一種獨(dú)立式微分-積分高壓探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種獨(dú)立式微分-積分高壓探頭，包括通過同軸電纜相連的高壓微分器和低壓積分器；高壓微分器為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其包括屏蔽支架、一杯狀的采樣電極和一棒狀的高壓電極；低壓積分器也為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其包括殼體以及安裝于殼體內(nèi)的積分電容、積分電阻和阻抗匹配器。本發(fā)明采用獨(dú)立式的微分單元設(shè)計(jì)，相比整合式的微分-積分系統(tǒng)，其應(yīng)用更靈活自由；相比現(xiàn)有商用獨(dú)立式探頭，本發(fā)明由于采用高壓電極、絕緣子和采樣電極組成的電容結(jié)構(gòu)，其耐壓范圍更高，可達(dá)到200kV以上，體積上甚至更??；同時(shí)本發(fā)明采用緊湊的積分器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度地減小了回路雜散電感，能夠獲得優(yōu)異的高頻響應(yīng)。
【專利說明】—種獨(dú)立式微分-積分高壓探頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖功率【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種獨(dú)立式微分-積分高壓探頭。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖功率技術(shù)是將能量在空間和時(shí)間上進(jìn)行壓縮，在極短的時(shí)間內(nèi)釋放大量的能量，以產(chǎn)生特定的物理或化學(xué)效應(yīng)。其中對(duì)于高壓電脈沖信號(hào)的測量診斷，是非常重要的一環(huán)，其對(duì)于脈沖系統(tǒng)的輸出特性、運(yùn)行狀況監(jiān)測等有重要意義。
[0003]高壓探頭實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信號(hào)衰減器，對(duì)輸入的高壓信號(hào)進(jìn)行衰減，使衰減后的信號(hào)處于示波器的耐受電壓范圍內(nèi)。當(dāng)衰減器對(duì)于各個(gè)頻段的衰減比一致，那么衰減后的信號(hào)波形乘以衰減比，即可準(zhǔn)確還原輸入的高壓信號(hào)。評(píng)價(jià)高壓探頭性能的標(biāo)準(zhǔn)，就是能否在被測量的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致的信號(hào)衰減比。
[0004]常用的高壓探頭有電阻分壓器、電容分壓器、微分-積分系統(tǒng)。顧名思義，微分-積分系統(tǒng)包含兩個(gè)部分，微分單元(亦有稱為D-dot)是通過電容耦合高壓信號(hào)到傳輸線，采集得到的信號(hào)是對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行微分之后的低壓信號(hào)，經(jīng)過傳輸線傳至示波器前，經(jīng)過積分器對(duì)微分信號(hào)還原，即可得到經(jīng)過衰減而波形與高壓信號(hào)一致的信號(hào)。
[0005]微分單元因?yàn)槭峭ㄟ^電容耦合所測信號(hào)，其高頻響應(yīng)佳。一般微分單元采用探測電極同所測的高壓電極耦合的電容作為采樣電容，因此微分單元一般是集成在脈沖系統(tǒng)內(nèi)的。但同時(shí)某些場合更希望采用脫離系統(tǒng)的獨(dú)立形式的電壓探頭，其應(yīng)用更為靈活。這種獨(dú)立形式的電壓探頭，一般采用電阻分壓、電容分壓聯(lián)合的形式，利用電阻分壓采集直流和低頻信號(hào)，利用電容采集高頻信號(hào)。市場上現(xiàn)有的可以對(duì)ns/μ s高壓脈沖進(jìn)行測量的獨(dú)立式探頭主要有Tektronix公司的P6015A高壓探頭(直流20kV,脈沖40kV), Northstar公司的PVM-5高壓探頭(最高直流60kV，脈沖IOOkV);其中PVM-5是市場上量程最大的獨(dú)立式電壓探頭，但對(duì)于所測量的電壓幅值在IOOkV以上的應(yīng)用環(huán)境，其耐壓等級(jí)仍不夠高存在局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種獨(dú)立式微分-積分高壓探頭，其耐壓等級(jí)能達(dá)到200kV以上，且結(jié)構(gòu)緊湊體積小。
[0007]—種獨(dú)立式微分-積分高壓探頭，包括通過同軸電纜相連的高壓微分器和低壓積分器；所述的高壓微分器用于對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行微分，并將得到的微分信號(hào)通過同軸電纜傳輸給低壓積分器；所述的低壓積分器用于對(duì)微分信號(hào)進(jìn)行積分還原得到與高壓信號(hào)等比的低壓信號(hào)，供示波器讀取。
