波导电火花检测

1、波导电火花检测技术报告目录 TOC o 1-5 h z 概述21.1文档目的 2 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 1.2产品（项目）背景概述 2 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 用户描述 3 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 产品定位 3 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 1.5产品应当遵循的标准或规范 3 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 特

2、性描述3结构需求 3功能需求 5 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 性能需求8性能要求 8质量属性 9接口要求 9结构要求 9其他十系人需求 9 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 约束和限制9 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 5版本规划9 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 用户需求变化和修改 10 HYPERLINK l bookmark96 o Current Document 方案与实现10

3、火花发生装置 10探测器 15处理板 18报警装置 23整体接线图 23 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 实验室测试24概述文档目的本文档用于描述“微波波导放电火花检测仪”的技术报告。主要根据 调速管、陶瓷耦合窗保护的需求而编写。目的是作为“微波波导放电火花检 测仪”的开发技术报告。产品（项目）背景概述速调管是电真空器件，目的是对微波进行功率、频率放大。常用的放大器 件有磁控管、固态器件、四级管、调速管等，其中调速管可以将功率和频率 均放大很高，功率最高可放大至45KW，频率最高可达3GHz。我们公司的微 波功率放大采用的就是调速管，目的就

4、是给加速器提供电子源，又作为功率 源。其原理是用电子流做媒质，利用电子渡越时间效应，以对电子注的速度 调制并转为密度调制为基本原理，将电子注直流能量转换成高频能量的一种 装置。调速管灯丝工作在真空环境下，经过速度调制、群聚、激励谐振腔、 再调制、再激励的反复过程，电子注的一部分能量转换成高频能量，即功率 放大后的微波。放大后的微波经过波导传送出去，隔离调速管和波导的材料为陶瓷耦合 窗，陶瓷耦合窗密封好、绝缘好、强度高、耐压。随着微波功率的增大，陶 瓷耦合窗与波导接触的地方容易产生严重的打火现象，产生电火花的原因主 要有：陶瓷耦合窗表面不干净、高压气体不纯净、表面接触不规则。偶尔的 打火不会给设

5、备造成损坏，一旦连续打火造成陶瓷窗损坏，会使波导内的高 压气体SF6强氧化剂进入调速管，使得灯丝烧坏，引起微波停束，会给公司 带来巨大损失。因此我们需要制作一种检测系统，既能够在实验室完成模拟打火的实验， 也能够满足现场实际打火的检测。检测系统需要尽可能的模拟现场波导打火 的实际情况，现场一般打火的脉冲宽度约为16us，电压为几万伏，现场具有 极强的电磁干扰，并且打火时除了 “有用信号”即光信号外，同时还伴随着极强的电磁干扰信号。在这种条件下，检测装置要具有较强的灵敏度，能正 确区分现场的干扰信号和打火时的“有用信号”即光信号。在发生打火现象 时，有时并非只有一个打火，往往会是一连串的打火，因

6、此需要在一定时间 内抑制连续打火现象，即在固定时间内发生大于或等于固定次数的打火视作 危险信号，系统要正确检测出来并需要上报主控台一个报警信号。主控台启 动保护动作，从而对调速管起到检测保护作用。用户描述本系统的用户主要为以下相关人员：生产测试人员、安装调试人员、质量 检验人员、研发人员。生产测试人员、质量检验人员和系统测试员通常具有丰富的测试经验， 能够利用本产品开展生产、测试、质量检验工作；安装调试人员能够利用做 出的电路板或装置进行正确的安装，能对系统简单进行维护；装置研发人员 掌握装置的原理和特性，能对系统进行开发完善和维护，能从测试报告中获 取详细信息以利于装置的研发和改进。产品定位

7、本系统主要完成调速管微波波导电火花监测、模拟测试、自检、报警等功 能。采用本系统进行电火花监测，可以有效降低调速管高压放电造成的损失， 提高生产安全运行，提高系统维护效率。本系统主要在公司内部使用，用于保证监控和保护相关装置的安全运行； 其带来的经济效益是间接的，主要体现在监控和保护相关装置给公司带来的 直接经济效益中。产品应当遵循的标准或规范本系统应当遵循公司的产品标准和成套工艺文件。2特性描述2.1结构需求2.1结构需求本系统应由模拟波导暗室、火花发生装置、处理板、探测器三个主要部分 组成。其中火花发生装置和模拟波导暗室不需要放到现场，只需要在实验室 实验中采用。而探测器和处理板还要放到现

