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学校代码：11517 学 号：0708071133 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 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：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。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.高电压试验技术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OrCAD 10.5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 日目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究动态21.2.1 脉冲电压测量21.2.2 电阻分压器研究现状31.3 本文的主要研究内容42 电阻分压器原理分析63 电阻分压器的设计93.1 结构确定93.2 材料选择93.2.1 电阻的选择93.2.2 壳体材料的选择123.2.3 绝缘材料的选择123.2.4 电缆的选择133.2.5 其他材料的选择154 电阻分压器模拟仿真164.1 OrCAD简介164.2 电路模拟仿真174.2.1 电阻分压器各电路参数计算174.2.2 电路原理图的绘制184.2.3 电路的PSpice A/D分析194.3 电阻分压器测量误差分析224.3.1 减少杂散电容对测量准确度的影响224.3.2 针对其他影响因素的补偿措施23结束语24致 谢25参考文献26附录28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DESIGN OF A SMALL RESISTORDIVIDER FOR TESTABSTRACTVoltage divider is a key part of high-voltage pulse measuring system in controlled nuclear fusion, strong electron acceleration, high power microwave and free electron laser and other high-tech fields. The principle of resistor divider is simple and widely used, but the distribution parameters, high-voltage insulation and impedance matching and other factors must be considered when the amplitude of the instantaneous voltage is up to tens of kilovolts. Good response and stability of voltage divider is required. The resistor divider studied in this paper is mainly used for measuring high voltage pulse coming from the high-voltage pulse source. The amplitude of the pulse is up to 30 kilovolts and the rise time of the pulse is nanosecond. A two-stage resistor divider is designed after the calculation of divider ratio, structure determination and materials selection. The circuit model of the divider