CN102253350B - 基于磁光成像的开关电弧磁场测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于开关电弧测试技术，涉及一种基于磁光成像的开关电弧磁场测量装置及测量方法。该测量装置包括：激光器、起偏器、扩束透镜组、光路分离器、磁光玻璃、检偏器、聚焦透镜组、光阑、CCD摄像机、图像数据处理系统。本发明基于磁光敏感元件的磁致旋光效应和光的偏振特性，将电弧周围的磁场分布转化为偏振光的灰度图像，通过数值图像处理的方法，实现电弧周围磁场的实时测量，具有很高的空间和时间分辨率。该方法属于非介入式检测方法，无需破坏低压开关电器灭弧室的结构，具有优良的电绝缘性能和抗干扰等特性，可用于低压开关电器产品的实验研究和优化设计。

Description

基于磁光成像的开关电弧磁场测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于开关电弧现代测试技术领域，具体涉及一种基于磁光成像的开关电弧磁场测量装置及测量方法。

背景技术

低压开关电器是供用电系统中最重要的控制和保护设备，经济发展和社会进步对开关电器运行的经济性、安全性和自动化程度提出了更高的要求，促使低压开关电器向高性能、小型化和智能化方向发展。而技术创新和新技术的应用是支撑这种发展的重要基础，由于开关电弧的仿真模型中许多重要的物性参数、边界条件和初始条件还需要从样机试验研究中获取。完全依靠虚拟样机的数值仿真来实现开关电器的设计还为时过早，基于现代测试技术的试验研究仍然是新型开关电器产品开发的必要手段，其具有不可替代的地位。

在开关电器操作过程中，触头打开时将会产生电弧，电弧稍作停滞后，在电磁场和气流场的综合作用下向栅片方向运动，随后电弧进入栅片，继续运动，被栅片分成几个短弧，导致电弧电压急剧升高，电弧最终被熄灭。能否使开关电弧快速地进入栅片并可靠地被熄灭是影响开关电器的开断性能、电寿命和可靠性的关键因素，也是评价开关电器灭弧性能和进行产品优化设计的一个重要依据。对电弧的空间形态及其运动特性的测量和分析，有助于揭示电弧从产生、发展到熄灭的物理过程中的相关规律，是研究并提高低压电器产品性能的有效途径，尤其是对于开关电器的设计与开发具有特殊重要的意义。

近年来，高速CCD摄像、光纤阵列、光谱分析以及磁测试技术等现代测试手段已经应用到开关电弧等离子体的试验研究中。

高速CCD摄像技术作为一种传统的开关电弧测试手段，具有较高的时间和空间分辨率，拍摄速度一般为(10～20)×10³幅/s，而且新型的防磁和彩色CCD的性能非常出色。但在进行电弧测试时，由于灭弧室的器壁一般是不透明的，要获得电弧运动图景，必须对灭弧室器壁做开窗处理，并用有机玻璃等透明材料重新覆盖，这不仅破坏了灭弧室的完整性，更重要的是有机玻璃和电弧之间的相互作用会影响等离子体的参数及灭弧室内的压力，且这种影响随着电流的增加会愈加明显。

利用光纤阵列测试电弧运动，是用光纤感测并传输电弧的光信号，并用光电二极管将光信号转换成电信号；然后将测量到的信息存贮起来，通过计算机接口上传到上位机中，借用专用的软件来模拟电弧的运动过程。其拍摄速度可达到10⁶幅/s，但仍然需要对灭弧室的器壁打孔，破坏灭弧室的结构，影响灭弧室内的压力。另外，由于受到光纤数量的限制，光纤阵列测试设备的空间分辨率相对较低。

