CN110456169B - 气体间隙放电电子能量定量测量系统及测量方法 - Google Patents

气体间隙放电电子能量定量测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体间隙放电电子能量定量测量系统及方法，该系统包括：依次连接的硅光电二极管采集单元、运算放大器运算单元和示波器输出单元，所述硅光电二极管采集单元用于采集气体间隙放电电子能量，并转化为电压信号，所述运算放大器运算单元用于放大经过所述硅光电二极管采集单元的输入支路传输来的电压信号，并输出放大处理后的电压信号，所述示波器输出单元用于显示放大处理后的电压信号。本发明提供的气体间隙放电电子能量定量测量系统及方法，用于解决间隙放电过程微观电气量量化测量问题，通过测量输出电压值，反推气体间隙放电电子能量，可实现实时观测以及微观量定量测量。

Description

气体间隙放电电子能量定量测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及气体放电观测技术领域，特别是涉及一种气体间隙放电电子能量定量测量系统及测量方法。
背景技术
间隙放电过程是高电压领域长期关注的问题，对于长间隙放电，流注和先导作为两个重要物理过程的相关理论已被广泛接受，而对于短间隙放电，流注阶段可能已经形成贯穿间隙的导电通道，完成间隙的击穿。
现有的间隙放电过程观测大多关注于光学形态、热力学参数以及电荷量等特性，相应的测量方法包括记录光学图像、阵列布置光电倍增管获得流注发展速度等。
记录光学图像是通过高速相机进行微秒级的高速观测并记录完整放电过程的图像，该方法比较成熟，在放电观测领域普遍应用，但由于该方法极受相机的拍摄帧数、进光量等硬件水平的影响，因此需要结合其他方法联合观测。
阵列布置光电倍增管获得流注发展速度通过在间隙内纵向布置多个光电倍增管，记录放电过程中光强信号的变化，确定电晕起始时刻，比较不同光电倍增管的电晕时间差，可计算出流注通道的纵向发展速度。实际上流注发展速度极快，对于短间隙而言，光电倍增管的电晕时间差在示波器上可能很难甚至无法读取，该方法较适用于长间隙放电过程观测，应用范围受到局限。
发明内容
本发明的目的是提供一种间隙放电电子能量定量测量系统及其测量方法，用于解决间隙放电过程微观电气量量化测量问题，通过测量输出电压值，反推气体间隙放电电子能量，可实现实时观测以及微观量定量测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种气体间隙放电电子能量定量测量系统，该系统包括：依次连接的硅光电二极管采集单元、运算放大器运算单元和示波器输出单元，所述硅光电二极管采集单元用于采集气体间隙放电电子能量，并转化为电压信号，所述运算放大器运算单元用于放大经过所述硅光电二极管采集单元的输入支路传输来的电压信号，并输出放大处理后的电压信号，所述示波器输出单元用于显示放大处理后的电压信号。
可选的，所述运算放大器运算单元包括由运算放大器AD8001为核心芯片的运算放大电路，所述运算放大电路中调节反馈电阻与接地电阻阻值将增益倍数设置为两倍。
本发明还提供了一种气体间隙放电电子能量定量测量方法，应用于上述的气体间隙放电电子能量定量测量系统，包括以下步骤：
步骤1：硅光电二极管采集待测量区域空气间隙放电电子能量，并转化为电压信号，传输给运算放大器运算单元；
步骤2：运算放大器运算单元对所述电压信号进行放大后，传输给示波器输出单元；
步骤3：示波器输出单元将经过运算放大器运算单元放大处理后的电压信号的电压波形显示在示波器上；
步骤4：读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，计算运算放大器运算单元的输入电压值，根据运算放大器运算单元的输入支路电阻值计算出硅光电二极管两端的反向电压值以及流过硅光电二极管的电流值；
步骤5：通过比对硅光电二极管的反向电压与基准电流特性曲线，获得观测时刻的基准电流值，进而计算获得电流增益倍数；
步骤6：通过比对硅光电二极管的电流增益与电子能量特性曲线，获得观测时刻硅光电二极管接收面采集到的电子能量值。
可选的，所述步骤4中，读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，计算运算放大器运算单元的输入电压值，根据运算放大器运算单元的输入支路电阻值R1，R2计算出硅光电二极管两端的反向电压值以及流过硅光电二极管的电流值，具体包括以下步骤：