designed is established. The transmission performance of the divider designed is simulated, and the factors affecting the transmission performance of the divider is analyzed. Good transmission performance of the resistor divider is approved through the comparative analysis of the waveform and actual waveform, and the resistor divider designed meets the experimental requirements.KEY WORDS high-voltage pulse, resistor divider, OrCAD ,test1 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，同时试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-Integrating measuring systems,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(Conformal Mapping Frequency-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23 ns，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，对其进行性能试验，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103104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24-263.2.1 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：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。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。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。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dl=26mm135mm, 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阻器、金属膜电阻器和线绕电阻。对这几种电阻器进行分析和比较如下：碳膜电阻器是一种薄膜电阻器，它是通过真空高温热分解的结晶碳沉积在柱形的或管形的陶瓷骨架上制成的，并通过控制膜的厚度和刻槽来控制电阻值，因其制作容易，成本低廉，得到广泛应用。合成碳膜电阻器是将碳黑、填料和有机粘合剂配成悬浮液,涂覆在绝缘骨架上，经加热聚合而成，这种电阻器主要适于制成高压、高阻用的电阻器，但不足之处在于抗湿性差，电压稳定性低，频率特性不好，噪声大。金属膜电阻器也是一种薄膜电阻器，它是将金属或合金材料用高真空加热蒸发法在陶瓷体上形成一层薄膜制成。金属膜电阻器具有耐高温、抗氧化、热稳定性好、超负载稳定性好，长期工作稳定可靠的特性。温度系数小,工作频率范围大，噪声电动势很小，电压系数比碳膜电阻器更好，相同功率条件下比碳膜电阻器体积小很多。但金属膜电阻器的脉冲负荷稳定性较差。线绕电阻器是用高比电阻材料康铜、锰铜或镍铬合金丝缠绕在陶瓷骨架上制作而成的电阻器。线绕电阻器具有噪声小甚至无电流噪声温度系数小、热稳定性好、耐高温，功率大，能承受大功率负荷等优点。其缺点是高频特性差，线绕电阻器可以制成低噪声，耐热性好的功率型普通线绕电阻器、精密线绕电阻器以及高精密线绕电阻器。但是，通常线绕电阻器的最高工作电压只有几百伏。故不适用于幅值很高的纳秒高压脉冲测量。