CN105203857A - 基于电光二次效应的空间强电场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间电场测量领域，针对传统空间电场测量技术中系统复杂，体积庞大，测量精度低等一系列不足，提供了一种基于二次电光Kerr效应的空间强电场测量系统。该系统在空间强电场测量下具体较高的精度和反应速度，可以实现多点同时测量，实现无损测量；包括激光发生器，用于发生激光；光路分束单元，用于将激光发生器输出的激光分为至少2束；Kerr传感器，接收光路分束单元分出的激光，使激光光束通过进行Kerr细胞单元后输出；光电探测器，探测Kerr传感器输出的光信号，并将其转换为电信号；以及信息采集处理单元，根据光电探测器输出的电信号，计算获得空间电场。

Description

基于电光二次效应的空间强电场测量系统

技术领域

本发明属于空间电场测量领域，特别涉及一种空气中强电场快速测量系统。

背景技术

空气中的空间电场的测量在科学研究和工程技术研究领域中具有广泛的运用。在电力行业，电场测量可用于电力系统状态监测、电气设备内外电场分布测量。在长空气间隙放电过程中，空间电场的准确有效测量有利于特高压输电线路绝缘距离的选择。在电气设备中，通过空间电场的测量，可以有效判别设备的绝缘情况，更好的进行绝缘配合。因此进行空间电场测量方法的研究是很有必要的。

传统的空间电场测量都是采用电磁感应原理。当空间电场作用在电场传感器上时，基于电磁感应，电场信号转化为电压信号，经过通讯系统达到接收端，通过对接收到的信号的分析处理就可以得到所测空间电场量。这种测量装置通常会由于电场传感器的放入而使所测电场产生畸变，重新分布，同时测量系统复杂，体积庞大，不能对空间电场进行精确定位测量。

随着测量技术的发展，基于电光效应的电场测量技术也逐步发展与成熟起来。在外界电场作用下，某些本来是各向同性的介质会产生双折射现象，而本来就有双折射性质的晶体，它的双折射性质也会发生变化，这就是电光效应。现在主要集中研究的电光效应是Pockels(泡克耳斯)效应和Kerr(克尔)效应。

目前，有关空间电场测量专利主要集中在一次电光效应技术的研究，如申请号为CN201110009563.3的“一种基于Pockels效应的电场强度测量系统”专利，涉及一种基于Pockels效应的电场强度测量系统。二次电光Kerr效应主要是应用在Kerr液体中电场的测量，如申请号为CN201510073187.2的“一种液体电介质空间电场快速测量装置及方法”专利，涉及一种液体电介质空间电场快速测量装置，采用基于电光Kerr效应和Mach-Zehnder干涉仪的液体电介质空间暂态电场的快速检测技术。很少有将二次电光Kerr效应应用于空气中空间电场测量的发明。二次电光Kerr效应的弛豫时间短，约10-9s量级，可以实现快速准确测量，由于空气在一般情况下表现为各向同性介质，在测量过程中引入Kerr细胞单元，利用二次电光效应来对空气中空间强场进行快速准确测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对传统空间电场测量技术中系统复杂，体积庞大，测量精度低等一系列不足，提供了一种基于二次电光Kerr效应的空间强电场测量系统。该系统在空间强电场测量下具体较高的精度和反应速度，可以实现多点同时测量，实现无损测量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于电光二次效应的空间强电场测量系统，包括