[0008]所述的高壓微分器為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其包括屏蔽支架、一杯狀的米樣電極和一棒狀的高壓電極；所述的采樣電極設(shè)于屏蔽支架內(nèi)，所述的高壓電極一端與外部電壓源的高壓端相連，另一端插入采樣電極的杯體內(nèi)且通過絕緣子與采樣電極隔離；采樣電極與同軸電纜一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，屏蔽支架與外部電壓源的低壓端以及同軸電纜一端的外層導(dǎo)體相連；[0009]所述的低壓積分器也為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其包括殼體以及安裝于殼體內(nèi)的積分電容、積分電阻和阻抗匹配器；所述的積分電容采用軸對(duì)稱的穿心電容，其穿心導(dǎo)體的一端與外部示波器BNC (刺刀螺母連接器)接口的插針相連，另一端與積分電阻的一端相連，穿心電容的接地極與殼體相連接；所述的阻抗匹配器由η個(gè)匹配電阻構(gòu)成，η個(gè)匹配電阻并聯(lián)后一端與殼體相連，另一端與積分電阻的另一端相連并接同軸電纜另一端的內(nèi)層導(dǎo)體；所述的殼體與同軸電纜另一端的外層導(dǎo)體和外部不波器BNC接口的插殼相連；η為大于O的自然數(shù)。
[0010]所述的采樣電極杯體底部表面為球狀且通過絕緣體與屏蔽支架固定支撐。
[0011 ] 所述的高壓電極整體被包裹于絕緣子中，其兩端表面為球狀且與電壓源相連的一出頭。
[0012]優(yōu)選地，所述的絕緣子露出采樣電極杯體外的部分為多層凸盤狀結(jié)構(gòu)；能夠避免沿面放電。
[0013]優(yōu)選地，所述的屏蔽支架上布置有屏蔽網(wǎng)；能夠避免外部的電磁耦合干擾。
[0014]優(yōu)選地，所述的η個(gè)匹配電阻環(huán)繞綁定于積分電阻四周；能夠減小回路電感，獲得良好的聞?lì)l響應(yīng)。
[0015]所述的η個(gè)匹配電阻并聯(lián)后的阻值與同軸電纜的阻抗相匹配。
[0016]所述的屏蔽支架底部設(shè)有與同軸電纜配合的BNC接頭，該BNC接頭的插針一端與米樣電極相連，另一端與同軸電纜一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，該BNC接頭的插殼與屏蔽支架和同軸電纜一端的外層導(dǎo)體相連接。
[0017]所述的殼體一端設(shè)有與同軸電纜配合的BNC接頭，該BNC接頭的插針一端與積分電阻的另一端相連，插針另一端與同軸電纜另一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，該BNC接頭的插殼與殼體和同軸電纜另一端的外層導(dǎo)體相連接。
[0018]所述的殼體另一端設(shè)有與示波器配合的BNC接頭，該BNC接頭的插針一端與穿心導(dǎo)體一端相連，插針另一端與示波器BNC接口的插針連接，該BNC接頭的插殼與殼體和示波器BNC接口的插殼連接。
[0019]所述的殼體內(nèi)側(cè)具有與穿心電容配合的卡位鍵，其用于固定支撐所述的穿心電容，使得穿心電容的接地極與殼體相連接。
[0020]所述的殼體為管狀；所述的積分電阻與積分電容串聯(lián)構(gòu)成積分回路，并位于殼體同軸結(jié)構(gòu)中心。
[0021 ] 上述高壓探頭的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由采樣電容、同軸電纜、積分電容、積分電阻和匹配電阻組成；其中，采樣電容的一端與外部電壓源的高壓端相連，另一端與同軸電纜一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連；同軸電纜一端的外層導(dǎo)體與外部電壓源的低壓端相連并接地；積分電阻的一端與匹配電阻的一端和同軸電纜另一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，另一端與積分電容的一端和外部示波器的高壓輸入端相連；匹配電阻的另一端與積分電容的另一端、外部示波器的低壓輸入端和同軸電纜另一端的外層導(dǎo)體相連并接地。
[0022]所述的采樣電容由高壓電極、絕緣子和采樣電極構(gòu)成。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下:
[0024](I)本發(fā)明采用獨(dú)立式的微分單元設(shè)計(jì)，相比整合式的微分-積分系統(tǒng)，其應(yīng)用更靈活自由；相比現(xiàn)有商用獨(dú)立式探頭，本發(fā)明由于采用高壓電極、絕緣子和采樣電極組成的電容結(jié)構(gòu)，其耐壓范圍更高，可達(dá)到200kV以上，體積上甚至更小。
