[发明专利]一种同轴型高电压脉冲测量探头结构

说明书

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。

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