических измерений» по направлению 011800...
Лекция Методы анализа линейных электрических цепей при гармоническом воздействии Методы...
Лекция Погрешности измерений и их классификация. Систематические погрешности...
Календарный план учебных занятий по дисциплине «Методы контроля состояния окружающей среды»...
Измерение, классификация измерений, методы измерений, средства измерений...
Влияние концентраторов напряжений на кинетику разрушения листовой нержавеющей стали с учетом...
Лекция 1
Реферат основы технических измерений...
Лабораторный комплекс «Метрология длин» мли 1м...
Основы безопасности жизнедеятельности...
Рабочая программа учебной дисциплины "физико-математические основы техники высоких напряжений"...
9 Задания на выполнение расчетно-графических работ 2...



скачать




ЛЕКЦИЯ. Методы и средства измерений параметров импульсных электромагнитных полей, токов и напряжений

В современных нормативных документах по метрологическому обеспечению испытаний технических средств (ТС) методом измерений называется прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей в соответствии с реализованным физическим явлением или совокупностью физических явлений, положенных в основу измерений. Физические явления, предлагаемые в методе измерений, реализуются при разработке средств измерений (СИ), которые включают в себя измерительный преобразователь, линию связи, согласующее устройство и регистратор (рис. 1.3).





1 - измерительный преобразователь; 2 - линия связи;

3 - согласующее устройство; 4 - регистратор

Рис. 1.3. Структурная схема ИК

В зависимости от физического явления, используемого в измерительном преобразователе, методы и средства измерений импульсных ЭМП подразделяются на индукционные, емкостные, полосковые (волновой метод), электро- и магнитооптические, гальваномагнитные.

Для измерения импульсных токов применяются методы с использованием токовых шунтов и индукционных ИП (поясов Роговского), а для измерения импульсных напряжений – методы с использованием резистивных и емкостных делителей напряжения.

В зависимости от типа линии связи СИ на основе перечисленных методов могут быть кабельными или оптоэлектронными.

Проанализируем подробнее достоинства и недостатки отдельных элементов, входящих в состав средств измерений (см. рис. 1.3), для рационального выбора направлений исследований.

1.2.1. Линии связи средств измерений

В настоящее время для измерения импульсных ЭМФ широко используются СИ, в которых для передачи информации о зарегистрированном сигнале используется коаксиальный кабель. Средства измерений с кабельными линиями связи (КЛС) имеют высокую надежность и стабильность характеристик. Однако возможности их использования сильно ограничены вследствие низкой помехозащищенности КЛС и искажений кабелем структуры измеряемых полей.

Помехозащищенность КЛС можно увеличить, используя ферритовую линию задержки на оплетке коаксиального кабеля. Линия задержки позволяет разнести сигнал и помеху по времени и осуществить регистрацию. Однако громоздкость линии задержки, необходимость ее размещения в полеобразующей системе имитатора по эквипотенциальным линиям поля, а также внесение ею искажения в структуру измеряемого ЭМП затрудняют проведение измерений.

Другим существенным фактором, ограничивающим использование СИ с кабельными линиями связи, является затягивание фронта передаваемого импульсного сигнала при увеличении длины коаксиального кабеля. Согласно проведенным оценкам, передача без искажений сигнала с субнаносекундным фронтом по кабельной линии возможна на расстояния 1-5 м. Для расширения полосы пропускания кабельных линий связи применяют фильтры-корректоры, которые выравнивают переходную характеристику КЛС в области верхних частот.

Оптоэлектронные средства измерений, в которых в качестве линии связи используется волоконно-оптическая линия передачи измерительной информации (ВОЛПИ), обладают рядом преимуществ по сравнению с кабельными СИ. Используемая в них волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) практически не вносит искажений в структуру ЭМП, а передаваемый по ней световой сигнал не подвержен воздействию электромагнитных помех и наводок.

