高塔雷電流測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于激光供能和光纖傳輸?shù)母咚纂娏鳒y(cè)量裝置，特別是一種用于強(qiáng)電磁脈沖場(chǎng)干擾環(huán)境中的高塔雷電流測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]雷電是自然界大氣中最強(qiáng)的放電現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射。雷電以其超強(qiáng)的電磁能量嚴(yán)重威脅電子設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。在微電子設(shè)備被廣泛使用的今天，因雷電的作用而蒙受損失的事件每年都有很多，且有越來(lái)越多的趨勢(shì)。而人們對(duì)雷電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尚有大量的科學(xué)問(wèn)題有待研宄。無(wú)論是對(duì)雷電機(jī)理研宄，還是對(duì)雷電效應(yīng)、雷電防護(hù)和雷電定位研宄等，都需要對(duì)雷電流和雷電電磁脈沖進(jìn)行測(cè)量。迄今為止，準(zhǔn)確可靠的自然雷電波形在我國(guó)還非常少。
[0003]傳統(tǒng)對(duì)雷電流全波測(cè)量的探頭主要有兩種:一種采用羅氏線圈，將羅氏線圈圍繞被測(cè)量雷電流，利用變壓器原理，得到雷電流信號(hào)；另一種是在雷電流通道中串聯(lián)阻值非常小的大功率電阻(毫歐量級(jí))，俗稱分流器，測(cè)量分流器上的電壓，利用歐姆定律，可得到要測(cè)的雷電流信號(hào)。電流信號(hào)通過(guò)同軸屏蔽電纜或光電轉(zhuǎn)換裝置與后續(xù)的采集裝置連接。這是目前普遍采用的雷電流測(cè)量方式，但其有一個(gè)致命的缺陷，就是抗電磁干擾能力差。如果采用同軸電纜傳輸雷電流信號(hào)，受到的電磁干擾是非常強(qiáng)的，甚至信號(hào)被煙滅；如果用光纖來(lái)傳輸雷電流信號(hào)，電光轉(zhuǎn)換需要電源。如果采用電池供電，工作時(shí)間受電池容量限制；如果采用外電源供電，需要電纜來(lái)傳輸，又會(huì)引入電磁干擾。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]針對(duì)傳統(tǒng)的雷電流測(cè)量中所存在電磁干擾的問(wèn)題和不足，本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種基于激光供能和光纖傳輸?shù)母咚纂娏鳒y(cè)量裝置，抗電磁干擾能力強(qiáng)，方便安裝在容易受雷擊的尚塔上。
[0005]本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種高塔雷電流測(cè)量裝置，包括羅氏線圈、氣體放電管、衰減器、光發(fā)射機(jī)、全介質(zhì)光纜、光接收機(jī)及供能激光器，羅氏線圈、氣體放電管、衰減器、光發(fā)射機(jī)安裝在室外的高塔上并構(gòu)成高塔部分，而光接收機(jī)和供能激光器安放在室內(nèi)并構(gòu)成室內(nèi)部分，且高塔部分與室內(nèi)部分由全介質(zhì)光纜連接；所述的光發(fā)射機(jī)由半導(dǎo)體發(fā)光組件將雷電流電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并由激光供能的光電池供電；所述的光接收機(jī)將雷電流光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
[0006]所述氣體放電管、衰減器、光發(fā)射機(jī)均安裝在具有防水和屏蔽功能的金屬殼內(nèi)。
[0007]雷電流電信號(hào)分成大信號(hào)和衰減后的小信號(hào)進(jìn)行雙路傳輸。
[0008]光發(fā)射機(jī)直接由羅氏線圈輸出的雷電流信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)。
[0009]光發(fā)射機(jī)的供能由全介質(zhì)光纜送來(lái)的激光供能。
[0010]還包括由與半導(dǎo)體發(fā)光組件串聯(lián)的調(diào)整電阻以及與調(diào)整電阻、半導(dǎo)體發(fā)光組件支路并聯(lián)的TVS瞬變電壓抑制二極管構(gòu)成的第二級(jí)保護(hù)。
[0011]當(dāng)流過(guò)半導(dǎo)體發(fā)光組件電流達(dá)到其能承受的最大電流時(shí)，調(diào)整電阻的電壓降與半導(dǎo)體發(fā)光組件的電壓降之和正好等于TVS瞬變電壓抑制二極管限幅電壓閾值。
[0012]本實(shí)用新型采用羅氏線圈作為電流探頭，而羅氏線圈圍繞被流過(guò)雷電流的引雷桿，輸出與被測(cè)雷電流波形一致的小電流，直接驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體發(fā)光組件，將雷電流的強(qiáng)弱信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成發(fā)光組件的光強(qiáng)信號(hào)，通過(guò)光纖傳送到遠(yuǎn)端的光接收機(jī)。由于半導(dǎo)體發(fā)光組件是一個(gè)PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，?dāng)負(fù)向雷電流流過(guò)時(shí)，發(fā)光組件截止、不發(fā)光，不能傳輸負(fù)向雷電流信號(hào)。通過(guò)給半導(dǎo)體發(fā)光組件預(yù)先通過(guò)一個(gè)直流偏置小電流，將其靜態(tài)工作點(diǎn)提高，就能讓正或負(fù)的雷電流通過(guò)并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)由光纖傳輸。為了得到這個(gè)直流偏置小電流，利用光纖將激光器發(fā)出的光能送來(lái)，再由光電轉(zhuǎn)換器件(光電池)將光能轉(zhuǎn)換為電能，給半導(dǎo)體發(fā)光組件提供一個(gè)直流偏置。這樣完全由全介質(zhì)的光纖來(lái)傳輸信號(hào)和提供能量，克服了電磁干擾的問(wèn)題。
