用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法，步骤如下：S1、搭建可调节百A级精密电流测试源；S2、搭建罗氏线圈刻度因子校准测试系统；S3、罗氏线圈刻度因子电流幅值校准；S4、罗氏线圈线刻度因子频率校准；S5、罗氏线圈线刻度因子校准后验证，本申请还公开了实现用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法的设备，本申请采用精密小电流源替代传统的大功率脉冲电流源作为标定源可有效降低测试设备要求、测试难度、测试安全性；采用罗氏线圈刻度因子电流幅值校准和频率校准相结合的精细化标定方法，有效的减少脉冲测量中幅值以及频率变化对测量精度的影响，与传统校准相比，可显著提高罗氏线圈校准精度。

【技术实现步骤摘要】
用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法及设备
本专利技术涉及脉冲大电流源测量
，具体是用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法及设备。
技术介绍
大功率脉冲电能源是电磁发射装备的关键组成部分，具有高电压(数千伏以上)、大电流(数千安以上)、脉冲快(微纳秒)，高功率(兆瓦量级)等特点。大功率脉冲电能源的脉冲成形网络(PFN)电流的幅值特性、相位特性、频率特性等参数是衡量大功率脉冲电能源性能的指标，通过测量这些特性可以对整个大功率脉冲电能源的放电回路进行仿真验证、优化设计、性能准确评估。如何对大功率脉冲电能源的极限电性能测量是目前亟待解决的难题之一。进一步，针对MW级PFN放电回路的测量，目前最常用的测量手段是采用罗氏线圈作为前端电流传感器，通过设定积分方式并利用高精度采集装置对电流信号进行采集，通过罗氏线圈出厂前给定的刻度因子反求得到放电回路的电流。虽然罗氏线圈的幅值范围、测量频率满足PFN放电回路的测量，但基于固定刻度因子求解电流的方式所产生的测量误差通常在1％以上，无法满足实际的测试要求，如何减少罗氏线圈的测量误差是足PFN放电回路测量的关键技术之一。进一步，传统的罗氏线圈的测量精度提高方法是对罗氏线圈刻度因子进行标定，标定方法通常选用同轴分流器串联于PFN放电回路中，通过测量同轴分流器两端电压，并对比罗氏线圈测量输出标定实际刻度因子。校准后的刻度因子更符合测量现场情况，因此该种方法在一定程度上能够提高罗氏线圈测量精度，但是，现有的校准手段存在一下几个缺点：(1)校准的精度较低。大功率脉冲电能源对罗氏线圈测量精度要求在5‰以内，该种校准方法校准精度无法满足要求；(2)单一频率条件下刻度因子适用性较差。实测中，由于罗氏线圈的自身特性和调理电路的综合影响，罗氏线圈在不同频率条件下刻度因子差异很大，采用在固定频率条件下的刻度因子校准方法在50Hz工频大电流测试场合效果较好，但无法满足PFN放电回路这种频谱分量分布很广的测量对象的高精度测量要求。因此如何减少频率对刻度因子影响是解决PFN放电回路测量的又一难题。针对校准用的MW级功率脉冲电能源较少，且采用同轴分流器串联的测量方法对校准测试的安装难度较大，且容易对测试人员和测试设备产生不利因素，如何提高测试人员和测试设备的安全性是罗氏线圈校准的重点之一。
技术实现思路
本专利技术的实施例目的在于提供用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法及设备，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法，步骤如下：S1、搭建可调节百A级精密电流测试源：通过信号发生器、精密功率放大器组成大功率精密电流发生源，同时采用低温漂精密电阻作为负载电阻，搭建精密电流测试源，信号发生器的输出通道接入至精密功率放大器的信号输入接口，精密功率放大器的输出端子与负载电阻阵列并联，通过调节信号发生器的信号类型、幅值大小以及精密功率放大器的比例大小改变流过负载电流的信号类型、幅值特性以及频率特性，为罗氏线圈的线性度校准和频率校准提供测试源；在电流回路上绕制多匝线圈并穿过罗氏线圈，将流过罗氏线圈内部的最大原边电流提高至500A，罗氏线圈感应电流如下：其中，I总为流过罗氏线圈总原边电流；N为线圈匝数；V为负载电阻两端电压；R为负载电阻；根据出厂刻度因子K可得到输出幅值：S2、搭建罗氏线圈刻度因子校准测试系统：校准测试系统包括被测罗氏线圈、百A级精密电流测试源、功能数字万用表、高精度数据采集卡、上位机和采集分析软件模块；其中，功能数字万用表探头分别放置在负载电阻两端，用于测量电流测试源负载电阻两端电压和两