在對脈沖電流實際的測量實驗中，需要產生不同頻率的脈沖電流，這就需要對脈沖電流的發生電路進行設計，本課題中設計的脈沖電流傳感器可以用來對較寬頻帶的脈沖電流進行測量。在脈沖電流發生電路的設計中，為了得到不同頻率的脈沖電流，采用了兩種方式獲得脈沖電流，一種用來產生頻率較低的脈沖電流，另一種用來獲得高頻的脈沖電流。

（1）實驗驗證電路的設計

①低頻脈沖電流發生電路根據電路理論，二階RLC 電路可以產生一個頻率較低的脈沖電流[52]，電流的原理圖如圖1 所示。有電路理論可以得到，當電路的特征根為不相等的負實數時，下圖的電路為非震蕩放電過程。不相等的負實數特征根體現在電路的參數中可以表示為CR > 2 L ，在這樣的參數設計下，電路的狀態又可以叫做過阻尼放電。在滿足過阻尼的條件下，改變電路的參數就可以改變脈沖電流存在的時間，也就是可以得到不同頻率下的脈沖電流。這樣的電路也存在局限性，因為電路中存在電感元件，所以回路中的電流不能發生突變，這樣就限制了電路產生高頻的脈沖電流，所以它不能作為高頻脈沖電流的發生電路。

圖1低頻脈沖發生電路

②高頻脈沖電流發生電路

通過上面的分析發現，高頻脈沖電流的獲得需要采用專用的發生電路，在本題實驗過程中采用了磁脈沖壓縮技術來獲得高頻的脈沖電流。磁脈沖壓縮網絡由電容和磁開關級聯組成其主要結構如圖2所示。

圖2高頻脈沖發生電路

圖中MS 為磁開關，C0、C1 和C2 為電容，圖中各個電容的取值相等，電容C0 已經充電，電壓為U0。壓縮的原理如下：磁開關相當于一個可飽和的電感，在非飽和時表現為大電感，在飽和時電感量急劇減小，變為小電感，電感值的變化量可以達到數個量級。對于磁開關來說，在非飽和時可以看作是斷路的，而在飽和時可以看作是短路的。假設在t=0 時刻開關由打開的狀態閉合，此時為電容C0 經過預先充電，具有電壓，所以以電容C0 為電源，在網孔0 中對電容C1 進行充電，在這個過程中，磁開關MS 未達到飽和，表現為大電感的特性，所以網孔1 中的電流非常小，這時就認為磁開關MS 處于關斷的狀態，此時網孔0 中的電流脈寬只與C0、C1 和L0 有關。當電容C1 充電完成，即C1 的電壓達到設計中設定值時，磁開關MS 飽和，此時的磁開關的電感量急劇減小，飽和后的電感值遠遠小于L0 的電感值，這時電感L0 相當于斷路，電容C1 在網孔1 中對電容C2 充電，這時的脈寬和C1、C2 和MS 的飽和電感值有關，因為飽和電感值小于L0 的電感值，所以網孔1 中的脈寬要小于網孔0 中的脈寬，相當于脈沖得到了壓縮。

在設計中磁開關的飽和時間滿足下面時中的關系：

式中t 為飽和的發生時刻，n、ΔB 和S 分別是磁開關的繞線匝數、磁通變化量和磁芯的截面積，V（t）時磁開關兩端的電壓，可以近似為C1 兩端的電壓。上式表示的磁開關的伏秒積特性，再設計時讓磁開關在C1 的電壓達到最大時發生飽和，這樣可以有效的提高電容之間的能量傳輸率，并且此時電容C1 上的電壓可以近似為C0 上的初始儲能電壓。通過上式還可以看出磁開關的飽和時間和初始電壓，磁開關的設計參數有關，這就需要在設計的過程中合適的選取各個參數以達到更好的脈沖壓縮效果。運用saber 仿真軟件按照圖5.10 的原理圖對磁脈沖壓縮系統進行仿真，得到網孔1 和網孔2 的電流波形如圖3所示。

圖3 脈沖壓縮電流仿真波形

從上圖的波形中可以看出網孔1 的電流相對于網孔0 來說壓縮了3~4 倍，如果需要更高頻率的脈沖電流，可以采用多級磁開關進行再次壓縮，第二級磁開關的設計原理也滿足伏秒積特性。在一級壓縮就可以滿足要求的情況下，可以通過改變電容電感和磁開關的參數來改變壓縮脈沖的周期。通過仿真結果可以發現，運用磁壓縮原理來得到高頻脈沖電流時可行的。

