CN114509585B - 一种同轴型高电压脉冲测量探头结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量探头，具体涉及一种同轴型高电压脉冲测量探头结构；解决现有测量探头不能满足脉冲功率装置对高压脉冲测量探头性能稳定性及一致性需求的技术问题。该同轴型高电压脉冲测量探头结构，包括由内至外依次设的信号电极、绝缘层、探头外壳和基座，基座用于安装在传输线外筒上；信号电极设为台阶柱结构；绝缘层为台阶柱结构，且中间设有与信号电极外表面相配合的内台阶孔；信号电极嵌入绝缘层的内台阶孔中；信号电极与绝缘层的内台阶面接触；探头外壳为法兰盘结构，探头外壳的中间设有与绝缘层外表面相配合的定位台阶，绝缘层嵌入探头外壳的定位台阶中；绝缘层与探头外壳的定位台阶面接触；基座位于探头外壳的法兰盘与传输线外筒之间。

Description

一种同轴型高电压脉冲测量探头结构

技术领域

本发明涉及一种测量探头，具体涉及一种同轴型高电压脉冲测量探头结构。

背景技术

当前大型脉冲功率装置高压脉冲的幅值一般达到百千伏或兆伏级别，必须通过分压器分压后才能使用示波器进行测量。脉冲高电压分压器主要包括电阻式和电容式两种，其中电容式分压器作为非接触式高电压脉冲测量器件，相比于电阻式分压器体积更小、绝缘性能更好、频率响应范围更宽，对被测高电压脉冲电路影响更小。电容式分压器工作模式包括自积分模式和微分模式，微分工作模式下的电容分压器由于低压臂结构电容比自积分模式小的多，因此结构更简单，工艺难度更低，高频性能也更优异，被广泛应用于快前沿高压脉冲的测量。

目前常用的微分电压探头为同轴型，其主要结构如图1所示，探头安装在传输线外筒上，主要由基座01、探头外壳02、射频同轴连接器03、绝缘层04和信号电极05构成。基座01与传输线外筒焊接相连，探头外壳02通过螺杆紧密固定在基座01上，两者内侧端面设置有密封槽，通过压缩橡胶密封圈实现与外界的密封隔离，探头外壳02与信号电极05间由绝缘层04填充，射频同轴连接器03同样由螺丝固定在探头顶部，射频同轴连接器的内芯与信号电极05相连。

探头的信号电极05与传输线内筒构成高压臂电容C₁，其中介质通常为去离子水；信号电极05与探头外壳02(与接地的传输线外筒相连)间的结构电容为低压臂电容C₂，介质通常为某些相对介电常数2～4之间的绝缘材料(环氧树脂、有机玻璃、聚四氟乙烯、尼龙等)，绝缘材料填充还具有绝缘、密封作用。

该结构的特点是密封性好、抗干扰能力强，但其存以下几个方面的不足：

(1)由于探头外壳与基座间需要通过多个螺丝受力紧固，压缩橡胶密封圈实现密封，实际安装操作过程中多个螺丝极易出现受力不均导致探头位置出现倾斜，从而使实际灵敏度系数偏离设计值；探头经拆装过程后极难还原之前安装状态，必须重新进行标定。

(2)如图1所示的结构中，漏斗状的探头外壳和上粗下细的信号电极一方面可维持探头外壳、绝缘层、信号电极三者间相对结构的稳定，另一方面也提高了探头外壳对信号电极的屏蔽保护效果，但探头外壳内表面与信号电极外表面上的几何参数在工艺上较难控制误差，易加大低压臂电容与设计值的误差从而影响探头性能一致度，且浇筑的环氧树脂冷却过程容易在内部形成气泡造成密度不均，会导致探头外壳与信号电极间绝缘性能降低。

