CN102175931A - 一种基于Pockels效应的二维表面电荷测量系统及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Pockels效应的二维表面电荷测量系统及其测量方法，该测量系统包括测量核心单元、检偏器和相机，检偏器位于核心测量单元与相机之间；所述测量核心单元由LED平面光源、圆偏振片和Pockels晶体构成，圆偏振片设置在LED平面光源和Pockels晶体之间，Pockels晶体设置在靠近检偏器的一侧；所述Pockels晶体以光学玻璃为衬底，粘贴在光学玻璃的外侧，光学玻璃内侧镀有氧化铟锡透明导电薄膜做为地电极。该方法能够在绝缘材料放电过程中快速动态地记录二维表面电荷的发展过程并同时反演电荷的极性和密度信息，并且该装置结构简单，实现方便，在材料表面放电研究中提供了很好的研究手段。

Description

一种基于Pockels效应的二维表面电荷测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明属于固体绝缘材料放电特性测量领域，涉及一种基于Pockels效应的小型二维表面电荷测量系统。
背景技术：
固体绝缘材料的表面放电现象是导致设备老化、出现故障的重要原因，越来越多的学者和技术人员在表面放电的成因和发展机理方面展开了研究。
研究表面放电现象需要借助电荷测量技术。目前，常用的表面电荷测量技术有粉尘图法、静电探针扫描法和电光效应法等。粉尘法主要用于施加电压撤除后，对材料表面放电形态进行定性的研究，静电探针扫描法可以进行放电的定量测量，但该方法也仅能用于电压撤除之后对表面电荷进行测量。电光效应法是指一些晶体折射率的变化与外加场强成正比，这种线性比例效应又称之为普克尔斯(Pockels)效应，因此利用Pockels效应法可以将表面电荷形成的电场变化信息转化光强变化信息，利用高速相机拍摄光强信息即可得到表面电荷的分布。该方法可以实时记录放电过程中的电荷变化情况，因此具有很大的优势，但Pockels效应测量系统的设计多采用分立器件，设备体积大，结构复杂，调试起来比较困难。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于Pockels效应的二维表面电荷测量系统，包括测量核心单元、检偏器和相机，检偏器位于核心测量单元与相机之间；所述测量核心单元由LED平面光源、圆偏振片和Pockels晶体构成，圆偏振片设置在LED平面光源和Pockels晶体之间，Pockels晶体设置在靠近检偏器的一侧；所述Pockels晶体以光学玻璃为衬底，粘贴在光学玻璃的外侧，光学玻璃内侧镀有氧化铟锡透明导电薄膜做为地电极。在Pockels晶体外侧覆盖被测透明绝缘材料，被测透明绝缘材料上连接有接高压的针电极。所述测量核心单元还包括一个侧放的有机玻璃框架，LED平面光源设置在有机玻璃框架底部，在LED平面光源前方依次设置有圆偏振片和Pockels晶体；所述Pockels晶体附着在光学玻璃外侧。
所述的LED平面光源产生面积为25mm×25mm、波长为651nm的红光。
所述的圆偏振片由线偏振片和1/4波片胶合而成，尺寸为45mm×45mm，厚度为0.75mm。
所述Pockels晶体采用Bi12SiO20晶体，通光面尺寸为20mm×20mm的方形，厚度为200μm，附着在1mm厚的光学玻璃上。
测量时，首先将被测透明绝缘材料覆盖到Pockels晶体上；打开LED平面光源，将圆偏振片反向插入有机玻璃框架，形成线偏振光，旋转检偏器找到最大光强和最小光强位置，并用相机拍摄记录最大光强和最小光强；然后将圆偏振片正向插入有机玻璃框架，形成圆偏振光；在针电极和氧化铟锡透明导电薄膜电极上施加电压，在材料表面上产生放电，表面电荷形成的电场作用在Pockels晶体时，Pockels晶体的折射率就会发生变换，利用上述光路的调制，这种折射率变换转换为光强的变化，通过相机采集光强信息就可以推算出应二维电荷分布。
所述相机拍摄是指：采用高速相机进行放电过程的连续拍摄，或者采用增强型电荷耦合器件相机进行单幅瞬时拍摄。
测量时，将透明的绝缘薄膜材料覆盖到BSO晶体上，在材料上施加电场产生表面放电。表面电荷形成的电场就会在BSO晶体上产生相位差。该相位差的变化可通过上述装置就会转化为光强的变化，通过相机测量光强就可以反映表面电荷的分布状况。
该方法能够在绝缘材料放电过程中快速动态地记录二维表面电荷的发展过程并同时反演电荷的极性和密度信息，并且该装置采用集成化设计，结构简单，实现方便，在材料表面放电研究中提供了很好的研究手段。
附图说明：
图1为本发明的二维表面电荷测量系统结构示意图；
图2为本发明该设备在聚酰亚胺薄膜材料表面放电中测量得到的电荷分布图；
