脉冲电场微型传感探头的研制

为研究车辆、飞机、舰船仓部等小空间电场环境的电磁兼容与防护问题,需要在尽可能不影响被测电场分布的情况下,实现对脉冲电场的测试。为此,通过特殊的结构和电路设计,利用传感器的外壳实现天线和屏蔽功能,通过高阻耦合、直接电光转换和天线-电容方式实现衰减与降噪等技术,研制成功了一种带有尾纤的、截面积1cm2,长度6cm,能够直接将几Hz至数GHz的脉冲电场信号转换为强度调制的激光波输出的微型有源宽带脉冲电场传感器。测试结果表明,它具有良好的宽带性能和很高的灵敏度,不失真输出动态范围超过60dB,成功解决了小空间环境条件下对宽带脉冲电场的测试问题。     

基于无人机搭载的电场强度传感器测量技术研究

变电站内环境各异、运行工况复杂,现有电场强度传感器的量程和精度不满足测试需求。基于一种可用于无人机搭载的电场强度传感器,解决了场强大量程和数据无线传输的技术难点,满足超特高压变电站测试需求。以支柱瓷瓶为试验对象,开展不同电压等级下、不同位置的场强分布的试验室测量,模拟测试瓷瓶存在缺陷时的场强变化情况,并在220 kV电流互感器附近进行了现场测试,结果表明该无人机搭载场强测量技术能检测变电站内主设备场强分布,诊断瓷瓶表面尖端、短接等缺陷。     

500 kV变电站电磁环境参数测量

为系统了解高压变电站产生的电磁环境情况,测量了13个500 kV高压变电站内、外的工频电、磁场,以及变电站围墙外20 m处的无线电干扰水平。测量结果表明,500 kV变电站围墙外的工频电、磁场强和无线电干扰水远远低于我国环境标准中推荐的居民区的场强限值,即电场4 kV/m,磁感应强度0.1 mT,无线电干扰55 dB;500 kV变电站内电场强度的最大值为11.66 kV/m。但对于所有变电站,70%以上测点的电场强度在4~8 kV/m之间。磁感应强度水平分量最大值为13.23μT,垂直分量最大值为9.58μT,最大合成磁感应强度为16.33μT。90%以上测点的合成磁感应强度<10μT,所测500 kV变电站的无线电干扰电平在33~46 dB之间。变电站在0.5 MHz和1 MHz频率下无线电干扰频谱衰减特性不明显。     

变电所的瞬态电磁环境分析

变电所的瞬态电磁环境威胁二次系统的安全运行。采用现场测试和数值计算的方法分析了开关操作时和雷电作用时产生的瞬态电磁场。开关操作时产生的瞬态电场的频率范围为小于15 MHz,持续时间为8μs,主频为DC～1 MHz,上升时间为0.5～1.5μs;瞬态磁场的频率范围为小于20 MHz,持续时间为8～10μs,主频为0.5～3 MHz,上升时间为0.25μs。建议的最大瞬态磁感应强度为400 A/m,电场强度为20 kV/m。雷击变电所的雷电瞬态磁场建议取1 000 A/m。国家推荐性标准GB/T17626.9-1998的要求无法满足变电所实际雷电电磁环境的要求,建议变电所电子设备电磁兼容测试的脉冲磁场抗扰度的要求取1 000 A/m,另外建议对变电所的电子设备的抗扰度试验要增加瞬态电场测试,其强度取20 kV/m。     

