脉冲大电流校准及溯源技术研究

王书强， 张军齐， 崔绍颖， 吴 端

(1.北京东方计量测试研究所，北京 100086；2.中国南方工业集团有限公司，湖南 株洲 412002)

1 引 言

脉冲大电流发生及测量装置广泛应用于船舶、航空、航天及武器制造等领域，还应用于物理试验、可控核聚变、飞机适航试验等多种领域。作为重要的生产试验装置[1～3]，对脉冲大电流发生及测量装置波形参数的测量及控制十分重要，测量不确定度较大或稳定性较差时甚至严重影响试验效果。

脉冲大电流从波形特点上可分为双指数型脉冲和矩形脉冲。不同类型的脉冲大电流测量设备也不尽相同。中国工程物理研究院、中科院电工所、清华大学、华中科技大学等单位均开展过脉冲电流发生及测量技术的研究；研究主要集中在发生装置设计、测量装置设计，偏向于功率发生及测量；对校准装置的设计和幅度超过1 kA的脉冲大电流校准技术的研究较少。

根据被校电流幅值、高带的信号特征，常用于脉冲大电流校准的标准设备有罗氏线圈、光纤电流传感器及分流器，其各自优缺点如表1所示[4～10]。

分流器具有测量精度高、频响范围宽等优势，但其对大电流的测量能力有限，一般不超过100 kA,需要介入到被校准脉冲源的回路中，一定程度上改变了回路的电气特性。罗氏线圈的主要优势是成本低，技术成熟度高，测量带宽较宽,但无法测量直流信号，对于缓变信号、脉冲信号的低频段测量能力受限；另外，罗氏线圈的测量精度易受母线偏心及外部杂散磁场的干扰。光纤电流传感器基于法拉第磁光效应，以光为载波，光纤作为传感、传输介质，采用数字闭环信号检测技术，对工频和直流大电流具有较高的测量精度，可在线安装，测量精度对母线偏心、杂散磁场干扰敏感性低;光纤电流传感器的主要问题是温度稳定性和高频电流测量能力;目前，随着光电子器件工艺和技术的进步，光纤传感器的温度稳定性得到了大幅提升，性能指标已达到了实用化层面。

表1 脉冲大电流校准设备性能比较Tab.1 Performance comparison of pulse high current calibration equipment

本文基于脉冲大电流的校准需求，研究了脉冲大电流发生及测量装置，尤其对充能式脉冲大电流源、罗氏线圈、脉冲分流器、光纤电流传感器校准技术开展了深入的研究，进行了1～100 kA，20 μs～500 μs脉冲大电流(上升时间按持续时间 1/10～1/3 估算)的校准试验。

2 脉冲大电流校准系统

脉冲大电流校准系统主要由脉冲大电流发生装置、脉冲分流器组、光纤电流传感器、罗氏线圈电流传感器、信号调理装置、宽带数据采集系统及测量软件组成。系统组成如图1所示。图1中各装置及基本工作原理如下：

图1 脉冲大电流校准系统示意图Fig.1 Schematic diagram of high pulse current calibration system

(1)脉冲大电流源

脉冲电流源基本原理如图2所示。图2中，C为理想电容，L为放电回路总电感，包括隔离间隙电感、连接线电感、负载电感和调波电感，R是放电回路总电阻，包括传输线的电阻、间隙电阻，负载电阻及调波电阻等。脉冲电流的幅度与持续时间由电路基本参数所决定，即R、C、L的等效值。设置储能电容、电感、调波电阻并加以控制即可产生脉冲大电流。

图2 脉冲大电流源原理示意图Fig.2 Schematic diagram of high pulse current source

(2) 脉冲分流器

脉冲分流器基于开尔文四线电流测量技术，分流器主体为同轴结构。分流器由性能良好的铜合金构成，主体呈同轴结构，具有良好的高频特性。

(3) 罗氏线圈

罗氏线圈(Rogowski coil)具有测量电流脉冲幅值大、频带宽、无磁心饱和现象、输出信号隔离以及插入损耗小等特点，其基本工作原理基于安培环路定律，在中心有电流通过时罗氏线圈获得的感应电势正比于被测电流的变化率，在测得感应电势并进行积分还原后即测得脉冲电流值。