激光发生器，用于发生激光；

光路分束单元，用于将激光发生器输出的激光分为至少2束；

Kerr传感器，接收光路分束单元分出的激光，使激光光束通过进行Kerr细胞单元后输出；

光电探测器，探测Kerr传感器输出的光信号，并将其转换为电信号；以及

信息采集处理单元，根据光电探测器输出的电信号，计算获得空间电场。

进一步，所述光路分束单元，用于将激光发生器输出的激光分为3束，对应设置3套Kerr传感器和光电探测器。

进一步，所述激光发生器与光路分束单元以及Kerr传感器之间采用保偏光纤连接，Kerr传感器与阵列光电探测器通过多模光纤连接。

进一步，所述光路分束单元、Kerr传感器入光处与出光处均设有光纤准直器。

进一步，所述Kerr传感器包括沿光路依次设置的起偏器、1/4波片Ⅰ、Kerr细胞单元，1/4波片Ⅱ和检偏器。

进一步，所述Kerr传感器还包括平行反射单元，所述平行反射单元设置在Kerr细胞单元两侧，将1/4波片Ⅰ发出的光束反射穿越Kerr细胞单元至少2次后进入1/4波片Ⅱ。

进一步，所述起偏器与检偏器消光比为10000:1，偏振方向正交。

进一步，所述Kerr细胞单元为充满碳酸丙烯酯液体的无气泡密闭玻璃体，所述玻璃体腔内的横截面积10×15mm2，长度30mm。

进一步，所述信息采集处理单元通过下式计算电场强度：

$E_0=\frac{e_{1}E}{e_0};$

上式中，e₀、e₁分别为空气中介电常数和Kerr细胞液介电常数；E由下式推算：

$\frac{I}{I_0}={\cos }^2\left({\mathrm{\πBE}}^{2}KL\right);$

上式中，I为光电探测器接收光强，I₀为经过Kerr细胞入射光强，L为Kerr细胞单元长度，K为平行反射单元反射光路转向次数，E为Kerr细胞单元中电场强度，B为细胞液Kerr常数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)测量准确度高。本发明区别于传统的空间电场测量方法，不引入探针以及其他可能会改变电场分布的因素，减少了空间电场在测量过程中的畸变，具有较高的准确度。

(2)测量精度高。本发明是基于电光二次效应的空间强电场测量方法，在Kerr传感器中，光强的变化与场强的二次方成正比，并使用平行反射单元加倍延长光路，并使用阵列型光电探测器进行光信号的接收，具有较高的精确度。

(3)抗干扰能力强。本发明使选用带有光纤接口的保偏激光源，该激光器能发出光强连续、稳定的激光，同时测量系统各个单元均密封在有机玻璃种，提高了测量装置的抗干扰能力，使得测量装置抗干扰能力强。

