机械工程学院参考大学设计格式xin.docx

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机械工程学院参考大学设计格式xin

学校代码：

11517

学号：

0708071133

HENANINSTITUTEOFENGINEERING

毕业设计

题目实验用小型电阻分压器的设计

学生姓名苗超

专业班级机械设计制造及其自动化0702

学号0708071133

院（部）机械工程学院

指导教师（职称）邬昌峰（讲师）

完成时间2011年5月26日

河南工程学院论文版权使用授权书

本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：

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论文作者签名：

年月日

河南工程学院毕业设计原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

年月日

河南工程学院

毕业设计任务书

题目实验用小型电阻分压器的设计

专业机械设计制造及其自动化学号0708071133姓名苗超

主要内容

高压快脉冲具有被测前沿快、被测脉冲幅值高、电磁干扰强烈、导体集肤效应的影响严重特点，对整个测量系统进行设计和标定存在许多困难。

因此实验室里大多采用的是常规的测量方法。

对于实验室里采用的测量高压快脉冲的常规方法，由于高压快脉冲的测量难度很大，相应的测量系统的精度、稳定性、抗干扰性等都是需要解决的问题。

本课题通过搭建分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统，来进行冲击高压分压系统的峰值及波形的测量。

对于不同类型的电压信号，对分压器的性能和要求有所不同，所研制的脉冲分压器性能的好坏是测量系统能否达到测量要求的关键。

基本要求

完成实验用小型电阻分压器的设计。

主要内容包括：

1.查阅国内外相关文献不少于15篇（其中外文文献不少于2篇，列入参考文献中），根据查阅的文献资料情况，写出文献综述（不少于3000字）；翻译外文文献一篇（译文字数不少于3000字）。

文献综述与翻译单独装订成册。

2.确定设计方案。

3.绘制出设计图纸一套。

4.按要求撰写毕业论文。

主要参考文献

1.推荐参考书：

[1]周璧华，陈斌，石立华.电磁脉冲及其工程防护[M].北京：

国防工业出版社，2003.

[2]张仁豫，陈昌渔，王昌长.高电压实验技术[M].北京：

清华大学出版社，2003.

[3]曾中正.实用脉冲功率技术引论[M].西安：

陕西科学技术出版社，2003.

[4]郭允晟，苏秉伟，方伟乔等.脉冲参数与时域测量技术[M].北京：

中国计量出版社，1989.

[5]梁曦东，陈昌渔，周远翔.高电压工程[M].北京：

清华大学出版社，2003.

[6]谭阳红，蒋文科，何怡刚.基于OrCAD10.5的电子电路分析与设计[M].北京：

国防工业出版社，2007.

2.学术期刊、学术会议等其它参考文献

自备。

完成期限：

指导教师签名：

专业负责人签名：

年月日

实验用小型电阻分压器的设计

摘要

在受控核聚变、强流电子加速、高功率微波和自由电子激光等高科技领域中，脉冲高电压测量系统的分压器是一个关键性部件。

电阻分压器原理简单，应用广泛，但当测量瞬时幅值达几十千伏的电压时，就必须要考虑分布参数、高压绝缘和阻抗匹配等因素的影响，此时要求分压器具有良好的响应特性和稳定性。

本文研究的电阻分压器主要用于测量来自高压脉冲源的幅值为30kV、上升时间为纳秒级的高压脉冲信号。

通过对分压比的计算、结构的确定以及材料的选择，完成了二级电阻分压器的设计。

对于所设计的分压器建立了电路模型，运用OrCAD软件对其传输性能进行了模拟仿真，分析了影响其传输性能的因素。

最后通过仿真波形与实际波形的对比分析，证明了所设计的电阻分压器传输性能好，符合实验要求。

关键词脉冲高电压；电阻分压器；OrCAD；实验

DESIGNOFASMALLRESISTOR

DIVIDERFORTEST

ABSTRACT

Voltagedividerisakeypartofhigh-voltagepulsemeasuringsystemincontrollednuclearfusion,strongelectronacceleration,highpowermicrowaveandfreeelectronlaserandotherhigh-techfields.Theprincipleofresistordividerissimpleandwidelyused,butthedistributionparameters,high-voltageinsulationandimpedancematchingandotherfactorsmustbeconsideredwhentheamplitudeoftheinstantaneousvoltageisuptotensofkilovolts.Goodresponseandstabilityofvoltagedividerisrequired.

