CN110007156A - 用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统，包括：用于发出稳定的单色线偏振激光的激光器、用于传输单色线偏振激光并保持其偏振态的保偏光纤、用于在瞬态强电场环境下对单色线偏振激光进行调制的集成光器件、用于对调制后的激光信号进行采集并处理、得到待测外加电场强度的光电探测器。本发明具有强电场测量范围、低畸变、抗电磁干扰、高频带、高稳定性的测量性能，且具有体积小、测量精度高等优点，实现了长空气间隙放电过程空间电场定量测量的实用需求。

Description

用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统，属于长空气间隙放电的瞬态强电场测量技术领域。

背景技术

长空气间隙放电机理的研究是电气设备绝缘结构设计和绝缘参数选取的理论基础，受到测量手段的限制，一直无法对放电通道附近的电场强度进行精确定量测量，大部分情况下选择数值仿真进行研究。目前已存在的电场测量装置有传统电磁场测量传感器(天线)和新型光学电场传感器两种。然而，发明人在具体实施过程中发现，传统电磁场测量传感器大多基于电路设计，探头和输出装置多通过电气线路连接，测量信号通过连接线传输到输出装置，因此在瞬态强电场环境下，其金属器件会成为发射源，对被测电场产生严重畸变，直接影响电场强度的定量测量。新型光学电场传感器(包括集成光波导电场传感器和分立光器件组成的电场传感器)克服了强电磁环境的干扰问题，其中集成光波导电场传感器因以铌酸锂为衬底，其温度稳定性差，环境温度的变化会直接影响测量的准确度，且铌酸锂材料的电光系数大，导致传感器的半波电场小，限制了电场范围(百kV/m量级)，而对于分立光器件组成的电场传感器，因其体积较大且易受外界机械作用影响光路，导致电场测量精度不足和稳定性较低。因此有必要通过采用新的光器件技术和新电光材料，设计一种用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统，满足强电场(MV/m)、高带宽(GHz)、高稳定性的实用需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统。本发明主要采用如下技术方案：

一种用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统，包括：

激光器：用于发出稳定的单色线偏振激光；

第一光纤：用于传输单色线偏振激光并保持其偏振态；

集成光器件：用于在瞬态强电场环境下对单色线偏振激光进行调制；

第二光纤：用于将调制后的激光信号传输给光电探测器；

光电探测器：用于对调制后的激光信号进行采集并处理，得到待测外加电场强度。

可选的，集成光器件包括依次设置的第一PBS棱镜、1/4波片、BGO晶体和第二PBS棱镜，第一PBS棱镜的入光处设置有第一准直器，第二PBS棱镜的出光处设置有第二准直器。

可选的，第一光纤采用保偏光纤，第二光纤采用保偏光纤或单模石英光纤。

可选的，第一准直器和第二准直器均采用φ1.8mm的通光孔径，且第一准直器和第二准直器工作距离为15mm。

可选的，光电探测器包括光电二极管、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻和运算放大器，第一电阻、第二电阻、第三电阻和运算放大器构成同相放大电路，光电二极管将保偏光纤传输的激光信号转换为电流信号，采样电阻将电流信号转换为电压信号，同相放大电路将电压信号放大后输出。

可选的，激光通过第一准直器转换为空间光，空间光通过第一PBS棱镜起偏得到偏振方向与1/4波片晶轴相同方向的偏振光，偏振光通过1/4波片后分解为两束偏振方向垂直、强度相同、相位差90°的激光，在外加电场下，BGO晶体的主轴旋转，两束激光的偏振方向与旋转后BGO晶体两个主轴的方向相同，两束激光通过BGO晶体后产生与电场成比例的相位差的干涉效应，因此产生Pockels效应，通过第二PBS棱镜检偏，使干涉得到的光强与外加电场成线性关系，第二准直器用于将自由空间光耦合进第二光纤。激光通过集成光器件后的输出光功率与待测外加电场呈线性关系，通过检测输出光功率，得到待测外加电场强度，输出光功率P_o如下式：

其中，P_in为集成光器件的输入光功率，E_π为集成光器件的半波电场，E为待测外加电场强度。

可选的，激光器采用808nm红外线偏振激光器。

可选的，系统还包括示波器，示波器连接光电探测器，显示光电探测器输出的冲击电压波形。

可选的，光电二极管采用快响应硅光电二极管，工作范围为400～1100nm，响应时间为150ps。

可选的，运算放大器采用OPA-855，增益带宽积达到8GHz。

本发明带来的有益技术效果是：

1、本发明测量系统具有大电场测量范围(2MV/m)、低畸变、抗电磁干扰、高频带、高温度稳定性的测量性能，实现了长空气间隙放电过程空间电场定量测量的需求。

2、本发明通过采用集成光器件技术实现强电场下的Pockels效应，通过将第一PBS棱镜、1/4波片、BGO晶体、第二PBS棱镜、第一准直器和第二准直器集成在一个器件中，解决了分立光器件结构体积大、精度低的问题，具有体积小、传感精度高的优点。