Это позволяет проводить измерения не только вблизи «земляного» электрода испытательной установки, но и в других точках рабочего объема, и, в частности, внутри испытываемых объектов. Кроме того, ВОЛС более широкополосны и имеют слабое затухание оптических сигналов (5 - 10 дБ/км). При той же длине волоконно-оптическая линия связи может передавать сигнал с фронтом в 10-100 раз короче, чем КЛС.

Структурная схема измерительного канала с ВОЛПИ представлена на рис. 1.4.




1 – измерительный преобразователь; 2 – устройство согласования; 3 – преобразователь "напряжение-свет"; 4 – волоконно-оптическая линии связи; 5 – фотоприемное устройство; 6 – регистратор

Рис. 1.4. Структурная схема оптоэлектронного СИ

Импульс напряжения с датчика, содержащий информацию об измеряемом ЭМП, токе или напряжении, преобразуется в свет и по волоконно-оптической линии связи поступает на преобразователь "свет-напряжение", вынесенный за пределы зоны измерений, а затем преобразованный измерительный сигнал регистрируется с помощью осциллографа и обрабатывается. Таким образом осуществляется гальваническая развязка измерительного преобразователя и регистратора.

В настоящее время созданы оптоэлектронные средства измерения, в которых предусмотрена возможность дистанционного управления режимами работы ИП (включение-выключение питания, аттенюаторов, калибровка и т.д.). Такие СИ имеют две волоконно-оптические линии связи, по одной из которых к ИП подаются команды управления, а по другой – измерительная информация к регистратору. Это усложняет конструкцию средств измерений, но позволяет повысить эффективность их использования, снижает погрешности.

Одним из основных недостатков оптоэлектронных СИ является активный характер их измерительных преобразователей, т.е. необходимость обеспечения автономного электропитания электронных схем устройства согласования и преобразователя "напряжение-свет" (ПНС). Кроме того, расположение согласующего устройства и ПНС непосредственно в зоне действия мощных импульсных ЭМП требует специальной защиты измерительного преобразователя от проникновения полей внутрь его корпуса. Вследствие этого, а также технологических трудностей при изготовлении оптоэлектронных СИ, в ряде случаев остается оправданным использование средств измерений с кабельными линиями связи. Однако при измерении субнаносекундных импульсов ЭМП, тока и напряжения внутри испытываемого объекта оптоэлектронные средства измерений на сегодняшний день не имеют альтернативы.

1.2.2. Измерительные преобразователи импульсного электрического поля

Для измерения коротких импульсов требуется быстродействующий измерительный преобразователь – устройство, преобразующее измеряемую величину в передаваемый по линии связи сигнал (импульс напряжения или световой импульс) в соответствии с реализованным в нем методом измерения. Рассмотрим существующие типы ИП и возможность их использования для наших целей.

В качестве измерительных преобразователей для измерения электрического поля наиболее часто используют различные варианты электрических диполей – плоский и сферический конденсаторы, конус, короткий штыревой диполь (ёмкостной метод измерения), а также системы с распределенными параметрами (волновой метод).

Эквивалентная схема нагруженного ёмкостного ИП (электрического диполя) приведена на рис. 1.5.

Чувствительность емкостного измерительного преобразователя непосредственно связана с эквивалентной или действующей высотой антенны hЭ, которая определяется её геометрией и размерами. Значение hЭ для определённого типа антенны (первичного ИП), при электрически малых линейных размерах h последней (то есть при выполнении условия квазистационарности h<


e(t) – наводимая на ИП э.д.с.; С0 – емкость антенны; RД – добавочное или демпфирующее сопротивление; LП – паразитная индуктивность; RН, LН и СН – сопротивление, индуктивность и емкость нагрузки, соответственно; uвых(t) – напряжение на выходе ИП

Рис. 1.5. Эквивалентная схема электрического диполя

В то же время, увеличивать чувствительность ИП за счет увеличения размеров антенны можно лишь до определенного предела, поскольку при этом снижается верхняя рабочая частота антенны. Быстродействие ёмкостного ИП ограничивается за счет влияния паразитных реактивных сопротивлений антенны и соединительных проводов, а также входной емкости и инерционности блока согласования.