(4) 光纤电流传感器

光纤电流传感器基于法拉第磁光效应，即在被测电流的作用下，两束正交的圆偏振光之间产生与被测电流成正比的相位差，经传感光纤末端反射镜反射后沿原路返回，相位差加倍，通过测量相位差即可计算被测电流值。

(5) 宽带数据采集系统

宽带数据采集系统由数字化仪和信号调理装置组成，数字化仪要求量化精度高，测量带宽大，本系统中使用NI公司的5122高速数字化仪。信号调理装置要求比例精度高，带宽宽，能够将罗氏线圈感应产生的高电压调整到数字化仪输入范围之内，本系统中使用宽带电阻分压器。

系统中各装置技术指标如下：

(1) 脉冲大电流源

脉冲幅度测量范围：1～200 kA

脉冲持续时间范围：20～500 μs

稳定性：0.3%

(2) 脉冲分流器组

脉冲幅度测量范围：1～50 kA

脉冲持续时间范围：20～500 μs

不确定度：0.1%

(3) 罗氏线圈

脉冲幅度测量范围：1～500 kA

脉冲持续时间范围：20～500 μs

不确定度：1%

(4) 光纤电流传感器

脉冲幅度测量范围：1～100 kA

脉冲持续时间范围：500 μs～10 s

不确定度：0.3%

(5) 宽带数据采集系统

电压测量范围：1 mV～500 V

频率测量范围：DC～100 MHz

不确定度：0.2%

需要根据被测对象的不同特点选择不同的标准设备。对于大电流滚焊机、缝焊机、托卡马克发生器等，电流范围为1～100 kA，持续时间1～100 ms(或更高)的脉冲电流源，可选用光纤电流传感器与宽带数据采集系统组成的校准系统进行校准；对于雷电电流发生器、高能激光器泵浦电流等，电流范围为1～500 kA，持续时间20～500 μs的脉冲大电流源可选用罗氏线圈与宽带数据采集系统组成的校准系统进行校准；对于罗氏线圈、光纤电流传感器等，电流范围为1～200 kA，持续时间20～500 μs的脉冲大电流测量设备，可选用脉冲分流器组与宽带数据采集系统组成的校准系统进行校准。

3 脉冲大电流溯源技术

根据上述3种传感器各自的特点，可以将脉冲分流器作为脉冲大电流校准的主溯源标准；而将罗氏线圈和光纤电流传感器作为工作标准，将其溯源至脉冲分流器。同时对罗氏线圈和光纤电流传感器两种校准装置的校准结果进行对比溯源，用于旁证溯源方法的正确性。图3为其量值溯源示意图。

图3 脉冲大电流校准系统溯源示意图Fig.3 Schematic diagram of high pulse current quantity traceability

光纤电流传感器和罗氏线圈可以溯源至脉冲分流器，脉冲分流器如何溯源是本文研究的另一项重要内容。脉冲大电流可以依据傅里叶变换分解为各种不同频率的高频交流电流叠加，因此如何考核及评价脉冲分流器的频率响应是脉冲分流器溯源的重要工作。根据脉冲电流测量范围的不同，需要多只不同种类脉冲分流器组成一组的形式。脉冲分流器量程起点为一只100 A的鼠笼型结构分流器，采用鼠笼型结构，利用笼型板间结构来减小寄生参数尤其是等效电感带来的影响，在测量交流正弦电流信号时具有较好的频率特性和较高的准确度。鼠笼型结构分流器有较好的溯源性，可溯源至上级标准，获得其在最大100 kHz正弦电流下的角差和比差，从而建立鼠笼型分流器的正弦响应模型。利用Analysis进行有限元仿真分析[11,12]，分析其等效电感、热效应、趋肤效应、临近效应，与实际测量结果进行比较，验证仿真模型的正确性，从而依据仿真模型建立脉冲分流器脉冲响应模型。本项目使用铜合金材料研制了最大为50 kA的一组脉冲大电流分流器，将其与福禄克公司生产的标准100 A鼠笼型分流器A40 B串联，测量其100 A下的交流响应；并利用Analysis建立50 kA脉冲分流器的脉冲响应模型，结合50 kA脉冲分流器100 A下交流响应的测量数据和脉冲响应模型，完成对50 kA脉冲大电流分流器脉冲电流下的溯源。其过程如图4所示。

