電壓放大器在大功率脈沖電能源研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：大功率脈沖電能源高精度測(cè)試技術(shù)研究

研究方向：儀器儀表測(cè)試

測(cè)試目的：

傳統(tǒng)的測(cè)量精度校準(zhǔn)的方法是對(duì)傳感器單一頻率下的刻度因子進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)方法通常選用同軸分流器串聯(lián)于放電回路中，通過(guò)測(cè)量同軸分流器兩端電壓，對(duì)比傳感器的測(cè)量輸出來(lái)標(biāo)定實(shí)際刻度因子，這種方法在一定程度上能夠提高傳感器的測(cè)量精度，但是校準(zhǔn)精度低。針對(duì)大功率脈沖電流測(cè)量傳感器測(cè)量精度的問(wèn)題，提出一種高精度的校準(zhǔn)方法。搭建大功率脈沖電流測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的性能，主要對(duì)大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間和電流幅值測(cè)量范圍進(jìn)行驗(yàn)證。

測(cè)試設(shè)備：ATA-3090功率放大器、示波器、六位半表、數(shù)字信號(hào)源、低溫漂電阻、NI采集卡、八位半表、大功率脈沖電流測(cè)量傳感器、雷擊浪涌發(fā)生器。

圖：大功率脈沖電流測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

搭建大功率脈沖電流測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功率源包括雷擊浪涌發(fā)生器和高精度的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。由于目前無(wú)法獲得電磁炮中的大功率脈沖電能源，因此采用雷擊浪涌發(fā)生器作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的大功率脈沖電能源。雷擊浪涌發(fā)生器放電原理與電磁炮的大功率脈沖電能源放電原理相同，均為PFN模塊放電，雷擊浪涌發(fā)生器的放電功率大，可發(fā)出1/20μs、4/20μs、8/20μs、30/80μs不同類型的PFN波形，使用Matlab仿真雷擊浪涌發(fā)生器發(fā)出的PFN波形。

圖：精度實(shí)驗(yàn)連線示意圖

搭建大功率脈沖電流測(cè)量傳感器精度測(cè)試系統(tǒng)，大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的刻度因子在經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，通過(guò)隨機(jī)改變正弦波輸入頻率，測(cè)量流過(guò)大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的實(shí)際電流值I以及其輸出的電壓值V，并將輸入信號(hào)的頻率帶入校準(zhǔn)補(bǔ)償數(shù)據(jù)處理平臺(tái)中得到該頻率下的理論刻度因子Ki=F(fi)。

利用大功率脈沖電流測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)補(bǔ)償數(shù)據(jù)處理平臺(tái)對(duì)大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的精度進(jìn)行驗(yàn)證，輸入低溫漂電阻阻值，負(fù)載電壓以及傳感器輸出電壓即可求出測(cè)量電流的真實(shí)值以及與校準(zhǔn)補(bǔ)償算法中理論值的誤差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1、大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的精度測(cè)試

圖：霍爾傳感器絕對(duì)誤差圖和寬頻帶測(cè)量傳感器絕對(duì)誤差圖

由上圖的誤差曲線可以看出，在500Hz以下霍爾傳感器可以保證0.3%的測(cè)量精度；在100Hz~10kHz時(shí)，寬頻帶測(cè)量傳感器可以保證0.2%的測(cè)量精度，且頻率越高誤差越小，所以頻率超過(guò)10kHz時(shí)，寬頻帶測(cè)量傳感器依然能夠保證較高的精度。因此，大功率脈沖電流測(cè)量傳感器在0~10kHz頻帶內(nèi)不同頻率下可以達(dá)到0.3%以內(nèi)的測(cè)量精度。

2、大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的穩(wěn)定性測(cè)試

在100組數(shù)據(jù)中，寬頻帶測(cè)量傳感器的電壓平均值V為23.1318mV，與平均值相差最大的值Vmax為23.1462mV，根據(jù)公式可得寬頻帶測(cè)量傳感器的重復(fù)精度為0.063%。由實(shí)驗(yàn)得，霍爾傳感器和寬頻帶測(cè)量傳感器的重復(fù)精度分別為0.024%和0.063%，因此大功率脈沖電流測(cè)量傳感器具有很好的穩(wěn)定性。

3、大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的幅值測(cè)量范圍測(cè)試

經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)算法計(jì)算后的電流峰值和雷擊浪涌發(fā)生器發(fā)出的實(shí)際峰值相近，由于雷擊浪涌發(fā)生器發(fā)出的電流精度低，因此無(wú)法做精度的對(duì)比。在輸出5007A電流時(shí)，PFN放電波形的上升沿時(shí)間為6.84μs，此時(shí)大功率脈沖電流測(cè)量傳感器依然能夠?qū)⑵洳ㄐ瓮暾牟杉?/p>

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間和電流幅值測(cè)量范圍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以得出大功率脈沖電流測(cè)量傳感器的響應(yīng)時(shí)間在10μs以下，重復(fù)精度在0.07%以內(nèi)，在頻帶測(cè)量范圍為0~10kHz，電流測(cè)量幅值在5000A以內(nèi)時(shí)，其測(cè)量精度在0.3%以內(nèi)。

安泰ATA-3090功率放大器：

圖：ATA-3090電壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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本文實(shí)驗(yàn)案例參考自知網(wǎng)論文《大功率脈沖電能源高精度測(cè)試技術(shù)研究》