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目 录

摘要 1

1 引言 3

2 典型强脉冲电流测量方法 3

2.1 分流器法 3

2.2 光学电流传感器法 3

2.3 霍尔效应传感器法 4

2.4罗氏线圈法 5

3 Rogowski线圈的分析与设计 5

3.1 系统框图设计 5

3.2 Rogowski线圈的工作原理 5

3.3 Rogowski线圈的多种结构分析 6

3.3.1 矩形截面的Rogowski线圈 6

3.3.2 椭圆形截面的Rogowski线圈 7

3.3.3 圆形截面的Rogowski线圈 8

3.4 Rogowski线圈等效电路图分析 9

3.5 Rogowski线圈相关参数的仿真 10

3.5.1 关于互感的仿真 10

3.5.2 关于线圈内阻的仿真 11

3.6 Rogowski线圈动态特性的仿真 12

3.6.1 关于不同匝数的仿真 12

3.6.2 关于不同中心半径的仿真 14

3.6.3 关于不同高度的仿真 15

3.6.4 关于横截面直径的仿真 16

3.7 Rogowski线圈的实物设计 17

4 积分电路的分析与设计 17

4.1 Rogowski线圈不同积分方式的分析 18

4.2 积分环节中遇到的问题及解决措施 18

4.3 积分电路的设计与仿真 19

5 测量分析及误差分析 20

5.1 示波器 20

5.2 测量分析 20

5.3 Rogowski线圈的偏心误差分析 21

5.4 Rogowski线圈的绕线误差分析 22

6 结束语 22

参考文献 23

致 谢 24

强脉冲电流检测系统的设计

于浩

，China

Abstract：Pulse measurement technology is a hot technology, fairly broad application prospects. Rogowski coil is one of the commonly used sensors. Rogowski coil detection system comprises a source of intense pulse generator, Rogowski coil, integrating circuit composed of the oscilloscope. The quality of the design and integration circuit Rogowski coil have a greater impact on the final result of the measurement, this paper, the coil structure, cross-sectional diameter, number of turns, etc. simulated and compared. Integrating processing circuit design, the system bandwidth is used to enlarge and reduce distortion. System errors and a simple analysis, the improved method, via the experimental results show that the basic design to achieve the measurement requirements.

Key words：rogowski coil; pulse current; coil parameter; integral circuit

1 引言

脉冲功率技术是一门热门学科，随着相关学科的飞速发展，它在国家防护、学科实验、军用以及医学领域中扮演着越来越重的角色。而其中，强脉冲电流测量技术更是研究的一个重要课题。强脉冲电流渐变过程很快，脉冲前沿上升时间非常短，并且具有很大的幅值，最高能达到几兆安。这种强脉冲电流由于变化太快，给测量带来非常大的困难，一般仪器很难精准测量。

一般用到的测量方法有分流器法、光学电流传感器法、霍尔效应传感器法和罗氏线圈法等等。分流器法是将分流器接入到回路中，操作比较麻烦，并且电阻本身会产生热量，从而造成不必要的实验误差。霍尔效应传感器法具有结构简单和工作频率范围广的优点，但是测量的结果不会太精确，因为周围磁场会对霍尔效应传感器产生很大的干扰^[1]。罗氏线圈法最常用，因为其结构简单易设计，成本低，实用范围大，测量范围相比其他方法大很多。

2 典型强脉冲电流测量方法

2.1 分流器法

分流器是目前在强脉冲电流测量中常用到的元器件，工作原理很简单，分流器相当于一个小电阻，将分流器接入待测电路中，然后在其两端连接示波器，只要测量电流产生的压降和波形就能求出强脉冲电流的大小。分流器法需要满足:

（2-1）

设计出的分流器的电阻阻抗要求远远大于感抗，因此可以选择电感很小的分流器，实验中可以采取改变分流器的结构，从而降低分流器的感抗。分流器按照结构的不同，可以分为对折式、同轴式和管式三种类型^[2]。

由于强脉冲电流在通过导线时会产生一定的磁场和电场，导致分流器不再是一个纯电阻，而应该看成是电阻和电感的串联起来的一体。分流器上的总压降也应该用电阻压降加上电感压降。电感压降随强脉冲电流的变化而变化，因此在选择实验用的分流器时需要选用合适的。当用分流器测量强脉冲电流时，由于分流器消耗的功率很大，容易引起自身的温度变化，电阻值也会相应地发生变化；同样的，因为温度变化还将会导致产生热应力，也会使分流器的电阻值发生变化。这些都会导致系统生成不必要的误差，因此要格外注意，尽可能地控制分流器来降低误差。此外强脉冲电流会在分流器的周围产生磁场，影响测量系统的稳定，因此可以采取用同轴电缆^[3]代替导线连接回路与示波器。

