一种信号放大器和一种信号放大方法
【专利摘要】本发明公开了用于电声脉冲法测试空间电荷的一种信号放大器和一种信号放大方法。信号放大器包括压电传感器、压电传感器静态电容和放大器输入阻抗。本发明的一种信号放大器和一种信号放大方法，基于数据恢复原理，通过低输入阻抗的放大电路得到滤波输出信号，并通过反卷积技术处理滤波输出信号，从而得到原始的输入信号，用以计算空间电荷的分布。本发明的一种信号放大器和一种信号放大方法，大大降低了电声脉冲法测量空间电荷的技术的应用成本，使该项技术有了实际推广和应用的价值。
【专利说明】
_种信号放大器和_种信号放大方法
技术领域
[0001] 本发明涉及空间电荷测试领域，具体涉及一种信号放大器和一种信号放大方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着固体聚合物绝缘材料在高压直流电缆中的应用，材料空间电荷特性 越来越受到关注。电声脉冲法作为一种无损的空间电荷测量方法已被广泛采用。其测量系 统结构较其他无损测量系统简单，硬件设计相对容易，已经形成了多种不同结构和用途的 测量装置。传统的电声脉冲测试系统采用高输入阻抗、高带宽的前置放大器，这造成了系统 昂贵的价格。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种信号放大器和一种信号放大 方法，该信号放大器和信号方法采用了低输入阻抗，这大大降低了信号放大系统的价格，使 电声脉冲空间电荷测试系统有了推广价值。
[0004] 实现上述目的的一种技术方案是:一种信号放大器，包括压电传感器、压电传感器 静态电容和放大器输入阻抗，其特征在于，所述压电传感器和所述压电传感器静态电容连 接，所述压电传感器和所述压电传感器静态电容分别并接在放大器输出阻抗两端。
[0005] 进一步的，所述压电传感器和超声波系统连接。
[0006] 本发明还提供了一种信号放大方法，其步骤为：
[0007] A步骤、将所述信号放大器与空间电荷测试系统连接；
[0008] B步骤、通过超声波系统在所述压电传感器上得到初始输出信号；
[0009] C步骤、基于所述信号放大器，得到经过滤波的滤波输出信号；
[0010] D步骤、利用反卷积技术处理滤波输出信号得到原始信号，从而计算得到实际空间 电荷分布。
[0011] 本发明的一种信号放大器和一种信号放大方法，基于数据恢复原理，通过低输入 阻抗的放大电路得到滤波输出信号，并通过反卷积技术处理滤波输出信号，从而得到原始 的输入信号，用以计算空间电荷的分布。本发明的一种信号放大器和一种信号放大方法，大 大降低了电声脉冲法测量空间电荷的技术的应用成本，使该项技术有了实际推广和应用的 价值。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的一种信号放大器的简化电路示意图；
[0013] 图2为在IX 107V/m下空间电荷测试系统输出信号图；
[0014] 图3为滤波电路及空间电荷信号频率特性图；
[0015] 图4为畸变前后空间电荷信号波形图。
【具体实施方式】
[0016]为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例并结合附图 进行详细地说明：
[0017 ] 请参阅图1，本发明的一种信号放大器，包括压电传感器Up、压电传感器静态电容Ct 和放大器输入阻抗Ra，压电传感器Up和压电传感器静态电容连接Ct，压电传感器Up和压电传 感器静态电容Ct分别并接在放大器输出阻抗Ra两端。
[0018]压电传感器Up和超声波系统连接。
[0019] 本发明的一种信号放大方法，其步骤为：
[0020] A步骤、将信号放大器与空间电荷测试系统连接；
[0021] B步骤、通过超声波系统在压电传感器Up上得到初始输出信号；
[0022] C步骤、基于所述信号放大器，得到经过滤波的滤波输出信号；
[0023] D步骤、利用反卷积技术处理滤波输出信号得到原始信号，从而计算得到实际空间 电荷分布。
[0024]在外施电场为1 X 107V/m时，利用低输入阻抗放大器的PEA空间电荷测量系统输出 信号如图2所示。从图中可以看到，在两个尖峰后产生了波形过冲现象。在IX 107V/m的电场 作用下，被测试样内部离子化程度微弱，因此过冲只能是由测量系统引起的。同样的过冲现 象普遍存在于其他类型试样的测量中。
[0025]由于反映空间电荷分布的超声信号频率范围很宽（脉宽5ns时可达到200MHz)，所 以必须考虑传感器电容和放大器输入阻抗组成的电路的频率特性对超声信号的影响。由图 2所示电路可知，CT和Ra组成了一个高通滤波电路。其-3dB截止频率为