通过以上几种电阻的分析可知碳膜电阻器脉冲负荷稳定性较差，经受上升沿很快的电压冲击或正常的操作冲击电压之后，阻值会发生改变。线绕电阻器最高工作电压只有几百伏，也不适于纳秒高压测量。而金属氧化膜电阻具有高信赖性，高稳定性及不燃等特性，适用于各种较大功率回路，故在分压器制作过程中选用金属氧化膜电阻器。为了尽量减小杂散参数的影响, 电阻圈1，2和第2级高压臂电阻均采用金属膜无感电阻。电阻圈1，2的各个电阻选用0.05W，500金属膜无感电阻。第2级高压臂电阻R3选用0.05W，1k金属膜无感电阻。3.2.2 壳体材料的选择铝是工业上常用的轻型金属材料，资源丰富，其特点是密度小，由于纯铝的强度低，因此常采用铝合金，提高其强度和耐热性能。本文采用铝合金管作为壳体，其价格比铜低，轻巧方便，亦能满足实验要求。综合考虑绝缘屏蔽、对地电容等的影响，选用内径为50mm、壁厚5mm的铝合金管。3.2.3 绝缘材料的选择绝缘材料在各种电器设备、电工仪表中使带电部件与其他部件相互隔离，起着机械支撑、固定以及灭弧、散热、储能、防潮、防霉或改善电场的电位分布和保护导体的作用。电气维修中，选用优质的绝缘材料、合理采用绝缘材料的新技术，对提高电气设备的性能成本比和改善电气设备的功率重量比具有显著的作用。绝缘材料又叫电介质，按物态可分为气体、液体和固体。空气、氢、氮、二氧化碳、六氟化硫以及甲烷等都是良好的气体绝缘材料；变压器油、开关油、电容器油、电缆油等矿物油，十二烷基苯、聚异丁烯、硅油和三氯联苯等合成油以及蓖麻油等，都是优良的液体绝缘材料；固体绝缘材料中常用的有绝缘漆、纸、纸板及纤维制品、漆布、漆管和绑扎带等绝缘纤维浸渍制品、云母制品、塑料、橡胶、玻璃和电工陶瓷等。绝缘材料的选用需要注意几点：(1)绝缘强度与电击穿 当绝缘材料两端外施电压超过一定值时，绝缘材料将被击穿，这种现象称为绝缘材料的电击穿。绝缘材料在使用时外施电压的电场强度应小于绝缘材料的绝缘强度，并留有充分的余量。(2)绝缘材料的耐热性 绝缘材料的耐热性是指绝缘材料及其制品承受高温而不致损坏的能力。绝缘材料过热时，其绝缘电阻减小，绝缘强度降低，介质损耗加大，最终导致绝缘材料击穿。因此在选择材料时要充分考虑这一点。(3)绝缘材料的老化 绝缘材料在设备运行中由于各种因素的作用而发生一系列不可恢复的物理、化学变化而导致绝缘材料电气和力学性能的劣化，通常称为老化。引起此现象的形式主要有大气老化、热老化和电老化，因此在使用时必须注意环境的影响，特殊环境应使用特种材料。氟塑料分子结构中含氟碳键，键能很高，具有良好的耐热性、耐磨性、耐化学性和耐辐照性，包含有聚四氟乙烯（F4）、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物（F46）和四氟乙烯-全氟乙烷基乙烯基醚共聚物（PFA）等。F4电气性能优良，相对介电常数和介质损耗角正切在已知固体绝缘材料中最低，具有优异的耐热、耐腐蚀性能，可长期工作温度为250，对酸、碱及其他化学药品和各种溶剂的稳定性优于其他氟材料，因此，本文选用聚四氟乙烯材料。根据无耗传输线特性阻抗的计算公式27: （3-3）式中：，分别为无耗传输线内、外导体半径；为同轴线内、外导体间填充介质的相对介电常数，即聚四氟乙烯的相对介电常数。其中b=55mm，。考虑到分压器第1级与第2级和同轴电缆的阻抗匹配23，则。综上，由（3-3）式可得a=16.93mm，考虑加工等损耗，选取直径为25mm的聚四氟乙烯棒料。 由于聚四氟乙烯材料价格昂贵，因此只在第1级高压臂电阻与高压电缆接头处填充此材料，图3.1所示其他地方采用有机玻璃绝缘材料。选取内径为40mm，壁厚5mm的有机玻璃管。3.2.4 电缆的选择3.2.4.1 高压电缆的选择将一根或数根绝缘导线组合成线芯，外面缠绕上密闭的包扎层（铝、铅或塑料），这种导线称为电缆。电缆的种类很多，其结构和用途不同。电力系统中常用的有电力电缆、控制电缆及电气装备用电缆。本文选用的是电力电缆，电力电缆在电力系统中用于传输或分配较大功率的电能。电力电缆的基本结构主要包括导体、绝缘层和保护层3部分。通常采用导电性能良好的铜、铝做导体。绝缘层用以将导体与相邻导体以及保护层隔离，一般要求绝缘性能良好，经久耐用，有一定的耐热性能。保护层分为内护层和外护层两部分，用来保护绝缘层，以免外力损伤和水分浸入电缆。它具有一定的机械强度。