Для увеличения выходного напряжения и расширения рабочего частотного диапазона СИ в области низких частот применяются такие меры как увеличение собственной емкости электрических антенн за счет конструктивных изменений и увеличение сопротивления нагрузки Rн.

Широкополосность СИ увеличивается при включении в его электрическую цепь дополнительного резистора Rн. Однако это приводит к снижению чувствительности СИ.

Сравнительно большие значения hЭ (т.е. высокую чувствительность) и активное волновое сопротивление в широкой полосе частот имеют биконические симметричные вибраторы и сферические ИП, что делает возможным их использование для измерения полей малых уровней.

Характеристики зарубежных ёмкостных ИП приведены в таблице 1.3. Отличительной особенностью данных ИП является выполнение их с учетом волнового характера взаимодействия с измеряемым импульсом поля. Это позволяет регистрировать импульсы наносекундного диапазона, частотному спектру которого соответствуют длины волн, соизмеримые с линейными размерами ИП. Однако отсутствие достаточной информации о технических и метрологических характеристиках зарубежных СИ не позволило в полной мере определить возможность их использования для измерения параметров импульсных электрических полей, приведенных в п. 1.1.

Таблица 1.3

СИ импульсного электрического поля наносекундного диапазона

Конструкция, тип ИП

Страна

Время нарастания ПХ, нс

Диполь в виде конуса ASD

США

0,04

Плоские и параллельные пластины

США

0,1

Штыревые электроды

США

0,3

Полый сферический диполь

Франция

0,7


Перспективным для измерения импульсных электрических полей субнаносекундного диапазона является использование систем с распределенными параметрами (волновой метод измерения). Данный метод реализован в полосковых ИП, которые могут использоваться в средствах измерения как с кабельными, так и с волоконно-оптическими линиями связи. Одним из преимуществ метода является возможность согласования измерительного преобразователя с линией связи путем выбора геометрических параметров микрополосковой линии.

Принцип действия полоскового ИП основан на том, что при взаимодействии падающего ЭМП с микрополосковой линией в последней возбуждается бегущая ТЕМ-волна, распространяющаяся вдоль линии (рис. 1.6).



1 – потенциальный электрод; 2 – проводящая плоскость; 3 – фронт падающей волны

Рис. 1.6. Распространение электромагнитной волны в полосковой линии

Переходная характеристика линейного полоскового ИП имеет ступенчатую форму, а ее время нарастания, определяющееся шириной полосковой линии, может быть достаточно мало (~ 30-50 пс). Существенным недостатком полосковых измерительных преобразователей является узкая диаграмма направленности, что затрудняет их применение для измерения ЭМП с неизвестной пространственной структурой.

1.2.3. Измерительные преобразователи импульсного магнитного поля

Для измерения импульсного магнитного поля наиболее часто используются индукционные измерительные преобразователи, имеющие вид катушки или рамки, в которых при воздействии изменяющегося во времени магнитного поля наводится э.д.с., пропорциональная скорости изменения поля. Эквивалентная схема индукционного ИП представлена на рис. 1.7.

Параметры схемы выбирают такими, чтобы катушка индуктивности совместно с нагрузочным сопротивлением выполняла роль интегратора, а напряжение на нагрузке ИП в требуемом частотном диапазоне изменялось пропорционально напряженности магнитного поля.




e(t) – наводимая на ИП э.д.с.; L0 - индуктивность катушки; RК - активное сопротивление катушки; RН, LН и CН - сопротивление, индуктивность и ёмкость нагрузки, соответственно; uвых(t) – напряжение на выходе ИП

Рис. 1.7. Эквивалентная схема индукционного ИП магнитного поля

Чувствительность индукционного ИП определяется площадью и количеством витков, а также магнитной проницаемостью сердечника катушки.

