环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流的采集装置的制作方法

本发明涉及雷电流作用下电压电流采集技术领域，尤其涉及一种环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流的采集装置，具体涉及到环氧树脂复合材料在雷电流峰值达到数十ka以上雷电流的采集装置与采集方法。

背景技术：

雷电已成为信息化技术中的一大公害，雷电流特征参数的测量对于雷电研究和雷电防护有着十分重要的意义。

传统的雷电流采集装置采用单通道的设计，运行时工作在采集状态，若未产生有效的触发信号，则不断地将采集到的数据丢弃，当雷击发生时，产生的雷电流信号会触发采集装置的存储系统，此时便将雷电流信号记录下来。然而雷电流采集装置通常工作于环境干扰较为严重的区域，装置会因为外界的干扰造成误触发，且装置无法区分采集到的信号是雷电流信号还是外部的噪声信号，只能将其全部存储下来，不仅浪费存储资源，而且还可能因为这些错误的记录致使真正的雷电流信号被遗漏。

环氧树脂复合材料具有比强度和比刚度优良、耐腐蚀性能高、比重轻等优点。经过多年的发展，复合材料从最初应用于飞机的非承力构件逐步发展到应用于次承力和主承力的构件上。新一代的波音787和空客350中复合材料用量已达到50％以上，直升飞机的复合材料用量已经超过70％，复合材料在航空航天领域具有越来越重要的地位。

环氧树脂复合材料的导热性和导电性相较于金属材料较差，雷击复合材料时由于电弧烧蚀、气体冲击和焦耳热的作用，使复合材料中环氧树脂热解，对飞机的飞行安全带来严重威胁。雷击过程中，放电回路产生的雷电流达到数十ka以上，复合材料承受的电压也达到了数十kv，安全且准确的测量雷击时的电流值和电压值具有重要的科研和工程价值。

因此，有必要提供一种环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置，实现了光电隔离，可以使电流与计算机控制单元实现隔离，有效的保证了测量过程中的安全性，同时使用光纤传输有效的保证了测量过程中的准确性的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置，一种环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置，通过光电隔离可以使电流与计算机控制单元实现隔离，有效的保证了测量过程中的安全性，同时使用光纤传输有效的保证了测量过程中的准确性的问题。本发明通过可调式脉冲电容器组和多接入端子型调波电阻相配合，可以模拟自然界常见的多种雷电流波形。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置，包括雷电流发生装置、分压器、分流器、信号采集与控制单元和环氧树脂复合材料夹具，所述雷电流发生装置包括充电单元、可调式脉冲电容器组、多接入端子型调波电阻、调波电感和三电极气体火花开关，所述充电单元、多接入端子型调波电阻、调波电感、三电极气体火花开关与环氧树脂复合材料夹具依次串联形成第一回路，所述可调式脉冲电容器组、分流器、信号采集与控制单元依次串联形成第二回路，所述多接入端子型调波电阻、调波电感、分压器、信号采集与控制单元依次串联形成第三回路。其中第二回路和第三回路分别采集流过第三回路的电流和电压，得到电流信号和电压信号并传输至信号采集与控制单元，即分压器与分流器分别采集流过环氧树脂复合材料试品的电流与环氧树脂复合材料试品两端的电压，得到电流信号和电压信号传输至信号采集与控制单元。

作为本发明的优选技术方案，所述充电单元包括隔离变压器、升压变压器、倍压整流电路和限流电阻。

作为本发明的优选技术方案，所述的可调式脉冲电容器组通过开关可以改变接入电路的等效电容值。

作为本发明的优选技术方案，多接入端子型调波电阻共有4个输出端口，通过连接不同的输出端口可以改变调波电阻的电阻值。

作为本发明的优选技术方案，所述信号采集与控制单元包括数据采集卡、光电转换receiver模块、光电转换sender模块和计算机控制单元，所述数据采集卡的一端与电压信号和电流信号相连，另一端通过光纤依次连接所述光电转换receiver模块、光电转换sender模块和计算机控制单元。采用上述技术方案，将分压器与分流器的输出信号传递到数据采集卡中，光电转换receiver模块将数据采集卡中的数字信号转变为光信号，光电转换sender模块将光纤中的光信号转变为数字信号再传入计算机控制单元中；计算机控制单元中的采集软件处理由光电转换sender模块发出的数字信号并转换成电压波形与电流波形。这样的光电隔离可以使电流与计算机控制单元实现隔离，有效的保证了测量过程中的安全性。