电缆外护层具有“三耐”和“五防”功能。“三耐”即耐寒、耐热、耐油；“五防”即防潮、防雷、防蚁、防鼠、防腐蚀。电力电缆按绝缘材料分为：油浸纸绝缘、塑料绝缘、橡胶绝缘、气体绝缘；按结构特征分为：统包型、分相型、钢管型、扁平型、自容型；按电压等级分为高压电缆、低压电缆；按缆芯数量分为单芯、双芯、三芯、四芯四种；按缆芯电体形状分为圆形、扁形、椭圆形；按电缆导体的填充系数大小分为紧压、非紧压两种。油浸纸绝缘电缆具有耐压强度高、耐热能力好和使用年限长等优点，但工作时浸渍油会流动，因此两端的高度差有一定的限制，否则电缆低的一端可能因为油压很大使端头胀裂漏油，而高的一端则可能因油流失而使绝缘干枯，耐压降低，甚至击穿。塑料电缆具有抗酸碱、防腐蚀和重量轻等优点，已基本取代油浸纸绝缘电缆。塑料绝缘电缆主要有聚氯乙烯绝缘电缆和交联聚乙烯绝缘电缆。聚氯乙烯绝缘电缆的电压等级范围是110kV，交联聚乙烯绝缘电缆分为中低压交联电缆（135kV）和高压超高压交联电缆（110kV及以上）。综上所述，如图2.3高压电缆选用耐压为30kV，单芯铜导线交联聚乙烯绝缘电缆。3.2.4.2 射频同轴电缆的选择射频同轴电缆由内导体、绝缘介质、外导体（屏蔽层）和护套4部分组成。内导体通常由一根实心导体构成，利用高频信号的集肤效应，对于需要供电的分配网或主干线建议采用铜包铝线；对不需要供电的用户网采用铜包钢线，也可采用铜线。这样既保证电缆的传输性能，又可以满足供电及机械性能的要求。绝缘介质可以采用聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等。常用的绝缘介质是损耗小、工艺性能好的聚乙烯。同轴电缆的外导体有双重作用，它既作为传输回路的一根导线，又具有屏蔽作用。室外电缆宜用具有优良气候特点的黑色聚乙烯，室外用户电缆从美观考虑则宜采用浅色的聚乙烯。同轴电缆主要是由内外导体构成的，对于导体中流动的电流存在着电阻与电感，对导体间的电压存在着电导与电容。这些特性是沿线路分布的，称为分布系数，若单位长度的电阻、电感、电导、电容分别以R、L、G、C表示，则其特性阻抗为：。由于特性阻抗及阻抗匹配问题，为防止产生信号反射，达到最好的传输效果，本文使用的同轴电缆的特性阻抗为50。综上所述，本文选择铜芯内导体、铜包铝线、黑色聚乙烯护套的50射频同轴电缆。3.2.5 其他材料的选择如图3.1所示，由于第1级高压臂电阻是两端带螺纹孔的非引线式电阻，因此电阻两端要连接导线，铜具有良好的导电性能，且铜质越纯，导电性越好；还具有良好的导热性；并具有一定的机械强度，良好的耐腐蚀性，无低温脆性，易于焊接等，所以广泛用于导电用铜。此电阻两端螺纹为M6，所以选择直径为6mm的铜棒。电阻圈1 和电阻圈2均是辐射状的电阻焊接，因此要选用金属环，其上需均匀的打10个小孔。中间还需要一小金属片，中心打孔，用于焊接电阻引线。此金属环外径应介于壳体内外径之间，即50mm 60mm。由参考文献28可知：L27型射频连接器选取L27型50连接器。N型射频同轴连接器选取N-50KF型号。BNC型射频同轴连接器选取BNC-J4型号。高压电缆接头处选用铝合金棒料，加工成如图3.1所示结构，要与铝合金管内螺纹连接，且中间填充绝缘材料。铝合金棒直径为60mm。4 电阻分压器模拟仿真针对本文所设计的电阻分压器，选定OrCAD软件进行模拟仿真分析。4.1 OrCAD简介29, 30随着大规模集成电路的发展，电路品种日益增多，电路规模也越来越大，对电路性能，如可靠性、稳定性等的要求也越来越高。因此，计算机辅助设计的电子设计自动化已成为必不可少的工具之一。由于拥有极佳的电路分析与仿真能力，OrCAD 软件吸引了越来越多的用户，其应用范围越来越广。最新版本的OrCAD 10.5 已于2005年10月上市，分为三大部分，即OrCAD Capture、PSpice和OrCAD Layout Plus，同时还拥有一套高级分析工具，即OrCAD 10.5-Advaned Analysis。用户可在PSpice A/D分析的基础上，调用OrCAD 10.5-AA的五大特色工具进行分析，最大程度地提高设计电路的性能及可靠性。其主要功能有：(1)高度集成功能 从电路绘图、电路仿真分析到印刷版设计或可编程逻辑设计，整个过程全部在OrCAD集成环境中完成，无需频繁切换工作环境。