(3)为避免局部场强过高，在绝缘层两侧的探头外壳、信号电极端部倒角并设计绝缘层内陷至倒角以下，带来的负面影响包括：水在低压臂电容介质占比增加(水的相对介电常数约80)，低压臂结构电容急剧增大，探头高频性能下降；高低压臂电容对绝缘层两侧的探头外壳、信号电极端部倒角更为敏感，两处倒角的偏差对探头性能的影响被大幅放大，因此对倒角工艺的要求更为严格；浇筑工艺成形的绝缘层难以准确控制其内陷于探头外壳的距离，内陷距离的波动会导致高低压臂电容容值的变化，继而降低探头性能的一致度。

综上所述，业内经过工程技术积累，针对水线同轴型微分电压探头设计了具体结构并已用于具体工程实践，但图1所示模型的结构设计仍存在明显不足，尚不能完全满足当前脉冲功率装置对高压脉冲测量探头性能稳定性及一致性的需求，因此有必要对其结构进行深入研究与改进。

发明内容

本发明的目的是针对现有测量探头结构上不能满足脉冲功率装置对高压脉冲测量探头性能稳定性及一致性需求的技术问题，而提供一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，实现高压脉冲测量探头灵敏度和高频响应性能的一致性，使其能更好的应用于脉冲功率装置中高压脉冲的测量、诊断与调控。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，包括由内至外依次设置的信号电极、绝缘层、探头外壳及基座；基座用于安装在传输线外筒上；

其特殊之处在于：

信号电极设置为台阶柱结构；

绝缘层为台阶柱结构，且中间设置有与信号电极外表面相配合的内台阶孔；的采用有机玻璃材质；

信号电极嵌入绝缘层的内台阶孔中；

信号电极与绝缘层的内台阶面接触；

探头外壳为法兰盘结构，探头外壳的中间设置有与绝缘层外表面相配合的定位台阶，绝缘层嵌入探头外壳的定位台阶中；

绝缘层与探头外壳的定位台阶面接触；

基座位于探头外壳的法兰盘与传输线外筒之间；

信号电极和绝缘层的下端面不超过探头外壳的下端面；

探头外壳的下端面不超过传输线外筒的内表面。

进一步地，所述信号电极的直径r₁公差为-0.02至0；探头外壳的内径r₂公差为0至0.02。

进一步地，所述信号电极的下端面与探头外壳的下端面的距离d₃公差为0至0.04；绝缘层的下端面与探头外壳的下端面的距离d₂公差为0至0.04；探头外壳的下端面与传输线外筒内表面的距离d₁公差为0至0.02。

进一步地，所述信号电极的下端面外沿倒圆角公差R₃为±0.05；

绝缘层的下端面内沿和外沿倒圆角公差R₁、R₄为±0.1；

探头外壳的下端面内沿和外沿倒圆角公差R₂均为±0.05。

进一步地，所述信号电极的外台阶面与绝缘层的内台阶面之间，填入环氧树脂胶；

探头外壳的内台阶面与绝缘层的外台阶面之间，填入环氧树脂胶。

进一步地，还包括分别设置在所述探头外壳与基座之间、探头外壳与传输线外筒之间的密封槽，密封槽中设置有密封圈。

进一步地，所述绝缘层采用有机玻璃材质。

进一步地，所述信号电极的顶部设有螺纹盲孔用于与射频同轴连接器的螺杆式电芯进行配合；探头外壳顶部设置有相应螺纹盲孔用于与射频同轴连接器的机械连接；探头外壳边沿部位设置有通孔对应所述基座上端面设置有螺纹盲孔，将探头外壳与基座机械连接。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，其中信号电极、绝缘层和探头外壳的台阶面从内到外依次嵌套，且信号电极、绝缘层和探头外壳的相贴侧面之间互相平行，使同轴型高电压脉冲测量探头的制作工艺上更简单，且更容易控制同轴型高电压脉冲测量探头的探头外壳内径r₁和信号电极直径r₂的公差，进而可降低高压臂电容值、低压臂电容值的误差，最终减小对脉冲功率装置测量稳定性能的影响。