[0025](2)本發(fā)明采用緊湊的積分器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大限度地減小了回路雜散電感，能夠獲得優(yōu)異的聞?lì)l響應(yīng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明高壓探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明聞壓探頭的電路原理不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及其相關(guān)原理進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0029]如圖1所示，一種獨(dú)立式微分-積分高壓探頭，包括通過同軸電纜7相連的高壓微分器和低壓積分器；
[0030]高壓微分器用于對(duì)高壓源的高壓信號(hào)進(jìn)行微分，并將得到的微分信號(hào)通過同軸電纜7傳輸給低壓積分器；低壓積分器用于對(duì)微分信號(hào)進(jìn)行積分還原得到與高壓信號(hào)等比的低壓信號(hào)(與高壓信號(hào)波形相同，幅值衰減)，供示波器讀取。
[0031]高壓微分器為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其包括屏蔽支架5、一杯狀的米樣電極3和一棒狀的高壓電極I ;采樣電極3設(shè)于屏蔽支架5內(nèi)，高壓電極I 一端與高壓源的高壓端相連，另一端插入采樣電極3的杯體內(nèi)且通過絕緣子2與采樣電極3隔離。
[0032]屏蔽支架5底部設(shè)有與同軸電纜7配合的BNC接頭4，BNC接頭4的插針一端與采樣電極3相連,另一端與同軸電纜7 —端的內(nèi)層導(dǎo)體相連,該BNC接頭4的插殼與屏蔽支架5和同軸電纜7 —端的外層導(dǎo)體相連接。
[0033]屏蔽支架5通過接地夾子6與高壓源的低壓端相連；采樣電極3的杯體底部表面為球狀且通過絕緣體14與屏蔽支架5固定支撐。高壓電極I整體被包裹于絕緣子2中，其兩端表面為球狀且與高壓源相連的一端出頭；絕緣子2露出采樣電極3杯體外的部分為多層凸盤狀結(jié)構(gòu)；屏蔽支架5上布置有屏蔽網(wǎng)，能夠避免外部的電磁耦合干擾。
[0034]低壓積分器也為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其包括殼體9以及安裝于殼體9內(nèi)的積分電容12、積分電阻11和阻抗匹配器10 ;殼體9為管狀，積分電阻11與積分電容12串聯(lián)構(gòu)成積分回路，并位于殼體9同軸結(jié)構(gòu)中心。
[0035]積分電容12采用軸對(duì)稱的穿心電容，其穿心導(dǎo)體的一端與積分電阻11的一端相連；殼體9內(nèi)側(cè)具有與穿心電容配合的卡位鍵15，其用于固定支撐穿心電容，使得穿心電容的接地極與殼體9相連接。
[0036]阻抗匹配器10由環(huán)繞綁定于積分電阻11四周的六個(gè)匹配電阻構(gòu)成，六個(gè)匹配電阻并聯(lián)后一端與殼體9相連，另一端與積分電阻11的另一端相連；六個(gè)匹配電阻并聯(lián)后的阻值與同軸電纜7的阻抗相匹配。
[0037]殼體9 一端設(shè)有與同軸電纜7配合的BNC接頭8，BNC接頭8的插針一端與積分電阻11的另一端相連，插針另一端與同軸電纜7另一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，BNC接頭11的插殼與殼體9和同軸電纜7另一端的外層導(dǎo)體相連接。
[0038]殼體9另一端設(shè)有與示波器配合的BNC接頭13，BNC接頭13的插針一端與穿心導(dǎo)體另一端相連，插針另一端與示波器BNC接口的插針連接，BNC接頭13的插殼與殼體9和示波器BNC接口的插殼連接。
[0039]本實(shí)施方式高壓探頭的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其由采樣電容Cd、同軸電纜L、積分電容Cp積分電阻Ri和匹配電阻Rw組成；其中，采樣電容Cd的一端與高壓源的高壓端相連，米樣電容Cd的另一端與同軸電纜L 一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連；同軸電纜L 一端的外層導(dǎo)體與高壓源的低壓端相連并接地；積分電阻民的一端與匹配電阻Rw的一端和同軸電纜L另一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，積分電阻Ri的另一端與積分電容Ci的一端和不波器的高壓輸入端相連；匹配電阻Rw的另一端與積分電容Ci的另一端、示波器的低壓輸入端和同軸電纜L另一端的外層導(dǎo)體相連并接地。
[0040]高壓源的信號(hào)經(jīng)過微分單元的采樣電容Cd采集到高壓信號(hào)的微分信號(hào)，經(jīng)過同軸電纜L傳輸?shù)接善ヅ潆娮鑂w、積分電阻Ri和積分電容Ci構(gòu)成的積分器，在積分電容Ci上獲得經(jīng)過積分還原的低壓信號(hào)，輸入到示波器讀取波形。
[0041]圖1中，本實(shí)施方式整個(gè)微分器為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。其中高壓電極1、絕緣子2和采樣電極3構(gòu)成采樣電容，絕緣子2采用多層盤狀設(shè)計(jì)避免沿面放電，同軸電纜接頭4連接采樣電極3和屏蔽支架5，將采集到的微分信號(hào)輸送到同軸電纜7，屏蔽支架5連接接地夾子6，高壓源的高壓端和接地端分別連接到高壓電極I和接地夾子6，由此采集到高壓信號(hào)。
