高压纳秒脉冲分压器刻度因数的全量程标定装置及标定方法与流程
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于高压纳秒脉冲分压器刻度因数的全量程标定的装置及标定方法。
背景技术：
纳秒脉冲电压的测量是脉冲功率技术中一个重要的方面。纳秒脉冲因其前沿快，要求测量装置具有较高的上限截止频率，常采用集成在脉冲功率系统中结构紧凑的电阻分压器或者电容分压器作为测量装置。gbt16927.2-2013给出了电力系统中高电压测量的国家标准，结合建立的标准测量系统，电力系统中高电压的测量拥有完整的溯源体系。和电力系统中冲击电压、操作过电压等的测量方法和装置不同，纳秒脉冲电压的波形的前沿和半宽形式多样，一般由具体应用场合的指标和需求决定，因此在脉冲功率技术中纳秒脉冲电压分压器的标定还没有建立起一套完整的溯源体系，一般在低电压条件下采用快前沿方波信号标定其响应时间，采用与商用电压测量装置比对的方法标定其刻度因数的线性度，而带宽较高的商用电压测量装置电压测量范围在100kv以下，对于量程在100kv以上的纳秒脉冲分压器，其高电压等级下的刻度因数一般沿用在低电压等级下标定的刻度因数。
对于自制的电阻分压器或者电容分压器，其量程的上限受到以下几个方面的制约：1.高电压条件下分压器发生沿面闪络和介质击穿；2.高电压条件下分压器金属件产生电晕或者滑闪放电，引起分压器分布参数发生变化；3.电压增大，流经分压器的电流随之增加，可能引起分压器产生热效应，改变分压器本身参数。如果不能在全量程范围内标定分压器刻度因数的线性度，量程的高电压段沿用低电压条件下的标定结果，可能会在高电压段引入误差，导致测量结果存在较大的偏差。
技术实现要素：
为了减小脉冲功率技术中纳秒脉冲电压的测量偏差，本发明提供了一种高压纳秒脉冲分压器刻度因数的全量程标定装置及标定方法，基于脉冲电场测量在较大的量程范围内可溯源的特点，在纳秒脉冲电压标定的过程中引入了纳秒脉冲电场的测量，通过同轴传输线建立了纳秒脉冲电场与电压的关系，用纳秒脉冲电场的测量结果标定分压器的刻度因数。
本发明的技术解决方案是：
高压纳秒脉冲分压器刻度因数的全量程标定装置，其特殊之处在于：包括电压电场关联单元、纳秒脉冲源、激光器、光电探测器和示波器；
电压电场关联单元包括同轴传输线、馈入绝缘子、输出绝缘子、匹配电阻；
同轴传输线由同轴传输线外筒和同轴传输线内芯构成；同轴传输线的长度与同轴传输线外筒的端部内径比大于3；
馈入绝缘子和输出绝缘子分别安装在同轴传输线外筒的两端，且与同轴传输线外筒共同构成密封腔体；馈入绝缘子和输出绝缘子均为圆台结构，下底面中部均设置有安装槽；同轴传输线内芯通过所述安装槽安装在所述密封腔体内；
匹配电阻采用多个低电感膜电阻并联构成，多个膜电阻均布设置，一端均与第一导电圆环连接，另一端均与第二导电圆环连接，第一导电圆环的直径小于第二导电圆环的直径；匹配电阻通过所述第一导电圆环套设在同轴传输线内芯上，且靠近所述输出绝缘子设置；
同轴传输线外筒的内壁中部设置有电场测量探头，内壁上位于所述电场测量探头的两侧位置均开设有光纤槽；电场测量探头的光源输入端连接有保偏光纤，信号输出端连接有单模光纤；保偏光纤和单模光纤分别沿着所述光纤槽走线，并分别通过光纤转接头从同轴传输线外筒引出；
同轴传输线外筒的内壁上还设置有高压气嘴，通过高压气嘴对所述密封腔体抽真空以及向所述密封腔体内充气压大于等于0.4mpa的绝缘气体；