2、本发明一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，采用信号电极嵌入绝缘层的内台阶孔中，且信号电极与绝缘层内台阶孔为间隙配合；绝缘层嵌入探头外壳的定位台阶中，且与探头外壳为过盈配合；该同轴型高电压脉冲测量探头对阻抗的影响极小，不但能维持探头外壳、绝缘层、信号电极三者之间相对位置的稳定，还能通过精确控制其台阶高度误差，减小绝缘层的下端面与探头外壳的下端面的距离d₂、信号电极的下端面与探头外壳的下端面的距离d₃的范围，进而提高同轴型高电压脉冲测量探头测量性能的一致度。

3、本发明一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，绝缘层加长至其下端面尽量接近探头外壳下端面，低压臂电容值大幅减小，同轴型高电压脉冲测量探头高频响应性能得到提高，同时，减小探头外壳的下端面内沿倒圆角公差R₂和信号电极的下端面外沿倒圆角公差R₃，对同轴型高电压脉冲测量探头性能的影响也大幅缩小；绝缘层的下端面内沿和外沿进行倒圆角处理，其公差分别为R₁、R₄，避免了在信号电极端部上方覆盖尖锐绝缘物造成局部场强过高，提高了同轴型高电压脉冲测量探头的绝缘性能。

4、本发明一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，在同轴型高电压脉冲测量探头的探头外壳与基座之间、探头外壳与传输线外筒之间设置密封槽，实现双重径向密封，提高同轴型高电压脉冲测量探头安装气密性的同时，避免了探头与基座之间多个螺杆因受力不均，导致同轴型高电压脉冲测量探头位置倾斜，从而增大同轴型高电压脉冲测量探头性能偏差，以及同轴型高电压脉冲测量探头拆卸，再安装时由于状态变化必须重新进行标定的弊端。

5、本发明一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，总体结构简单紧凑，稳定性高，制作工艺难度低，可大幅度降低结构因素带来的同轴型高电压脉冲测量探头测量性能的误差，大幅提高同轴型高电压脉冲测量探头实际性能与理论性能之间以及工程产品实际性能之间的一致度，可广泛推广使用，特别是在大型脉冲功率装置中的应用。

附图说明

图1为现有同轴型微分电压探头结构示意图；

图1中附图标记为：01-基座、02-探头外壳、03-射频同轴连接器、04-绝缘层、05-信号电极；

图2为本发明一种同轴型高电压脉冲测量探头结构示意图；

图3为本发明一种同轴型高电压脉冲测量探头结构的俯视图；

图2、图3中附图标记为：

1-信号电极、2-绝缘层、3-探头外壳、4-基座、5-传输线外筒、6-密封槽、7-射频同轴连接器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，设置在传输线外筒5上，包括由内至外依次设置的信号电极1、绝缘层2、探头外壳3和基座4；整体上形成金属-绝缘-金属的嵌套结构，且为微分工作模式，其输出电压信号与待测电压信号的微分成正比；

信号电极1设置为台阶柱结构，其直径r₁公差为-0.02至0，下端面外沿倒圆角公差R₃为±0.05；

绝缘层2为设置有内台阶孔的台阶柱结构，采用有机玻璃材质，其下端面内沿和外沿倒圆角公差R₁、R₄为±0.1；；

信号电极1嵌入绝缘层2的内台阶孔中，且信号电极1与绝缘层2内台阶孔为间隙配合；信号电极1的外台阶面与绝缘层2的内台阶面紧密接触，信号电极1的外台阶面与绝缘层2的内台阶面之间，填入环氧树脂胶；

探头外壳3为法兰盘结构，探头外壳3的内孔设置有定位台阶，绝缘层2嵌入探头外壳3中，探头外壳3的内径r₂公差为0至0.02，下端面内沿和外沿倒圆角公差R₂均为±0.05；

本实施例中信号电极1设置为台阶柱结构，并嵌入绝缘层2的内台阶孔中；绝缘层2嵌入探头外壳3中；信号电极1、绝缘层2和探头外壳3三者之间的台阶式配合，具有限位作用，其台阶相贴处加入适量的环氧树脂胶，加强三者相对结构的稳定性以及提高三者之间密封性；信号电极1、绝缘层2和探头外壳3的下端面边沿均进行倒圆角，确保不会局部场强过高。