[0042]整個(gè)積分器為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中同軸電纜接頭8連接同軸電纜7，接受其傳來的微分信號(hào)，六個(gè)匹配電阻10同軸環(huán)繞于積分電阻11周圍，通過積分器外殼9與同軸電纜接頭8相連，并聯(lián)后的阻值與同軸電纜7的阻抗匹配，該結(jié)構(gòu)最大程度減小了回路的電感。積分電阻11同積分電容12構(gòu)成積分回路，此處積分電容12采用軸對(duì)稱的穿心電容，積分電容12再連接同軸電纜接頭13，把微分信號(hào)經(jīng)過積分還原后的低壓信號(hào)傳送至示波器讀取。
【權(quán)利要求】
1.一種獨(dú)立式微分-積分高壓探頭，包括通過同軸電纜相連的高壓微分器和低壓積分器；其特征在于: 所述的高壓微分器為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其包括屏蔽支架、一杯狀的米樣電極和一棒狀的高壓電極；所述的采樣電極設(shè)于屏蔽支架內(nèi)，所述的高壓電極一端與外部電壓源的高壓端相連，另一端插入采樣電極的杯體內(nèi)且通過絕緣子與采樣電極隔離；采樣電極與同軸電纜一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，屏蔽支架與外部電壓源的低壓端以及同軸電纜一端的外層導(dǎo)體相連； 所述的低壓積分器也為同軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其包括殼體以及安裝于殼體內(nèi)的積分電容、積分電阻和阻抗匹配器；所述的積分電容采用軸對(duì)稱的穿心電容，其穿心導(dǎo)體的一端與外部示波器BNC接口的插針相連，另一端與積分電阻的一端相連，穿心電容的接地極與殼體相連接；所述的阻抗匹配器由η個(gè)匹配電阻構(gòu)成，η個(gè)匹配電阻并聯(lián)后一端與殼體相連，另一端與積分電阻的另一端相連并接同軸電纜另一端的內(nèi)層導(dǎo)體；所述的殼體與同軸電纜另一端的外層導(dǎo)體和外部示波器BNC接口的插殼相連；η為大于O的自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的采樣電極杯體底部表面為球狀且通過絕緣體與屏蔽支架固定支撐。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的高壓電極整體被包裹于絕緣子中，其兩端表面為球狀且與電壓源相連的一端出頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的絕緣子露出采樣電極杯體外的部分為多層凸盤狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的屏蔽支架上布置有屏蔽網(wǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的屏蔽支架底部設(shè)有與同軸電纜配合的BNC接頭,該BNC接頭的插針一端與米樣電極相連,另一端與同軸電纜一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，該BNC接頭的插殼與屏蔽支架和同軸電纜一端的外層導(dǎo)體相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的η個(gè)匹配電阻環(huán)繞綁定于積分電阻四周，且η個(gè)匹配電阻并聯(lián)后的阻值與同軸電纜的阻抗相匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的殼體一端設(shè)有與同軸電纜配合的BNC接頭，該BNC接頭的插針一端與積分電阻的另一端相連，插針另一端與同軸電纜另一端的內(nèi)層導(dǎo)體相連，該BNC接頭的插殼與殼體和同軸電纜另一端的外層導(dǎo)體相連接； 所述的殼體另一端設(shè)有與示波器配合的BNC接頭，該BNC接頭的插針一端與穿心導(dǎo)體一端相連，插針另一端與示波器BNC接口的插針連接，該BNC接頭的插殼與殼體和示波器BNC接口的插殼連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的殼體內(nèi)側(cè)具有與穿心電容配合的卡位鍵，其用于固定支撐所述的穿心電容，使得穿心電容的接地極與殼體相連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓探頭，其特征在于:所述的殼體為管狀，所述的積分電阻與積分電容串聯(lián)構(gòu)成積分回路并位于殼體同軸結(jié)構(gòu)中心。
【文檔編號(hào)】G01R1/00GK103743926SQ201310721620
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】閆克平, 鄧官壘, 劉振, 黃逸凡 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)