电压放大器在大功率脉冲电能源研究中的应用

实验名称：大功率脉冲电能源高精度测试技术研究

研究方向：仪器仪表测试

测试目的：

传统的测量精度校准的方法是对传感器单一频率下的刻度因子进行校准，校准方法通常选用同轴分流器串联于放电回路中，通过测量同轴分流器两端电压，对比传感器的测量输出来标定实际刻度因子，这种方法在一定程度上能够提高传感器的测量精度，但是校准精度低。针对大功率脉冲电流测量传感器测量精度的问题，提出一种高精度的校准方法。搭建大功率脉冲电流测量系统的实验平台，通过实验验证大功率脉冲电流测量传感器的性能，主要对大功率脉冲电流测量传感器的精度、稳定性、响应时间和电流幅值测量范围进行验证。

测试设备：ATA-3090功率放大器、示波器、六位半表、数字信号源、低温漂电阻、NI采集卡、八位半表、大功率脉冲电流测量传感器、雷击浪涌发生器。

图：大功率脉冲电流测量系统实验平台

实验过程：

搭建大功率脉冲电流测量系统的实验平台，实验平台的功率源包括雷击浪涌发生器和高精度的数字信号发生器。由于目前无法获得电磁炮中的大功率脉冲电能源，因此采用雷击浪涌发生器作为实验平台的大功率脉冲电能源。雷击浪涌发生器放电原理与电磁炮的大功率脉冲电能源放电原理相同，均为PFN模块放电，雷击浪涌发生器的放电功率大，可发出1/20μs、4/20μs、8/20μs、30/80μs不同类型的PFN波形，使用Matlab仿真雷击浪涌发生器发出的PFN波形。

图：精度实验连线示意图

搭建大功率脉冲电流测量传感器精度测试系统，大功率脉冲电流测量传感器的刻度因子在经过校准后，通过随机改变正弦波输入频率，测量流过大功率脉冲电流测量传感器的实际电流值I以及其输出的电压值V，并将输入信号的频率带入校准补偿数据处理平台中得到该频率下的理论刻度因子Ki=F(fi)。

利用大功率脉冲电流测量系统的校准补偿数据处理平台对大功率脉冲电流测量传感器的精度进行验证，输入低温漂电阻阻值，负载电压以及传感器输出电压即可求出测量电流的真实值以及与校准补偿算法中理论值的误差。

实验结果：

1、大功率脉冲电流测量传感器的精度测试

图：霍尔传感器绝对误差图和宽频带测量传感器绝对误差图

由上图的误差曲线可以看出，在500Hz以下霍尔传感器可以保证0.3%的测量精度；在100Hz~10kHz时，宽频带测量传感器可以保证0.2%的测量精度，且频率越高误差越小，所以频率超过10kHz时，宽频带测量传感器依然能够保证较高的精度。因此，大功率脉冲电流测量传感器在0~10kHz频带内不同频率下可以达到0.3%以内的测量精度。

2、大功率脉冲电流测量传感器的稳定性测试

在100组数据中，宽频带测量传感器的电压平均值V为23.1318mV，与平均值相差最大的值Vmax为23.1462mV，根据公式可得宽频带测量传感器的重复精度为0.063%。由实验得，霍尔传感器和宽频带测量传感器的重复精度分别为0.024%和0.063%，因此大功率脉冲电流测量传感器具有很好的稳定性。

3、大功率脉冲电流测量传感器的幅值测量范围测试

经过校准算法计算后的电流峰值和雷击浪涌发生器发出的实际峰值相近，由于雷击浪涌发生器发出的电流精度低，因此无法做精度的对比。在输出5007A电流时，PFN放电波形的上升沿时间为6.84μs，此时大功率脉冲电流测量传感器依然能够将其波形完整的采集。

经过实验验证，对大功率脉冲电流测量传感器的精度、稳定性、响应时间和电流幅值测量范围进行了实验验证。通过测试结果可以得出大功率脉冲电流测量传感器的响应时间在10μs以下，重复精度在0.07%以内，在频带测量范围为0~10kHz，电流测量幅值在5000A以内时，其测量精度在0.3%以内。

安泰ATA-3090功率放大器：

图：ATA-3090电压功率放大器指标参数

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本文实验案例参考自知网论文《大功率脉冲电能源高精度测试技术研究》