脉冲强磁场装置本地测控系统的研究与设计

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1、华中科技大学硕士学位论文脉冲强磁场装置本地测控系统的研究与设计姓名：罗季申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：韩小涛20090525华中科技大学硕士学位论文磁光效应法和法拉第电磁感应法。（1）霍尔效应法美国物理学家霍尔于1879年在实验中发现，当垂直于磁场的导体有电流通过时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应，这个电势差也被叫做霍尔电势差[9]。霍尔效应首先是在金属中发现的，由于金属的霍尔效应很微弱，一直未得到应用，随着半导体技术的发展，霍尔效应在

2、测量磁场中的应用也随之迅速发展起来。但是由于半导体器件的性能受温度的影响很大，需要进行温度补偿，当温度发生剧烈变化时，霍尔元件就很难保证测量的精度；同时，当外加磁场增加很大时，就不能确保霍尔元件输出电压的线性度和稳定性；另外，由于霍尔元件的电极上总会有寄生电动势存在，即不等位电势，这也是影响测量精度的一个重要因素。上述几种原因导致霍尔元件很难用于脉冲强磁场的测量。（2）法拉第磁光效应法当偏振光通过有磁场作用的的某些各向异性介质时，由于截止电磁特性的变化，而使光的偏振面会发生旋转，这一现象称为磁光效应。法

3、拉第磁光效应是1845年由法拉第发现。当偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度L的乘积成正比，即ψ＝VBL，比例系数V称为费尔德常数，它与介质的性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质的性质和磁场方向[10]。由于在确定的温度和光源下，比例系数V可以视为常数，当选定介质的光程L便可以直接由偏转角ψ来确定磁感应强度B。采用法拉第磁光效应法对脉冲强磁场进行测量时，能够提高测量系统的耐高压、耐腐蚀、耐绝缘的特性。同时，外界干扰对

4、测量系统影响较小。但是这种测量系统实现起来比较复杂，不仅需要庞大的辅助装置，如高性能光源、起偏器、检偏器等，而且照明和光系统的焦距调整也比较复杂；其次，测量仪器的成本较高，例如一个高性能光源的价格为几万到几十万不等，这给系统带来极大的成本负担；同时，受传感器的长度的限制，偏转角通常比较小，测量的灵敏度比较低。（3）法拉第电磁感应效应法5华中科技大学硕士学位论文法拉第电磁感应法是以法拉第电磁感应定律为基础测量磁场的一种经典方法。由法拉第电磁感应定律可知，当把具有一定匝数与截面积的线圈放在磁场中，如果与线圈

5、交链的磁通发生了改变，那么线圈中就能感应出电动势。因此，通过测量线圈中感应电动势的大小或波形，就可以获得被测磁场的大小和波形。感应线圈的应用不仅实现了对脉冲强磁场磁场强度的测量，也实现了对测量回路与放电回路的隔离，非接触式的测量可以有效减少原边对副边系统的干扰，可以在很低的温度下达到较高的测量精度和线性度。利用法拉第电磁感应定律来对磁场进行测量是目前应用最广泛的磁场测量方法。通过对比以上三种测量脉冲强磁场的方法可知，霍尔效应法很难保证测量的精度和线性度，法拉第磁光效应法实现起来比较困难，法拉第电磁感应效

6、应法在保证精度和线性度的同时，比较容易实现。所以在华中科技大学脉冲强磁场装置的本地测量系统中，选择采用法拉第电磁感应效应法对脉冲强磁场进行测量。1.3.2脉冲大电流的测量测量脉冲大电流的方法通常可以分为两种：一种是侵入式脉冲大电流测量法，即分流器法；另一种是非侵入式脉冲大电流测量法，它主要包括光电转换测量法、Rogowski线圈测量法和霍尔电流互感器测量法[11]。（1）分流器法如果把一个已知的无电感、小值的纯电阻放在被测电流的主回路中，通过测量电阻上的电压大小和波形，就可以推算出放电回路中的电流大小和

7、波形，这种方法称为分流器法。但由于实际电阻或多或少都会有电感的存在，所以被测电压中均会带有感性电压分量，使得被测电流与实际电流的波形存在一定程度上的差异；另外，当有快速变化的电流流过分流器时，由于趋肤效应将会改变电阻的阻值，产生测量误差；同时，由于巨大的脉冲电流会在分流器周围形成快速变化的强大电磁场，分流器上会产生较大的热效应和力效应等，这极大地限制了分流器的使用；而且，分流器是直接接在放电回路中，不能实现放电回路与测量回路的电气隔离，当地电位升高时可能会对精密测量设备造成损坏，影响测量精度，危害实验人

8、员的人身安全。6华中科技大学硕士学位论文（2）光电转换测量法光电转换测量法是利用法拉第磁光效应发展起来的一种无源传感器的测量法，通过测量光波在通过磁光材料时偏振面受电流产生磁场的作用而发生偏转来确定电流的大小[12]。光电转换测量法的信号传输采用光纤作为介质，具有很强的干扰能力和很好的可靠性及安全性。但是由于磁光材料容易受到温度与振动等环境因素的影响，在光电转换测量系统中很难获得较高的准确度和线性度。（3）Rogowski线圈测量法Rogo