(2)完整观测测量功能 OrCAD PSpice 提供了一套专门用于观测和测量仿真结果的Probe 程序，它可以测量出各种电路参数和性能特性数据。同时PSpice还具备许多仪器分析功能。(3)完全分析功能 除了可以完成基本的分析功能，如偏置点分析、直流扫描、交流扫描、瞬态分析等，还可以完成温度分析、参数分析、傅里叶分析、最坏情况分析、噪声分析等。(4)模块化和层次化设计功能 对于复杂电路的设计，可以先依据其特性及复杂度分成适当数量的子电路，待相关的子电路一一设计完成后，再将它们组合起来仿真，调整参数，直到满足相应的性能指标。(5)电路行为特点的模拟功能 用户可以用模拟电路行为特性的描述方式来进行仿真，无需真实电路，大大较少仿真复杂度。(6)模数混合仿真功能 除了模拟电路的仿真功能外，还可以进一步执行数字电路及模数混合仿真功能。(7)库扩充功能 4.2 电路模拟仿真4.2.1 电阻分压器各电路参数计算4.2.1.1 第1级高压臂电阻(1) 第1级高压臂电阻取值为；(2) 极间电容由平行板电容器电容量公式31 (F) (4-1)代入电阻各参数d=13.5cm，计算得F，由于此极间电容对仿真结果影响不大，忽略不计；(3) 自身电感 由于选用的电阻是无感电阻，所以自身电感忽略不计；(4) 对地杂散电容 由管型电容器电容量公式31 (pF) (4-2)代入各参数b=13.5cm，r2=2.5cm，r1=1.3cm计算得pF4.2.1.2 第1级低压臂电阻此电阻采用的是辐射状电阻圈，如图4.1所示：其中各个电阻为，均是金属膜无感电阻，自身电感忽略不计。由于此电阻圈装配时如图3.1，因此对地杂散电容极小，忽略不计。4.2.1.3 第2级高压臂电阻(1) 第2级高压臂电阻取值为；(2) 极间电容 图4.1 电阻圈由公式(4-1)代入此电阻各参数d=0.5cm，计算得F，由于此极间电容对仿真结果影响不大，忽略不计；(3) 自身电感 由于选用的电阻是无感电阻，所以自身电感忽略不计；(4) 对地杂散电容由公式(4-2) 代入各参数b=0.5cm，r2=2.5cm，r1=0.125cm 计算得C=0.09pF(5) 引线电感 由直圆导线自感计算公式32 （4-3）代入参数l=5cm，d=0.05cm 计算得L=0.052H，由于引线电感极小，可忽略不计。4.2.1.4 第2级低压臂电阻第2级低压臂电阻与第1级低压臂电阻结构相同，这里不再做计算说明。4.2.2 电路原理图的绘制电路原理图的绘制是电路分析、模拟和优化设计的第一步。利用OrCAD Capturre绘图比用其他电路CAD绘图软件更加简单、方便、快捷。使用OrCAD Capturre绘制原理图一般按照以下步骤进行：(1)进入OrCAD Capturre绘图区；(2)放置电路元件（包括放置电源和接地元件）；(3)连线并调整元件位置；(4)设置元件属性。绘制图3.1所示电阻分压器的电路原理图如图4.2所示：图4.2 二级电阻分压器电路原理图4.2.3 电路的PSpice A/D分析OrCAD中的PSpice A/D可以对电路进行各种数模混合仿真，以验证电路的各性能指标是否符合设计要求。PSpice的主要功能是将Capture CIS产生的电路图或文本文件进行处理和仿真，同时运用附属的波形观察程序Probe对仿真结果进行观察和分析。在OrCAD PSpice中，可以分析的类型有9种：直流（DC）分析、交流（AC）分析、噪声分析、直流工作点分析、瞬态分析、统计分析、参数扫描分析、温度分析和灵敏度分析。其仿真和分析步骤如图4.3所示：图4.3 电路仿真分析步骤代入各参数R1=15k，C1=12pF，R2=50，C2=0.1pF， R3=1k，R4=50，画出其原理图如图4.4所示：图4.4 二级电阻分压器电路原理图（具体参数）通过仿真分析，导出不同参数下输出波形图： 图4.5 输出波形图当其他参数不变（包含C2不变）时，改变杂散电容C1大小，分别输出C=6pF ，10pF，12pF，13pF，16pF，20pF情况下波形做出比较如图4.6：图4.6 杂散电容影响比较图（C2不变）当其他参数不变（包含C1不变）时，改变杂散电容C2大小，分别输出C=0.05pF ，0.1pF，0.3pF，0.6pF，0.8pF，1pF情况下波形做出比较如图4.7：图4.7 杂散电容影响比较图（C1不变）由于杂散电容C2比较小，影响太小，图中各参数下波形基本重合，说明其影响小。