CN101614770B - 一种基于电光效应的表面电荷测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体绝缘材料放电技术领域，涉及一种基于电光效应的表面电荷测量系统。包括激光器、单模光纤、电荷测量探头、多模光纤、光电转换器、同轴电缆和示波器，激光器的输出接到单模光纤的输入端，通过单模光纤接到电荷测量探头的输入端，电荷测量探头的输出端通过多模光纤连接到光电转换器的输入端，光电转换器的输出端通过同轴电缆连接到示波器，被测绝缘材料设置在电荷测量探头的下方，本发明测量准确度高，是一个较为理想的测量表面电荷的方法。
Description
技术领域
本发明属于固体绝缘材料放电技术领域，涉及一种基于电光效应的表面电荷测量系统。
背景技术
固体绝缘材料表面电荷积累是一种常见的物理现象。由于这些材料广泛应用于电力设备领域，这些表面电荷的存在和积累经常引起设备表面放电，导致设备绝缘老化，甚至发生事故。因此，研究表面电荷分布、积累过程与放电现象的关系，进而探索如何抑制电荷积累和放电现象具有重要的意义。
研究固体绝缘材料表面电荷的分布和积累需要借助表面电荷测量技术，当前国内外常规和通用的测量方法是静电探头法。该方法需要采用静电感应和电容分压的原理来进行测量。由于电容探头的引入会使绝缘材料表面的电场和电荷分布产生畸变，探头的大小和结构会对系统测量的分辨率和灵敏度产生很大的影响，严重影响了测量的准确性。
发明内容
针对现有技术的静电探头法的测量方法和设备对被测数据影响较大的问题，本发明采用普克尔斯(Pockels)电光效应方法对固体绝缘材料进行表面电荷测量。本发明提出如下技术方案：
一种基于电光效应的表面电荷测量系统，包括激光器，单模光纤， 电荷测量探头，多模光纤，光电转换器，同轴电缆和示波器。激光器的输出端接到单模光纤的入端，通过单模光纤接到电荷测量探头的输入端，电荷测量探头的输出端通过多模光纤连接到光电转换器的输入端，光电转换器的输出端通过同轴电缆连接到示波器，其中所述电荷测量探头由普克尔斯电光晶体、1/8波片、偏振分光镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第一准直镜和第二准直镜构成，第一准直镜、第二准直镜，第二准直镜设置在第一准直镜的下方，第一准直镜与偏振分光镜、第一全反射镜、第二全反射镜、1/8波片、普克尔斯电光晶体依次连接，第二全反射镜位于偏振分光镜的下方，第二全反射镜的输出端与第二准直镜连接，在普克尔斯电光晶体朝向被测试绝缘材料的一面设置有介质反射膜。
所述的激光器由电池或稳压电源供电，能够产生功率达17mw的光源。
第一准直镜接到偏振分光镜的输入端，偏振分光镜和1/8波片通过光学胶连接到一起。普克尔斯电光晶体一端镀有氧化铟锡(ITO)透明电极，该端面与1/8波片胶合，另一端镀有介质反射膜。全反射镜接到偏振分光镜的出光侧，实现光路偏转。
所述的光电转换器，测量波长范围320mn-1000nm，响应度最大为0.53A/W，增益可以调整，将多模光纤中接收到的光信号转换为电信号，通过同轴电缆接到示波器，在示波器上显示测量波形。
这种测量方法的工作原理是，当电荷测量探头放置在被测绝缘材料表面上方时，固体绝缘材料表面电荷在其周围空间形成电场分布， 当电场施加在具有电光效应的晶体上时，会引起该晶体介质折射率变化，通过电光调制，可将这种折射率的变化转换为透过该晶体的光强的变化，通过测量光强将光信号转换为的电信号就可以反映表面电荷的分布状况。光学探头属于电介质材料，对被测电荷分布影响很小，因此可以对测量带来的影响也很小，测量准确度较高，是一个较为理想的测量表面电荷的方法。
附图说明
图1为本发明基于电光效应的表面电荷测量系统结构示意图，
图1中的符号表示：激光器1；单模光纤2；电荷测量探头3；多模光纤4；光电转换器5；同轴电缆6；示波器7；被测绝缘材料8。
图2为本发明电荷测量探头结构放大示意图。
图2中的符号表示：介质反射膜9；1/8波片10；偏振分光镜11：第二全反射镜12；第一准直镜13；第二准直镜14，普克尔斯电光晶体15，第一全反射镜16。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。
具体实施方式