指形电极结构设计及其对快脉冲真空闪络特性的影响

为了更好的研究快脉冲真空闪络,宜选用指形电极结构。通过ANSYS有限元仿真和实验研究指形电极结构对快脉冲下真空沿面闪络特性的影响。仿真计算了相同电极间距d不同电极曲率半径r时指形电极系统的最大电场强度Emax;相同r不同d时指形电极系统的Emax;不同d、r时指形电极系统的场增强因子f。仿真结果表明:d一定时,电极曲率半径r<8mm时,电极顶端的最大电场强度随着曲率半径的增大而迅速减小,r为8~20mm时,电极前端的最大电场强度变化幅度不大;r一定时,d为1~8mm时,随着d增大,最大场强下降到原来的23%,d>8mm时,电极前端的最大场强下降趋势有所减慢;电极间距d取值越小,电极曲率半径r越大,场增强因子则越小,对应的电场分布越均匀;对于实验研究用指形电极结构,宜采用r<8mm,d>8mm的设计参数。基于18/500ns、峰值输出电压为75kV的快脉冲源以及r=10mm的不锈钢指形电极,研究了纯环氧试样在不同d时的闪络特性。实验结果表明:d为5~15mm时,沿面闪络电压值随d的增加而呈线性增长;d为20~45mm时沿面闪络电压增长缓慢,这与真空间距击穿的关系不同。并结合65/600ns脉冲电压和直流电压下平板电极和指形电极的沿面闪络实验数据,研究了r=10mm,d=10mm时指形电极结构的f,实验得出脉冲电压下f=1.73,直流电压下f=1.47。     

基于激光光电池供电的脉冲电场传感器设计

为了解决脉冲电场传感器电光调制部分的供电问题,设计研制了一种基于激光光电池供电的脉冲电场传感器,该传感 器由激光光电池供电电路、电光调制电路和感应天线构成。 设计制作了由供能激光器、锂电池、激光光电池、锂电池充电电路、 锂电池保护电路、锂电池升压放电电路构成的激光光电池供电电路。 测试结果表明,供电电路输出电压精度为 1. 04 %,纹波系 数为 0. 3 %,并且 48 h 持续工作输出电压波动为±0. 035 V。 设计制作了由单极子天线、场效应管型集成运放构成的传感器电光 调制电路。 实验结果表明,研制的脉冲电场传感器测量带宽在 39. 8 Hz~ 1 050 MHz,动态范围 0. 256 kV/ m ~ 13. 79 kV/ m。     

高功率瞬态电场传感器的设计与分析

高功率瞬态电场的测试是电磁环境效应评估与防护研究领域的难点。笔者基于有源电光调制法,设计了一种高功率瞬态电场传感器。通过建立简化的等效电路模型,并借助CST微波工作室对该传感器的结构建模仿真,分别从频域和时域分析了接收天线负载对传感器接收特性的影响,并得到了一致的结果。结果表明:接收天线采用单极子天线,负载采用低阻时响应信号为被测电场的微分信号,采用高阻时响应电压与被测电场场强成正比,通过改变负载电容取值可以控制传感器量程。     

光学电场传感器的仿真与实验研究

传统电场传感器中的金属设备会对被测电场产生影响,导致测量精度下降,为此设计出光学电场传感器。本文在有限元分析软件Comsol中使用晶体微元建立了Pockels效应的模型,从微观的角度阐述Pockels效应,得到了仿真结果,并搭建了实验平台,实验晶体在频率50Hz、电场强度0~8×10~5V/m条件下进行测试,验证了仿真结果,输出与输入有良好的线性关系。本文所进行的研究可为以后光学传感技术的发展提供基础。     

用于SiC MOSFET开关电压测量的非接触式电场耦合电压传感器EI北大核心CSCD

准确测量碳化硅(silicon carbide,SiC)金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)开关电压是评估SiC MOSFET开关特性、计算开关损耗、优化变换器设计的关键。随着SiC MOSFET开关速度、耐压及功率密度的提升,开关电压测量难的问题逐渐凸显,因此对电压传感器的带宽、耐压和侵入性提出了新的要求。该文以SiC MOSFET的开关电压为研究对象,根据目前开关电压的测量需求,提出一种利用电场耦合原理测量开关电压的非接触式电压传感器,并设计混合积分电路对传感器输出信号进行电压重构。在此基础上,通过仿真和计算着重分析电场耦合电压传感器的结构和电路参数的设计依据。传感器带宽范围为5Hz~260MHz,量程为-1000~+1000V,输入电容约为0.73pF,最后利用双脉冲测试,将其与商用示波器探头的测量结果进行对比,验证电场耦合电压传感器的准确性。     