作为本发明的优选技术方案，所述环氧树脂复合材料夹具包括环氧树脂支架、接地铜片和放电电极，所述放电电极和所述接地铜片均设置在所述环氧树脂支架上且所述放电电极与所述接地铜片垂直分隔设置，所述接地铜片的靠近所述放电电极的一侧放置有环氧树脂复合材料试品。

作为本发明的优选技术方案，所述环氧树脂复合材料夹具的低压端接地，所述可调式脉冲电容器组的一端与所述倍压整流电路相连接，且另一端与所述分流器的一端相连接，所述分流器的另一端接地；所述分压器的一端连接在所述调波电感与三电极气体火花开关之间，所述分压器的另一端接地；所述分压器与所述分流器的输出端均与所述信号采集与控制单元一端相连接，且所述信号采集与控制单元另一端连接在可调式脉冲电容器组与倍压整流电路之间。

作为本发明的优选技术方案，所述的隔离变压器一端与电网相连接，且另一端与升压变压器低压侧相连接；所述的升压变压器的高压侧一端与限流电阻一端相连接，且另一端接地；所述的倍压整流电路一端与限流电阻另一端相连接，另一端与多接入端子型调波电阻相连接。

作为本发明的优选技术方案，所述的环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置，其特征在于，所述的多接入端子型调波电阻共有4个输出端口，通过连接不同的输出端口可以改变多接入端子型调波电阻的电阻值。

作为本发明的优选技术方案，所述数据采集卡与所述光电转换receiver模块之间和所述光电转换receiver模块与所述光电转换sender模块之间均通过光纤相连接，所述光电转换sender模块与所述计算机控制单元之间通过数据传输线相连接。采用光纤连接数据采集卡光纤具有传输频带宽、传输损耗低和中继距离长的优点，有效的保证了测量过程中的准确性的问题。

作为本发明的优选技术方案，所述环氧树脂支架包括立架、底座和横支架，所述底座的两侧与所述立架垂直相连，所述横支架的两端与所述立架垂直相连且与所述底座平行，所述接地铜片放置在所述底座上，所述环氧树脂复合材料试品放置在所述接地铜片上；所述放电电极连接在所述横支架上且垂直于所述横支架和所述底座，所述底座和所述接地铜片在与所述放电电极相对应的位置处设有通孔。

作为本发明的优选技术方案，所述放电电极通过紧固螺母固定在所述横支架上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过光电隔离可以使电流与计算机控制单元实现隔离，有效的保证了测量过程中的安全性；光纤具有传输频带宽、传输损耗低和中继距离长的优点，有效的保证了测量过程中的准确性的问题。可调式脉冲电容器组和多接入端子型调波电阻相配合，可以较为方便的模拟自然界常见的多种雷电流波形。

附图说明

图1是本发明环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置的电路结构图；

图2是本发明环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置的多接入端子型调波电阻结构图；

图3是本发明环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置的信号采集与控制单元的示意图；

图4是本发明环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置的环氧树脂复合材料夹具示意图；

其中：1-倍压整流电路；2-可调式脉冲电容器组；3-分流器；4-多接入端子型调波电阻；5-调波电感；6-分压器；7-三电极气体火花开关；8-环氧树脂复合材料夹具；9-信号采集与控制单元；10-限流电阻；11-升压变压器；12-隔离变压器；13-输出端口；14-铜线圈；15-环氧树脂封壳；16-导电主杆；17-导电端子；18-数据采集卡；19-光纤；20-光电转换receiver模块；21-光电转换sender模块；22-数据传输线；23-计算机控制单元；24-环氧树脂复合材料试品；25-环氧树脂支架；2501-立架；2502-底座；2503-横支架；2504-通孔；26-接地铜片；27-紧固螺母；28-放电电极。

