一种利用压电材料测量高压信号的装置及方法
张鹤鸣
北京市无线电计量测试研究所，北京 100854
摘要：本发明公开一种利用压电材料测量高压信号的装置及方法。其特点在于：使用发射换能器和接收换能器作为电信号和声信号的转换器件，使用压电材料的压电效应来响应被测高压信号，使用时间间隔计数器测量信号传输的时间延时，从而获得被测信号的电压。本发明所述技术方案，能够利用压电材料作为测量高压信号的媒介，使高压信号转化为声信号在压电材料中传输时间的变化，不需要专门的高压测量设备，也避免了测量中对于分压器等标准件的依赖，具有更为完善和合理的溯源链。
关键词：压电材料；测量；高压信号
一、技术领域
本发明涉及高压信号测量技术领域。更具体地，涉及一种利用压电材料测量高压信号的装置及方法。
二、背景技术
千伏量级的高压直流、交流和脉冲信号在核反应、电磁干扰、高能武器等重要领域中具有非常关键的作用，能够准确测量高电压信号具有非常重要的意义。现阶段，测量高压信号的方法有若干种，在计量领域最常采用的是分压器的方法。当前由美国NlST研发的NlST-N1型电压分压器是高压测量领域的主要标准，而且几乎所有高压信号测量标准的量传值都直接或间接的来自于电压分压器标准件。然而，将溯源链中的最高标准值建立在一个具体的实物上，其标准值将会直接受到实物性能的影响，而且无法及时观察到其量值的变化，造成标准值不可靠和量传不方便。与此同时，校准过程中分压器的使用，将会改变原有的信号网络，使测量分析过程变得复杂。
压电材料对于高压信号探测具有很明显的优点，包括稳定的物理性质，较高的电场击穿电压和较宽的频率范围。它能够将高压信号通过材料本身的物理特性转化为简单可测的其它参数，从而实现高压信号的校准，并能够完善地溯源，摆脱对于分压标准件的依赖。因此，利用压电材料将会较为方便地实现高压信号的测量。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种利用压电材料测量高压信号的装置及方法，其中不需要专门的高压测量设备，避免测量中对于分压器等标准件的依赖，具有更为完善和合理的溯源链。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种利用压电材料测量高压信号的装
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置，所述装置包括信号发生器，用于产生脉冲电信号，并分为两路，一路输入发射换能器，另一路输入至时间间隔计数器的通道一；
发射换能器，用于将来自信号发生器的脉冲电信号转换为声信号，并将所产生的声信号输入至压电材料；
被测电压源，用于产生被测信号，并将所述被测信号加载至压电材料，所述被测信号可为直流信号、交流信号或脉冲信号；
压电材料，用于使发射换能器产生的声信号在该压电材料内部传播，并输出至接收换能器；同时所述压电材料受到加载的所述被测信号影响，会产生应变并进一步影响其内部传播的所述声信号；
接收换能器，用于将压电材料输出的声信号转换为电信号，并将所产生的电信号输出至时间间隔计数器的通道二；
时间间隔计数器，用于接收输入至通道一的脉冲电信号和输入至通道二的电信号，并计算通道间信号的时间间隔。
优选的，所述该装置进一步包括参考标准，用于产生标准时基信号，并分别输入至信号发生器的参考输入端和时间间隔计数器的参考输入端，使信号发生器和时间间隔计数器共时基；
优选的，所述压电材料制备为长方体形状，并放置在具有匹配接口的夹具中，使所述发射换能器产生的声信号的传播方向与所述被测信号加载的方向垂直；压电材料表面镀有或包覆金属，用于提高信号输入时的效率；在发射换能器与压电材料的接触面和接收换能器与压电材料的接触面分别放置一个绝缘薄片，防止出现短路。
一种利用压电材料测量高压信号的方法，所述方法包括利用信号发生器输出已知频率和幅度的脉冲信号，并分为两路：一路输入至发射换能器中，并确保该脉冲
信号的带宽小于发射换能器的工作带宽；另一路输入至时间间隔计数器的通道一；
发射换能器经脉冲信号驱动后产生振动，并进一步产生声信号；
将所述声信号输入至压电材料中，使所述声信号在压电材料中传输并输出至接收换能器中，所述接收换能器将得到的声信号转换为应变，并进一步转换为电信号；
将所述接收换能器输出的电信号输入至时间间隔计数器的通道二；
所述时间间隔计数器根据由通道一和通道二接收到的信号，计算并记录两信号之间的时间间隔；
将由被测电压源产生的被测信号输入至压电材料，所述被测信号可为直流信号、交流信号或脉冲信号；
所述被测信号使压电材料产生应变，造成压电材料中传播的所述声信号所经过的路径长度发生变化，从而最终造成所述时间间隔计数器通道二接收到信号的时刻发生变化，即所述时间间隔计数器的通道一和通道二之间的时间间隔发生变化；该时间间隔的变化量与所述被测信号的电压具有固定函数关系。