基于场致激光二次谐波产生原理的纳秒脉冲电场非介入测量方法研究

局域电场是放电等离子体的重要微观参数,非介入式时空分辨的电场诊断对深入理解放电演化机制具有重要意义。该文对现有电场测量手段进行综述,对其存在干扰放电或适用场合受限等局限性进行讨论。基于场致二次谐波产生原理,搭建非介入激光测量系统,利用纳秒脉冲激光实现了脉冲瞬态电场的测量。首先,通过平行板电极结构产生均匀电场,对系统进行标定,获得二次谐波信号幅值正比于电场强度平方的定量关系。接着,基于标定结果,定量获得刀板电极结构中非均匀电场的时间演化和空间分布。最后,比较实验测量与Comsol仿真结果,验证了场致激光二次谐波产生方法的适用性与准确性。该方法可应用于不同电压形式激励的气体放电中瞬态电场的定量测量。     

脉冲电场处理电厂冷却水系统微生物的研究

用脉冲电场处理冷却水系统中的微生物是切实可行的。该法不同于向水中添加杀生剂的方法 ,其基本原理是用脉冲电场处理冷却水 ,使水中的微生物在流过冷却设备时暂时失去活动能力 ,不发生沉积。由实验可知 ,对单脉冲电场来说 ,微生物的抑制时间由脉冲持续时间和脉冲电场幅值或能量密度决定。用重复频率的脉冲处理冷却水中的微生物可在较小的电场强度下获得与较大电场强度单脉冲电场相同的效果。在使用时 ,对处理池中的电极施加脉冲电场 ,可通过改变电极间距改变施加的场强值。     

适用于宽温区的LiNbO_3体效应电光干涉型强电场传感器

目前光学电场传感器具有场强测量幅值高、频率测量范围宽的优点,但温度稳定性弱制约了其发展和应用。为此,分析了温度对x轴通光和z轴通光铌酸锂电场传感器的影响机理,提出了一种采用铌酸锂z轴通光调制方式、适用于宽温区试验研究的电光干涉型强电场传感器,通过搭建宽温区测试平台来获取电场传感器在宽温区内的传递函数参数;同时,校准了电场传感器的线性测量范围、典型电场波形响应和频率响应曲线。研究结果表明:校准后的电场传感器在0～50℃宽温区内的传递函数保持稳定,能够准确测量频率范围为10 Hz～700 kHz、幅值为5～600 kV/m的电场信号,可为实际应用提供参考。     

基于光学传感的交直流混合场一体化测量实现

针对交、直流混合场测量的问题,文中基于电光晶体Pockels效应设计了旋转式光学传感元件,该设计不仅适用于测量交直流混合场,而且抑制了测量中的波动和误差。分别推导了旋转式光学电场传感器测量直流电场、交流电场以及混合场时的传感原理。为了区分不同频率下的电场强度,将Hilbert-Huang时频变换技术应用到光学电场测量,并且给出不同频率下的测量方案。在光学一体化传感器标定后,对混合场进行测量,实验数据表明,所提出的光学电场一体化测量机制适用于准确地测量交、直流混合场。     

基于M-Z干涉结构的集成光学电场传感器设计

针对亚纳秒脉冲高电压信号的测量需求,研究了基于Mach-Zenhder干涉结构的集成光学电场传感器。分析了晶体电光效应与M-Z干涉结构的基本原理,设计了传感器的铌酸锂电光晶体衬底与镀金电极结构。计算了传感器的灵敏度、频率响应、量程等输入输出性能,并设计了用于标定传感器特性的测试系统。     

高频纳秒脉冲串作用下皮肤肿瘤热效应的多参数有限元仿真与实验

为综合传统微秒脉冲电场和纳秒脉冲电场治疗肿瘤的优点,提出一种高频纳秒脉冲串的脉冲形式来治疗肿瘤。研究此高频纳秒脉冲串在生物组织中产生的热效应,并通过多参数有限元方法对施加镊子电极的皮肤黑色素肿瘤的温度以及热损伤进行仿真。施加的电场强度范围为1~10k V/cm,脉宽范围为50~500ns,脉冲串内重复频率介于100k Hz和1MHz之间,一串脉冲的长度为100μs,脉冲串重复频率为1Hz。对于皮肤肿瘤,施加电场强度5k V/cm、脉宽500ns、脉冲串内重复频率1MHz的脉冲,1s后肿瘤的最高温度仅为37.4℃,热损伤可以忽略不计。对不同电场强度、脉宽、重复频率下皮肤黑色素肿瘤的温度和热损伤进行仿真计算,研究肿瘤温度以及热损伤与脉冲参数的关系,并确定使肿瘤不发生热损伤的脉冲参数范围。对裸鼠在体黑色素肿瘤的温度进行实测,肿瘤的温升结果与仿真中的平均温度变化较为一致。     