8、场使用。结构示意图如图1所示：图1系统功能结构示意图模拟波导暗室我们的系统在试验阶段需要模拟现场波导，需要对暗室的形状、尺寸、材 料、颜色、电火花源与探测器距离等进行尽可能真实的模拟。内部主要有电 火花发生电极、探测器传感器电路板。现场装置有两个观察窗，距离陶瓷耦 合窗的距离最远的约为400mm，为了保留足够的冗余，我们采用暗室长为 500mm，传感器至电火花光源距离为450mm。采用不透光的圆筒状或方筒状 的不透光材料，一般为铝合金材料。现场的观察窗通孔为直径4mm，因此在 实验室中传感器的前面也要加一个开孔直径4mm的挡板。火花发生装置火花发生装置的作用是产生模拟现场打火的高压发生装置。其

9、内部主要有 高压电火花发生电路板、高压包、开关电源、控制板组成。结构上要求外部美观、结实，操作面板简单实用，外壳接地，对外部干扰 有良好的抑制，并且能良好的抑制自身产生的强电磁干扰对外发射。探测器探测器结构上要求能正确、方便地安装到模拟暗室和现场的观测窗内，这 就要求探测器的板卡比较小，易于固定到安装座上。探测器的尺寸主要由现 场的观测窗的大小决定。根据图纸文件，要求探测器板卡直径在40mm以内， 探头在O 4mm左右，探头能对准观察窗的通孔。安装座刚好能够固定在观察 窗上，并且连接处、外壳保证不透光。2.1.4 处理板处理板的作用主要是对打火现象进行判断并对打火次数进行计数，当在固 定时间内

10、超过固定打火次数就给主控台发送一个报警信号。结构上的要求是尺寸不宜太大，方便固定到现场的机柜内。要求接口方便 统一，易于走线和安装。2.2 功能需求2.2.1 电火花发生装置电火花是一种自激放电，其特点如下：火花放电的两个电极间在放电前具 有较高的电压，当电压足够高时，期间介质被击穿，随即发生火花放电。伴 随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。 根据文献电火花放电能量测量及放电过程分析可知，利用高频脉冲变压 器产生的每个火花放电约为两个周期，其储能越大，放电时间越长，放电强 度越高。图2显示了 12J的能量在放电过程中功率的波形，由图可知每次电 火花的功率呈衰减状态

11、，第一个周期的能量最大。转换成光能分析，光源会 有微小的波动。图3显示了最佳放电时间与储能近似线性增加的关系。图4 显示了电火花放电过程波形，从图中可知放电过程中电流有反向，放电功率 集中在第一个周期。因此我们在实际试验过程中需要把负方向上的电流滤除，只保留正方向上 的电流，这样能量就集中在了第一个周期的正半轴，第二周期的干扰信号暂 不考虑。图2、图3、图4如下所示：图3放电时间与储能关系曲线图2图3放电时间与储能关系曲线图2放电功率波形图（E=12J ）图4电火花放电过程波形（E=12J ）现场的电火花大约脉宽为10us量级，火花间隔至少为2ms ,要想检测这 样的火花就需要尽可能的模拟这样

12、的火花。产生火花的方式有多种，常见的 是用高压电容充电后放电，但是这样放电时间和放电间隔无法做到精确控制。 另外一种方式就是利用高频变压器的自感电动势产生瞬时高电压。这种方式 的控制就相对容易些，只要能控制高频变压器的开关时间、间隔就可以控制 火花的间隔和脉冲宽度。为了很好地检测电火花需要在暗室内部产生类似于现场电火花的火花，一 般来说现场电火花的维持时间在16us，火花间隔为至少2ms，为了提供更多 的冗余，该装置要做到电火花维持时间在5us至20us，间隔为1ms至20ms， 并且为了可靠的计数，发生的电火花次数也要有固定的个数，可以为1-9个。 放电强度即使远远弱于现场的电火花强度也应该