参见图1，基于电光效应的表面电荷测量系统的构成。激光器1的输出逍通过单模光纤2接到电荷测量探头3的输入端，电荷测量探头3的输出端通过多模光纤4连接到光电转换器5的输入端，光电转换器5的输出端通过同轴电缆6连接到示波器7，电荷测量探头3放置在被测绝缘材料8表面的上方，距离被测绝缘材料2mm。
所述的激光器1为波长658mn，功率为17mw的半导体激光器，由电池或稳压电源供电。
如图2所示，所述的电荷测量探头3由普克尔斯电光晶体15，1/8波片10，偏振分光镜11，第一反射镜16，第二全反射镜12，第一准直镜13和第二准直镜14构成。第一准直镜13接到偏振分光镜11的入光侧，偏振分光镜11和1/8波片10通过光学胶连接到一起。普克尔斯电光晶体15采用Bi4Ge3O12晶体，一端镀有氧化铟锡(ITO)透明电极，该端面与1/8波片10胶合，另一端镀有介质反射膜9。第一全反射镜16与第二全反射镜12接到偏振分光镜11的出光侧，实现光路偏转。
所述电荷测量探头由普克尔斯电光晶体15、1/8波片10、偏振分光镜11、第一全反射镜16、第二全反射镜12、第一准直镜13和第二直镜14构成，第二准直镜14设置在第一准直镜13的下方，第一准直镜13与偏振分光镜11、第一全反射镜16、第二全反射镜12、1/8波片10、普克尔斯电光晶体15依次连接，第二全反射镜16位于偏振分光镜11的下方，第二全反射镜12的输出端与第二准直镜14连接，在普克尔斯电光晶体15朝向被测试绝缘材料的一面设置介质反射膜9。
所述的光电转换器5，测量波长范围320nm-1000m，响应度最大为0.53A/W，增益可以调整，能将多模光纤4中接收到的光信号转换为电信号，光电转换器5的输出端通过同轴电缆6接到示波器7，在示波器7上显示记录测量波形。
测量过程：将本发明的基于电光效应的表面电荷测量系统的激光器开启，激光器1发出的激光信息号通过单模光纤2，通过电荷测量探 头3的第一准直镜13入射到偏振分光镜11，形成偏振光，偏振光通过1/8波片10，进入普克尔斯电光晶体15，在介质反射膜9的一端反射回来，然后光路通过第一全反射镜16和第二全反射镜12实现光路偏转，光信号经由第二准直镜14耦合到多模光纤4中，通过光电转换器5将光信号转换为电信号送入示波器7，即可达到测量固体绝缘材料表面电荷分布状况的目的。当把电荷测量探头3置于待测区域，表面电荷形成的电场作用在普克尔斯电光晶体15的折射率会发生变换，通过上述光路的调制，将折射率转换为光强的变化，通过测量光强的幅值即可以获得对应的电荷分布的数据。
Claims (4)
1.一种基于电光效应的表面电荷测量系统，其特征在于：包括激光器(1)、单模光纤(2)、电荷测量探头(3)、多模光纤(4)、光电转换器(5)、同轴电缆(6)和示波器(7)，激光器(1)的输出端接到单模光纤(2)的输入端，通过单模光纤(2)接到电荷测量探头(3)的输入端，电荷测量探头(3)的输出端通过多模光纤(4)连接到光电转换器(5)的输入端，光电转换器(5)的输出端通过同轴电缆(6)连接到示波器(7)，被测绝缘材料(8)设置在电荷测量探头(3)的下方，所述电荷测量探头(3)由普克尔斯电光晶体(15)、1/8波片(10)、偏振分光镜(11)、第一全反射镜(16)、第二全反射镜(12)、第一准直镜(13)和第二准直镜(14)构成；第二准直镜(14)设置在第一准直镜(13)的下方，第一准直镜(13)与偏振分光镜(11)、第一全反射镜(16)、第二全反射镜(12)、1/8波片(10)、普克尔斯电光晶体(15)依次连接，第二全反射镜(12)位于偏振分光镜(11)的下方，第二全反射镜(12)的输出端与第二准直镜(14)连接，第二全反射镜(12)的介质反射膜设置在普克尔斯电光晶体(15)朝向被测试绝缘材料的一面。
2.根据权利要求1所述的基于电光效应的表面电荷测量系统，其特征在于：所述的激光器(1)为波长658mn，功率为17mW的半导体激光器，由电池或稳压电源供电。
3.根据权利要求1所述的基于电光效应的表面电荷测量系统，其 特征在于：所述的光电转换器(5)，测量波长范围320nm-1000nm，响应度最大为0.53A/W，增益可以调整。
4.根据权利要求1所述的基于电光效应的表面电荷测量系统，其特征在于：所述电荷测量探头(3)与被测绝缘材料(8)的距离不大干2mm。
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