一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法，所述系统包括双平板电极传感器、前端信号处理单元、信号采集记录单元以及传输单元；所述双平板电极传感器置于瞬态空间电场中进行传感，将瞬态空间电场信号转化为可测量的电压信号；所述前端信号处理单元用于将传感器输入的可测量的电压信号进行处理和调控，优化输出的电压信号波形；所述信号采集记录单元用于采集并记录前端信号处理单元输出的电压信号，并根据采集的电压信号计算得到瞬态电场信号；所述传输单元用于将前端信号处理单元转化的电压信号传输至信号采集记录单元，实现远距离测量；所述系统及方法不需要进行微分运算的功能，从而拓宽了可测电场频率的下限。

A kind of transient spatial electric field measurement system and method in wide frequency domain

The invention discloses a transient space electric field measurement system with a wide frequency and method, the system includes a double plate electrode sensor, front end signal processing unit, signal acquisition unit and a transmission unit; the double plate electrode sensor in the transient electric field in space sensing, the transient electric field signal into voltage signal measurement; the front-end signal processing unit is used to measure the voltage sensor input signal processing and control signal output voltage waveform optimization; the signal acquisition and recording unit is used for collecting and recording the voltage signal output of the front-end signal processing unit, and transient electrical signals are calculated according to the voltage signal acquisition; the transmission unit for the front-end signal processing unit into voltage signal to realize signal acquisition and recording unit Long distance measurement; the system and method do not need to perform the function of differential operation, thus widening the lower limit of the frequency of the measurable electric field.

【技术实现步骤摘要】
一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法
本专利技术涉及电场测量领域，更具体地，涉及一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法。
技术介绍
对于瞬态空间电场测量，包括基于电学方法和基于光学方法的两类测量方法；对于电场的100kV/m的幅值，电学和光学两类方法通常都可以满足，但是实现准直流到GHz频率范围的电场测量，不论使用电学方法还是光学方法难度均较大；基于电学方法的电场传感器通常采用平板电极或电偶极子天线，两者的高频响应均可达GHz，但都难以覆盖到低频乃至准直流频率范围。平板电极传感器在很宽的频谱内测量电场时，输出为电场的微分信号，需要连接积分器，得到时域电场响应，但由于涉及电场的微分，低频时传感器输出幅值小，信噪比低，系统低频响应不好；此外，电偶极子天线在低频时响应小，也难以得到理想的低频响应；光学方法的原理包括基于介质吸收损耗变化和基于介质折射率变化两类。基于介质吸收损耗变化的光学方法根据其具体运用的效应不同分为基于电致吸收效应和基于电致变色效应两种，基于介质折射率变化的光学方法根据其具体运用的效应不同分为基于克尔效应和基于泡克尔斯效应两种。但基于电致吸收效应的电场传感器对原场干扰大；基于电致变色效应的电场传感器动态响应差；基于克尔效应的电场传感器灵敏度低；基于光学泡克尔斯效应的电场传感器虽然测量带宽没问题，但是测量对温度、湿度太敏感，测量稳定性差；这些都不满足瞬态电场的测量要求。因此，目前现有的电场测量系统均不能满足对从准直流到GHz宽频域变化范围的瞬态空间电场的准确测量要求。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