探头外壳3的内台阶面与绝缘层2的外台阶面紧密接触，探头外壳3的内台阶面与绝缘层2的外台阶面之间，填入环氧树脂胶；

信号电极1和绝缘层2的下端面分别齐平或不超过探头外壳3的下端面；

探头外壳3的下端面齐平或不超过传输线外筒5的内表面；

信号电极1的下端面与探头外壳3的下端面的距离d₃公差为0至0.04；

绝缘层2的下端面与探头外壳3的下端面的距离d₂公差为0至0.04；

探头外壳3的下端面与传输线外筒5内表面的距离d₁公差为0至0.02。

基座4的深度与探头外壳3相配合，且设置于探头外壳3和传输线外筒5之间。

探头外壳3与基座4之间、探头外壳3与传输线外筒5之间的密封槽6；密封槽6中设置有密封圈，分别与基座4、传输线外筒5的端面分别配合。

本实施例中信号电极1顶部设有螺纹盲孔方便与射频同轴连接器7的螺杆式电芯进行配合，探头外壳3顶部设计有相应螺纹盲孔方便射频同轴连接器7的机械连接，确保当射频同轴连接器7的螺杆式电芯与信号电极1连接完毕时，使基座4正好配合探头外壳3顶部的螺纹盲孔；

探头外壳3边沿部位设置通孔，基座4上端面设置有螺纹盲孔，探头外壳3与安装基座4相对端面须平整光滑，方便利用螺钉对探头外壳3进行机械安装，设计基座4的高度与探头外壳3安装深度自洽，尽量使得安装后探头外壳3底端与传输线外筒5端面平齐或不突出端面；

探头外壳3外表面设置两条密封槽6，配合橡胶密封圈实行双层径向密封，加强同轴型高电压脉冲测量探头工作时的防水性能。

本实施例中，该同轴型高电压脉冲测量探头结构的测量性能十分敏感的关键结构参数包括：r₁、r₂、d₁、d₂、d₃、R₁、R₂、R₃、R₄；调整及优化关键结构参数是为了使某个关键结构参数处于影响性较小的区间或者能更好的控制其公差，以最大程度提高同轴型高电压脉冲测量探头的实际性能，减小理论性能以及工程产品实际性能之间的误差，并保持其一致度。

其中，信号电极1与传输线内筒5构成高压臂电容C₁，(C₁本身为皮法量级，对介质介电常数非常敏感)信号电极1与探头外壳3构成低压臂电容C₂，信号电极1的直径r₁与探头外壳3的内径r₂对高压臂电容C₁和低压臂电容C₂均有影响，低压臂电容C₂对同轴型高电压脉冲测量探头的高频响应性能的影响远大于高压臂电容C₁，高压臂电容C₁对同轴型高电压脉冲测量探头的灵敏度系数K的影响远大于低压臂电容C₂；

信号电极1的直径r₁增大时，信号电极1的直径r₁与探头外壳3的内径r₂比值增大，则低压臂电容C₂减小，同轴型高电压脉冲测量探头的高频截止频率f_H增大，同时探头外壳3对传输线外筒5与信号电极1之间电场的屏蔽作用减弱，高压臂电容C₁增大，同轴型高电压脉冲测量探头的灵敏度系数K减小；反之，结论则为上述反命题。探头外壳3的内径r₂增大时，r₁与r₂比值减小，低压臂电容C₂增大，高频截止频率f_H减小；信号电极1的有效电容面积增大，高压臂电容C₁增大，灵敏度系数K值减小(灵敏度系数K与高压臂电容C₁容值近似成反比关系)；反之结论则为上述反命题。

绝缘层2的下端面与探头外壳3的下端面的距离d₂增大，表示绝缘2内陷，且与探头外壳3的距离增加，此时电容结构高压臂电容C₁、低压臂电容C₂均增大，高频截止频率f_H及灵敏度系数K值减小；绝缘层2的下端面与探头外壳3的下端面的距离d₂减小时，结论为上述反命题。信号电极1的下端面与探头外壳3的下端面的距离d₃增大时，表示信号电1内陷，且与探头外壳3的距离增加，此时电容结构高压臂电容C₁、低压臂电容C₂均减小，高频截止频率f_H及灵敏度系数K值增大；信号电极1的下端面与探头外壳3的下端面的距离d₃减小时结论为上述反命题。