图4 脉冲分流器溯源意图Fig.4 Schematic diagram of pulse current shunts quantity traceability

使用多功能标准源FLUKE 5720、跨导放大器CH8100、标准分流器SX100、交流电压标准表5790A，对脉冲分流器进行交流响应测量，测量原理如图5所示。多功能标准源控制跨导放大器输出100 A的50 Hz～100 kHz不同频率交流正弦电流信号，电流通过标准分流器或脉冲分流器转化为正弦电压信号，交流电压标准表对正弦电压信号进行测试，得到不同频段下的交流电压值。由欧姆定律和脉冲分流器的阻值大小，得到标准分流器和脉冲分流器的交流频率响应。

图5 脉冲分流器交流响应测量原理框图Fig.5 Schematic diagram of AC character measurements of pulse current shunts

分别测量标准分流器和被测脉冲分流器的电压示值Uo和Ux；标准分流器的电阻标准值为Ro，由式(1)得到脉冲分流器的电阻Rx在实验室下的标定值：

(1)

通过式(1)计算被测脉冲分流器的电阻值；并由跨导放大器CH8100的短期稳定性、标准分流器SX100的上级传递不确定度和交流电压标准表5790A的最大允许误差，对脉冲分流器交流响应进行评定；最后结合脉冲分流器有限元仿真模型推算脉冲测量的不确定度。

4 校准试验

首先根据图5所示方法进行脉冲分流器交流响应测量，标定脉冲分流器电阻值。其中跨导放大器CH8100输出电流为100 A，频率范围为50 Hz～100 kHz，被标定脉冲分流器设计最大电流测量幅值为50 kA，其测量结果见表2。

表2 脉冲分流器标定Tab.2 Calibration of pulse shunt

对脉冲分流器标定完成后，按图3所示，分别测量罗氏线圈和脉冲分流器的脉冲电压幅值和脉冲持续时间并换算成脉冲电流幅值和持续时间。评定测试系统各分系统的影响，对脉冲电流幅值和脉冲持续时间的测量不确定度进行评定。

通过式(2)中En值的计算方法，判断测试结果的合理性:

(2)

式中：xlab为罗氏线圈测量的脉冲电流值；xref为脉冲分流器测量的脉冲电流值；Ulab为罗氏线圈测量的脉冲电流测量不确定度；Uref为脉冲分流器测量的脉冲电流测量不确定度。

试验结果见表3。

5 结 论

基于二阶振荡电路和Crowbar开关的最大电流为100 kA，持续时间为20 μs～100 ms的脉冲大电流发生系统；建立了基于脉冲分流器、光纤电流传感器和罗氏线圈的脉冲大电流校准系统；研究了脉冲大电流的溯源方法；基于脉冲分流器的有限元模型和交流响应特性，评定脉冲分流器脉冲响应特性，计算脉冲测量不确定度；使用罗氏线圈进行比对，旁证了评定方法的正确性。

结论如下：

(1) 根据不同的被测脉冲波形特点选择脉冲分流器或罗氏线圈或光纤电流传感器进行测量，测量结果不确定度可优于1%。

(2) 使用宽频电流发生及测量系统进行脉冲分流器交流响应测量，结合脉冲分流器有限元模型可计算脉冲分流器脉冲测量的不确定度。