至于磁测试技术，Brdys等提出采用霍尔探针来测试开关电弧的运动，其基本原理是求解电磁场的逆问题。假定电极、栅片和电弧均由连续的若干段线电流来描述，利用Biot-Savart定律就可以获得一定电流时灭弧室中的每一点磁感应强度的表达式，然后通过测量特征点的磁场，就可确定电弧的大致形状。目前，该技术在实际应用中的一个关键问题就是：磁传感器受到空间尺寸的限制，精度很低，只能用于确定电弧的位置，无法直观、准确地测量电弧的形态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有开关电弧测试手段的不足，提出一种非介入式的基于磁光成像的开关电弧磁场测量装置及测量方法，无需破坏开关电器的灭弧室结构，能够实时、直观、高效地完成对电弧磁场的测量。

为达到上述目的，本发明的装置包括：包括激光器以及依次设置在激光器发射光束的光路轴线上的起偏器、扩束透镜组、光路分离器和磁光玻璃，在光路分离器的反射光束的光路轴线上依次设置有检偏器、聚焦透镜组、光阑和CCD摄像机，所述的CCD摄像机与图像数据处理系统相连，所述的磁光玻璃放置在待测量的开关电弧的感应磁场之中，磁光玻璃靠近开关电弧的表面设置有将入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分离器的全反射膜。

所述的光路分离器由单向玻璃构成，靠近磁光玻璃的表面为镜面，光路分离器与激光器发射光束的光路轴线成45°角度。

所述的磁光玻璃为顺磁性磁光玻璃。

所述的起偏器的透光轴方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角设置为45°。

所述的CCD摄像机采用256灰度级的CCD，时间分辨率为0.1ms，且在该CCD摄像机上安装有单色滤光片。

本发明的测量方法为：

1)由激光器产生单色光，经过起偏器成为线偏振光，再经过扩束透镜组扩大光束的输出直径，形成均匀的线偏振光，透过光路分离器，投射在磁光玻璃的表面；

2)位于待测量开关电弧感应磁场中的磁光玻璃靠近待测量的开关电弧的表面有全反射膜，全反射膜将入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分离器；

其中偏振光在磁光玻璃中传播时，受磁场作用，偏振面发生不同程度的旋转，偏转角θ_i根据法拉第磁光效应得出；

3)光路分离器靠近磁光玻璃的表面为镜面，光路分离器将磁光玻璃反射回的偏振光束反射至检偏器；

4)检偏器和起偏器将偏振光的旋转角度信号转化为光强信号，形成与磁场强弱分布相关的偏振光束；

5)通过检偏器的光束透过聚焦透镜组、光阑，投射到CCD摄像机，CCD摄像机采集到的磁光图像传输至图像数据处理系统，借助计算机图像处理技术，依据图像灰度与光强的对应关系，得到图像不同灰度信息所对应光强的二维分布，即得到不同位置处线偏振光的光强值J_i(i＝1，2…n)；结合马吕斯定律，计算出在电弧磁场中不同位置处偏振光的偏转角θ_i(i＝1，2…n)；进而根据法拉第磁致旋光效应原理，求得不同位置处的磁感应强度B_i(i＝1，2…n)，获得开关电弧空间磁场的二维分布图。

本发明基于磁光敏感元件的磁致旋光效应和光的偏振特性，将电弧周围的磁场分布转化为偏振光的灰度图像，通过数值图像处理的方法，求解磁光学的逆问题，获得开关电弧周围空间的二维磁场分布，实现了电弧周围磁场的实时测量，具有很高的空间和时间分辨率。由于感应磁场由电弧电流产生，连续变化的电弧磁场分布图像能够反映出电弧形态的发展规律以及电弧运动轨迹的信息，对于开关电器开断性能的评估和产品优化设计具有重要意义。本发明的方法属于非介入式检测方法，无需破坏低压开关电器灭弧室的结构，具有优良的电绝缘性能和抗干扰等特性，可用于低压开关电器产品的实验研究和优化设计。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细说明。

图1是本发明的基于磁光成像的电弧磁场测量装置原理图。

具体实施方式

参见图1，本发明包括激光器1以及依次设置在激光器1发射光束的光路轴线上的起偏器2、扩束透镜组3、光路分离器4和磁光玻璃5，在光路分离器4的反射光束的光路轴线上依次设置有检偏器6、聚焦透镜组7、光阑8和CCD摄像机9，所述的CCD摄像机9与图像数据处理系统10相连，所述的磁光玻璃5放置在待测量的开关电弧的感应磁场之中，磁光玻璃5靠近开关电弧的表面设置有将入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分离器4的全反射膜；