具体实施方式

所附附图中以非限制性的举例形式，说明本发明的一个实施例，随后，在详细描述中较清楚的显示本发明的另外一些特性和优点。

实施例：如图1～4所示，该环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置，包括雷电流发生装置、分压器6、分流器3、信号采集与控制单元9和环氧树脂复合材料夹具8，所述雷电流发生装置包括充电单元、可调式脉冲电容器组2、多接入端子型调波电阻4、调波电感5和三电极气体火花开关7，所述充电单元、多接入端子型调波电阻4、调波电感5、三电极气体火花开关7与环氧树脂复合材料夹具8依次串联形成第一回路，所述可调式脉冲电容器组2、分流器3、信号采集与控制单元9依次串联形成第二回路，所述多接入端子型调波电阻4、调波电感5、分压器6、信号采集与控制单元9依次串联形成第三回路；所述的充电单元包括隔离变压器12、升压变压器11、倍压整流电路1和限流电阻10。所述的隔离变压器12一端与电网相连接，且另一端与升压变压器11低压侧相连接；所述的升压变压器11的高压侧一端与限流电阻10一端相连接，且另一端接地；所述的倍压整流电路1一端与限流电阻10另一端相连接，另一端与多接入端子型调波电阻4相连接。

所述信号采集与控制单元9包括数据采集卡18、光电转换receiver模块20、光电转换sender模块21和计算机控制单元23，所述数据采集卡18的一端与电压信号和电流信号相连，另一端依次连接所述光电转换receiver模块20、光电转换sender模块21和计算机控制单元23；

所述环氧树脂复合材料夹具8的低压端接地，所述可调式脉冲电容器组2的一端与倍压整流电路1相连接，且另一端与所述分流器3的一端相连接，所述分流器3的另一端接地；所述分压器6的一端连接在所述调波电感5与三电极气体火花开关7之间，所述分压器6的另一端接地；所述分压器6与所述分流器3的输出端均与所述信号采集与控制单元9一端相连接，且所述信号采集与控制单元9另一端连接在可调式脉冲电容器组2与倍压整流电路1之间；所述数据采集卡18与所述光电转换receiver模块20之间和所述光电转换receiver模块20与所述光电转换sender模块21之间均通过光纤19相连接，所述光电转换sender模块21与所述计算机控制单元23之间通过数据传输线22相连接；

所述环氧树脂复合材料夹具8包括环氧树脂支架25、接地铜片26、紧固螺母27和放电电极28，所述放电电极28和所述接地铜片26均设置在所述环氧树脂支架25上且所述放电电极28与所述接地铜片26垂直分隔设置，所述接地铜片26的靠近所述放电电极28的一侧放置有环氧树脂复合材料试品24；所述环氧树脂支架25包括立架2501、底座2502和横支架2503，所述底座2502的两侧与所述立架2501垂直相连，所述横支架2503的两端与所述立架2501垂直相连且与所述底座2502平行，所述接地铜片26放置在所述底座2502上，所述环氧树脂复合材料试品24放置在所述接地铜片26上；所述放电电极28连接在所述横支架2503上且垂直于所述横支架2503和所述底座2502，所述底座2502和所述接地铜片26在与所述放电电极28相对应的位置处设有通孔2504；所述放电电极28通过紧固螺母27固定在所述横支架2503上。

该环氧树脂复合材料在雷电流作用下电压与电流采集装置的测量方法，具体包括以下步骤：

1)计算目标雷电流波形所需要的电容值、电阻值和电感值等电路参数，将可调式脉冲电容器组通过开关调整到目标电容值，并且选择合适的输出端口，将多接入端子型调波电阻调整到预定电阻值；

2)将环氧树脂复合材料试品24安装于环氧树脂复合材料夹具8中；

3)将计算机控制单元23中输入相关参数，包括充电电压、充电极性、充电时间、放电次数；

4)计算机控制单元23按照设定的相关参数，控制充电单元将可调式脉冲电容器组2充到指定的充电电压，计算机控制单元23此时控制施加触发脉冲将三电极气体火花开关7闭合，雷电流流过环氧树脂复合材料试品24；

5)分压器6与分流器3分别采集流过环氧树脂复合材料试品24的电流与环氧树脂复合材料试品24两端的电压；数据采集卡18采集电流信号与电压信号，光电转换receiver模块20将数据采集卡18中的数字信号转变为光信号，光电转换sender模块21将光纤19中的光信号转变为数字信号，计算机控制单元23中的采集软件处理由光电转换sender模块21发出的数字信号并转换成电压波形与电流波形。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。