[0027]图3所示为Ra = 50 Q，CT = 0.1 nF时，此高通滤波电路及滤波前后信号的频率特性， 信号幅值作了归一化处理。可以看到信号的低频分量在滤波电路的作用下明显衰减，并且 信号频谱范围内的所有频率分量都有较为明显的变化。图4模拟了到达压电传感器的超声 信号在经过此高通滤波电路前后的波形变化情况。不但反映界面电荷分布的两个波包幅值 发生了变化，而且其后部也出现了明显的过冲现象。
[0028] 在测试系统中，压电传感器与放大器组成的高通滤波电路对输出电压信号影响明 显。采用数学处理方法可以较灵活地纠正信号的畸变，这可利用利用反卷积技术处理测试 电极系统的输出信号。
[0029] 由于物理信号在经由测量系统变送为电信号的过程中往往会发生变化，所以由测 量系统得到的信号并不能完全真实准确地反映物理现象和过程。对于线性系统，数学上可 以用一个卷积积分来描述这种变化：
[0031]式中，x(t)原始信号；y(t)是测量系统获得的信号；h(t)为测量系统的单位冲响 应;e(t)表示噪声。
[0032] 实际希望得到原始信号，也就是不失真的物理量x(t)。根据测量系统的输出y(t) 和噪声的统计特性来计原始信号x(t)。根据上式，在不考虑噪声干扰的情况下，只要知道系 统的单位脉冲响应h(t)和输出y (t)就能得到x(t)。在频域上，上式的卷积表示为
[0033] Y(f)=X(f) XH(f)
[0034] 式中，￥(〇4(〇、讯〇分别为7(〇奴〇11(〇的频域表示。根据上式，反卷积过程可 表示为：
[0036]采用快速傅立叶变换(FFT)可以方便地实现时频域转换，简化了反卷积问题的实 现。反卷积的过程中，H(f) -般不能直接测量得到。通常需要在合理的假设下确定特定的输 入信号，并在此前提下以测量的输出信号作为参考，求得系统传递函数H(f)。反卷积计算步 骤如下：
[0037] (1)根据参考信号计算传递函数
[0039]式中，Yl(f)、Xl(f)分别为参考输出信号与输入信号在频域上的表示。
[0040] (2)根据实际输出信号计算原始输入
[0042] 式中，X2(f)、Y2(f)分别为原始输入信号与原始输出信号。
[0043] 在本计算涉及的反卷积问题中，输入信号想x (t)和系统单位脉冲响应h (t)均未 知，属于盲目反卷积问题。为了得到系统的传递函数，采取了以下的近似处理：
[0044] 1、认为低场强下(小于IX 107V/m)测量所得的空间电荷分布信号只包含电极表面 的感应电荷，而在被测试样当中没有空间电荷存在；
[0045] 2、认为低场强下系统的输入信号为脉冲，即空间电荷分布信号为系统的脉冲响 应。
[0046]因此，反卷积处理歩骤为：
[0047] (a)测量低场下空间电荷分布信号71(〇;
[0048] (b)根据测量信号下电极的位置构造相应的脉冲函数X1(t);
[0049] (c)分别对测量进行FFT变换，得yi(f)和幻(f);
[0050] (d)计算 H(f);
[0051] (e)根据系统空间分辨率构造高斯滤波器，并求H2(f);
[0052] (f)测量高场下的空间电荷分布信号并进行FFT变换，得到Y(f);
[0053] (g)由Y(f)、H2(f)计算得实际的空间电荷分布。
[0054]本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明， 而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变 化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
【主权项】
1. 一种信号放大器，包括压电传感器、压电传感器静态电容和放大器输入阻抗，其特征 在于，所述压电传感器和所述压电传感器静态电容连接，所述压电传感器和所述压电传感 器静态电容分别并接在放大器输出阻抗两端。2. 根据权利要求1所述的一种信号放大器，其特征在于，所述压电传感器和超声波系统 连接。3. -种信号放大方法，其步骤为： A步骤、将所述信号放大器与空间电荷测试系统连接； B步骤、通过超声波系统在所述压电传感器上得到初始输出信号； C步骤、基于所述信号放大器，得到经过滤波的滤波输出信号； D步骤、利用反卷积技术处理滤波输出信号得到原始信号，从而计算得到实际空间电荷 分布。
【文档编号】G01R29/24GK106053971SQ201610580830
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月22日 公开号201610580830.5, CN 106053971 A, CN 106053971A, CN 201610580830, CN-A-106053971, CN106053971 A, CN106053971A, CN201610580830, CN201610580830.5
【发明人】陈炯, 施勇, 崔翔
【申请人】国网上海市电力公司, 上海电力学院, 上海绿色环保能源有限公司