其中：1为LED平面光源；2为圆偏振片；3为Pockels晶体；4为检偏器；5为相机；6为有机玻璃框架；7为氧化铟锡透明导电薄膜；8为光学玻璃；9为针电极；10为被测透明绝缘材料；11为光学支架。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图，本表面电荷测量系统的构成。LED平面光源1，圆偏振片2和Pockels晶体3固定在有机玻璃框架6上，一起构成测量核心单元，整体尺寸大小为55mm×75mm×75mm。检偏器4置于相机5和测量核心单元之间。Pockels晶体3采用Bi12SiO20(BSO)，通光面尺寸为20mm×20mm的方形，厚度为200μm，附着在1mm厚的光学玻璃(BK7)8上。光学玻璃8另一侧镀有氧化铟锡透明导电薄膜(ITO)7，并引出接地。所述的LED平面光源1产生面积为25mm×25mm，波长为651nm的红光。所述的圆偏振片2由线偏振片和1/4波片胶合而成，尺寸为45mm×45mm，厚度为0.75mm。所述的相机5采用高速相机进行放电过程的连续拍摄。由LED平面光源1，圆偏振片2和Pockels晶体3和有机玻璃框架6一起构成测量核心单元可以置于密封腔体中，研究不同气体氛围或不同气压下的表面放电。这些部件利用光学支架11进行支撑。
测量时，首先将被测透明绝缘材料10覆盖到Pockels晶体3上。打开LED平面光源1，将圆偏振片2反向插入有机玻璃框架6，形成线偏振光，旋转检偏器4找到最大光强和最小光强位置，并用相机5拍摄记录最大光强和最小光强。然后将圆偏振片2正向插入有机玻璃框架6，形成圆偏振光。以上准备工作完成之后，在针电极9和氧化铟锡透明导电薄膜(ITO)7电极上施加电压，在材料表面上产生放电，表面电荷形成的电场作用在Pockels晶体3时，Pockels晶体3的折射率就会发生变换，利用上述光路的调制，这种折射率变换转换为光强的变化，通过相机5采集光强信息就可以推算出应二维电荷分布。
图2为该设备在聚酰亚胺薄膜材料表面放电中测量得到的电荷分布图。在针电极上施加一个周期为50ms的交流电压，产生表面放电，利用高速相机以1000帧/秒的速率连续拍摄50帧图像，经过计算后得到的表面电荷分布。图2显示了拍摄时刻的电荷分布变化。
本发明提出的基于Pockels效应的二维表面电荷测量系统，设计易于实现，操作简单，为研究材料表面放电的提供了一个非常有效地手段。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种基于Pockels效应的二维表面电荷测量系统，其特征在于：包括测量核心单元、检偏器和相机，检偏器位于核心测量单元与相机之间；所述测量核心单元由LED平面光源、圆偏振片和Pockels晶体构成，圆偏振片设置在LED平面光源和Pockels晶体之间，Pockels晶体设置在靠近检偏器的一侧；所述Pockels晶体以光学玻璃为衬底，粘贴在光学玻璃的外侧，光学玻璃内侧镀有氧化铟锡透明导电薄膜做为地电极；在Pockels晶体外侧覆盖被测透明绝缘材料，被测透明绝缘材料上连接有接高压的针电极。
2.如权利要求1所述的二维表面电荷测量系统，其特征在于：所述测量核心单元还包括一个侧放的有机玻璃框架，LED平面光源设置在有机玻璃框架底部，在LED平面光源前方依次设置有圆偏振片和Pockels晶体；所述Pockels晶体附着在光学玻璃外侧。
3.如权利要求1所述的二维表面电荷测量系统，其特征在于：所述的LED平面光源产生面积为25mm×25mm、波长为651nm的红光。
4.如权利要求1所述的二维表面电荷测量系统，其特征在于：所述的圆偏振片由线偏振片和1/4波片胶合而成，尺寸为45mm×45mm，厚度为0.75mm。
5.如权利要求1所述的二维表面电荷测量系统，其特征在于：所述Pockels晶体采用Bi12SiO20晶体，通光面尺寸为20mm×20mm的方形，厚度为200μm，附着在1mm厚的光学玻璃上。
6.基于权利要求1、2、3、4或5所述电荷测量系统的测量方法，其特征在于：测量时，首先将被测透明绝缘材料覆盖到Pockels晶体上；打开LED平面光源，将圆偏振片反向插入有机玻璃框架，形成线偏振光，旋转检偏器找到最大光强和最小光强位置，并用相机拍摄记录最大光强和最小光强；然后将圆偏振片正向插入有机玻璃框架，形成圆偏振光；在针电极和氧化铟锡透明导电薄膜电极上施加电压，在材料表面上产生放电，表面电荷形成的电场作用在Pockels晶体时，Pockels晶体的折射率就会发生变换，利用上述光路的调制，这种折射率变换转换为光强的变化，通过相机采集光强信息就可以推算出应二维电荷分布。
7.基于权利要求6所述电荷测量系统的测量方法，其特征在于：所述相机拍摄是指：采用高速相机进行放电过程的连续拍摄，或者采用增强型电荷耦合器件相机进行单幅瞬时拍摄。
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