所述的光路分离器4由单向玻璃构成，靠近磁光玻璃5的表面为镜面，光路分离器4与激光器1发射光束的光路轴线成45°角度。

所述的磁光玻璃5为顺磁性磁光玻璃。

所述的起偏器2的透光轴方向与检偏器6的透光轴方向之间的夹角设置为45°。

所述的CCD摄像机9采用256灰度级的CCD，时间分辨率为0.1ms，且在该CCD摄像机9上安装有单色滤光片。

本发明的测量方法如下：

1)作为光源的激光器1发射的单色光束经过起偏器2后，变为横向分量只在一个固定方向上振动的线偏振光；该线偏振光束经扩束透镜组3进行扩束后，透过光路分离器4的垂直入射到磁光玻璃5；

2)磁光玻璃5放置在开关电器灭弧室附近，处于开关电弧的感应磁场之中，偏振光在磁光玻璃5中传播时，受磁场作用，偏振面发生不同程度的旋转，偏转角度可以根据法拉第磁光效应得出；

假定电弧周围区域各点的磁感应强度为B_i(i＝1，2…n)，各点磁感应强度作用下对应的线偏振光的偏转角为θ_i(i＝1，2…n)，由量子理论可知法拉第效应旋转角为：

θ_i＝V_dB_iL(i＝1，2…n)

则有：

$B_i=\frac{{\mathrm{\θ}}_i}{V_{d}L},(i=\mathrm{1,2}\·\·\·n)$

其中：V_d为费尔德(Verdet))常数；L为磁场与磁光介质的有效相互作用长度；

3)磁光玻璃5靠近试品的表面有全反射膜，将使入射的偏振光沿入射光路相反的方向反射回光路分离器4；测量过程中光线往返两次穿过磁光玻璃，由于在电弧磁场方向不变的情况下法拉第旋转方向与光传播方向无关，故在此L等于磁光玻璃厚度的两倍；

4)磁光玻璃5反射的携带磁场信息的光束传播至光路分离器4，由于光路分离器4的单向透光性，且光路分离器4与磁光玻璃5的反射光束成45°夹角，因此该光束将被其进一步反射进入检偏器6，从而实现入射光束和反射光束的光路分离；

5)入射到检偏器6的线偏振光，如其振动方向与检偏器6的振动方向平行，则能完全通过；如果偏斜，则只以通过一部分；如若垂直，则完全不能通过；因此，检偏器6可以将偏振光的旋转角度中包含的磁场强度的信息转化为光强信号；

检偏器6和起偏器2配合使用，检测偏振光束的旋转角度。

检偏器测量线偏振光旋转角的原理为：

令起偏器的透光轴方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角为α，B_i(i＝1，2…n)若由磁光介质出射的线偏振光旋转角为θ_i(i＝1，2…n)，则由马吕斯定律可知，透过检偏器的线偏振光光强J_i(i＝1，2…n)为：

$J_i=J_0{\cos }^2(\mathrm{\α}+{\mathrm{\θ}}_i)$

$=\frac{1}{2}{J}_0(1+\cos 2\mathrm{\α})-\frac{1}{2}{J}_0\sin 2\mathrm{\α}\sin 2{\mathrm{\θ}}_i-J_0\cos 2\mathrm{\α}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i$ (i＝1，2…n)

由于测量过程中旋转角θ_i较小，上式可近似为：

$J_i=\frac{1}{2}{J}_0(1+\cos 2\mathrm{\α})-J_0{\mathrm{\θ}}_i\sin 2\mathrm{\α}$ (i＝1，2…n)

式中第一项为直流项，J₀代表当夹角α＝0时检偏器输出的光强；第二项为信号项，含有待测旋转角度的信息，当α＝45°时，系统具有最高的信号检测灵敏度，因此，测量装置中起偏器2和检偏器6透光轴方向之间的夹角设置为45°。此时输出光强为：