13、没有问题，只要能检测到微 弱的电火花，那么现场的电火花也应该能够检测出来。火花发生装置的操作面板需要有参数设置、运行显示、控制按钮等。为了便于调试人员调试，可以在操作面板上采用便于示波器信号采集的信号 引出挂钩，以方便调节火花发生的周期和脉宽。火花发生装置内部采用开关电源供电，低电压用于控制板，高压发生装置 采用交流220V供电，在测试时可以用电位器调节供电电压大小。探测器电火花传感器电路需要利用光电管将电火花产生的光信号转换成电信号， 并经过预处理后送给电火花检测电路，光电传感器和预处理电路的频率响应 要达到1us-10us的数量级，此外该模块还有一个自检的LED灯可以接收来自 火花检测电路

14、的自检信号，从而验证传感器电路和火花检测电路能否工作正 常。传感器电路需要安装到观测窗上，尺寸需要注意，光电传感器产生的电 流比较微弱，采取预处理要保证采集后的电压信号要足够强不要淹没在走线 的干扰中，此外还要注意采取抗干扰措施，因为火花检测电路距离传感器电 路还有一段距离，现场的电磁环境很复杂。这就要求选择的光电管灵敏度和 区分度要高，响应速度快。处理板电火花检测电路主要完成电火花的计数、自检、报警功能。该电路只能采 用现场给的12V或者24V直流电源供电，并且该电路也要给传感器电路供电。 该部分需要采用数字电路搭建电路，不能采用单片机电路，因为现场的电磁 环境太过复杂，容易使单片机程序失控

15、。功能上需要在每隔5分钟，如果检 测到大于或者等于3个电火花则给主控台传送一个报警信号，如果小于3个 火花则不做处理，复位后重新计数。自检电路需要调试人员可以在电路板上 做手动的控制传感器电路上的LED的亮灭，从而验证电火花传感器电路和检 测电路能否正常工作。报警电路可以通过光耦器件传递信号给主控台，该信 号要求为暂态信号，不要求为保持信号，以便主控台方便处理。参数设置主要有复位时间、计数个数、自检信号、人工复位，报警显示主 要是采用LED指示，由于报警信号为上升沿触发，需要给LED报警灯维持 信号，该报警灯可以在计数复位时自动熄灭或者人工复位。控制按钮主要有自检按钮、人工复位按钮。处理板接口

16、统一，抗干扰性强。3 性能需求性能要求系统总体性能指标系统连续运行时间3 10000小时环境条件工作环境温度：-10 C+ 55 C相对湿度：5%95%大气压力：86kPa106kPa额定参数交流频率：.默认50Hz交流电压：默认220V交流电流：默认2A直流电压：默认12V功率消耗无特殊要求。绝缘（固定台及其联络线）不低于相关产品标准约束。电磁兼容抗电磁干扰3严酷级3.1.7机械性能3.1.7机械性能符合现场安装尺寸要求。质量属性健壮性系统能够通过手动按钮进行自检验证自身功能。灵活性一一针对不同的环境要求可以更改主要参数的档位。可靠性本系统对可靠性要求高，必须保证足够精确。易用性一一本系统操

17、作简单，测试过程除调试验证外无需人为干预。安全性智能仪器只在内部使用，部分电路板用在现场。维护性调试成功后可反复使用，维护工作量小。可扩展性预留必要的接口方便扩展新功能。接口要求方便与现场接线端子、传输线缆可靠连接即可。结构要求模拟暗室不透光尽可能模拟现场波导内真实情况，电火花传感器电路板探测 器与观察窗对准，安装方便，保证不透光。3.5 其他干系人需求相关干系人需求描述机加工协助完成相关零部件制作约束和限制无。版本规划版本说明V1.0采用最简单的方法用最快的时间拿出一个能基本满足电火花检测需要的版本增量版本从稳定、可靠、开放性的角度完善系统，以满足各项需求6用户需求变化和修改需求变更1需求变

18、更12优先级备注7 方案与实现方案与实现主要从以下几个模块来阐述：火花发生装置、探测器、处理板、 报警装置、总体接线图。7.1 火花发生装置门电路脉冲调制电路主要完成周期为2ms，脉宽为16us的驱动信号。一 开始该部分采用了门电路来搭建，也能够实现要求，但是由于各器件的复位 时间不一致或者是电磁干扰导致火花发生个数不是很精确，因此该电路被舍 弃。该部分的电路如图5所示。其原理主要是由CD4060时钟芯片产生2ms 或者2 An ms的周期信号，然后通过选择开关送出一路信号至单稳态CD4098 产生16us的脉冲信号，脉宽也是可调的，另一路至计数器CD4017计数，在 计数到固定数以前，触发器