纳秒脉冲源的输出端与馈入绝缘子相连，激光器的输出端与所述保偏光纤连接，光电探测器的输入端与所述单模光纤连接，光电探测器的输出端与示波器的输入端相连。
进一步地，匹配电阻的阻值等于同轴传输线的等效阻抗。
进一步地，同轴传输线套筒和同轴传输线内芯均采用变径设计，其端部为小直径段，中部为大直径段，在小直径段与大直径段之间为变径段，所述变径段由端部向内直径逐渐增大。
进一步地，光纤槽和光纤转接头表面均采用铜胶带贴覆。
进一步地，电场测量探头的曲率半径等于同轴传输线外筒的内表面的曲率半径。
进一步地，电场测量探头采用基于铌酸锂晶体的快脉冲响应探头。
本发明同时提供了一种利用上述的高压纳秒脉冲分压器刻度因数的全量程标定装置对高压纳秒脉冲分压器进行标定的方法，其特殊之处在于，包括步骤：
1)在gtem小室或者tem小室对电场测量探头进行标定，得到电场测量探头的灵敏度系数；
2)装配所述电压电场关联单元；
3)将装配好的电压电场关联单元串入纳秒脉冲源和被标定的高压纳秒脉冲分压器之间，将所述保偏光纤与激光器连接，所述单模光纤与光电探测器连接；
4)打开激光器，电压电场关联单元内部形成的纳秒脉冲电场传输至输出端后产生一纳秒脉冲高压，该纳秒脉冲高压馈入被标定的高压纳秒脉冲分压器，被标定的高压纳秒脉冲分压器的低压臂输出电信号；
5)根据光电探测器输出电信号与输入光信号之间的关系，得到电场测量探头输出光信号的功率，根据电场测量探头输入和输出光信号功率与加载电场的关系，获得电场测量探头所测得同轴传输线外筒内表面电场；
6)根据同轴传输线外筒内表面电场与同轴传输线电压的关系，结合所述灵敏度系数反推得到同轴传输线输出端电压，即加在被标定的高压纳秒脉冲分压器上的电压；
7)用加在被标定的高压纳秒脉冲分压器上的电压除以所述高压纳秒脉冲分压器的低压臂输出电压，即可得到当前电压等级条件下被标定的高压纳秒脉冲分压器的刻度因数；
8)采用步骤3)-7)的方法，在不同电压等级条件下开展标定实验，即可得到高压纳秒脉冲分压器全量程刻度因数的标定结果。
本发明的有益效果：
1.本发明利用了纳秒脉冲电场测量探头在较大的幅值范围内其刻度系数可以通过gtem(gigahertztransverseelectromagnetic，千兆赫兹横电磁波)小室或tem(transverseelectromagnetic，横电磁波)小室等设备进行标定的特点，通过关联纳秒脉冲电压和纳秒脉冲电场，巧妙地回避了高电压等级下纳秒脉冲电压无标准测量系统的现状，实现了纳秒脉冲分压器在数百千伏电压等级下刻度系数的标定，解决了脉冲功率技术中百千伏纳秒脉冲电压测量的溯源问题。
2.本发明中同轴传输线等效阻抗和匹配电阻相等，匹配电阻与等效阻抗为数千欧姆的分压器并联后等效阻抗变化较小，不会引起过大的反射。
3.本发明中匹配电阻采用多只低电感膜电阻并联，可以有效减小等效电感，降低感抗在匹配电阻等效阻抗中的比重，从而减小了输出波形的失真度，提高了标定精度。
4.本发明中同轴传输线长度与同轴传输线外筒端部内径比大于3，确保了其中心位置电场分布受馈入和输出端结构影响较小，可用理想同轴传输线电场分布解析解表示，以此更加方便建立馈入电压与同轴传输线外筒表面电场之间的关系。
5.本发明将同轴传输线设计为中间大、两头小的结构，可以降低同轴传输线外筒内表面电场，扩展标定的量程范围。
6.本发明中同轴传输线内部采用高气压sf6进行绝缘，确保同轴传输线内芯表面不会发生放电，输入和输出绝缘子表面不会发生闪络，因此不会被击穿，提高了整个装置的可靠性。