总之，分流器法测量强脉冲电流的最大不足之处在两个方面：第一，分流器必须要和被测回路串联，因此不得不拆开一次回路，给安装和使用增加困难，非常不方便，并且由于分流器自身的参数影响，会导致被测电流回路的电气参数发生变化，特别是用分流器测试高速大功率的电子开关状态电流时，影响更是不可忽视；第二，因为一次回路与二次回路之间不存在电气隔离^[4]，所以不适用于微机等精密仪器的测量。

2.2 光学电流传感器法

光学电流传感器的工作原理是法拉第磁光效应，其本质是一种特殊的传感器，通过实验测量光在传感器偏振面时，因为电流磁场的作用，进而使光波发生定向偏转，从而测出电流值^[5]。这种方法要求严格，需要用到精密的光学仪器。光纤传递信号由于抗电磁干扰能力极强，同比例信号衰减很小，基本可以忽视，从而简化测量系统的绝缘构造，国际上关于它的讨论很多。法拉第磁光效应的示意图如图2-1所示。

图2-1 法拉第磁光效应

由于磁光材料材质不同，其参数也大不一样，固定值 V是Verdet常数，单位是 rad/A，与温度和光波波长有关；L 是光线通过的路程，单位是m。通电导线在磁光材料周围产生磁场，整个系统可以视为一个闭合回路，按照安培环路定律，能够轻易地推导出以下公式：

(2-2)

(2-3)

(2-4)

光学电流传感器法测量强脉冲电流的工作过程如图2-2所示。用一个恒定的光源，让光线经起偏器变成线偏振光，再从光纤传入光学传感器中。光在传感器中通过载流导线环绕一定圈数，由于存在磁场，导致偏振面旋转一定角度，出射光经过检偏器检偏后，将光信号转换成电信号，接着进行放大和滤波，最后由处理电路来处理数据，得出结果。

图2-2光学电流传感器法工作过程

光学电流传感器的优点有：精度高、频带宽、范围大、运行安全和抗干扰能力强。光学电流传感器技术不仅在强脉冲电流测试领域可用，而且在高压输送工业、直流信号检测等领域都有不错的表现。但是缺点也很明显，测量精确度差，系统不太稳定，细微的温度变化^[6]和振动就能影响整个系统。

2.3 霍尔效应传感器法

霍尔效应传感器法的原理是利用电场产生磁场，通电导线会在周围形成一定的磁场，霍尔元件在磁场中产生感应电压，最后用外接示波器显示电压波形，推导出原回路中的强脉冲电流波形。

霍尔效应传感器具有元件尺寸小，频率范围大，运行安全等优点。但是由于周围环境存在其他杂乱磁场会对测量造成很大影响，导致测量结果存在较大误差。在实验测量时必须固定住待测回路导线，并且要求长度覆盖住全部回路，测量过程及其复杂。这种方法也有很多优越性，比如不必将测量仪器接入待测回路，从而减少接入损耗。还有就是使用便捷，不需要搬动很多仪器，只要将电流传感器连接万用表，然后打开电源，就可以轻松显示出电流大小。

2.4罗氏线圈法

20世纪初期，Rogowski 和 W. Steinhaus共同研究麦克斯韦方程，发现了可以用线圈端两侧电压间接地测量出线圈的磁场强度B，而且电压不受线圈的结构的改变而改变，这一伟大的发现奠定了Rogowski线圈的发展。Rogowski线圈其本质上是电感器的一种，把导线密集地缠绕于非磁性的圆环形的硬质骨架上，测量时将通电导线穿过Rogowski线圈，通电导线会产生磁场，这时Rogowski线圈会产生感应电压，随后再将感应的电压接入后续电路处理，可还原出最初的强脉冲电流。由于没有将待测回路与测量系统直连，所以不存在相应的设备误差。在设计时，可将线圈的导线首尾相连，从而形成补偿线圈，大大地降低Rogowski线圈自身的磁通影响^[7]。

不难发现，选用Rogowski线圈的优点有很多，比如：

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