Theresistordividerstudiedinthispaperismainlyusedformeasuringhighvoltagepulsecomingfromthehigh-voltagepulsesource.Theamplitudeofthepulseisupto30kilovoltsandtherisetimeofthepulseisnanosecond.Atwo-stageresistordividerisdesignedafterthecalculationofdividerratio,structuredeterminationandmaterialsselection.Thecircuitmodelofthedividerdesignedisestablished.Thetransmissionperformanceofthedividerdesignedissimulated,andthefactorsaffectingthetransmissionperformanceofthedividerisanalyzed.Goodtransmissionperformanceoftheresistordividerisapprovedthroughthecomparativeanalysisofthewaveformandactualwaveform,andtheresistordividerdesignedmeetstheexperimentalrequirements.

KEYWORDShigh-voltagepulse,resistordivider,OrCAD,test

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

在脉冲功率技术领域,高压脉冲的测量是一个非常关键的问题.由于高压纳秒脉冲固有的一些特性使得测量系统具有一些新的特点：

（1）纳秒脉冲上升沿很陡。

被测脉冲上升沿上升时间通常约为几纳秒，有时可低达亚纳秒，所以要想准确的进行测量，测量系统的上升时间不应超过被测波形上升时间的1/3。

因此对测量系统的要求很高。

（2）要确保测量脉冲波形不畸变。

但是一般的测量系统由于带宽不够，所以测量得到的信号往往是畸变的信号，这就要求对测量系统进行补偿，从而获得真实的信号波形。

（3）测量系统要进行屏蔽。

测量脉冲高电压的常用方法是分压器与数字存储示波器为主要组件的测量系统、微积分环节与数字存储示波器为主要组件的测量系统及光电测量系统等。

由于被测信号具有幅值高、前沿快以及环境电磁干扰强等特点，而实验室所用的示波器、数字记录仪等通用仪器的耐高压和强干扰的能力差，此时需要通过分压器才能进行峰值和波形的测量。

在测量系统中，最主要的误差来自于分压器，所以分压器的设计是关键。

在分压器和存储示波器组成的测量系统中，分压器作为一转换装置，和测量系统的高压引线、输出电缆、示波器等各部件的阻抗失配，可能引起反射、振荡及初始分压比和稳态分压比产生差异。

对测量系统影响严重。

因此有关分压器的研究也成了当今研究的热点。

本课题的研究目的就是利用现有的理论基础，通过仿真分析和实际实验，进一步探讨影响分压器性能的因素，探索改善分压器性能的有效途径，为高性能纳秒脉冲电压测量分压器提供指导，同时实验设计出能够满足纳秒级高压脉冲测量要求的小型分压器。

应用已有的理论和技术研制纳秒级高压脉冲测量电阻分压器，有针对性的分析分压器的性能影响因素，探索提高电阻分压器性能的可能途径，研究相关的脉冲测量技术，并进行适当的应用研究，不仅是纳秒脉冲测量技术的要求，而且是电磁武器技术发展的需要，更有利于促进相关技术的发展。

研制过程中，相应的仿真数据、实验结论和论文资料对以后分压器的设计制造也具有非常重要的意义。

1.2国内外研究动态

纳秒级高电压脉冲是极快速的变化过程，其测量存在着诸多值得研究和重视的问题。

其一，被测脉冲前沿快。

通常要求纳秒级高电压脉冲测量系统的上升时间为亚纳秒到十纳秒范围。

对于这样的上升时间要求，即使测量系统中存在很微小的杂散参数或不连续性，都可能对测量结果产生显著的影响。

其二，被测脉冲幅值高。

电压幅值通常从几十千伏到兆伏级。

因此被测电压在测量系统中的衰减倍数为104量级，分压器的衰减倍数一般应达103量级，这样的衰减倍数一级分压器较难做到，二级分压器的响应可能也不理想，设计难度较大。

其三，快脉冲情况下的电磁干扰严重。

由于脉冲前沿快，相应的短波长成分能量大，空间电磁干扰强。

其四，测量系统内部各组成部分间的阻抗匹配与否，对测量结果的影响突出[1]。

1.2.1脉冲电压测量

脉冲高压有两个特点：

一是持续时间短、变化快；二是电压高。

这决定了其测量方法不同于一般的电压测量。

目前，国内外关于纳秒脉冲测量常用的测量系统有：

分压器测量系统、微积分测量系统、光电测量系统[2]。

1.2.1.1分压器测量系统

电压峰值不很高的脉冲电压（几千伏至50千伏），可以通过商品高电压探头或衰减器及通用的数字储存示波器直接进行测量。

但当被测脉冲电压峰值很高时，则必须要通过分压器等的转换装置及其他多个部件组成的冲击高压分压系统进行峰值及波形的测量。

分压器由高压臂阻抗和低压臂阻抗构成，高压脉冲加于高压臂端，由低压臂端输出到示波器测量。

常用的分压器有：

电阻分压器、电容分压器和阻容分压器等。

电阻分压器结构简单，测量精度较高，长期稳定性较好。

电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积有关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。