端电阻，得到流过负载电阻电流；根据线圈匝数可计算流过罗氏线圈的实际电流；高精度数据采集卡、上位机和采集分析软件模块组成罗氏线圈输出电压测试单元，实时采集输出电压幅值；根据刻度因子计算公式：K＝Iin/Vout可计算出刻度因子值；其中，Iin为原边电流，Vout为罗氏线圈输出电压；S3、罗氏线圈刻度因子电流幅值校准：设定信号发生器输入波形和输入频率，改变功率放大器比例系数调节原边输入电流大小，在不同的比例系数条件下利用校准测试系统测量多组负载电压、负载电阻以及罗氏线圈输出电压并求均值；其中，负载电压均值为负载电阻均值为罗氏线圈输出电压均值为根据原边电流计算公式可得到不同放大倍数条件下的实际原边电流均值：根据K＝Iin/Vout可计算出不同电流条件下的刻度因子均值：对所测得以及进行线性拟合得到刻度因子和电流幅值变化之间的关系：并求出拟合直线线性度δ，δ在3‰以内，则表明电流幅值变化对刻度因子的影响较小，采用小电流发生源外推大电流条件下的刻度因子的方法具有可行性；S4、罗氏线圈线刻度因子频率校准：将正弦波作为信号输入，放大器倍数设为固定，等间隔改变正弦波输入频率，并根据S3中类似手段测量不同频率条件下的刻度因子均值；同时，根据和对应的f＝[f1，f2,f3,…fn]进行曲线拟合，得到刻度因子和电流频率变化之间的关系：S5、罗氏线圈线刻度因子校准后验证：通过随机改变正弦波输入频率，并测量流过罗氏线圈的实际电流值I总i以及罗氏线圈输出的电压值利用输入信号的频率带入频率拟合曲线求解理论刻度因子Ki＝F(fi)，测量的电流值为并计算相对误差γ：校准后标称为1％精度罗氏线圈在不同频率条件下的测量误差优于5‰则满足校准要求。在一种可选方案中：步骤S1中，为保证流过负载电阻的电流和电压在额定范围内，低温漂精密电阻采用25个60Ω大功率铝壳电阻进行并联，将总电阻值控制在3Ω，最大允许流过的电流为15A；铝壳电阻自身具备散热作用，同时在并联铝壳电阻放置在大规模散热铜片上，避免电阻温度过高。在一种可选方案中：步骤S2中，所述功能数字万用表为八位半高精度数子万用表；所述高精度数据采集卡为16位数据采集卡，用于降低测量仪器的误差并保障测量正弦波的均值电压和负载电阻的准确度。在一种可选方案中：步骤S2中，所述的上位机测量软件具备波形显示、波形频谱分析、幅值测量以及上升时间测量功能，在正弦波测量时，所测的电压峰值转化为电压有效值进行刻度因子计算。在一种可选方案中：步骤S3中，电流幅值变化范围为50A～500A之间，信号源输入信号频率为100Hz；如果所测得幅值与刻度因子之间的函数线性度δ优于3‰，则将各频率条件下的电流幅值变化的刻度因子求均值，并作为固定刻度因子使用；如果线性度较差，则将幅值变化对刻度因子的影响拟合成曲线，并对S4的频率校准曲线进行误差修正。在一种可选方案中：步骤S4中，根据罗氏线圈的测量特性，频率校准过程中频率变化范围为100Hz～10KHz，等间距间隔为50Hz；为提高校准精度，所测到的校准数据求均值数据为50组。在一种可选方案中：步骤S3和S4中，电流幅值变化对刻度因子的影响可作为固定的误差修正因子对频率模型进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法，其特征在于，步骤如下：/nS1、搭建可调节百A级精密电流测试源：/n通过信号发生器、精密功率放大器组成大功率精密电流发生源，同时采用低温漂精密电阻作为负载电阻，搭建精密电流测试源，信号发生器的输出通道接入至精密功率放大器的信号输入接口，精密功率放大器的输出端子与负载电阻阵列并联，通过调节信号发生器的信号类型、幅值大小以及精密功率放大器的比例大小改变流过负载电流的信号类型、幅值特性以及频率特性，为罗氏线圈的线性度校准和频率校准提供测试源；在电流回路上绕制多匝线圈并穿过罗氏线圈，将流过罗氏线圈内部的最大原边电流提高至500A，罗氏线圈感应电流如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法，其特征在于，步骤如下：
S1、搭建可调节百A级精密电流测试源：
通过信号发生器、精密功率放大器组成大功率精密电流发生源，同时采用低温漂精密电阻作为负载电阻，搭建精密电流测试源，信号发生器的输出通道接入至精密功率放大器的信号输入接口，精密功率放大器的输出端子与负载电阻阵列并联，通过调节信号发生器的信号类型、幅值大小以及精密功率放大器的比例大小改变流过负载电流的信号类型、幅值特性以及频率特性，为罗氏线圈的线性度校准和频率校准提供测试源；在电流回路上绕制多匝线圈并穿过罗氏线圈，将流过罗氏线圈内部的最大原边电流提高至500A，罗氏线圈感应电流如下：



