【正文】 于瞬態(tài)或脈沖電場的測量還要求傳感器響應頻帶寬和動態(tài)范圍大，以使傳感信號盡可能不失真。 國內有相關產品，但性能還不夠成熟，國外有現(xiàn)成產品，但購買困難。隨著大量電子產品在電力系統(tǒng)中的應用，電磁兼容問題以及人們對所生存環(huán)境周圍的電磁場問題的關心，使得電場的測量成為必需。天線直接感應法曾廣泛應用于測量實際 [9]，但它的主要缺點是信號的傳輸需采用高頻電纜，被測電場可能會與電纜發(fā)生耦合，從而干擾所測結果；傳輸距離和帶寬都很有限。當然， 這需要首先使電場信號轉變成光信號，人們把這種測量瞬態(tài)電場的方法統(tǒng)稱為光學調制法。它的一般性原理如圖 11所示： 共 37 頁 第 3 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 2l2rl (a) 偶極子 (b) 等效電路 圖 12 偶極子傳感器的原理圖 球形電場探頭 ： 當把探頭放入空間電場后，空間電場將在靜電感應的作用 下在兩半球殼的外表面感應出電荷，這些感應電荷將在取樣電容 Ck兩端產生一個微小的電壓，所測空間的電場強度與探 頭內取樣電容兩端電壓成正比，因此通過測量該電壓值就可以達到測量空間場強的目的。 (2) 可以估算探頭對被測電場的影響。設半球殼表面積為 A，球表面電荷的面密度為 啄 ，則半球殼的總表面電荷為： ()kQ t dA??? (11) 可以證明，球形探頭放入電場之后，探頭半球殼上的表面電荷量與電場強度成正比： 0( ) ( )kQ t K E t?? (12) 其中 K為比例系數(shù)。 有源電光調制法在 探頭內還有電源，這可能對所測的電磁場造成一定影響。 Pockels效應由于與場強大小之間具有良好的線性關系，故常被應用于電場測量。 ① 基于 Pockels效應的偏振光 法．這是利用偏振光干涉法間接測量 Pockels效應引起的相位差的，具體測量系統(tǒng)的原理如圖 4所示。 圖 15 基于 Pockels效應的 MachZehnder干涉儀法 圖 16 基于 Pockels效應的 MachZehnder干涉儀法 所用傳感器的原理圖 測量系統(tǒng)原理示意 (4) 有源電光調制法和無源電光調制法的比較 分析有源電光調制法和無源電光調制法目前在實際的瞬態(tài)電場測量中應用較多，現(xiàn)對其測量帶寬、可測量電場強度的范圍、以及優(yōu)缺點進行一個簡要總結，見表 1[5]。 （ 2） 對電磁脈沖模擬器進行了概述，并對高重頻 EMP(電磁脈沖 )模擬器的脈沖源產生原理及模擬器結構進行了介紹。劉順坤等 學者采用時域積分方程對電磁脈沖模擬器空間場分布進行了數(shù)值模擬。它利用具有二階精度的中心差分近似公式，把旋度方程中對電場和磁場的各分量的微分算符直接轉換成差分形式。潘曉東等學者采用矩量法結合快速多極子方法研究了快上升沿電磁脈沖信號在有界波模擬器中的傳輸特性。西北核技術研究所研制的有界波電磁脈沖模擬器主要由 MARX 發(fā)生器、峰化電容器、主開關、照射器、匹配負載等部分組成。 瞬態(tài)電磁脈沖對電氣、電子系統(tǒng)構成的威脅己經引起了人們廣泛的重視。 電磁脈沖模擬器作為高能電磁波輻射源，為研究和數(shù)值計算復雜電磁環(huán)境中的耦合等問題提供了必要的技術支持。在波的傳播方向上的電磁波分量很小，基本上可以看作是 TEM 波。核電磁脈沖模擬器按結構形式分為有界波模擬器和輻射波模擬器，由脈沖源和電磁場形成裝置兩大部分組成，而脈沖源一般由初級能源、中間儲能裝置、能量轉換及傳輸系統(tǒng)組成。論文具體設計的實驗用電磁脈沖模擬器，由可調直流高壓電源、儲能電容器、氣體火花開關及其觸發(fā)控制電路、吉赫橫電磁波室等部分構成。模擬器脈沖源的輸出峰值電壓達 26kV，上升時間為 。 核電磁脈沖模擬器按結構形式分為有界波模擬器和輻射波模擬器，按電場強度分為威脅量級和亞威脅量級兩類模擬器。只要頻率不是太高 (波長大于導波結構截面幾何尺寸 )，對這類模擬器可按傳輸線理論加以分析，因而又稱為傳輸線型模擬器。故常稱其為駐定場模擬器。 (4) 混合型模擬器 混合型模擬器綜合了偶極子模擬器和靜態(tài)模擬器的主要特點。如果核爆炸在地面附近發(fā)生，大地巖土介質的電導率也將發(fā)生變化。如果要把源區(qū)所有的特性準確的模擬出來。本文實驗所用的電磁脈沖模擬器系統(tǒng)由高重頻脈沖源分系統(tǒng)、小型平板形有界波模擬器分系統(tǒng)構成，其結構圖如圖 21： 共 37 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 21 電磁脈沖模擬器 系統(tǒng)總體設計框圖 高壓脈沖源 脈沖源是電磁脈沖模擬器中為電磁脈沖形成裝置提供電磁能量的裝置。它是一種電物理技術，也是納秒脈沖電子學。脈沖功率系統(tǒng)的復雜程度決定于負載對它的要求、系統(tǒng)開關性能和初級儲能向脈沖儲能放電的快慢程度。結合初始條件，此放電回路方程的解為 )()( 2112 tPtP eePPL ERu ???? （ 21） 式中，121 1)2(2 LCLRLRP ???? ，122 1)2(2 LCLRLRP ???? ， 一個典型的雙指數(shù)波模擬 波形如圖 23 所示： 圖 23 一個典型的雙指數(shù)波模擬波形 由于分布電感的存在， 使 放電回路的電流上升沿的存在，使脈沖包含的高頻分量的幅值變低了，因此，要達到模擬實際電磁脈沖爆炸效果，應盡量減少脈沖的上升時間。 ② 系統(tǒng) 5 個獨立的電磁脈沖模擬發(fā)生器完全實現(xiàn)物理上的隔離，減少電磁脈沖模擬發(fā)生器間 的連續(xù)放電干擾。 如此，按照本實驗設計要求，峰值電壓約在 19ns 左右出現(xiàn)，其從 90%10%的下降沿約為 370ns，設計歸一化后的輸出波形如圖 25： 共 37 頁 第 13 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 25 脈沖激勵峰值電壓歸一化 小型平板形有界波模擬器 本文所用到的模擬器是小型平板形有界波模擬器，有界波 EMP(電磁脈沖 )模擬器是模擬高空 HEMP(核爆炸電磁脈沖 )早期輻射環(huán)境的裝置，通過產生雷電及核電磁脈沖環(huán)境，進行 EMS的各種效應試驗，該裝置廣泛應用于電子設備和分系統(tǒng) EMP輻射敏感度測試、屏蔽室電磁脈沖屏 蔽效能測試等。 如圖 26所示，有界波平板式電磁脈沖模擬器主要由脈沖源、前過渡段、平行板段、后過渡段、終端匹配負載等幾個部分組成，模擬器上半部分與下半部分關于 Y軸對稱 [1]。對平行段，其傳輸線線阻抗為工作空間高與 寬之比的函數(shù)，近似為 4120ln hZ a? 式中： h——平行傳輸線的高度，單位 (米 ) a——平行傳輸線的半寬度，單位 (米 ) 理論表明只要做到過渡段各截面的高度比不變，其阻抗就能保持不變。 共 37 頁 第 14 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 在有界波模擬器設計時，我們遵循如下原則： (1) 有效性原則。所以適當增加工作區(qū)的寬度可以更好地獲得真實的電場分布；同時過渡段和工作區(qū)連接處的連續(xù)性會決定模擬器表面電流分布的連續(xù)性，而在連接處的不連續(xù)性會導致工作區(qū) 電場在峰值點附近有一定的小起，影響電場的均勻性。 (3) 經濟性原則。其中包括電磁脈沖模擬器的構成部分，高壓脈沖源的介紹和技術要求和小型平板形有界波模擬器設計。系統(tǒng)框圖如圖 31： 電 場 探 頭信 號 調 理電 路高 速 數(shù) 據(jù)采 集 卡P C 機 圖 31 測量系統(tǒng)框圖 電場探頭的原理 偶極子傳感器的原理 圖如圖 32 所示，其中 l ,r 分別表示偶極子的長度和半徑，Zc 表示負載阻抗， C 表示偶極子傳感器的等效電容。 信號調理電路的設計 送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種待轉換物理參數(shù)如溫度、壓力、位移、流量等都是模擬量。一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為模擬信號調理部分和數(shù)字部分。對模擬信號的調理提出了更高的要求 [6]。一件器材的輸出阻抗和所連接的負載阻抗之間所應滿足的某種關系，以免接上負載后對器材本身的工作狀態(tài)產生明顯的影響。這就需要在數(shù)據(jù)采集的前端加入阻抗匹配的環(huán)節(jié)。 當激勵源內阻抗和負載阻抗含有電抗成份時，為使負載得到最大功率，負載阻抗與內阻必須滿足共扼關系，即電阻成份相等，電抗成份只是數(shù)值相等而符號相反。 阻抗匹配時，傳輸不會產生反射，這表明所有能量都被負載吸收了，反之，則在傳輸中有能量損失。根據(jù)高等數(shù)學理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。分離元件電容和電感都具有頻率選擇特性，因此都可以作為濾波器組成部件使用，常用的是電容。若濾波電路元件僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。 共 37 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 有源濾波電路的負載不影響濾波特性，因此常用于信號處理要求高的場合。 為了設計簡單，節(jié)約成本，本實驗將采用無源高通濾波，濾波電路如下： 圖 36 無源高通濾波 原理電路圖 此時，濾波器的截止頻率為： 12cf RC?? 衰減 由于實驗所用模擬器是小型平行板有界波模擬器，空間電場大約在 50000V/m，由偶極子傳感器感應出的電壓信號大約為 30V（示波器測得），而所用后續(xù)高速數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓范圍為 177。 對高速模擬信號的放大和衰減過程中，對運算放大器指標 的首要要求就是其帶寬，常用的高頻運算放大器分為電流反饋型和電壓反饋型。電流反饋放大器不受基本增益帶寬積的限制，隨著信號幅度的增加，帶寬的損失非 常小。 根據(jù)以上設計要求，選用 analog devices 公司的 AD8009。其引腳配置如圖 37： 共 37 頁 第 20 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 37 AD8009引腳配置 傳統(tǒng)的用運算放大器組成的反相衰減器如圖 38 所示： 圖 38 傳統(tǒng)反相衰減器 在電路中 R2 要小于 R1。對于表中沒有的阻值，可以用以下的公式計算 R3＝ (Vo/Vin)/(22(Vo/Vin)) 如果表中有值，按以下方法處理： 為 Rf 和 Rin 在 1K 到 100K 之間選擇一個值，該值作為基