综上，随着杂散电容的减小，其波形越来越接近理想波形，所以实验中要尽量减小对地杂散电容。图4.8 理想与实际输出比较图通过以上仿真分析与波形比较，可以看出杂散电容对分压器的影响。 4.3 电阻分压器测量误差分析分压器作为转换装置是常用的脉冲测量系统的主要组成部分之一，在整个测试系统中占重要地位，分压器性能好坏直接影响测试系统整体性能的好坏。分压器与其周围低电位的物体间存在的固有电场所引起的杂散电容，是造成测量误差的主要原因。此外还包括电阻元件不稳定、绝缘漏电和电晕放电等因素。要改善分压器的性能，提高测量准确度，就必须针对这些影响因素，采取相应的措施。4.3.1 减少杂散电容对测量准确度的影响减小对地杂散电容对分压器的影响是改善分压器特性的一个重要措施。通过从电路和物理角度对杂散电容造成的测量误差进行分析33，可以定性地得到关于改善分压器特性的若干途径，包括：横补偿法、纵补偿法、电位补偿法、减少分压器体积法等。4.3.2 针对其他影响因素的补偿措施除了杂散电容的影响，引起测量误差的原因还包括：分压器电阻元件不稳定、电晕放电和绝缘支架漏电造成的测量误差等。针对电阻元件阻值不稳定的因素，除了根据分压器准确度等级的要求选用温度系数、电压系数小的电阻元件外，还可以采取以下措施2：(1)选择电阻元件的功率大于分压器所需的额定功率，以减小温升；(2)电阻元件的温度系数如果有正、负，在串联时可合理地搭配，使高压臂电阻整体的温度系数最小，甚至接近于零；(3)分压器内充变压器油以增强散热或通以循环的绝缘气体来控制分压器的温度。可以通过在分压器内填充绝缘介质、等电位屏蔽、在高压臂电阻高压端装上使整个结构电场比较均匀的金属屏蔽罩等措施来消除电晕。(4)选用绝缘电阻大的材料，选用较大的工作电流，以及充绝缘油和等电位屏蔽等措施可减小和消除泄漏引起的测量误差。结束语电阻分压器是高压脉冲测量系统中最常用的一种分压器。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。本文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，并提出了改善其性能的措施。最后通过模拟仿真实验确定本文设计的二级电阻分压器分压性能好、阻抗匹配性好、测量误差小，且简单方便，能满足测量要求。随着高压脉冲上升时间越来越短，幅值越来越高，分压器的性能要求越来越高，所以设计出高性能的电阻分压器是极其必要的，现代科技的发展是十分迅速的，希望电阻分压器迎来一个新的飞跃。致 谢我的毕业设计是在邬昌峰老师的直接指导和关心下完成的。邬老师经验丰富，学识渊博，治学严谨，对工作认真负责，我深受启发，也将终身受益。感谢老师在我毕业设计过程中给予的指导关怀和帮助，在此特向邬老师表示崇高敬意和诚挚谢意。在我即将离开母校踏上社会工作的时候，我要感谢学校的所有辛勤工作的老师们，感谢你们的兢兢业业付出，为我们的将来流的辛勤的汗水，还要感谢和我一起学习设计的同学们，感谢他们的帮助，朋友始终最宝贵的。毕业即将到来，以后道路漫长，我会拿出做毕业设计的激情和严谨继续前进，服务社会，回报母校，报效祖国。参考文献1曾正中实用脉冲功率技术引论M西安：陕西科学技术出版社，20032张仁豫，陈昌渔，王昌长高电压试验技术M北京：清华大学出版社，20023熊海林，陈香萍电阻分压器测量高压单脉冲方法的改进J航空计测技术，1995，15（5）：23-254刘金亮一种脉冲高压用电阻分压器J高电压技术，1996，22（4）：65-675黄德宝，王文昌，卫玲两种变截面的高压纳秒电阻分压器J原子能科学技术，1988，22（3）：310-3156陈炜峰，蒋全兴电阻分压器性能与高纳秒双指数脉冲的测量J东南大学报，2006，36（3）：374-3797陈炜峰，蒋全兴一种电阻脉冲分压器的研制J高电压技术 ，2006，32（7）：76-788杨学昌，陈昌渔具有最佳方波响应的电阻分压器J高电压技术 ，2008，1984（4）：17-229黄德祥一种新型的600kV冲击电阻分压器J高压电器，1990（2）：22-2610曾正中，邱爱慈一种陡脉冲高电压阻分器的补偿方法J强激光与粒子束 ，1993，5（3）：36