步骤401：读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，设为Uo；
步骤402：根据运算放大器运算单元的2倍放大倍数，运算放大器运算单元的输入电压值Ui与Uo满足公式Uo＝2Ui；
步骤403：运算放大器运算单元的输入支路电阻值设置为R1，R2，流过硅光电二极管的电流值Isc满足公式Isc＝Ui/R2，硅光电二极管两端的反向电压值USPD满足公式USPD＝5-Isc·(R1+R2)。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的气体间隙放电电子能量定量测量系统及测量方法，通过示波器输出单元记录的输出电压值，可以反推到运算放大器运算单元的输入电压值，进一步计算出硅光电二极管两端的反向电压值以及流过硅光电二极管的电流值，对比硅光电二极管电流增益特性曲线，即可得到对应的电子能量值，达到量化测量的目的，实现定量测量待测区域的电子能量，较以往的测量手段而言，该系统及方法能够在某些放电特定阶段如初始电晕期之前更早地产生电信号，测量具有实时性，并且实现微观量的量化测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例气体间隙放电电子能量定量测量系统的结构示意图；
图1a为本发明实施例运算放大电路图；
图2是本发明实施例气体间隙放电电子能量定量测量方法流程图；
图3是本发明实施例硅光电二极管的反向电压与基准电流特性曲线；
图4是本发明实施例硅光电二极管的电流增益与电子能量特性曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种间隙放电电子能量定量测量系统及其测量方法，用于解决间隙放电过程微观电气量量化测量问题，通过测量输出电压值，反推气体间隙放电电子能量，可实现实时观测以及微观量定量测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例气体间隙放电电子能量定量测量系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的气体间隙放电电子能量定量测量系统，该系统包括：依次连接的硅光电二极管采集单元、运算放大器运算单元和示波器输出单元，所述硅光电二极管采集单元用于采集气体间隙放电电子能量，并转化为电压信号，所述运算放大器运算单元用于放大经过所述硅光电二极管采集单元的输入支路传输来的电压信号，并输出放大处理后的电压信号，所述示波器输出单元用于显示放大处理后的电压信号，其中，所述输入支路是硅光二极管连入运算放大器的支路。
所述运算放大器运算单元包括由运算放大器AD8001为核心芯片的运算放大电路，如图1a所示，所述运算放大电路采用现有常规运算放大电路结构，其中包括稳压电容：C1、C3、C4，滤波电容C2，输入支路分压电阻：R1、R2，反馈电阻R3，接地电阻R4，所述运算放大电路中调节反馈电阻R3与接地电阻阻值R4将增益倍数设置为两倍，即设置为R3＝R4。
硅光电二极管采集单元和含运算放大器的PCB电路相连。含运算放大器的PCB电路相连由运算放大器AD8001为核心芯片的运算电路构成，调节反馈电阻与接地电阻阻值将增益倍数设置为两倍，用于计算获得硅光电二极管的反向电压以及导通电流。硅光电二极管采集单元用于接收检测区域内的电子，由于二极管特性，电流增益倍数变化进而改变运算电路输入支路电气量值。含运算放大器的PCB电路与示波器输出单元相连。为了避免加压回路金属连接件表面产生电场产生的电磁干扰，在含运算放大器的PCB电路上外加屏蔽铝盒，避免电磁辐射干扰，同时示波器输出单元采用屏蔽电缆作为信号线，避免传导干扰。
图2是本发明实施例气体间隙放电电子能量定量测量方法流程图，如图2所示，本发明还提供了一种气体间隙放电电子能量定量测量方法，该方法应用上述的气体间隙放电电子能量定量测量系统，包括以下步骤：
步骤1：硅光电二极管采集待测量区域空气间隙放电电子能量，并转化为电压信号，传输给运算放大器运算单元；
步骤2：运算放大器运算单元对所述电压信号进行放大后，传输给示波器输出单元；
步骤3：示波器输出单元将经过运算放大器运算单元放大处理后的电压信号的电压波形显示在示波器上；
步骤4：读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，计算运算放大器运算单元的输入电压值，根据运算放大器运算单元的输入支路电阻值计算出硅光电二极管两端的反向电压值以及流过硅光电二极管的电流值；