3、本发明第一准直器和第二准直器均采用小焦距准直镜，可减小准直激光束的束腰直径，因此进一步减小了集成光器件的体积，提高了测量系统(传感器)的精度。

4、本发明使用BGO晶体作为Pockels效应的电光晶体，其具有介电常数小、温度稳定性高、电光系数小的特点，以BGO晶体为核心使得测量系统具有如下优点：电场畸变小、温度稳定性高和电场测量范围大。

5、本发明采用快响应光电探测器实现高频光电信号的转换，测量带宽可达1GHz，满足长间隙放电过程电场信号的测量需求。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例提供的集成光器件的光路结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的光电探测器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图1至附图3和实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统，包括：激光器1、第一光纤2、集成光器件3、第二光纤4、光电探测器5和示波器6。其中，激光器1用于发出稳定的单色线偏振激光，第一光纤2用于传输单色线偏振激光并保持其偏振态，集成光器件3用于在瞬态强电场环境下对单色线偏振激光进行调制，第二光纤4用于将调制后的激光信号传输给光电探测器，光电探测器5用于对调制后的激光信号进行采集并处理得到待测外加电场强度，示波器6通过BNC同轴电缆连接光电探测器5，显示光电探测器5输出的冲击电压波形。

在一个可选的实施例中，如图2所示，集成光器件3包括依次设置的第一PBS棱镜7、1/4波片8、BGO晶体9和第二PBS棱镜10，第一PBS棱镜7的入光处设置有第一准直器11，第二PBS棱镜10的出光处设置有第二准直器12。集成光器件通过将第一PBS棱镜7、1/4波片8、BGO晶体9、第二PBS棱镜10、第一准直器11和第二准直器12集成在一个器件中，使得器件的体积减小，并且不同部分之间的结构相对更加稳定，在受外部机械作用影响时，可保持不同光器件之间的空间结构保持稳定，提高测量系统(传感器)的稳定性和实用性。

在本实施例中，激光通过第一准直器11转换为空间光，空间光通过第一PBS棱镜7起偏得到偏振方向与1/4波片8晶轴相同方向的偏振光，偏振光通过1/4波片8后分解为两束偏振方向垂直、强度相同、相位差90°的激光，在外加电场下，BGO晶体9的主轴旋转，两束激光的偏振方向与旋转后BGO晶体9两个主轴的方向相同，两束激光通过BGO晶体9后产生与电场成比例的相位差产生干涉效应，因此产生Pockels效应，通过第二PBS棱镜10检偏，使干涉得到的光强与外加电场成线性关系，第二准直器12用于将自由空间光耦合进第二光纤4。即寻常光与非常光之间会产生一定的相位差，此相位差的大小与外加电场的大小有关：

其中，n₀为BGO晶体的固有折射率，r₆₃率为BGO晶体的电光系数，L为沿电场方向BGO晶体的尺寸，E为外加电场强度，λ为激光的波长。根据相位差可定义半波电场：

半波电场E_n是电场传感器的一个重要参数，其决定了传感器的电场测量范围，半波电场越大，电场测量范围越大。激光通过集成光器件前后的光功率有如下关系：

其中，P_in为集成光器件的输入光功率，P_o为集成光器件的输出光功率，E_π为集成光器件的半波电场。

当E远小于E_π时，输出光功率可以进一步简化为：

在此情况下，输出光功率与待测外加电场强度呈线性关系，利用外加电场强度与输出光功率的线性关系可对外加电场强度进行定量测量，通过检测输出光功率，可以获得待测外加电场强度。

在一个可选的实施例中，保偏光纤可使激光在光纤内传播时保持其偏振态不变，因Pockels效应对激光偏振态的质量要求很高，因此，第一光纤2必须采用保偏光纤来传输激光，以保证传感器的高性能。保偏光纤与第一准直器11连接，将激光耦合进集成光器件3。

在一个可选的实施例中，第一准直器11和第二准直器12均采用小焦距准直镜，可减小准直激光束的束腰半径，进一步减小集成光器件的体积。优选的，第一准直器和第二准直器均采用φ1.8mm的通光孔径。第一准直器11与保偏光纤连接，可将保偏光纤内的偏振光变为空间光传播到集成光器件3内，通过准直器耦合出的空间光是高斯光束，其束腰半径应小于集成光器件中通光面的空间尺寸，并必须保证光路的尺寸小于准直器的工作距离，优选的，高斯光束的束腰半径为0.75mm，集成光器件中激光路径上的各光器件的通光面的空间尺寸为3mm，光路尺寸约为13mm，第一准直器11和第二准直器12工作距离为15mm。

在一个可选的实施例中，由于激光波段的选择影响测量系统(传感器)的测量范围，激光的偏振态影响Pockels效应的效果，激光强度噪声的强弱直接影响整个传感器输出信号的信噪比。因此，激光器1选用产生808nm(红外波段)的线偏振激光器，具有单波长、线偏振、连续激光、恒定功率和低噪声的激光特性。激光器1采用光纤耦合输出，与保偏光纤连接。