通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能[3-10]。

电容分压器不消耗能量，没有发热的麻烦，对测量波前和半峰值时间较长的脉冲波，比电阻分压器较为有利。

由于存在回路杂散震荡问题，对测量陡波脉冲而言，其额定电压也不能太高。

又当存在高压引线时，其响应特性不如电阻分压器好[11-13]。

低压臂回路的制作要点是尽量避免引线电感，如果低压臂回路制作不当，就会引入振荡。

为了阻尼电容分压器回路的振荡，发展了阻容串联分压器，其性能与补偿度和阻尼度有关[14]。

1.2.1.2微积分测量系统

随着数字化的不断发展，20世纪80年代初，微分积分测量系统（Differentiating-Integratingmeasuringsystems,简称D/I系统）开始兴起，该系统的优点是：

对高压源的负荷效应极小，具有足够高的响应特性。

缺点是：

当微分环节的电容值很小时，往往静态分压比的测量误差较大；对微分环节的电阻的无感要求很高；当被测脉冲上升沿很陡时，微分环节的电阻上会出现极高的尖峰脉冲电压。

对积分器的要求高，对微分部分的电阻的无感要求也比一般电阻分压器的高得多[15]。

1.2.1.3光电测量系统

光电测量系统是一种利用各种电光效应或光通信方式进行测量的系统。

在高电压技术颂域内，可用它进行高电压、大电流、电场强度以及其他参量的测量。

在此系统中，利用光纤传输线路良好的绝缘性能，可把高电压设备、试品与高灵敏度的测量仪器（如数字存储示波器）及计算机隔离开来。

除了可以提高测量仪器及工作人员的安全性外，还可减弱射频干扰和杂散寄生信号对测量回路的影响。

但与传统的高压分压器或分流器为主的测量系统相比，光电测量系统的稳定性较差[14,16-19]。

1.2.2电阻分压器研究现状

在分压器与存储示波器组成的测量系统中，分压器为一关键部件，作为转换装置将高电压脉冲转换成数字转换器所能处理的低电压脉冲，分压器分压性能的好坏直接影响测试系统的整体性能。

电阻分压器的高压臂和低压臂均由电阻器构成。

电阻分压器工作在直流或低频段时，近似认为分布电容对分压器的分压比没有影响，所以广泛应用于低频高压测量中。

电阻分压器结构简单，测量精度较高，长期稳定性较好。

电阻分压器测量瞬态脉冲电压时所产生的误差，与阻值和对地杂散电容的乘积相关，所以应尽量减小对地杂散电容的大小及影响。

通常除尽量减小分压器的尺寸外，还可以采取供给式或收集式分布电容补偿及电感补偿等技术改善分压器的响应性能。

国内外电阻分压器的研究机构主要有：

东南大学、国防科技大学、中科院电工所和西安交通大学，华南理工大学等。

2001年牛海清[20]研制了一种用于测量电力系统中电压测量所用的电阻分压器，从路的角度分析分压器误差特性，然后利用电磁仿真软件ANSYS对分压器结构进行仿真计算，从场的角度分析分压器的结构方案，分析各方案幅值误差、相角误差及最大场强，从而优化出一种最佳结构方案。

所研制电阻分压器具有体积小、传输频带宽、不存在饱和问题、无谐振等优点。

东南大学陈炜峰[21]等人利用PSPICE软件分析影响分压器性能的各种因素，提出了收集式分布电容补偿方法，设计了基于该补偿方法的电阻分压器，随着计算电磁学的不断向前发展，目前许多方法可用于电阻分压器的电磁仿真计算，例如：

有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）、频域共形映射法（ConformalMappingFrequency-domain）、频域矩量法（FDMM）、时域矩量法（TDMM）等。

当然随着电子计算机性能的飞速提高，基于这些算法的电磁场仿真计算软件也相继出现，例如：

基于有限元法的ANSYS、基于矩量法的FEKO，IE3D、基于时域有限差分方法的FIDELITY以及多种计算方法混合应用的EMC2000、CST等。

这些商业仿真计算软件的出现，将电磁工程师从繁琐的程序中解脱出来，使得仿真计算更为容易，所得到的结果也更加精确，仿真软件的应用将大大提高工作的效率和计算的可靠性。

虽然计算电磁学领域中仿真计算方法很多，但是对于纳秒脉冲测量用电阻分压器的仿真计算还很少。

综上所述，电阻分压器电磁仿真技术是国内外纳秒脉冲测量以及电磁脉冲防护领域研究的热点问题，随着纳秒脉冲测量技术的要求，早期核电磁脉冲波形上升时间由原来的10ns缩短到2~3ns，上升时间越来越短，幅值越来越高。