交直流混合电场旋转式一体化测试仪的研制

研究了一种直流电场、交流电场和交直流混合电场一体化旋转式电场测量仪。首先导出了一体化旋转式电场测量仪的输出电流与直流电场强度、交流电场强度和交直流混合电场强度的关系。在此基础上采用窄带通滤波法设计了感应信号后续处理电路,分离出感应信号中的直流分量与交流分量,并对电场仪进行了标定与现场测试。该电场仪测量精度高,线性度好,可以同时测量同一地点的交流电场、直流电场和交直流混合电场,对于超/特高压交直流同走廊和同塔输电线路混合电场研究和电磁环境监测具有重要意义。     

超大型低反射镜面单锥脉冲电场标准装置

针对现有镜面单锥TEM室用作脉冲电场传感器校准时存在测试尺寸空间较小、低频响应较差、内部与环境反射影响测量准确度等问题,采用超大型精密单锥结构、终端阻抗加载和低反射异形电波暗室等方法,在仿真优化分析基础上,设计研制了基于超大型低反射镜面单锥的脉冲电场标准装置。该镜面单锥母线长2 m,能够适应脉冲宽度大于5 ns的脉冲信号,整体装置所产生的标准脉冲电场幅值50～150 V/m可调、脉冲前沿小于100 ps、脉冲宽度大于5 ns,满足装备测试脉冲电场传感器的大空间、宽频带、高准确度校准需求。     

磁电层合大电流传感器的改进和性能分析

对一种现有的磁电层合大电流传感器做了参数优化和改进。通过优化磁路设计、合理设置直流偏磁和扩大磁环气隙等方式,解决了原有传感器的测量波形失真问题,使其可以输出与待测交流电流具有线性幅值关系、波形形状一致的电压信号。试验测试表明,在测量700 A以内的待测电流时,改进后的电流传感器具有4.5 m V/A的电流测量灵敏度,在频率40~1 500 Hz范围内有平坦的输出,并具有一定的抗干扰能力。     

脉冲电场作用下细胞膜可控电穿孔技术研究

为实现脉冲电场作用下细胞膜可控电穿孔技术,利用THU-PEF4(自制高压脉冲电源)系统,采用碘化丙啶PI和Sybr GreenⅠ对小球藻进行了荧光染色试验,在激光共聚焦显微镜下定性研究等效脉冲能量密度和电场强度对小球藻细胞穿孔率的影响;结合流式细胞仪对小球藻穿孔细胞进行计数分析,定量研究等效脉冲能量密度和电场强度对小球藻细胞穿孔率的影响规律。实验发现:在激光共聚焦显微镜下,小球藻细胞膜电穿孔率随场强和等效脉冲注入能量的增加而增加;230 kJ/L的脉冲注入能量密度下,2.5~4 MV/m场强区间内,电场强度每提升0.4~0.5 MV/m,小球藻细胞发生不可逆电穿孔的比例提升约15%;4 MV/m场强下,当注入能量230 k J/L时,小球藻细胞膜穿孔率89%;小球藻细胞的穿孔比例在一定范围内随电场强度基本呈线性关系,随等效脉冲注入能量密度的增加呈现先增加后趋于平缓的趋势。因此,可以通过控制电场强度和等效脉冲注入能量密度来实现脉冲电场作用下细胞膜可控电穿孔技术。     

三维脉冲电场传感器的建模仿真与设计

为了克服传统脉冲电场传感器只能测量单极化方向电场这一缺点,研制了一种三维全向脉冲电场传感器,传感器由3个互相垂直的三棱锥锥面电小天线构成,同时与光纤传输系统配合,可实现全空间内脉冲电场的测量。通过对全尺寸三维电场传感器的理论建模,分析了电场传感器对被测电场以及负载阻抗和天线尺寸对测试特性的影响,确定了最佳三维电场传感器的设计参数。在此基础上制作了三维脉冲电场传感器探头并对其主要性能指标进行了测试。测试结果表明,它具有良好的宽带性能,测试带宽可达1 kHz~1 GHz,不失真输出动态范围60 dB,符合设计要求。