Как и для емкостных ИП электрического поля, повышать чувствительность за счет увеличения размеров антенны (площади отдельного витка) можно лишь пока выполняется условие квазистационарности, что накладывает ограничение на размер индукционных ИП.

Увеличение количества витков приводит к возрастанию паразитной ёмкости между витками и между катушкой и корпусом ИП, что также ограничивает частотный диапазон. Для демпфирования наложенных на фронт импульса колебаний, обусловленных паразитными ёмкостями, к обмотке катушки могут быть подключены дополнительные резисторы между витками и между каждым витком и корпусом.

Повышение чувствительности индукционного ИП достигается при использовании сердечников с большим значением магнитной проницаемости. Применение данного способа, однако, не всегда возможно, поскольку при этом снижается динамический диапазон средства измерений вследствие насыщения феррита при больших уровнях воздействующих полей.

Анализ характеристик СИ магнитных полей (табл. 1.1), использующих индукционные ИП, показывает, что они имеют относительно узкую рабочую полосу частот, что приводит к необходимости измерения широкополосных сигналов с использованием двух каналов, один из которых измеряет амплитуду и форму сигнала в области фронта, а второй – форму спадающей части импульса. Необходимо также отметить малую длину линий связи быстродействующих СИ и отсутствие оптоэлектронных СИ импульсных магнитных полей с субнаносекундным быстродействием.

Основные характеристики зарубежных ИП индукционного типа приведены в табл. 1.4. Их быстродействие достигает 0,2 нс, однако все они предназначены для работы с кабельными линиями связи.

Таблица 2.4

Характеристики зарубежных ИП импульсных магнитных полей

Конструкция и тип ИП

Страна

Время нарастания ПХ (временной диапазон)

СML-цилиндрическая петля Мебиуса

США

>1 нс

MGL-многоцелевой ИП

США

0,2¸4,5 нс

О3L-октоэдральный трехосевой соленоид

США

<1 нс

RML-прямоугольня петля Мебиуса

США

10 нс

MTL-многовитковый ИП

США

100нс¸150 мкс


В настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию средств измерений на основе электро- и магнитооптических эффектов, суть которых состоит в модулировании проходящего через кристалл оптического сигнала при воздействии на последний электромагнитного поля (эффекты Поккельса, Керра, Франца-Келдыша, Фарадея).

Структурная схема ИК на основе электро- или магнитооптического метода измерений показана на рис. 1.8. Свет от источника оптического излучения через ВОЛС приходит на модулятор, где под воздействием внешнего ЭМП происходит изменение какого-либо оптического параметра (интенсивности, плоскости поляризации). Промодулированный оптический сигнал по ВОЛС поступает на фотоприемник, где преобразуется в необходимую форму для записи его регистратором.




1 - источник оптического излучения; 2 - ВОЛС; 3 - модулятор; 4 - фотоприемник; 5 - регистратор

Рис. 1.8. Структурная схема ИК на основе электрооптического или магнитооптического эффекта

Характеристики электро- и магнитооптических СИ – чувствительность к внешнему полю и динамический диапазон – определяются параметрами преобразователя и фотоприемника, величиной электрооптического коэффициента материала чувствительного элемента, уровнями вводимой мощности излучения и ее флуктуаций, величинами потерь в трактах.

Основное преимущество электро- и магнитооптических методов измерений состоит в малоинерционности используемых физических эффектов. Так, инерционность эффекта Поккельса, определяющаяся временами отклика электронных оболочек атомов на внешнее поле, составляет менее 10-12 с. Инерционность эффекта Франца-Келдыша определяется временем перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости при поглощении фотона, которое при Е=105-106 В/м составляет 10-13-10-12 с.

