CN105629085A - 一种基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供固体介质空间电荷的测量系统，特别涉及一种基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置。该系统包括光源、分束镜、偏振片、延迟和聚光镜、待测聚乙烯介质、光电探测器、锁相放大器、斩波器和数字示波器。各部分之间的连接关系为：光源通过分束镜分散成测量光束和探测光束两部分，测量光束经延迟和聚光镜照射至待测介质，用来引发介质的电荷扰动；探测光束通过偏振片后变为偏振光，然后经过反光镜照射至待测聚乙烯介质，透过介质的折射光作为测量信号，同时探测光束经斩波器作为参考信号；测量和参考信号通过锁相放大器后送入数字示波器，用来对比显示空间电荷在介质内部的分布。本发明结构简单，操作方便，测量方法新颖独特，与传统测量方式相比具有较高的空间分辨率。

Description

一种基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置

技术领域

本发明属于材料检测技术领域，特别涉及一种基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置。

背景技术

空间电荷的存在、转移和消失会直接导致电介质内部电场分布的改变，对介质内部的局部电场起到削弱或加强的影响。随着输电等级的提高，要求绝缘材料承受的场强越来越大。在外施电压的作用下聚合物介质内部会出现空间电荷与表面电荷。特别是对直流高压输电系统，极高的电场强度会使电荷积聚变得更为严重。这对绝缘电介质的结构设计、制备方法和性能测试等多个方面提出了更多、更高的要求。聚乙烯材料是电气工业中应用非常广泛的一种绝缘介质，它具有良好的电气性能和绝缘性能，例如高击穿场强，低介质损耗和低电导率。在高压直流输电电缆设计过程中，聚乙烯绝缘中空间电荷的存在是影响电缆绝缘设计的关键因素，因此，对空间电荷的测量就显得极其重要。

目前使用的空间电荷分布的测量方法主要有热方法（热脉冲法、热阶跃法）、声方法（脉冲电声法）、压力波法（压电诱导压力波扩展法、激光调制压力波法）和光电方法（光电导法、激光强度调制法）等，它们分别以温度波、声脉冲、和压力波作为虚拟探针作用在介质上，从而引起外电路的变化，最终获得空间电荷分布的具体信息。虽然以上介绍的电介质空间电荷的分布信息的无损测量方法已经发展的较为成熟，特别是脉冲电声法和压力波法在电气绝缘领域得到了广泛的应用，但是它们在测量分辨率上都有微米级的限制。近年来，随着纳米电介质的结构、性能和应用的研究日趋深入，纳米电介质的极化、输运、击穿与老化现象的多尺度效应也成为关注的焦点。这些理论的一个很重要的基础就是纳米尺度的空间电荷行为，但是该方面并没有太多的研究成果。

空间电荷分布测量系统的一个重要指标就是空间分辨率，目前，除了日本学者通过传统的PEA技术将测量的分辨率提高之外，近几十年来很少有相关研究的论述。这主要是因为PEA方法的分辨率受限于脉冲电源的脉宽和压电传感器的厚度和材料，传统电子电路的带宽最大不会超过几个GHz，再想提高分辨率就不得不借助于非电学方法。

本发明提出了一种基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置。所述发明方案用弹光晶体或电光聚合物的应力双折射效应对电荷产生的弹性波进行检测的设想，设计了一种PE表面旋涂电光聚合物薄膜的试样结构，从理论上计算了系统可能达到的空间分辨率约为0.2nm。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，通过以下技术方案来实现：

其特征在于：所述系统包括光源、分束镜、偏振片、延迟和聚光镜、待测聚乙烯介质、光电探测器、锁相放大器、斩波器、数字示波器；光源通过分束镜分散成测量光束和探测光束两部分，测量光束经延迟和聚光镜照射至待测介质，用来引发介质的电荷扰动；探测光束通过偏振片后变为偏振光，然后经过反光镜照射至待测聚乙烯介质，透过介质的折射光作为测量信号，同时探测光束经斩波器作为参考信号；测量和参考信号通过锁相放大器后送入数字示波器，用来对比显示空间电荷在介质内部的分布。

所述光源采用的是Spectra-Physics公司生产的锁模钛蓝宝石飞秒激光器，中心波长为800nm，重复频率80MHz，脉宽小于100fs，平均输出功率约为700mW。

所述分束镜规格为F-FSJ-01，直径为50mm，作用是将激光器发出的激光分为两束，一束作为引发电荷扰动的激发光，另一束作为检测电光聚合物折射率改变的探测光。

所述延迟区包括三面反光镜，放置反光镜组成延迟线的目的是为了提取完整的应力波形；聚光镜型号为MY80，聚光镜作用是聚焦激发光的光斑。

所述待测聚乙烯介质型号为2220H，使用平面硫化机用来压制PE薄膜试样，试样后表面旋涂电光聚合物（EOP）用来接收激发光引起的电荷扰动产生的弹性波，使得探测光经过试样到达电光聚合物时产生双折射效应。