优选的，使用稳定的参考标准输出10MHz参考信号至信号发生器的参考输入端和时间间隔计数器的参考输入端，使所述信号发生器和所述时间间隔计数器共时基。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案优点在于使用压电材料作为测量高压信号的媒介，使高压信号转化为声信号在压电材料中传输时间的变化，不需要专门的高压测量设备，也避免了测量中对于分压器等标准件的依赖，具有更为完善和合理的溯源链。
四、附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
·创新探索
图1示出本发明实施例中一种利用压端，使信号发生器1和时间间隔计数器2电材料测量高压信号的装置的结构示意图；
共时基。
图 1
图2示出本发明实施例中一种利用压使用信号发生器1产生脉冲电信号，电材料测量高压信号的方法流程图。
并分为两路，一路输入发射换能器4，另一路输入至时间间隔计数器2的通道一。
使用基于压电效应的发射换能器4，将来自信号发生器1的脉冲电信号转换为声信号，并将所产生的声信号输入至压电材料5。
使用基于压电效应的接收换能器6，将压电材料5输出的声信号转换为电信号，并将所产生的电信号输出至时间间隔计数器2的通道二。
使用铌酸锂晶体作为压电材料5，制备为长方体形状，并在有信号输入输出的表面进行镀金处理，提高接触效率，同时将压电材料5放置在专门设计的聚甲醛树脂夹具中，该夹具具备信号输入输出所需要的端口。
在发射换能器4和压电材料5的接触面，以及接收换能器6和压电材料5的接触面处，分别放置一个0.5mm厚的玻璃，提供绝缘保护功能。
使发射换能器4产生的声信号在压电材料5中沿其长轴传播，并输出至接收换能器6。
图2
使用被测电压源7产生直流、交流或五、具体实施方式
脉冲的被测信号，并加载至压电材料5的为了更清楚地说明本发明，下面结合短轴方向，此时压电材料5中的声信号传优选实施例和附图对本发明做进一步的说播方向和加载的被测信号方向相垂直。压明。本领域技术人员应当理解，下面所具电材料5受到加载的被测信号影响，会产体描述的内容是说明性的而非限制性的，生应变并进一步影响其内部传播的声信号。
不应以此限制本发明的保护范围。
使用时间间隔计数器2，接收输入至其下面根据附图对发明做进一步描述。通道一的脉冲电信号和输入至通道二的电如图1所示，本发明公开了一种利用信号，用于计算通道间信号的时间间隔。
压电材料测量高压信号的装置，该装置包如图2所示，本发明公开了一种利用括信号发生器1，时间间隔计数器2，参考压电材料测量高压信号的方法，该方法具标准3，发射换能器4，压电材料5，接收体包括：
换能器6，被测电压源7。
S1、使用参考标准3作为标准时间参使用参考标准3产生标准的10MHz时考，产生两路10MHz参考信号，分别输入基信号，并分别输入至信号发生器1的参至信号发生器1的参考输入端和时间间隔考输入端和时间间隔计数器2的参考输入
计数器2的参考输入端，使信号发生器1
Innovation exploration
区域治理
和时间间隔计数器2共时基。
S2、使用信号发生器1产生脉冲信号，并分为两路，一路输入至发射换能器4，另一路输入至时间间隔计数器2的通道一。
S3、发射换能器4将来自信号发生器1的脉冲电信号转换为声信号，并经过在压电材料5中的传播后，输出至接收换能器6。
S4、接收换能器6的输出信号输入至时间间隔计数器2的通道二。
S5、使用时间间隔计数器2计算并记录其通道一和通道二之间的时间间隔t1。
S6、使用被测电压源7输出直流、交流或脉冲的被测信号，并加载至压电材料5。
S7、使用时间间隔计数器2计算并记录其通道一和通道二之间的时间间隔t2，并计算时间间隔的延时量Δt=t2-t1。
S8、根据已知的函数关系U=f(Δt)，计算被测信号的电压值U。
需要说明的是，本方法的S8中电压值U和时间间隔的延时量Δt的函数关系必须是已知的。如果当前装置中该函数关系未知，则需要将当前装置中的被测信号源7，更换为已知输出电压U0的信号源，然后重复S1至S8，则可以通过实验的途径预先得到当前装置中电压U0与延时量Δt之间的函数关系f，然后使用该装置进行被测高压信号的测量。
综上所述，本发明所述技术方案，提供了一种利用压电材料测量高压信号的装置及方法，其中不需要专门的高压测量设备，也避免了测量中对于分压器等标准件的依赖，具有更为完善和合理的溯源链。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
参考文献
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