19、的Q3维持为低电平，经过反相器74HC14后为高 电平，然后至S8050的基极B，使得S8050饱和导通，这样单稳态芯片CD4098 的Q1产生的16us的脉冲信号就可以通过S8050传递至J2。当计数到达固定脉冲数后，CD4017对应的Qn产生一个上升沿信号，触 发D触发器74HC273的CP管脚，触发器的Q3翻转为高电平，经过反相器 74HC14后翻转为低电平，从而导致S8050截止，这样CD4098的Q1产生的 16us脉冲就无法通过S8050送给J2。元件U3，MAX706的作用是给出一个触发信号，选择MAX706是为了给 出一个可靠的，无抖动的触发信号可解决按键的抖动问题，该信号通过

20、 74HC14返相后，经过一个RC微分电路得到一个很窄的尖峰信号，该信号再 次经过74HC14整形之后作为给时钟芯片CD4060、计数器CD4017、触发器 74HC273的复位信号。这样每次按下P1，以上芯片复位一次，即可给J2端 口发送一连串的周期为2ms，脉宽为16us的脉冲信号。而且这些脉冲的周期 和脉宽都可以通过选择开关调整。该电路的缺点之一是上电之初就会给J2发送一串脉冲信号，等计数到预 设个数后才会停止输出脉冲，只有再按下P1之后才会给J2发送脉冲信号。另一个缺点是时钟芯片CD4060、计数器CD4017、触发器74HC273的复位时 间不一致导致最后给J2的脉冲个数有时候会有一

21、定的误差。调整复位时间可 以尽可能的减少误差，但是还是会有误差。因此最后放弃了该电路作为高压 发生装置的驱动板。QI OQOGG。MMD02 沥gCtMOtfO% Q103QI OQOGG。MMD02 沥gCtMOtfO% Q103图5门电路搭建脉冲驱动电路图及PCB最后采用更为方便设计和调试的单片机驱动板，该驱动板需要4个按键， 分别表示触发1、2、3、4次，脉冲周期可以在程序里面调整，脉冲宽度可以 通过调节电位器来调节单稳态CD4098的输出。这样发送给高压板的驱动信 号就很稳定和可靠了，当然前提是要解决单片机在强电磁干扰下的抗干扰问 题。图6即是利用单片机搭建的脉冲驱动板。简单的介绍下其

22、工作过程，在 程序里面设计好脉冲周期，然后四个按键作为外部中断信号，经过一个 74HC20四输入与非门，并取反后给单片机的外部中断端口，在外部中断程序 中读取四个按键对应的I/O的电平，从而判断是哪个按键按下，然后对应输 出相应个固定周期的脉冲。该脉冲信号还是经过一个单稳态电路CD4098调 整期输出脉宽为16us。该电路在实际的调试过程中发现有时单片机有时会死机，尽管已经开启内 部看门狗，正常喂狗。可能是单片机板距离高压包太近，每次打火对单片机 的干扰较大。处理时尽量将单片机板远离高压包。enfo key o MSparkTest QMMDC-2_BDD3 谷 。oo11001 IIenfo

23、 key o MSparkTest QMMDC-2_BDD3 谷 。oo11001 II图6单片机搭建脉冲驱动电路图及PCB高压部分的电路主要由交流220V输入经过整流滤波后得到约为310V的 直流电压。直流310V作为高压包初级线圈的输入电压，高压包初级线圈的导 通由场效应管7N90控制，该场效应管可以承受7A，900V的功率输出，驱动 高压包是没有问题的。场效应管的通断控制高压包初级线圈的充放电，然后 高压包的次级线圈升压得到高压，高于一定电压后接口击穿空气发生打火现 象。场效应管的漏极与直流310V之间接一个反向吸收和续流电路，由FR208 并接一个102/630V 的CBB电容，然后串

