电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的硬件电路设计及仿真毕业设计论文(编辑修改稿)

电磁脉冲模拟器空间电场测量系统的硬件电路设计及仿真毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

MachZehnder干涉仪法 偏振光法的缺点是分立的光学器件导致光路不易控制，易受干扰，且对机械应力敏感，系统稳定性差；由于 Pockels晶体的体积不能太小，导致探头体积较大，影响其应用范围。 为此人们提出了 Mach—Zehnder干涉仪法，且研究表明它较好地克服了 上述缺点，它的传感器结构见图 15，系统原理框图如图 16所示。 图 15 基于 Pockels效应的 MachZehnder干涉仪法 图 16 基于 Pockels效应的 MachZehnder干涉仪法 所用传感器的原理图 测量系统原理示意 (4) 有源电光调制法和无源电光调制法的比较 分析有源电光调制法和无源电光调制法目前在实际的瞬态电场测量中应用较多，现对其测量带宽、可测量电场强度的范围、以及优缺点进行一个简要总结，见表 1[5]。 共 37 页 第 6 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 空间强脉冲电场测量技术目前还不完善，还有许多影响测量精度的因素 ，如测量天线的极化方向、磁场的影响、测量环境的可重复性等等。 但随着电场探测器的不断改进，使用的场合越来越多，测量技术一定会更加完善，对系统电磁兼容设计、抗辐射加固和高能物理等方面的研究也必将起更大的作用。 课题研究的主要内容 本文结合 安徽工业大学 电力电子与运动控制实验室中的 “高重频下电磁脉冲模拟器的研究 ”，针对高重频 EMP(电磁脉冲 )模拟器的结构特点，对模拟器空间电场的测量系统进行了初步的研究与设计，主要内容如下： （ 1） 通过查阅大量资料， 总结了空间瞬态电场测量的多种方法，进行比较，初步设计出适合本课题的测量系统。 （ 2） 对电磁脉冲模拟器进行了概述，并对高重频 EMP(电磁脉冲 )模拟器的脉冲源产生原理及模拟器结构进行了介绍。 （ 3） 对模拟器空间电场的测量系统进行了初步的研究与设计。 其中包括对探头变化原理的分析；高速数据采集卡 ATS9350 的选用 和介绍； 以及对信号的滤波，衰减，隔离等信号调理电路的设计和 PSpice 仿真。 第二章 电磁脉冲模拟器 介绍 引言 我国在电磁脉冲模拟器研究方面作了大量的工作，并取得了一系列的研究成果。 刘顺坤等 学者采用时域积分方程对电磁脉冲模拟器空间场分布进行了数值模拟。 其研共 37 页 第 7 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 究结果表明模拟器工作空间可以形成均匀电磁脉冲场，其传播具有准 TEM 波特征。 李宝忠等学者为解决一维导体结构的电磁脉冲响应的实验困难，提出了一维电磁脉冲模拟器的概念，并从理论上研究对于电磁脉冲在一维结构上的感应电流计算的具体方法 M。 时域有限差分方法是 —种用来直接求解含时间变量在内的麦克斯韦旋度方程组的数值计算方法。 它利用具有二阶精度的中心差分近似公式，把旋度方程中对电场和磁场的各分量的微分算符直接转换成差分形式。 由于该方法概念清晰，使用方便，所以 特别适合于电磁场的计算。 谢秦川等学者采用时域有限差分方法对电磁脉冲模拟器所产生的电磁场进行数值模拟，完整地获得了电磁场在时间空间中的分布特刎 1Sl。 矩量法在求解电磁场边值问题的数值计算中得到了广泛的应用，它是将线性算子积分方程按着所选则的基函数展开，得到一组离散化广义矩阵方程，通过求逆运算，得到电磁场的数值解。 潘晓东等学者采用矩量法结合快速多极子方法研究了快上升沿电磁脉冲信号在有界波模拟器中的传输特性。 