[0013]由于用于傳輸信號(hào)的半導(dǎo)體發(fā)光組件的動(dòng)態(tài)范圍不大，一般在40dB左右。而自然界的雷電流可從幾千安培到幾百千安培，動(dòng)態(tài)變化范圍非常大。為了增大測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍，將羅氏線圈輸出的雷電流信號(hào)分成兩路傳輸(大量程和小量程)，其中一路信號(hào)直接進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換(第I路，靈敏度高)，另一路先經(jīng)過(guò)一個(gè)衰減器衰減后再進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換(第2路，靈敏度低但測(cè)量范圍大)。當(dāng)雷電流較小時(shí)可由靈敏度高的第I路測(cè)量；當(dāng)雷電流很大時(shí)可由測(cè)量范圍大的第2路測(cè)量。這就保證了大的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。
[0014]自然雷電流的大小分布具有隨機(jī)性，有時(shí)較小，有時(shí)可能出現(xiàn)超強(qiáng)的情況，可能超出半導(dǎo)體發(fā)光組件的輸入電流范圍，對(duì)其造成損壞。為了防止出現(xiàn)過(guò)電流損壞情況，半導(dǎo)體發(fā)光組件串聯(lián)一只調(diào)整電阻，再與6.8V的TVS瞬態(tài)抑制二極管并聯(lián)，起保護(hù)作用。串聯(lián)的調(diào)整電阻起到調(diào)整輸入電流的保護(hù)閾值作用，當(dāng)輸入電流超過(guò)測(cè)量量程時(shí)，TVS瞬變電壓抑制二極管開(kāi)始限壓保護(hù)，流過(guò)調(diào)整電阻和半導(dǎo)體發(fā)光組件的電流也就被限流了，得到了保護(hù)。為了進(jìn)一步增強(qiáng)在超強(qiáng)雷電流下的保護(hù)能力，在羅氏線圈的輸出端并聯(lián)上氣體放電管，對(duì)羅氏線圈的后續(xù)電路起到第一級(jí)保護(hù)。這樣測(cè)量電路得到雙重保護(hù)，可靠性大大提高了。
[0015]由于任何以光纖直接傳輸模擬信號(hào)的系統(tǒng)，雖然抗電磁干擾能力非常強(qiáng)，但都受光電器件的噪聲影響，信噪比跟以電纜傳輸信號(hào)相比，低得較多。分大量程和小量程兩路來(lái)傳輸雷電流信號(hào)可提高信噪比。通過(guò)下面的測(cè)量方法進(jìn)一步提高信噪比:
[0016]I)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用8/20 μ s標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形全量程標(biāo)定高塔雷電流測(cè)量裝置；
[0017]2)根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，將高塔雷電流測(cè)量裝置的雙路量程傳輸?shù)拿恳宦穫鬏旊娏鞯霓D(zhuǎn)移阻抗，按其測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍分成三段，給出每一段測(cè)量范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)移阻抗系數(shù)；
[0018]3)將高塔雷電流測(cè)量裝置的高塔部分安裝在高樓樓頂或高塔上的引雷桿上，室內(nèi)部分安放在室內(nèi)的屏蔽柜中，并用全介質(zhì)光纜連接；
[0019]4)將采集裝置采集到的雷電流波形根據(jù)幅值大小，按預(yù)先的測(cè)量值分段方法分段，將每一段的數(shù)據(jù)分別除以其轉(zhuǎn)移阻抗系數(shù)；
[0020]5)雷電流數(shù)據(jù)主要采用小量程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如有飽和的數(shù)據(jù)段才用大量程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)替換掉，得到信噪比最大的數(shù)據(jù)波形；
[0021]6)對(duì)信噪比最大的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行低通濾波，得到最終的雷電流波形。
[0022]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:
[0023]1、高塔雷電流測(cè)量基于激光供能和光纖傳輸，抗干擾能力非常強(qiáng)。
[0024]2、利用羅氏線圈輸出的雷電流信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體發(fā)光組件實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，沒(méi)有放大電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。
[0025]3、利用激光供能，克服半導(dǎo)體發(fā)光組件的單極性傳輸?shù)膯?wèn)題，實(shí)現(xiàn)雷電流信號(hào)的雙極性傳輸。
[0026]4、將信號(hào)分成大信號(hào)和衰減后的小信號(hào)進(jìn)行雙路傳輸，擴(kuò)大測(cè)量雷電流的動(dòng)態(tài)范圍，能測(cè)量幾安培到幾百千安培這樣大的電流動(dòng)態(tài)范圍，并通過(guò)幅值分段求傳輸雷電流的轉(zhuǎn)移阻抗，提高信噪比。
[0027]5、由輸入端的氣體放電管保護(hù)和半導(dǎo)體發(fā)光組件支路的TVS保護(hù)實(shí)現(xiàn)雙重