一、检测原理分类与特性

1. 电磁感应式传感器

• 工作原理：利用罗戈夫斯基线圈（Rogowski Coil）或电流互感器（CT），感应避雷器或绝缘子放电时的脉冲电流，将变化的磁场转换为感应电压信号。

• 设计要点：

• 线圈匝数与截面积需根据被测电流范围调整，线性度与灵敏度

• 采用高磁导率磁芯材料（如坡莫合金），提升感应效率

• 设计屏蔽层（如铜网或铁氧体屏蔽罩），抑制外界电磁干扰

2. 电场感应式传感器

• 工作原理：基于电容分压原理，通过金属感应电检测放电时的空间电场变化，将电场信号转换为电压信号。

• 设计要点：

• 感应电需合理布局，优化电形状与尺寸（如圆形或平板电）

• 采用高绝缘性能材料（如聚四氟乙烯）制作绝缘外壳

• 设计低噪声前置放大器，提升信号采集精度

3. 光电式传感器

• 工作原理：利用放电时产生的光辐射，通过光电二管或雪崩光电二管（APD）将光信号转换为电信号。

• 设计要点：

• 选择合适的光谱响应范围（如 400-1100nm）的光电探测器

• 设计光学聚焦系统（如透镜或光纤耦合），提升光收集效率

• 增加光屏蔽结构，避免环境光干扰

二、结构设计优化

1. 传感器封装设计

• 材料选择：采用环氧树脂、硅橡胶等高分子材料进行灌封，提供良好的绝缘性能与机械保护

• 密封结构：设计 O 型密封圈或螺纹密封结构，达到 IP65 以上防护等级

• 散热设计：对于大功率放电检测，需设计散热片或导热通道，降低传感器温升

2. 机械强度设计

• 采用金属外壳（如不锈钢或铝合金）提升抗冲击性能

• 内部电路板采用加固设计，通过胶固定或金属支架支撑

• 连接器采用防松脱设计（如卡扣式或螺纹式连接器）

3. 安装结构设计

• 设计通用安装接口（如 U 型卡箍或法兰盘），方便现场安装

• 考虑与被测设备的电气绝缘距离要求

• 预留调试接口（如测试端子或校准接口）

三、关键性能参数设计

1. 灵敏度与检测范围

• 根据应用场景确定检测电流 / 电压范围（如 10A-10kA 或 1kV-100kV）

• 优化传感器结构参数（如线圈匝数、电面积），提升检测灵敏度

• 设计信号调理电路，实现量程自动切换

2. 响应时间与带宽

• 传感器响应时间小于放电脉冲宽度（通常需小于 1μs）

• 设计宽频带响应特性（如 10kHz-10MHz），覆盖放电信号频谱

• 采用高速采样电路（如 ADC 采样率≥10MSPS）

3. 抗干扰性能

• 设计屏蔽结构与接地系统，抑制电磁干扰

• 采用数字滤波算法（如 FIR 滤波、小波去噪）处理采集信号

• 进行电磁兼容（EMC）设计，满足相关标准要求

四、信号处理电路设计

1. 前置放大电路

• 选择低噪声运算放大器（如 OPA2211）

• 设计合适的放大倍数（如 20-60dB）

• 采用差分放大结构，抑制共模干扰

2. 滤波电路

• 设计带通滤波电路，提取有效信号频段

• 采用有源滤波器（如巴特沃斯滤波器）或无源滤波器

• 加入浪涌保护电路（如 TVS 管、压敏电阻）

3. 模数转换与数据处理

• 选择高精度 ADC 芯片（如 16 位或更高分辨率）

• 设计数字信号处理算法（如峰值检测、脉冲计数）

• 实现数据通信接口（如 RS485、CAN 总线、无线通信）

五、可靠性设计

1. 环境适应性设计

• 耐温设计：满足 - 40℃~85℃工作温度范围

• 防潮设计：采用密封灌封工艺，防止水汽侵入

• 防腐蚀设计：外壳表面进行防腐处理（如镀锌、喷涂）

2. 寿命设计

• 选择长寿命电子元器件（如电解电容寿命≥5000 小时）

• 进行老化测试与可靠性验证

• 设计冗余电路，提升系统可靠性

3. 安全性设计

• 满足电气绝缘要求（如绝缘电阻≥1000MΩ）

• 设计过流、过压保护电路

• 符合相关安全标准（如 GB/T 14048 系列标准）

六、测试与验证

1. 性能测试：

• 灵敏度测试：施加标准放电信号，验证检测能力

• 响应时间测试：测量传感器对脉冲信号的响应速度

• 抗干扰测试：进行电磁兼容（EMC）测试

2. 环境测试：

• 高低温测试：-40℃~85℃环境下性能测试

• 湿热测试：95% 湿度环境下可靠性测试

• 盐雾测试：模拟沿海环境腐蚀性测试

3. 长期稳定性测试：

• 连续运行测试：进行 72 小时以上不间断测试

• 老化测试：加速老化试验验证使用寿命

• 疲劳测试：重复放电测试验证可靠性