(4)响应速度快。本发明的原理是基于Kerr效应的空间强电场测量，弛豫时间短，约10-9s量级，响应速度快，可以实现快速测量。

(5)集成化设计。本发明个单元分别集成封装，通过光纤连接，集成化设计，结构简单，进一步提高了准确度，精度以及抗干扰能力。

附图说明

图1示出了基于电光二次效应的空间强电场测量系统的结构示意图；

图2示出了Kerr传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

基于电光二次效应的空间强电场测量系统，包括

激光发生器，用于发生激光；本实施例的激光发生器能够发出波长为600-780nm的单色偏振激光，功率满足2.5-7.5mW

光路分束单元，用于将激光发生器输出的激光分为3束；

Kerr传感器，数量为3个，分别接收光路分束单元分出的激光，使激光光束通过进行Kerr细胞单元后输出；

光电探测器，采用阵列光电探测器，数量为3个，用于分别探测Kerr传感器输出的光信号，并将其转换为电信号；以及

信息采集处理单元，根据光电探测器输出的电信号，通过下式计算空间电场强度：

$E_0=\frac{e_{1}E}{e_0};$

上式中，e₀、e₁分别为空气中介电常数和Kerr细胞液介电常数；E由下式推算：

$\frac{I}{I_0}={\cos }^2\left({\mathrm{\πBE}}^{2}KL\right);$

上式中I为光电探测器接收光强，I₀为经过Kerr细胞入射光强，K为平行反射单元反射光路转向次数，E为Kerr细胞单元中电场强度，B为细胞单元液Kerr常数。

所述激光发生器与光路分束单元以及Kerr传感器之间采用保偏光纤连接，Kerr传感器与阵列光电探测器通过多模光纤连接。

所述光路分束单元以及Kerr传感器的入光处与出光处均设有光纤准直器。

参见图2，所述Kerr传感器包括沿光路依次设置的起偏器1、1/4波片Ⅰ2、Kerr细胞单元5，1/4波片Ⅱ6和检偏器7，为延长光路，设置有平行反射单元3、4，所述平行反射单元3、4分别设置在Kerr细胞单元两侧，将1/4波片Ⅰ2发出的光束反射穿越Kerr细胞单元5三次后进入1/4波片Ⅱ，即将穿越Kerr细胞单元5的光路扩展3倍；所述起偏器1与检偏器7消光比为10000:1，偏振方向正交；所述Kerr细胞单元5为充满碳酸丙烯酯液体的无气泡密闭玻璃体，Kerr细胞单元中也可选用其他Kerr液体，如去离子纯净水，硝基苯等，光波在Kerr细胞单元中传播一定距离后产生相位延迟为：δ＝2πBE²KL，其中L为Kerr细胞单元长度，K为平行反射单元反射光路转向次数，本实施例中，K＝3，E为电场强度，B为细胞液Kerr常数。

所述玻璃体腔内的横截面积10×15mm2，长度30mm，Kerr细胞单元的尺寸和扩展倍数可根据测量精度与量程进行调节。

三个Kerr传感器可以放置在三个不同地方，这样就可以同时对空气中三个不同点的空间强电场进行测量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：包括

激光发生器，用于发生激光；

光路分束单元，用于将激光发生器输出的激光分为至少2束；

Kerr传感器，接收光路分束单元分出的激光，使激光光束通过进行Kerr细胞单元后输出；

光电探测器，探测Kerr传感器输出的光信号，并将其转换为电信号；以及

信息采集处理单元，根据光电探测器输出的电信号，计算获得空间电场。

2.如权利要求1所述的基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：所述光路分束单元，用于将激光发生器输出的激光分为3束，对应设置3套Kerr传感器和光电探测器。

3.如权利要求2所述的基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：所述激光发生器与光路分束单元以及Kerr传感器之间采用保偏光纤连接，Kerr传感器与阵列光电探测器通过多模光纤连接。

4.如权利要求3所述的基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：所述光路分束单元、Kerr传感器入光处与出光处均设有光纤准直器。

5.如权利要求1-4中任一项所述的基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：所述Kerr传感器包括沿光路依次设置的起偏器、1/4波片Ⅰ、Kerr细胞单元，1/4波片Ⅱ和检偏器。

6.如权利要求5所述的基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：所述Kerr传感器还包括平行反射单元，所述平行反射单元设置在Kerr细胞单元两侧，将1/4波片Ⅰ发出的光束反射穿越Kerr细胞单元至少2次后进入1/4波片Ⅱ。

7.如权利要求5所述的基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：所述起偏器与检偏器消光比为10000:1，偏振方向正交。

8.如权利要求5所述的基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：所述Kerr细胞单元为充满碳酸丙烯酯液体的无气泡密闭玻璃体，所述玻璃体腔内的横截面积10×15mm2，长度30mm。

9.如权利要求8所述的基于电光二次效应的空间强电场测量系统，其特征在于：所述信息采集处理单元通过下式计算电场强度：

$E_0=\frac{e_{1}E}{e_0};$

上式中，e₀、e₁分别为空气中介电常数和Kerr细胞液介电常数；E由下式推算：

$\frac{I}{I_0}={\cos }^2\left({\mathrm{\πBE}}^{2}KL\right);$

上式中I为光电探测器接收光强，I₀为经过Kerr细胞入射光强，L为Kerr细胞长度，K为平行反射单元反射光路转向次数，E为Kerr细胞中电场强度，B为细胞液Kerr常数。