7.本发明中光纤槽和光纤接头表面贴覆有铜胶带，能确保同轴传输线外筒内表面结构连续，避免了波形传输过程中因结构不连续引起反射，进一步提高了标定精度。
8.本发明采用基于铌酸锂晶体的电场测量探头，其测量幅值范围广，上限截止频率高，抗电磁干扰能力强。
附图说明
图1为本发明高压纳秒脉冲分压器刻度因数的全量程线性度标定装置实施例的结构示意图。
图2为本发明中电压电场关联单元的结构示意图。
图3为电压电场关联单元中匹配电阻的轴等侧视图。
附图标记说明：
1-馈入绝缘子，2-同轴传输线外筒，3-同轴传输线内芯，4-匹配电阻，5-输出绝缘子，6-电场测量探头，7-光纤转接头，8-高压气嘴，91-保偏光纤，92-单模光纤，10-电压电场关联单元，11-纳秒脉冲源，12-被标定的高压纳秒脉冲分压器，13-激光器，14-光电探测器，15-示波器。
具体实施方式
如图1所示，本实施例所提供的高压纳秒脉冲分压器刻度因数的全量程线性度标定装置，包括电压电场关联单元10、纳秒脉冲源11、激光器13、光电探测器14和示波器15。
如图2所示，电压电场关联单元10包括同轴传输线、馈入绝缘子1、输出绝缘子5、匹配电阻4和电场测量探头6。
同轴传输线由同轴传输线外筒2和同轴传输线内芯3构成；同轴传输线内芯3的外径和同轴传输线外筒2内径比为5.29(此时同轴传输线的等效阻抗为100欧姆)；同轴传输线平行段的长度与同轴传输线外筒2平行段的内径比大于3，以确保其中间位置电场分布受馈入和输出端结构影响较小，同轴传输线外筒2内表面电场可用理想同轴传输线电场分布解析解表示，即
馈入绝缘子1和输出绝缘子5均为圆台结构，且下底面均设置有安装槽；馈入绝缘子1和输出绝缘子5分别密封安装在同轴传输线套筒2的两端，三者共同构成密封腔体，同轴传输线内芯通过馈入绝缘子1和输出绝缘子5下底面的安装槽安装在所述密封腔体内；在密封腔体内充有高气压sf6进行绝缘，以确保同轴传输线内芯3表面不会发生放电，馈入绝缘子1和输出绝缘子5的表面不会发生闪络。
如图3所示，匹配电阻4采用6个低电感膜电阻(电感一般在100nh以内的电阻均可以称为低电感膜电阻)并联，并联后的总阻值应等于同轴连接线的等效阻抗；6个低电感膜电阻均布设置，其一端均与第一导电圆环连接，另一端均与第二导电圆环连接，第一导电圆环的直径小于第二导电圆环的直径；匹配电阻4通过第一导电圆环套设在同轴传输线内芯上，且靠近输出绝缘子5设置。
电场测量探头6(优选采用基于铌酸锂晶体的快脉冲响应探头)设置在同轴传输线外筒2内侧壁中部，电场测量探头6的光源输入端和信号输出端分别连接保偏光纤91和单模光纤92；在同轴传输线外筒2内壁上位于电场测量探头6的两侧位置处开设有光纤槽，保偏光纤91和单模光纤92分别沿着两个光纤槽走线，并最终分别通过光纤转接头7从同轴传输线外筒2中引出；为确保同轴传输线外筒2内表面结构连续(光滑)，光纤槽和光纤转接头表面均采用铜胶带贴覆，以避免波形传输过程中因结构不连续引起反射。为方便后续计算，电场测量探头6的曲率半径等于同轴传输线外筒2的内表面的曲率半径，使得电场测量探头6的外壳的与同轴传输线外筒内壁贴合面为圆面。
纳秒脉冲源11的输出端与馈入绝缘子1相连，激光器13的输出端与电场测量探头6光源输入端的保偏光纤91连接，光电探测器14的输入端与电场测量探头6信号输出端的单模光纤92连接，光电探测器14的输出端与示波器15的输入端相连。
本发明的具体装配和使用方法：