Таким образом, на основе данных эффектов теоретически возможно создание СИ с быстродействием порядка 10 пс. Кроме того, электро- и магнитооптические ИП, в отличие от оптоэлектронных средств измерений, не требуют источников питания и не вносят искажений в структуру измеряемого поля.

Еще один тип ИП, в которых используются оптические эффекты – интегрально-оптические преобразователи. К настоящему времени известны различные типы интегрально-оптических ИП, но наиболее изучены модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера, представляющего собой кристалл, на котором сформированы планарные волноводы и напыленные управляющие электроды. Метод измерений с использованием интегральнооптических устройств отличается высокой чувствительностью. При подключении к интегральным модуляторам индукционных и емкостных ИП они могут использоваться для измерения слабых электрических и магнитных полей, а также для измерения импульсных напряжений субнаносекундного диапазона в пределах 0,1¸10 В.

В целом электро- и магнитооптические СИ обладают рядом достоинств. Они малоинерционны, не вносят искажений в структуру измеряемого поля, имеют малые габариты, обеспечивают беспомеховый вывод информации к регистрирующей аппаратуре, позволяют проводить измерения в широком временном диапазоне. К недостаткам следует отнести малую чувствительность (за исключением интегральнооптических СИ), температурную нестабильность характеристик, большие оптические потери.

В таблице 2.5 приведены основные характеристики электро- и магнитооптических СИ, разработанных в нашей стране и за рубежом.

Таблица 2.5

Характеристики электро-магнитооптических датчиков для измерения импульсных Е- и Н-полей наносекундного диапазона

Тип, материал ИП

Измеряемая величина

Амплитудный диапазон

Время нарастания ПХ, нс

Постоянная спада ПХ, мкс


Страна

Интерферoметр Маха-Цандера LiNbO3

E

0,02¸10 В/м

5

1

Япония

ЭМЕ-10

Н

5¸5´103 А/м

10

5´106

СССP

ЭМС-10

E

1¸300 кВ/м

10

5´106

СССР

Эффект Фарадея, крист. CdMnTe

H

80¸7´103 А/м

17

1´106

Россия, ИОФАН

Эффект Фарадея, крист. CdMnTe

Н

50¸2´103 А/м

7

1´103

Россия, ИОФАН

Эффект Фарадея, крист. CdMnTe

Н

0,5¸20 кА/м

0,5

1´103

Россия, ИОФАН

ССДИ-Е

Е

10¸300 кВ/м

10

2´106

CCCР

ССДИ-Н

Н

0,7¸10 кА/м

10

2´106

CCCР

Эффект Фарадея

Н

5¸1,5´103 А/м

1

-

США

Эффект Поккельса, ЭОИК-1

Е

20¸400 кВ/м

17

2´106

Россия

Эффект Поккельса, крист. Bi12SiO20

Е

80¸103 кВ/м

1

200

Россия, ИРЭ


Наилучшим быстродействием (0,5-1 нс) обладают средства измерений на основе эффектов Поккельса и Фарадея. Следует однако отметить, что большинство из приведенных СИ находятся в стадии лабораторных исследований. Рабочих электро- и магнитооптических СИ с субнаносекундным быстродействием и стабильными метрологическими и эксплуатационными характеристиками до настоящего времени не создано. Основные причины этого заключаются в сравнительной сложности и стоимости изготовления и обслуживания, низкой стабильности характеристик, особенно температурной, что связано с недостаточно развитой технологией производства электро- и магнитооптических веществ.

Для измерения импульсного магнитного поля может быть использован также гальваномагнитный эффект Холла. Данный эффект состоит в том, что при помещении в магнитное поле пластины, вдоль которой протекает ток, на ее боковых гранях возникает поперечная разность потенциалов (э.д.с. Холла). Инерционность самого эффекта, определяющаяся временем релаксации основных носителей, составляет 10-13-10-12 с. Однако вследствие ряда факторов (в первую очередь, возникновение напряжения наводки, которое при измерении наносекундных процессов сравнимо по амплитуде с э.д.с. Холла) быстродействие существующих в настоящее время СИ на основе эффекта Холла невелико и составляет 35 нс и более.