存在的现有电场测量系统不能满足从准直流到GHz宽频域变化范围的瞬态空间电场的准确测量问题，本专利技术提供了一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法，所述方法及系统采用基于平板电极的电学测量方法，对测量系统前端处理电路结构进行改变并对电场探头结构做出优化，实现了基于平板电极的电学测量方法在测量准直流至GHz频率范围电场时不需要进行微分运算的功能，从而拓宽了可测电场频率的下限，而且弥补了基于平板电极的电学测量方法在低频段测量时信噪比低、系统响应不好、得到所测信号困难的问题；所述一种宽频域的瞬态空间电场测量系统包括：双平板电极传感器，所述双平板电极传感器包括相互平行的上平板电极以及下平板电极，所述上平板电极的输出端与前端信号处理单元的输入端相连，所述下极板电极接地；所述双平板电极传感器将瞬态空间电场信号转化为电压信号；所述双平板电极传感器置于瞬态空间电场中；前端信号处理单元，所述前端信号处理单元包括反馈模块和运算放大器电路，所述反馈模块用于设置截止频率的参数值；所述前端信号处理单元用于对双平板电极传感器输入的未经处理优化的电压信号转化为信号采集记录单元可测量的电压信号；信号采集记录单元，所述信号采集记录单元用于采集并记录前端信号处理单元输出的电压信号；信号采集记录单元用于根据采集的电压信号计算得到瞬态电场信号；进一步的，所述双平板电极传感器的上平板电极以及下平板电极均呈中心对称且对称轴共线，所述上平板电极的输出端设置于上平板电极的对称中心，所述上平板电极的输出端与前端信号处理单元的输入端通过对称无感导线相连；所述对称无感导线根据其无感特性消除线路中的振荡，减少电磁耦合干扰；进一步的，所述对称无感导线是由多对双绞线组合而成的对称电缆；进一步的，所述反馈模块包括反馈电容Cf、反馈电阻Rf，所述包括反馈电容Cf和反馈电阻Rf并联；截止频率f0根据反馈电容Cf和反馈电阻Rf的参数获得；进一步的，所述运算放大器电路包括两个级联的运算放大器，所述运算放大器为高速放大器，放大器采样频率不低于100MHz；进一步的，所述前端信号处理单元与下极板电极在同一块PCB上进行封装，所述PCB为多层封装结构，所述下极板电极单独封装在PCB的最外面一层；进一步的，所述系统包括传输单元，所述传输单元包括同轴电缆；所述同轴电缆的输入端与前段信号处理单元的输出端相连，所述同轴电缆的输出端与信号采集记录单元的输入端相连；所述同轴电缆的电阻与前段信号处理单元的输出电阻相阻抗匹配；进一步的，所述传输单元包括衰减器、光发射器、光纤以及光接收器；所述衰减器输入端与同轴电缆输出端相连，所述光发射器与衰减器输出端相连，所述光发射器输出端与光纤输入端相连，所述光纤输出端与光接收器输入端相连，所述光接收器输出端与信号采集记录单元输入端相连；所述衰减器用于将电信号衰减至光发射器能接收的信号输入水平，所述光发射器将电信号转化为光信号，所述光纤用于传输光信号，所述光接收器用于将光信号转化为电信号；进一步的，所述信号采集记录单元包括示波器和信号换算程序，所述示波器采样率不低于100MHz；所述信号换算程序将电压信号计算得到瞬态电场信号；所述一种宽频域的瞬态空间电场测量方法包括：双极板电极传感器将感应得到的瞬态空间电场内的电场信号转化成未经处理的电压信号发送至前端信号处理单元；前端信号处理单元将双平板电极传感器输入的未经处理的电压信号进行处理、调控，优化为信号采集记录单元可测量的电压信号；信号采集记录单元采集并记录电压信号，并根据电压信号计算得到瞬态电场信号；进一步的，所述前端信号处理单元通过反馈模块和运算放大器电路将输入的未经处理的电压信号转化为信号采集记录单元可测量的电压信号；所述反馈模块包括反馈电容Cf、反馈电阻Rf，所述包括反馈电容Cf和反馈电阻Rf并联；截止频率f0根据反馈电容Cf和反馈电阻Rf的参数获得，所述截止频率f0的计算公式为：所述运算放大器电路包括两个级联的运算放大器，所述运算放大器为高速放大器，放大器采样频率不低于100MHz；进一步的，根据电压信号Vout(t)计算得到瞬态电场信号En(t)的公式为：其中，ε0为介电常数；A为上极板面积；进一步的，通过同轴电缆将前端信号处理单元输出的电压信号传输至信号采集记录单元；进一步的，通过依次连接的同轴电缆、衰减器、光发射器、光纤以及光接收器将前端信号处理单元输出的电压信号传输至信号采集记录单元；本专利技术的有益效果为：本专利技术的技术方案，给出了一种宽频域的瞬态空间电场测量系统及方法，所述方法及系统采用基于平板电极的电学测量方法，对测量系统前端处理电路结构进行改变并对电场探头结构做出优化，实现了基于平板电极的电学测量方法在测量准直流至GHz频率范围电场时不需要进行微分运算的功能，从而拓宽了可测电场频率的下限，而且弥补了基于平板电极的电学测量方法在低频段测量时信噪比低、系统响应不好、得到所测信号困难的问题；同时，通过双平板电极结构与前端信号处理电路的一体化封装设计，极大地简化了测量系统的结构，提高了系统测量结果的准确性。