相应的测量系统也有了新的技术要求，因此研究满足纳秒脉冲测量要求的电阻分压器是十分必要的。

1.3本文的主要研究内容

本文研究的是高压脉冲信号的测量，电阻分压器结构简单，测量精度较高，在待测电压比较低（几万伏）的条件下,它的几何尺寸相对电容分压器等比较小,而且性能好、使用方便,所以应用相当广泛，作为一个转换装置,其最基本的功能是准确快速的反映被测电压。

阶跃响应时间是衡量分压器性能的一个重要指标.在理想情况下,阶跃响应时间为零,这样测量出来的波形就跟待测波形完全一致.但由于电感、电容等杂散参数的存在,阶跃响应时间或多或少的存在,如何尽可能小的减少分压器阶跃响应时间,使测出的波形与真实波形尽可能一致是研究人员研制分压器时关注的焦点.因此,探讨杂散参数对分压器阶跃响应时间的影响规律具有重要的意义。

本文通过OrCAD软件进行模拟仿真，分析分压器和纳秒高压测量系统各部件的阻抗匹配问题等等因素，进而确定其最佳结构参数，最终研制出符合高压纳秒脉冲测量要求的电阻分压器。

并制作出实物，对其进行性能实验，进一步改进。

2电阻分压器原理分析

理想的电阻分压器由两个纯电阻串联而成，其中任何一个电阻上的电压都小于输入电压，通常输出信号从较小的电阻上引出。

实际上，任何电阻都具有一定的杂散电感，电阻之间、电阻与地之间都有一定的杂散电容，分压器和测量回路中往往不可避免还有引线。

考虑了分布杂散参数的电阻分压器的等效电路如图2.1所示：

图2.1电阻分压器的分布参数等效电路

其中，

为分压器总电阻，

为分压器总对地电容。

于是，分压器输出波形的10%~90%上升时间为

（2-1）

即分压器的上升时间正比于总电阻与总对地电容之积。

因此欲减小分压器的上升时间，必须尽可能降低分压器对地电容，同时适当限制分压器的电阻值。

电阻分压器的集总参数等效电路如图2.2：

图2.2电阻分压器的集总参数等效电路

-高压臂电阻；

-低压臂电阻；

-等效对地电容

其中

，

（2-2）

这个模型与分布参数模型等效。

可以看出，在

和

确定时，应适当限制分压比的大小，从而控制分压器的上升时间。

由于高速快脉冲电压的瞬时幅值可达几百kV，分压器的衰减倍数应达103～104量级,要采用2级甚至3级分压[1]。

本文采用的是二级电阻分压器。

其原理如图2.3：

图2.3二级电阻分压器原理图

—第1级高压臂电阻；

—第1级低压臂电阻

—第2级高压臂电阻；

—第2级低压臂电阻

二级电阻分压器的集总参数等效电路如图2.4：

图2.4二级电阻分压器的集总参数等效电路

-第1级高压臂电阻；

-第1级低压臂电阻；

-第1级等效对地电容

-第2级高压臂电阻；

-第2级低压臂电阻；

-第2级等效对地电容

其中

为补偿电感，而

；

（2-3）

和

分别为第1级和第2级的分布电容。

对上述电路可写出如下方程：

（2-4）

（2-5）

（2-6）

（2-7）

由于

，因此第二个方程右边第3、4项可以忽略，从而前两个方程可以单独封闭求解得出

，进而将其作为第三、四个方程的源项得到输出电压。

这就是说补偿电感

的作用仅仅局限于分压器的第2级，因此补偿效果很有限。

对于传统的线绕式电阻分压器而言,由于其杂散电容和电阻自身电感的影响,容易产生谐振和振铃[22],因此传统的线绕式电阻分压器不适于测量带宽1GHz,上升时间为亚ns的快脉冲。