其中，I总为流过罗氏线圈总原边电流；N为线圈匝数；V为负载电阻两端电压；R为负载电阻；
根据出厂刻度因子K可得到输出幅值：



S2、搭建罗氏线圈刻度因子校准测试系统：
校准测试系统包括被测罗氏线圈、百A级精密电流测试源、功能数字万用表、高精度数据采集卡、上位机和采集分析软件模块；其中，功能数字万用表探头分别放置在负载电阻两端，用于测量电流测试源负载电阻两端电压和两端电阻，得到流过负载电阻电流；根据线圈匝数可计算流过罗氏线圈的实际电流；高精度数据采集卡、上位机和采集分析软件模块组成罗氏线圈输出电压测试单元，实时采集输出电压幅值；根据刻度因子计算公式：K＝Iin/Vout可计算出刻度因子值；其中，Iin为原边电流，Vout为罗氏线圈输出电压；
S3、罗氏线圈刻度因子电流幅值校准：
设定信号发生器输入波形和输入频率，改变功率放大器比例系数调节原边输入电流大小，在不同的比例系数条件下利用校准测试系统测量多组负载电压、负载电阻以及罗氏线圈输出电压并求均值；其中，负载电压均值为负载电阻均值为罗氏线圈输出电压均值为
根据原边电流计算公式可得到不同放大倍数条件下的实际原边电流均值：根据K＝Iin/Vout可计算出不同电流条件下的刻度因子均值：



对所测得以及进行线性拟合得到刻度因子和电流幅值变化之间的关系：并求出拟合直线线性度δ，δ在3‰以内，则表明电流幅值变化对刻度因子的影响较小，采用小电流发生源外推大电流条件下的刻度因子的方法具有可行性；
S4、罗氏线圈线刻度因子频率校准：
将正弦波作为信号输入，放大器倍数设为固定，等间隔改变正弦波输入频率，并根据S3中类似手段测量不同频率条件下的刻度因子均值；同时，根据和对应的f＝[f1，f2,f3,…fn]进行曲线拟合，得到刻度因子和电流频率变化之间的关系：



S5、罗氏线圈线刻度因子校准后验证：
通过随机改变正弦波输入频率，并测量流过罗氏线圈的实际电流值I总i以及罗氏线圈输出的电压值利用输入信号的频率带入频率拟合曲线求解理论刻度因子Ki＝F(fi)，测量的电流值为并计算相对误差γ：



校准后标称为1％精度罗氏线圈在不同频率条件下的测量误差优于5‰则满足校准要求。


2.根据权利要求1所述的用于脉冲大电流源测量的罗氏线圈高精度校准方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟征宇，刘青，潘晓，贾昆，
申请(专利权)人：西安航通测控技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61