附图说明通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本专利技术的示例性实施方式：图1为本专利技术具体实施方式的一种宽频域的瞬态空间电场测量系统的结构图；图2为本专利技术具体实施方式的一种宽频域的瞬态空间电场测量方法的流程图。具体实施方式现在参考附图介绍本专利技术的示例性实施方式，然而，本专利技术可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本专利技术，并且向所属
的技术人员充分传达本专利技术的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本专利技术的限定。在附图中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽频域的瞬态空间电场测量系统，所述系统包括：双平板电极传感器，所述双平板电极传感器包括相互平行的上平板电极以及下平板电极，所述上平板电极的输出端与前段信号处理单元的输入端相连，所述下极板电极接测量系统的共地端，提供零电位参考点；所述双平板电极传感器置于瞬态空间电场中；所述双平板电极传感器用于将瞬态电场信号转化为输入前端信号处理单元可测量电压信号。前端信号处理单元，所述前端信号处理单元包括反馈模块，所述反馈模块用于设置可测电场的下限截止频率的参数值；所述前端信号处理单元用于将双平板电极传感器输入可测量的电压信号进行处理、调控和优化；信号采集记录单元，所述信号采集记录单元用于采集并记录前端信号处理单元输出的电压信号；信号采集记录单元用于根据采集的电压信号计算得到瞬态电场信号。

【技术特征摘要】
1.一种宽频域的瞬态空间电场测量系统，所述系统包括：双平板电极传感器，所述双平板电极传感器包括相互平行的上平板电极以及下平板电极，所述上平板电极的输出端与前段信号处理单元的输入端相连，所述下极板电极接测量系统的共地端，提供零电位参考点；所述双平板电极传感器置于瞬态空间电场中；所述双平板电极传感器用于将瞬态电场信号转化为输入前端信号处理单元可测量电压信号。前端信号处理单元，所述前端信号处理单元包括反馈模块，所述反馈模块用于设置可测电场的下限截止频率的参数值；所述前端信号处理单元用于将双平板电极传感器输入可测量的电压信号进行处理、调控和优化；信号采集记录单元，所述信号采集记录单元用于采集并记录前端信号处理单元输出的电压信号；信号采集记录单元用于根据采集的电压信号计算得到瞬态电场信号。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述双平板电极传感器的上平板电极以及下平板电极均呈中心对称且对称轴共线，所述上平板电极的输出端设置于上平板电极的对称中心，所述上平板电极的输出端与前端信号处理单元的输入端通过对称无感导线相连；所述对称无感导线根据其无感特性消除线路中的振荡及电磁耦合干扰。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述对称无感导线是由多对双绞线组合而成的对称电缆。4.根据权利要求1所述的系统，其特性在于：所述反馈模块包括反馈电容Cf、反馈电阻Rf以及两个级联的运算放大器，所述包括反馈电容Cf和反馈电阻Rf并联；截止频率f0根据反馈电容Cf和反馈电阻Rf的参数获得，所述运算放大器为高速放大器，放大器采样频率不低于100MHz。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述前端信号处理单元与下极板电极封装在同一块PCB上，所述PCB采用多层结构，每一层封装前端信号处理电路的不同模块部分，所述下极板电极则单独封装在PCB的最外面一层。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括传输单元，所述传输单元包括同轴电缆；所述同轴电缆的输入端与前段信号处理单元的输出端相连，所述同轴电缆的输出端与信号采集记录单元的输入端相连；所述同轴电缆的电阻与前段信号处理单元的输出电阻实现阻抗匹配。7.根据权利要求6所述的系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕子涵，赵军，张建功，干喆渊，张业茂，路遥，刘兴发，周兵，倪园，谢辉春，李妮，王延召，刘健犇，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11