步骤5：通过比对硅光电二极管的反向电压与基准电流特性曲线，获得观测时刻的基准电流值，进而计算获得电流增益倍数；
步骤6：通过比对硅光电二极管的电流增益与电子能量特性曲线，获得观测时刻硅光电二极管接收面采集到的电子能量值。
其中，在步骤1中，当待测区域电子能量增大时，硅光电二极管电流增益倍数增大，相应阻值降低，导通率提高，进而使运算放大器运算单元的输入电压值增大。这是由于二极管特性，电流增益倍数变化进而改变运算电路输入支路电气量值。
其中，如图1a所示，所述步骤4中，读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，计算运算放大器运算单元的输入电压值，根据运算放大器运算单元的输入支路电阻值R1，R2计算出硅光电二极管两端的反向电压值以及流过硅光电二极管的电流值，具体包括以下步骤：
步骤401：读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，设为Uo；
步骤402：根据运算放大器运算单元的2倍放大倍数，运算放大器运算单元的输入电压值Ui与Uo满足公式Uo＝2Ui；
步骤403：运算放大器运算单元的输入支路电阻值设置为R1，R2，流过硅光电二极管的电流值Isc满足公式Isc＝Ui/R2，硅光电二极管两端的反向电压值USPD满足公式USPD＝5-Isc·(R1+R2)。
本发明提供的气体间隙放电电子能量定量测量系统及测量方法，通过示波器输出单元记录的输出电压值，可以反推到运算放大器运算单元的输入电压值，进一步计算出硅光电二极管两端的反向电压值以及流过硅光电二极管的电流值，对比硅光电二极管电流增益特性曲线，即可得到对应的电子能量值，达到量化测量的目的，实现定量测量待测区域的电子能量，较以往的测量手段而言，该系统及方法能够在某些放电特定阶段如初始电晕期之前更早地产生电信号，测量具有实时性，并且实现微观量的量化测量。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种基于气体间隙放电电子能量定量测量系统的测量方法，其特征在于，所述气体间隙放电电子能量定量测量系统包括依次连接的硅光电二极管采集单元、运算放大器运算单元和示波器输出单元，所述硅光电二极管采集单元用于采集气体间隙放电电子能量，并转化为电压信号，所述运算放大器运算单元用于放大经过所述硅光电二极管采集单元的输入支路传输来的电压信号，并输出放大处理后的电压信号，所述示波器输出单元用于显示放大处理后的电压信号；
所述测量方法包括以下步骤：
步骤1：硅光电二极管采集待测量区域空气间隙放电电子能量，并转化为电压信号，传输给运算放大器运算单元；
步骤2：运算放大器运算单元对所述电压信号进行放大后，传输给示波器输出单元；
步骤3：示波器输出单元将经过运算放大器运算单元放大处理后的电压信号的电压波形显示在示波器上；
步骤4：读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，计算运算放大器运算单元的输入电压值，根据运算放大器运算单元的输入支路电阻值计算出硅光电二极管两端的反向电压值以及流过硅光电二极管的电流值；
步骤5：通过比对硅光电二极管的反向电压与基准电流特性曲线，获得观测时刻的基准电流值，进而计算获得电流增益倍数；
步骤6：通过比对硅光电二极管的电流增益与电子能量特性曲线，获得观测时刻硅光电二极管接收面采集到的电子能量值；
所述步骤4中，读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，计算运算放大器运算单元的输入电压值，根据运算放大器运算单元的输入支路电阻值R1，R2计算出硅光电二极管两端的反向电压值以及流过硅光电二极管的电流值，具体包括以下步骤：
步骤401：读取示波器某一观测时刻电压波形的电压值，设为Uo；
步骤402：根据运算放大器运算单元的2倍放大倍数，运算放大器运算单元的输入电压值Ui与Uo满足公式Uo＝2Ui；
步骤403：运算放大器运算单元的输入支路电阻值设置为R1，R2，流过硅光电二极管的电流值Isc满足公式Isc＝Ui/R2，硅光电二极管两端的反向电压值USPD满足公式USPD＝5-Isc·（R1+R2)。
2.根据权利要求1所述的基于气体间隙放电电子能量定量测量系统的测量方法，其特征在于，所述运算放大器运算单元包括由运算放大器AD8001为核心芯片的运算放大电路，所述运算放大电路中调节反馈电阻与接地电阻阻值将增益倍数设置为两倍。
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