在一个可选的实施例中，由于激光器1发射的激光通过集成光器件3调制后传送到光电探测器5进行检测，激光通过集成光器件3后被外加电场调制，成为载有外界电场信息的光信号，光信号通过第二光纤4(保偏光纤或单模石英光纤)传输到光电探测器5。

在一个优选的实施例中，第二光纤4选用单模石英光纤传输光信号，可满足远距离测量的要求，并具有良好的实时响应特性以及抗电磁干扰性能。

在一个可选的实施例中，如图3所示，光电探测器5包括光电二极管D_R、采样电阻R_s、第一电阻R₂₁、第二电阻R₂₂、第三电阻R_f2和运算放大器OPAMP。第一电阻R₂₁、第二电阻R₂₂、第三电阻R_f2和运算放大器OPAMP构成同相放大电路，R_pr为光电二极管D_R的保护电阻。光电二极管D_R将保偏光纤传输的激光信号转换为电流信号，采样电阻R_s将电流信号转换为电压信号，同相放大电路将电压信号放大2倍后输出。

在一个可选的实施例中，光电二极管采用快响应硅光电二极管LSSFPD-2.5G将第二光纤4传输的光信号转换为电流信号，通过合适大小的采样电阻R_s将电流转换为电压信号，经过同相放大电路进行2倍放大，通过BNC同轴电缆传输线输出至示波器6。光电探测器5由外接开关电源供电，实际供电电压为9V。

光电探测器5需与激光器1发出的激光波长匹配，光电二极管工作范围为400～1100nm，响应时间为150ps，满足传感器的测量需求。运算放大器采用OPA-855，增益带宽积达到8GHz，同时具有单位增益稳定特性，可以满足光电探测器对带宽的需求。

在一个可选的实施例中，为避免光电二极管发生静电击穿，在光电二极管两端并联1MΩ大电阻，避免光电二极管两端电荷积聚。

在一个可选的实施例中，示波器6选用TEK TDS 3032示波器，能够满足测量需求。由于模拟光电转换器输出阻抗为高阻抗，因此测量时示波器采用高阻输入。

在一个可选的实施例中，光电探测器电路元件采用印刷电路板连接，在设计的过程中给运算放大器两端并联合适容值的去耦电容可保证PCB板的高频特性，板子背面敷铜可提高板子的抗干扰能力和工作稳定性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于长空气间隙放电的瞬态强电场测量系统，包括：

激光器：用于发出稳定的单色线偏振激光；

第一光纤：用于传输所述单色线偏振激光并保持其偏振态；

集成光器件：用于在瞬态强电场环境下对所述单色线偏振激光进行调制；

第二光纤：用于将调制后的激光信号传输给光电探测器；

光电探测器：用于对调制后的激光信号进行采集并处理，得到待测外加电场强度。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，

优选的，所述集成光器件包括依次设置的第一PBS棱镜、1/4波片、BGO晶体和第二PBS棱镜，所述第一PBS棱镜的入光处设置有第一准直器，所述第二PBS棱镜的出光处设置有第二准直器。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其中，

所述第一光纤采用保偏光纤，所述第二光纤采用保偏光纤或单模石英光纤。

4.根据权利要求2所述的测量系统，其中，

所述第一准直器和第二准直器均采用φ1.8mm的通光孔径，且第一准直器和第二准直器工作距离为15mm。

5.根据权利要求3所述的测量系统，其中，

所述光电探测器包括光电二极管、采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻和运算放大器；所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和运算放大器构成同相放大电路；所述光电二极管将保偏光纤传输的激光信号转换为电流信号，所述采样电阻将电流信号转换为电压信号，所述同相放大电路将电压信号放大后输出。

6.根据权利要求2所述的测量系统，其中，

所述激光通过第一准直器转换为空间光，空间光通过第一PBS棱镜起偏得到偏振方向与1/4波片晶轴相同方向的偏振光，偏振光通过1/4波片后分解为两束偏振方向垂直、强度相同、相位差90°的激光，在外加电场下，BGO晶体的主轴旋转，两束激光的偏振方向与旋转后BGO晶体两个主轴的方向相同，两束激光通过BGO晶体后产生与电场成比例的相位差的干涉效应，因此产生Pockels效应，通过第二PBS棱镜检偏，使干涉得到的光强与外加电场成线性关系，第二准直器用于将自由空间光耦合进第二光纤；激光通过集成光器件后的输出光功率与待测外加电场呈线性关系，通过检测输出光功率，得到待测外加电场强度，输出光功率P_o如下式：

其中，P_in为集成光器件的输入光功率，E_π为集成光器件的半波电场，E为待测外加电场强度。

7.根据权利要求1所述的测量系统，其中，

所述激光器采用808nm红外线偏振激光器。

8.根据权利要求5所述的测量系统，其中，

所述系统还包括示波器，所述示波器连接光电探测器，显示所述光电探测器输出的冲击电压波形。

9.根据权利要求5所述的测量系统，其中，

所述光电二极管采用快响应硅光电二极管，工作范围为400～1100nm，响应时间为150ps。

10.根据权利要求5所述的测量系统，其中，

所述运算放大器采用OPA-855，增益带宽积达到8GHz。