通过对模拟器在传输不同上升沿的电磁脉冲信号时，其内部的电场计算，由此确定了模拟器所能模拟电磁脉冲上升沿的上 限，其结果对设计大型、 3ns 窄电磁脉冲场模拟设备具有一定的参考意义。 脉冲源是为电磁脉冲模拟器提供瞬态电磁能量的装置。 由于所要模拟场的上升时间极短而峰值场强一般都高达数万伏／米以上，故脉冲源的建造必须采用脉冲功率技术。 西北核技术研究所研制的有界波电磁脉冲模拟器主要由 MARX 发生器、峰化电容器、主开关、照射器、匹配负载等部分组成。 其 MARX 发生器中的电容器充电电压为 1MV，能在模拟器工作空间内产生前沿 10ns，脉宽为 200ns，场强大于 105V／ m 的双指数脉冲电磁场，孙蓓云等对脉冲高压电源的工作原理、主开关暂态 过程进行了分析与计算，这对模拟器的设计和调试都有一定指导意义。 以上的研究都专注于电磁脉冲模拟器的物理参数的研究以及产生的电磁场的研究。 随着电子技术的不断发展，自动控制技术被越来越多的应用，因此，研究电磁脉冲模拟器的自控控制将是一个新的研究方向并具有很高的研究价值，它将为电磁脉冲模拟提供更加准确、快捷的控制平台。 瞬态电磁脉冲对电气、电子系统构成的威胁己经引起了人们广泛的重视。 而电力系统中对瞬态电磁脉冲更为敏感，甚至导致自动控制、保护和通讯系统瘫痪。 为了评估这种千扰的严重性以及研究对瞬态电磁脉冲防护效能，从而 采取合适的措施以保护各种电气、电子设备的正常工作，就需要对瞬态脉冲产生的电场和磁场分别进行测量。 本章介绍了本文设计的测量系统为了模拟这些瞬态干扰源而建立的电磁脉冲模拟器的结构、工作原理以及所产生电磁脉冲的特点。 电磁脉冲模拟器作为高能电磁波辐射源，为研究和数值计算复杂电磁环境中的耦合等问题提供了必要的技术支持。 电磁脉冲模拟器用来产生电磁脉冲对电子设备进行效应实验，对了解、认识电子设备等在电磁脉冲作用下的效应机制有很大应用价值，并为探索防护和加固技术提供重要的技术基础。 因人们对波导结构及内部电磁场分布、传播过 程研究较早、了解较深入，因此具有与波导类似的结构的辐射源常常作为研究高能电磁波辐射效应的辐射源，本项目拟采用 有界波 电磁脉冲 模拟器作为 辐射源。 有界波电磁脉冲模拟器它采用了与波导类似的结构，其截面可用两个正交的坐标来描述，波在第三个正交坐标方向上传播。 在波的传播方向上的电磁波分量很小，基本上可以看作是 TEM 波。 在波的传播过程中，模拟器结构形成了导波的边界，故称共 37 页 第 8 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 之为有界波模拟器。 电磁脉冲模拟器的构成 电磁脉冲具有陡峭的前沿及较窄的宽度，覆盖了较宽的频带，能通过各种耦合途径使电子元器件、线路和设备受到严重 的干扰和破坏，因而，电磁脉冲及其工程防护的理论和技术仍然是当今世界各大国研究的热点之一。 论文在综述电磁脉冲模拟相关技术及国内外研究历史与现状的基础上，就电磁脉冲模拟的基本理论、电磁脉冲模拟器的具体设计等方面的理论和技术展开了较深入的研究与相关实验验证。 核电磁脉冲模拟器按结构形式分为有界波模拟器和辐射波模拟器，由脉冲源和电磁场形成装置两大部分组成，而脉冲源一般由初级能源、中间储能装置、能量转换及传输系统组成。 其中开关技术具有特殊重要的地位。 电磁脉冲测量技术包括脉冲电场测量、脉冲磁场测量、脉冲电压测量及脉冲电流 测量等技术。 理论及仿真分析表明，当 RLC回路工作在过阻尼状态时，即可在负载电阻两端获得双指数脉冲；当负载一定时，脉冲的上升时间主要决定于回路的总电感，而下降时间则决定于储能电容的大小；对地分布电容不仅会影响波形参数，而且过大会引起波形振荡；气体开关间隙的火花电阻及间隙电容也是影响脉冲波形参数的不可忽略的因素，通常通过给开关冲一定压力的干燥空气或氮气，以降低开关的导通时间。 