24、联1k的电阻。该部分实际就是普通 开关电源的反向吸收和续流电路。场效应管的驱动由隔离变压器T1来驱动， 这样可以有效隔离低压驱动信号和高压部分。然后隔离变压器由S8050来驱 动，S8050接收来自单片机脉冲驱动板提供的脉冲信号。布板的时候注意强 电的参考地和控制部分的参考地分开，距离达到8mm以上的距离。高压包采 用黑白电视机的高压包，顺时针开始数，123脚是空了，4是高压地线，5678 是用来振荡用的绕组，58是头尾，67是他们的抽头。制作时采用外面的磁芯 绕上铜丝，作为高压包的初级线圈。高压部分电路图及PCB图如图7所示：图7高压部分电路图及PCBoEl +图7高压部分电路图及PCBoE

25、l +7.2 探测器电火花维持时间为us数量级，每个火花间隔为ms级，这要求传感器的响应时间至少 为us级，我们选用一种型号为PT3A850AC-A4的光电三极管，该元件的主要参数如表格1 所示：名称符号测试条件典型值单位反向击穿电压VrIr=1uA E=0LX12V暗电流IdVr=1V E=0LX305070光谱响应范围AVr=1V E=100LX530750480620360520nm响应时间=5K。这里的复位脉宽尽可能的小，根据手册 中的FIGURE8可知C2为101。注意Rx 一定要大于5K。复位部分电路如图15所示：(n二 xy)山UNVLEWUJC*_IZEUJJ.XUJ图15(n

26、二 xy)山UNVLEWUJC*_IZEUJJ.XUJ图15复位部分电路Q12Q13Q14Q7Q+COUTGNDCOUT8CX1VDDRXCX1CX2RE5ET1RXCX24TR1RESET!-TR1+TR2Q1-TR2Q1VSST=2.2(R7+CR1)*C2T分频=2、*T比较电路采用施密特特性的反向器74HC14阈值电平3.5V，自带整形，CZ1和CZ2可以滤除部分高频噪音，R2的作用是下拉和提供输入电压。R2 的作用非常重要，传感器传过来的信号有许多噪声信号，噪声信号一般只有 电压，没有电流，只有有用信号产生的电流信号才能在R2上产生电压，从而 使电平翻转。如果是噪声信号，则不能在R2

27、上产生压降，也就无法在反相器 产生电平翻转。反相器74HC14还具有复位电平翻转，触发电平翻转的作用。 因为计数器CD4017是高电平复位，而74HC273锁存器是低电平复位。KEY 是自检按键，接到传感器上的白光二极管，按键按下可以点亮白光二极管， 探头感光后放大即可在控制板上响应，从而自检传感器电路。比较电路部分 如图16所示：图16比较部分电路图计数和LED报警电路主要由计数芯片CD4017和D触发器74HC273组成。 CD4017为高电平复位，14管脚CLK接收触发信号，并计数，每计一个数对 应的输出Qn对应一个脉冲信号，脉宽与输入信号宽度一致。S1为选择开关， 选择计几个脉冲后报警

28、。注意CD4017的输出端输出电流很小，Iout1uA， 达不到触发器要求的输入电流，因此需要加驱动信号才能驱动后端触发器和 单稳态芯片，这里的驱动信号还是通过74HC14门电路的续流来驱动。CD4017 输出信号经过两次取反后可以驱动后面的触发器和单稳态芯片。74HC273为 D触发器，低电平复位，当输入Dn为某电平值时，CP端来一个上升沿信号， 即可使得对应的Qn保持为Dn的电平值，直到MR端有低电平复位后，Qn 才恢复初始电平0。这样触发器在收到报警信号的上升沿信号后Q2保持为 D2的高电平，从而点亮发光管，直到复位信号来临时LED才会熄灭。复位电路主要功能是清除计数值和清除报警LED指示。除了复位电路产生的自动复位信号（周期约为5分钟），控制板还提供了 一个人工复位输入端， 方便调试时使用。在正常工作条件下为高电平的线路上接出一个不保持按键 P2，经过电容E3至参考地，按键在按下的瞬间电容E3充电，将该信号线拉 低，电阻和电容提供抗干扰的功能，防止按键抖动造成多次复位。计数、LED 报警、人工计数报警复位如图17所示：5 1 o i 6 7 3 ca QQ Q Q Q Q QU-00112 2