为了尽量消除杂散参数的影响,本文采用高压玻璃釉电阻作为二级电阻分压器第1级的高压臂电阻

第1级低压臂

和第2级分压电阻

、

都采用金属膜无感电阻。

此外还必须考虑到分压器第1级与第2级和同轴电缆的阻抗匹配[23]。

由于总的分压比确定，通过调节第1、2级各自分配的分压比，得到最合理的结果，才能确定最合理的电阻值，使得分压效果尽量完美。

3电阻分压器的设计

3.1结构确定

对于如图2.3所示的二级分压系统,必须尽量减小杂散参数对分压器测量系统的影响,要做好绝缘屏蔽、阻抗匹配等措施，以兼顾高频分压及耐压的要求。

同轴式分压器结构简单、制作容易、便于与同轴电缆连接。

基于以上的构想,本文设计了如图3.1所示的电阻分压器：

图3.1电阻分压器结构简图

整个分压器以铝合金管作为壳体，轻巧方便；为了尽量减小引线电感，电阻圈1和电阻圈2均由10个呈辐射状的电阻做成[2]。

电阻圈1相当于分压器第1级的低压臂，电阻圈2相当于分压器第2级的低压臂，两个电阻圈之间的电阻为分压器第2级的高压臂。

3.2材料选择[24-26]

3.2.1电阻的选择

3.2.1.1分压器各电阻阻值的确定

脉冲源电压为30kV，示波器输入电压为5V，因此分压器总的分压比为

（3-1）

设分压器第1级分压比为N1，第2级分压比为N2，则有：

（3-2）

取N1=300，由（3-1）（3-2）式得：

N2=20。

由于分压器输出端与传输电缆的匹配（始端匹配），传输电缆与示波器输入端的匹配（终端匹配）严重影响测量的准确性，所以选择：

电阻圈1和电阻圈2均由10个呈辐射状的电阻做成，因此各个电阻

。

由

，

得：

3.2.1.2电阻材料型号的选择

（1）第1级高压臂电阻的选择

对于传统的线绕式电阻而言，由于其杂散电容和电阻自身电感的影响,容易产生谐振和振铃,因此传统的线绕式电阻不适于测量高压快脉冲。

非线绕电阻器分为薄膜型电阻器和合成型电阻器两类。

薄膜型电阻器分为碳膜电阻器、金属膜电阻器、金属氧化膜电阻器及合金箔电阻器。

合成型电阻器分为合成碳膜电阻器、金属玻璃釉电阻器、有机实芯电阻器及无机实芯电阻器。

玻璃釉电阻器也叫做金属玻璃釉电阻器或厚膜电阻器。

这种电阻器的电阻体是由银、钯、铑和钌等的金属氧化物和玻璃釉粘合剂在高温下烧结制成的。

这种电阻器的特点是耐高温、比率功率较大、阻值范围宽、温度系数小、制造工艺简单。

既可制成一般精度的电阻器，也可制成精密电阻器。

根据特殊要求，其精度可达

。

玻璃釉电阻器有三种结构形式：

带引线的片形、圆柱形和不带引线的片形。

玻璃釉电阻器有以下几种类型：

①小功率玻璃釉电阻器这种电阻的电阻体采用稳定性好、可靠性高的钌系金属玻璃釉电阻浆料、用印刷法成膜，在800℃以上高温烧结成的电阻膜。

端头采用易焊接、稳定、可靠的钯-银电极，并用高温焊料焊接引线。

这种电阻采用单向引出线，能直接插入印刷电路，便于装配。

②高阻玻璃釉电阻器这种电阻器的电阻体也是采用性能稳定、可靠性高的金属玻璃釉电阻体，钯-银电极及高温焊接的引出线。

它与高阻合成碳膜电阻器相比，具有体积小、重量轻、高频特性好、价格低等优点。

③高压玻璃釉电阻器这种电阻器的电阻体是采用性能优良的钌酸盐系电阻浆料高温烧结而成。

主要用在各种交直流及脉冲高压设备中。

④玻璃釉片电阻器这种电阻器是无引线结构电阻器，体积小、轻、薄片型、多应用于电子计算机、电子手表、电子协调器、摄像机等整机中。

由于第1级高压臂电阻耐压高，性能要求高，不宜采用普通电阻，所以本文采用玻璃釉电阻RIG8B。

其耐高电压，大功率，主要用于高压分压器、高压测试设备、老练设备、负载。

由计算得：

额定功率p=50W，外形尺寸Φd×l=Φ26mm×135mm,D=M6（mm）

（2）其他电阻的选择

为使分压器达到准确度要求，所选电阻元件必须具有较小的温度系数和电压系数。

同时分压器还要满足一定的耐高压冲击的要求，考虑到减小分压器体积，电阻串联的个数不宜多，故需要采用高阻值高电压的电阻。

常规用于电阻分压器的电阻主要有碳膜电