$J_i=\frac{1}{2}{J}_0-J_0{\mathrm{\θ}}_i$ (i＝1，2…n)

这样，利用检偏器检测线偏振光束旋转角度的问题，便转化为了检测透过检偏器的线偏振光光强的问题。

推导出，旋转角度θ_i与光强J_i的关系如下：

θ_i＝0.5-J_i/J₀(i＝1，2…n)

6)由检偏器6出射的光线经聚焦透镜组7汇聚成较窄的光束，位于聚焦透镜组7和CCD摄像机9之间的光阑8能够阻挡外界杂光；CCD摄像机9采用了256灰度级的CCD器件，时间分辨率可达0.1ms，能够实时采集偏振光的图像；由于灰度CCD器件可以得到整个可见光波长范围的辐射强度信号，因此为了得到被测对象在固定波长的辐射强度信号，给CCD摄像机9加装了单色滤光片。

7)CCD摄像机9采集到的磁光图像传输至图像数据处理系统10，借助计算机图像处理技术，依据图像灰度与光强的对应关系，得到图像不同灰度信息所对应光强的二维分布，即可得到不同位置处线偏振光的光强值J_i(i＝1，2…n)；结合马吕斯定律，计算出在电弧磁场中不同位置处偏振光的偏转角θ_i(i＝1，2…n)；进而根据法拉第磁致旋光效应原理，求得不同位置处的磁感应强度B_i(i＝1，2…n)，从而获得开关电弧空间磁场的二维分布图。

Claims (1)

1.一种基于磁光成像的开关电弧磁场测量方法，其特征在于：

其中基于磁光成像的开关电弧磁场测量装置包括：激光器（1）以及依次设置在激光器（1）发射光束的光路轴线上的起偏器（2）、扩束透镜组（3）、光路分离器（4）和磁光玻璃（5），在光路分离器（4）的反射光束的光路轴线上依次设置有检偏器（6）、聚焦透镜组（7）、光阑（8）和CCD摄像机（9），所述的CCD摄像机（9）与图像数据处理系统（10）相连，所述的磁光玻璃（5）放置在待测量的开关电弧的感应磁场之中，磁光玻璃（5）靠近开关电弧的表面设置有将入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分离器（4）的全反射膜；

其测量方法包括以下步骤：1）由激光器（1）产生单色光，经过起偏器（2）成为线偏振光，再经过扩束透镜组（3）扩大光束的输出直径，形成均匀的线偏振光，透过光路分离器（4），投射在磁光玻璃（5）的表面；

2）位于待测量开关电弧感应磁场中的磁光玻璃（5）靠近待测量的开关电弧的表面有全反射膜，全反射膜将入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分离器（4）；

其中偏振光在磁光玻璃（5）中传播时，受磁场作用，偏振面发生不同程度的旋转，偏转角θ_i根据法拉第磁光效应得出；

3）光路分离器（4）靠近磁光玻璃（5）的表面为镜面，光路分离器（4）将磁光玻璃（5）反射回的偏振光束反射至检偏器（6）；

4）检偏器（6）和起偏器（2）将偏振光的旋转角度信号转化为光强信号，形成与磁场强弱分布相关的偏振光束；

5）通过检偏器（6）的光束透过聚焦透镜组（7）、光阑（8），投射到CCD摄像机（9），CCD摄像机（9）采集到的磁光图像传输至图像数据处理系统（10），借助计算机图像处理技术，依据图像灰度与光强的对应关系，得到图像不同灰度信息所对应光强的二维分布，即得到不同位置处线偏振光的光强值J_i(i＝1,2…n)；结合马吕斯定律，计算出在电弧磁场中不同位置处偏振光的偏转角θ_i(i＝1,2…n)；进而根据法拉第磁致旋光效应原理，求得不同位置处的磁感应强度B_i(i＝1,2…n)，获得开关电弧空间磁场的二维分布图。

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