所述光电探测器型号为VPD35D，模拟信号带宽大于350kHz，工作波长300~1100nm，其作用是将光信号转换为电信号。

所述锁相放大器型号为HB-211A，工作频率5Hz~100kHz，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，能够把输入的电信号无损放大，用来与参考信号进行对比。

所述斩波器型号为RPI-0125，其作用是将探测光变为离散信号，照射在固体介质表面。

所述数字示波器型号为DS1054Z，带宽为50M，有四条传输通道，用来对测量信号和参考信号进行对比显示。

附图说明

图1是所述基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置连接图。

具体实施方式

本发明提供了一种光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1所示为所述光学方法测量聚乙烯空间电荷装置的连接图，主要包括光源、分束镜、偏振片、延迟和聚光镜、待测聚乙烯介质、光电探测器、锁相放大器、斩波器、数字示波器。如图1所示，光源通过分束镜分散成测量光束和探测光束两部分，测量光束经延迟和聚光镜照射至待测介质，用来引发介质的电荷扰动；探测光束通过偏振片后变为偏振光，然后经过反光镜照射至待测聚乙烯介质，透过介质的折射光作为测量信号，同时探测光束经斩波器作为参考信号；测量和参考信号通过锁相放大器后送入数字示波器，用来对比显示空间电荷在介质内部的分布。

该系统的测量方案为把线偏振极化光脉冲以某一角度入射到聚合物前表面，光电场垂直于聚合物表面的分量引起内部电荷的扰动从而产生弹性波，与试样紧贴的旋涂在后表面的电光聚合物受到力的作用，发生应力双折射而改变折射率，通过检测试样后表面出射的探测光偏振态的变化来反映聚合物介质内部空间电荷的大小。

传统的无损空间电荷检测方法是利用与下电极紧贴的压电传感器将压力波转换为电信号，再通过信号放大器到达示波器等设备。本系统采用电光聚合物的应力双折射效应，对介质中的弹性波进行测量；对于各向同性、均匀、线性、稳定的光学介质，在无任何外施力的作用时，表现稳定。当对该介质施加一外力时，介质会产生相应形变。假设介质的形变在其弹性限度范围内，即该外力作用不会使其损坏。在此情况下，介质就会产生弹性形变，与此对应的介质光学性质也会发生改变。光学性质的变化可以通过折射率的改变来描述，介质在足够大的外力作用下，因其光学性质的改变而变为各向异性，从而发生双折射。对于各向异性的光学晶体而言，在外施力足够大时，其光学各向异性性质会更加加剧。介质在足够大的外施力作用下，其光学性质发生改变，即折射率发生变化，就是弹光效应。

本发明理论上计算了系统可能达到的空间分辨率约为0.2nm，具有实际的可行性应用。但是利用光学方法进行空间电荷的测量并提高空间分辨率还有很长的路要走，仍需继续利用验证试验系统进行试验。

Claims (9)

1.一种基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：所述系统包括光源、分束镜、偏振片、延迟和聚光镜、待测聚乙烯介质、光电探测器、锁相放大器、斩波器、数字示波器；

各部分之间的连接关系为：光源通过分束镜分散成测量光束和探测光束两部分，测量光束经延迟和聚光镜照射至待测介质，用来引发介质的电荷扰动；探测光束通过偏振片后变为偏振光，然后经过反光镜照射至待测聚乙烯介质，透过介质的折射光作为测量信号，同时探测光束经斩波器作为参考信号；测量和参考信号通过锁相放大器后送入数字示波器，用来对比显示空间电荷在介质内部的分布。

2.根据权利要求1所述的基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：光源采用的是Spectra-Physics公司生产的锁模钛蓝宝石飞秒激光器，中心波长为800nm，重复频率80MHz，脉宽小于100fs，平均输出功率约为700mW。

3.根据权利要求1所述的基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：所述分束镜规格为F-FSJ-01，直径为50mm。

4.根据权利要求1所述的基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：所述延迟区包括三面反光镜；聚光镜型号为MY80。

5.根据权利要求1所述的基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：所述待测聚乙烯介质后表面旋涂电光聚合物（EOP）用来接收弹性波。

6.根据权利要求1所述的基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：所述光电探测器型号为VPD35D，模拟信号带宽大于350kHz，工作波长300~1100nm。

7.根据权利要求1所述的基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：所述锁相放大器型号为HB-211A，工作频率5Hz~100kHz。

8.根据权利要求1所述的基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：所述斩波器型号为RPI-0125。

9.根据权利要求1所述的基于光学方法测量聚乙烯空间电荷的装置，其特征在于：所述数字示波器型号为DS1054Z，带宽为50M，有四条传输通道。