（2）實驗結果分析

本文中設計的脈沖電流傳感器具有較寬的頻帶，設計的積分電路可以針對不同脈寬的脈沖電流使用不同的積分方法進行還原，為了驗證設計的可行性和合理性，分別對不同脈寬的脈沖電流進行測量。

①    低頻脈沖電流的測量

前文中對低頻脈沖電流的發生電路進行了設計，在第三章中設計了傳感頭和積分電路的參數，對于脈沖寬度較寬的低頻脈沖電流，需要采用外部積分器來還原被測電流的波形，較低頻率時，主要由有源積分和無源積分來還原被測電流。在實驗中用所涉及的電流傳感器對RLC 電路中產生的低頻脈沖電流進行了測量，測量的結果如圖4所示。

圖4 低頻脈沖電流測量波形

上圖中示波器電流探頭顯示的縱坐標為電流值，本文中設計的電流傳感器輸出信號為電壓，所以傳感器輸出波形的縱坐標為電壓，經過積分電路后，被測電流和輸出電壓呈一定的比例關系。上圖中的被測脈沖電流的周期為50Hz,脈沖電流的幅值為30A。從圖中的測量結果看出，對脈沖電流的尾部檢測存在著偏差，這主要是由于外部積分器的響應速度所引起的，但是因為脈沖尾部對電源系統造成的沖擊較小，對于脈沖電流上升部分和峰值的檢測尤為重要。上圖的測量波形可以很好的反應被測脈沖電流的形狀，驗證了所設計的電流傳感器對低頻脈沖電流檢測的可行性和準確性。

②    高頻脈沖電流的測量

運用磁脈沖壓縮技術可以得到高頻窄脈沖，通過多級磁壓縮，脈沖電流的頻率可以達到數兆赫茲。本文中所設計的電流傳感器對脈沖電流測量的頻帶為340kHz，可以通過次脈沖壓縮技術得到，圖5 給出了磁壓縮技術中兩個網孔中電流的實驗波形。

圖5 磁壓縮網孔電流

上圖中大概將網孔0 中的電流壓縮了3 倍，壓縮后的脈沖電流頻率為100kHz 左右，因為實際電路中電容和電感中存在電阻，所以仿真中網孔0 中的電流震蕩不明顯。因為脈沖電流的幅值比較大，測量中網孔0 和網孔1 中電流所選用的量程不同，圖中網孔0 中的電流為10A，網孔1 中的電流為48A。為了驗證傳感器對高頻脈沖的測量效果，試驗中對網孔1 中的電流進行了測量。測試結果如圖6所示。

圖6 高頻脈沖測量波形

對高頻窄脈沖的測量主要是運用傳感器的自積分段，同測量低頻脈沖的結果一樣，傳感器的輸出信號為電壓信號，與被測電流呈比例關系。從圖中可以看出，輸出電壓波形可以還原出被測電流的形狀，很好的驗證了傳感器對高頻脈沖電流檢測的可行性和正確性。

③    脈沖電流測量的誤差分析

與直流電流的測量相同，脈沖電流的測量也需要進行誤差的分析，但是不同于直流電流的是脈沖電流的波形參數要比直流電流多，脈沖電流所具有的參數主要有脈沖上升時間、下降時間和峰值等，這些參數中上升時間和下降時間主要反映脈沖電流的頻率，而峰值的的準確檢測對于電源系統保護有著十分重要的意義。所以在下面的誤差分析中，主要是針對于脈沖電流的峰值進行研究。

在實驗中保證脈沖電流的頻率不變，改變電流的峰值，并且通過所設計的電流傳感器進行測量。和直流電流相類似，需要用直線擬合來得出被測電流的統計學上的真實值，進一步得出脈沖電流測量的相對誤差，直線擬合和直流部分相似，在此不再給出。圖7 給出了10kHz 脈沖電流峰值檢測的相對誤差。通過圖中可以看出對于脈沖峰值的檢測相對誤差在6%以內，對于較大的脈沖電流來說，可以達到檢測要求。

圖7 脈沖電流峰值相對誤差