1)先在gtem小室或者tem小室对电场测量探头6进行标定，得到电场测量探头6的灵敏度系数。标定方法详见iec标准iec61000-4-23electromagneticcompatibility(emc)-part4-23:testingandmeasurementtechniques-testmethodsforprotectivedevicesforhempandotherradiateddisturbance。
2)打开同轴传输线的腔体，安装好电场测量探头6，连接保偏光纤91和单模光纤92，封闭光纤槽，将光纤与光纤槽之间的缝隙采用铜胶带贴覆。
3)将馈入绝缘子1安装在同轴传输线的输入端，将同轴传输线内芯3的一端插入馈入绝缘子1的安装槽，将匹配电阻4从同轴传输线的输出端套在同轴传输线内芯3上并紧固，然后将输出绝缘子5安装在同轴传输线的输出端。
4)通过高压气嘴8对同轴传输线的密封腔体抽真空，随后通过高压气嘴8充入sf6气体，直至密封腔体内气压大于等于0.4mpa。
5)将装配好的电压电场关联单元10串入纳秒脉冲源11和高压纳秒脉冲分压器12之间，将电场测量探头6的光源输入端所连接的保偏光纤91连接激光器13，信号输出端所连接的单模光纤92连接光电探测器14，光电探测器输出信号14馈入示波器15，将被标定的高压纳秒脉冲分压器12的输入端连接输出绝缘子5的输出端，将被标定的高压纳秒脉冲分压器12的输出信号接入示波器15；
6)打开激光器13，光源信号送入电场测量探头6，纳秒脉冲源11放电，产生一高压脉冲，在电压电场关联单元10内部形成一纳秒脉冲电场，引发电场测量探头6响应，电场测量探头6通过单模光纤输出光信号至光电探测器14，电压电场关联单元10内部形成的纳秒脉冲电场传输至输出端后产生一纳秒脉冲高压，馈入被标定的高压纳秒脉冲分压器12，在高压纳秒脉冲分压器12的低压臂输出电信号。
7)电场测量探头6输出的光信号，经过光电探测器14转换为电信号显示在示波器15上，根据光电探测器14的输出电信号与输入光信号之间的关系，得到电场测量探头6输出光信号的功率，根据电场测量探头6输入和输出光信号功率与加载电场的关系，获得电场测量探头6所测得同轴传输线外筒2内表面电场(具体方法可参考文献“集成光学电场探头测量hemp的系统误差分析”，石跃武，周辉，聂鑫，朱志臻，王伟，杨静，孙蓓云，相辉，冯寒亮，2015年7月)；
8)根据电压电场关联单元10中同轴传输线外筒2内表面电场与同轴传输线电压的关系，结合所述灵敏度系数反推得到同轴传输线输出端电压，即高压纳秒脉冲分压器12上的电压；
9)结合高压纳秒脉冲分压器12低压臂输出信号，用加在高压纳秒脉冲分压器12上的电压除以高压纳秒脉冲分压器12低压臂输出电压，即可得到当前电压等级条件下高压纳秒脉冲分压器12的刻度因数。
10)采用步骤7)-9)的方法，在不同电压等级条件下开展标定实验，即可得到高压纳秒脉冲分压器12全量程刻度因数的标定结果。
11)根据纳秒脉冲源11、电场测量探头6、电压电场关联单元10、光电探测器14、示波器15的不确定度，可以得到高压纳秒脉冲分压器12的测量不确定度：
假设纳秒脉冲源11输出电压不确定度为u11，电场测量探头6不确定度为u6，电压电场关联单元10不确定度为u10，激光器13的不确定度为u13，光电探测器14不确定度为u14，示波器15不确定度为u15，显然各分系统不确定度相互独立，可以得到高压纳秒脉冲分压器12刻度因素的不确定度为不确定度
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