对该同轴型高电压脉冲测量探头所做结构上的优化，并分析其关键结构结构参数与频响性能及灵敏度系数的耦合关系，结合实际工艺及装配因素确定了各结构参数的公差如下表所示：

同轴型高电压脉冲测量探头关键结构参数公差

对上述关键结构参数与公差标准的进一步计算结果表明，其结构参数符合上表所示公差标准的同轴型高电压脉冲测量探头，-1dB对应高频截止频率f_H(约150MHz)一致度(上表公差范围内结构参数的同轴型高电压脉冲测量探头各-1dB对应高频截止频率f_H与理论值之差的绝对值与理论值比值的百分数)小于1.3％，灵敏度系数K值一致度(上表公差范围内结构参数的探头各K值与理论值之差与理论值的比值百分数)小于2.25％。

Claims (5)

1.一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，包括由内至外依次设置的信号电极(1)、绝缘层(2)、探头外壳(3)及基座(4)；所述基座(4)用于安装在传输线外筒(5)上；

其特征在于：

所述信号电极(1)设置为台阶柱结构；

所述绝缘层(2)为台阶柱结构，且中间设置有与信号电极(1)外表面相配合的内台阶孔；

所述信号电极(1)嵌入绝缘层(2)的内台阶孔中；

所述信号电极(1)与绝缘层(2)的内台阶面接触；

所述探头外壳(3)为法兰盘结构，所述探头外壳(3)的中间设置有与绝缘层(2)外表面相配合的定位台阶，所述绝缘层(2)嵌入探头外壳(3)的定位台阶中；

所述绝缘层(2)与探头外壳(3)的定位台阶面接触；

所述基座(4)位于探头外壳(3)的法兰盘与传输线外筒(5)之间；

所述信号电极(1)和绝缘层(2)的下端面不超过探头外壳(3)的下端面；

所述探头外壳(3)的下端面不超过传输线外筒(5)的内表面；所述信号电极(1)的直径r1公差为-0.02至0；

所述探头外壳(3)的内径r2公差为0至0.02；所述信号电极(1)的下端面与探头外壳(3)的下端面的距离d3公差为0至0.04；

所述绝缘层(2)的下端面与探头外壳(3)的下端面的距离d2公差为0至0.04；

所述探头外壳(3)的下端面与传输线外筒(5)内表面的距离d1公差为0至0.02；所述信号电极(1)的下端面外沿倒圆角公差R3为±0.05；

所述绝缘层(2)的下端面内沿和外沿倒圆角公差R1、R4为±0.1；

所述探头外壳(3)的下端面内沿和外沿倒圆角公差R2均为±0.05。

2.根据权利要求1所述的一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，其特征在于：所述信号电极(1)的外台阶面与绝缘层(2)的内台阶面之间，填入环氧树脂胶；

所述探头外壳(3)的内台阶面与绝缘层(2)的外台阶面之间，填入环氧树脂胶。

3.根据权利要求2所述的一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，其特征在于：还包括分别设置在所述探头外壳(3)与基座(4)之间、探头外壳(3)与传输线外筒(5)之间的密封槽(6)，所述密封槽(6)中设置有密封圈。

4.根据权利要求3所述的一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，其特征在于：所述绝缘层(2)采用有机玻璃材质。

5.根据权利要求4所述的一种同轴型高电压脉冲测量探头结构，其特征在于：所述信号电极(1)的顶部设有螺纹盲孔用于与射频同轴连接器(7)的螺杆式电芯进行配合；所述探头外壳(3)顶部设置有相应螺纹盲孔用于与射频同轴连接器(7)的机械连接；所述探头外壳(3)边沿部位设置有通孔对应所述基座(4)上端面设置有螺纹盲孔，将所述探头外壳(3)与基座(4)机械连接。