论文具体设计的实验用电磁脉冲模拟器，由可调直流高压电源、储能电容器、气体火花开关及其触发控制电路、吉赫横电磁波室等部分构成。 直流高压电源采 用自耦调压器、升压变压器、限流保护电阻、 4倍压整流电路及直流电压指示等组成，最高可产生 30kV的直流高压，由于采取专门的连接结构，在解决支撑和绝缘问题的同时，很好地消除了沿面闪烁和局部放电现象。 设计的同轴一体式开关既具有良好屏蔽效果又有助于减小脉冲上升时间。 理论和仿真分析及实验表明，电缆连接器采用内外导体阶梯错位的结构有助于降低驻波比，电阻分压器接入端阻抗失配将引起脉冲波形振荡及上升时间加长，采用端接阻尼电阻。 模拟器脉冲源的输出峰值电压达 26kV，上升时间为。 电磁脉冲模拟器就是能够根据试验所 要求的电磁脉冲特性，为试件提供特定的电磁脉冲环境，并且在激励事件的同时，不因自身的存在而严重改变试件所在处的场强分布。 由于试验目的和被试对象的多样性使得电磁脉冲模拟器的形式繁多。 从 20世纪60年代以来，世界各国就建立了许多电磁脉冲模拟器，它们大小不一，形状各异。 核电磁脉冲模拟器按结构形式分为有界波模拟器和辐射波模拟器，按电场强度分为威胁量级和亚威胁量级两类模拟器。 随着模拟技术的发展， 1978年按所须模拟的电磁脉冲环境。 将模拟器分为 4类：源区外电磁脉冲环境模拟器、地面附近核爆炸源区内电磁脉 冲环境模拟器、空中核爆炸源区内电磁脉冲环境模拟器、高空核爆炸源区内系统电磁脉冲模拟器，较为典型的模拟器有： (1) 有界波模拟器 有界波模拟器，采用了与波导类似的结构，故也称导波型模拟器，其截面可用两个正交的坐标来描述。 波在第三个正交坐标方向上传播，基本上是 TEM模。 只要频率不是太高 (波长大于导波结构截面几何尺寸 )，对这类模拟器可按传输线理论加以分析，因而又称为传输线型模拟器。 (2) 偶极子模拟器 共 37 页 第 9 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 对于源区外电磁脉冲辐射场环境的模拟，当要考虑存在地面反射的情况时，常采用偶极子模拟器。 这类模拟器常用的电场照 射器就是典型的偶极子天线。 (3) 静态模拟器 静态模拟器是一种结构尺寸远小于激励信号波长的模拟器。 故常称其为驻定场模拟器。 它适用于对低频场或准静态场的模拟。 由于产生的模拟场不传播，也称之为零维模拟器。 这种模拟器的理想之处在于，它所产生的入射场在被试系统附近都是均匀的。 (4) 混合型模拟器 混合型模拟器综合了偶极子模拟器和静态模拟器的主要特点。 (5) 定向辐射模拟器 定向辐射也是系统远离模拟器结构的一种模拟方法。 所谓定向辐射是相对于偶极子模拟器无方向性的辐射而言的，它将脉冲有限的能量集中在一定的角度范围 内辐射，借以提高模拟器的效率。 (6) 源区电磁脉冲环境的模拟 电磁脉冲源区是康普顿电流分布的区域，源区内的空气介质具有随时间非线性变化的电导率，并在其中形成传导电流。 如果核爆炸在地面附近发生，大地岩土介质的电导率也将发生变化。 E／ H比值也不像自由空间那样呈简单的常数关系。 此外， γ和中子的效应也很重要。 因此源区是一个多变量的复杂环境。 如果要把源区所有的特性准确的模拟出来。 无疑是一个十分困难的问题。 就目前的技术水平来看，根据研究问题的需要，建造一些只能产生部分源区特性的模拟器是可能的，特别是对大型的试验系统， 一般只能考虑单一因素或特别感兴趣的某些因素的模拟．只有对很小的试验系统的一个小部分上产生 “全部 ”源区环境是可能的。 但不论何种模拟器，都是由脉冲源和电磁场形成装置两大部分组成的。 本文实验所用的电磁脉冲模拟器系统由高重频脉冲源分系统、小型平板形有界波模拟器分系统构成，其结构图如图 21： 共 37 页 第 10 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线。