Таким образом, проведенный анализ существующих методов и средств измерений импульсных ЭМП показывает, что для решения практических задач измерения ЭМП субнаносекундного диапазона во внутренних объёмах объектов испытаний перспективными являются ёмкостные и индукционные СИ с волоконно-оптическими линиями связи.

1.2.4. Измерение импульсных токов и напряжений

Проанализируем возможности существующих методов измерения импульсных токов и напряжений.

Одним из основных методов измерения импульсных токов является резистивный, реализуемый с помощью импульсных шунтов. Эквивалентная схема токового шунта представлена на рис. 1.9.



Рис. 1.9. Эквивалентная схема токового шунта

Входная емкость регистратора Сн и индуктивность шунта Lш являются паразитными параметрами. Для увеличения широкополосности шунта и снижения погрешностей измерения их стремятся минимизировать.

Существенное влияние на метрологические характеристики шунтов при измерениях импульсных токов субнаносекундного диапазона оказывает скин-эффект, проявляющийся в зависимости активного сопротивления резистивного слоя шунта от частоты.

Для ослабления частотной зависимости, приводящей к “выбросу” на начальном участке ПХ шунта, уменьшают толщину резистивного слоя, что ограничивает амплитудный диапазон СИ.

При измерениях с помощью токовых шунтов необходимо учитывать также еще одну их особенность – температурную зависимость коэффициента преобразования.

Согласно приведенным в табл. 1.2 данным, максимальное быстродействие токовых шунтов составляет единицы наносекунд. Другой широко используемый при измерении импульсных токов метод – индукционный, с помощью пояса Роговского или другого импульсного трансформатора тока.

Эквивалентная схема импульсного трансформатора аналогична схеме индукционного ИП магнитного поля (рис. 1.7). Быстродействие существующих индукционных датчиков тока (табл. 1.2) достигает единиц наносекунд, однако возможно создание более быстродействующих импульсных трансформаторов с ограниченными амплитудным диапазоном и длительностью ПХ.

Импульсные напряжения наиболее часто измеряют с помощью делителей напряжения. Эквивалентные схемы емкостного и резистивного делителей напряжения представлены на рис. 1.10, 1.11.



Рис. 1.10. Эквивалентная схема ёмкостного делителя напряжения

Быстродействие существующих делителей (табл. 1.2) достигает 1 нс. Основными причинами ограничения быстродействия делителей напряжения являются, во-первых, влияние нескомпенсированных паразитных емкостей и индуктивностей, проявляющееся в зависимости коэффициента деления от частоты, и, во-вторых, нарушение условий квазистационарности, приводящее к отражениям при распространении измеряемого импульса вдоль делителя.



Рис. 1.11. Эквивалентная схема резистивного делителя напряжения

Для измерения импульсных напряжений могут быть использованы также ИП на основе электрооптического метода. Принцип действия ИП, реализующего эффект Поккельса или Керра, аналогичен принципу действия описанных выше СИ электрического поля. Аналогичны и преимущества (малая инерционность метода, электрооптический ИП гальванически не связан с регистрирующей аппаратурой), а также и недостатки (температурная нестабильность, низкая чувствительность) электрооптических СИ импульсных напряжений. Показана возможность измерения с помощью ИП на основе эффекта Поккельса импульсных напряжений с фронтом 0,5 нс.

Таким образом, для измерений наведенных токов и напряжений во внутренних цепях объекта испытаний при воздействии ЭМИ перспективными являются пояса Роговского и делители с волоконно-оптическими линиями связи.





Скачать 177,34 Kb.
оставить комментарий
Дата30.09.2011
Размер177,34 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх