CN113063706A - 一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置，包括：在光路上依次布置的He‑Ne激光器、起偏器、四分之一波片A、扩束镜、克尔盒、四分之一波片B、检偏器和CCD高速摄像机；克尔盒内放置待测的液体电介质，平行布置的两个电极板分别接冲击电压发生器和地，在冲击电压发生器施加暂态电压时，根据两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，基于电场时空分布反演三维的电荷时空分布，基于电荷时空分布确定液体电介质载流子的平均迁移率。本发明还公开了一种液体电介质载流子平均迁移率的测量方法。本发明基于克尔效应测量极板间空间电荷的时空变化，实现暂态电场下液体电介质载流子的迁移率测量。

Description

一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及迁移率测量技术领域，具体而言，涉及一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置及方法。

背景技术

迁移率是反映介质中载流子导电能力的重要参数，同样的掺杂浓度，载流子的迁移率越大，材料的导电率越高。迁移率对介质的工作性能有直接的影响，不仅关系导电能力的强弱，也决定载流子运动的快慢。目前，对固体电介质载流子迁移率的测量方法主要包括渡越时间法、霍尔效应法、空间电荷限制电流法等。上述方法多用在半导体材料的迁移率测量和特定的环境中，无法测量暂态电场下载流子的迁移率。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置及方法，基于克尔效应可测量极板间空间电荷的时空变化，实现暂态电场下液体电介质载流子的迁移率测量。

本发明提供了一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置，所述装置包括：

在光路上依次布置的He-Ne激光器、起偏器、四分之一波片A、扩束镜、克尔盒、四分之一波片B、检偏器和CCD高速摄像机；

所述克尔盒内放置待测的液体电介质，所述克尔盒内平行布置的两个电极板分别接冲击电压发生器和地，以在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布，并基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率。

作为本发明进一步的改进，所述He-Ne激光器发出线偏振光，所述起偏器、所述检偏器、所述四分之一波片A的光轴方向、所述四分之一波片B的光轴方向与光路之间的角度分别为45°、-45°、0°、90°，以使产生的圆偏振光水平通过所述克尔盒内两个电极板间隙时产生克尔效应。作为本发明进一步的改进，所述在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，包括：

在施加暂态电压时，所述CCD高速摄像机以一定时间间隔连续拍摄多张RGB图像；

对每张RGB图像进行灰度处理，对灰度图像经过傅立叶变换和高通滤波器滤掉干扰信号，再经过反傅立叶变换得到时域空间图像；

对每张所述时域空间图像，将图像中每个干涉条纹的光强进行归一化处理，得到每个时刻的每个干涉条纹的归一化光强值I/I₀，其中，I表示从所述检偏器输出的光强，I₀表示输入至所述起偏器的光强，再通过反演公式确定每个时刻对应的电场；

将不同时刻的电场分布拟合，得到三维的电场时空分布；

其中，在电场增加时，电场反演公式为：

在电场减小时，电场反演公式为：

式中，E_m表示特征电场，E_m＝(2BL)^-1/2，B表示所述待测液体的克尔常数，L表示上、下电极板的长度，n表示其中一个时刻空间中采样点的数量。

作为本发明进一步的改进，所述基于所述电场时空分布确定三维的电荷时空分布，包括：

对每个时刻的电场，通过泊松方程计算出该时刻任意一点的空间电荷密度，得到每个时刻两个电极板间的空间电荷分布，将不同时刻的空间电荷分布拟合，得到三维的电荷时空分布；

其中，泊松方程为：

式中，ρ表示空间电荷密度值，ε₀和ε_r分别表示真空介电常数和相对介电常数，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，E表示当前时刻对应的电场。

作为本发明进一步的改进，所述基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率，包括：

基于所述电荷时空分布，确定通过不同位置处在不同时刻电极注入液体电介质的空间电荷变化情况，得到所述液体电介质载流子的平均迁移率，相应的计算公式为：

式中，μ表示所述液体电介质载流子的平均迁移率，

表示所述液体电介质载流子的平均速度，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，Δx表示电荷从起始位置迁移至边界点的距离，x₁和x₂分别表示电荷迁移的起始位置和边界点的位置，t表示两个电极板间电荷迁移的时间，Δt表示两个电极板间电荷从起始位置迁移至边界点的时间差，t₁和t₂分别表示电荷迁移的起始时间和电荷迁移至边界点的时间，

表示时空平均电场，E(t，x)表示t时刻时x位置处的电场值。

作为本发明进一步的改进，所述CCD高速摄像机的帧数至少为100000fps。

作为本发明进一步的改进，所述冲击电压发生器输出250±20％和2500±60％μs操作过电压。

本发明还提供了一种液体电介质载流子平均迁移率的测量方法，所述方法包括：

调节光路，使产生的圆偏振光水平通过克尔盒内两个电极板间隙；

在施加的暂态电压下，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，并基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布；

基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率。

作为本发明进一步的改进，所述调节光路，使产生的圆偏振光水平通过克尔盒内两个电极板间隙，包括：

将所述起偏器、所述检偏器、所述四分之一波片A的光轴方向、所述四分之一波片B的光轴方向与光路之间的角度分别设置为45°、-45°、0°、90°；

所述He-Ne激光器出射的线偏振光依次经过所述四分之一波片A和所述起偏器后变为圆偏振光，圆偏振光平行通过所述克尔盒内两个电极板间隙时产生克尔效应。

作为本发明进一步的改进，所述在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，包括：

在施加暂态电压时，所述CCD高速摄像机以一定时间间隔连续拍摄多张RGB图像；

对每张RGB图像进行灰度处理，对灰度图像经过傅立叶变换和高通滤波器滤掉干扰信号，再经过反傅立叶变换得到时域空间图像；

对每张所述时域空间图像，将图像中每个干涉条纹的光强进行归一化处理，得到每个时刻的每个干涉条纹的归一化光强值I/I₀，其中，I表示从所述检偏器输出的光强，I₀表示输入至所述起偏器的光强，再通过反演公式确定每个时刻对应的电场；

将不同时刻的电场分布拟合，得到三维的电场时空分布；

其中，在电场增加时，电场反演公式为：

在电场减小时，电场反演公式为：

式中，E_m表示特征电场，E_m＝(2BL)^-1/2，B表示所述待测液体的克尔常数，L表示上、下电极板的长度，n表示其中一个时刻空间中采样点的数量。

作为本发明进一步的改进，所述基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布，包括：

对每个时刻的电场，通过泊松方程计算出该时刻任意一点的空间电荷密度，得到每个时刻两个电极板间的空间电荷分布，将不同时刻的空间电荷分布拟合，得到三维的电荷时空分布；

其中，泊松方程为：

式中，ρ表示空间电荷密度值，ε₀和ε_r分别表示真空介电常数和相对介电常数，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，E表示当前时刻对应的电场。

作为本发明进一步的改进，所述基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率，包括：

基于所述电荷时空分布，确定通过不同位置处在不同时刻电极注入液体电介质的空间电荷变化情况，得到所述液体电介质载流子的平均迁移率，相应的计算公式为：

式中，μ表示所述液体电介质载流子的平均迁移率，

表示所述液体电介质载流子的平均速度，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，Δx表示电荷从起始位置迁移至边界点的距离，x₁和x₂分别表示电荷迁移的起始位置和边界点的位置，t表示两个电极板间电荷迁移的时间，Δt表示两个电极板间电荷从起始位置迁移至边界点的时间差，t₁和t₂分别表示电荷迁移的起始时间和电荷迁移至边界点的时间，

表示时空平均电场，E(t，x)表示t时刻时x位置处的电场值。

本发明的有益效果为：通过光学元件进行信号的收集，实现非接触式测量，基于克尔效应可测量极板间空间电荷的时空变化，实现暂态电场下液体电介质载流子的迁移率测量。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明一示例性实施例所述的一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置的示意图；

图2为本发明一示例性实施例所述的电荷时空分布与平均迁移率计算的示意图。

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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。

本发明实施例所述的一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置，如图1所示，所述装置包括：

在光路上依次布置的He-Ne激光器、起偏器、四分之一波片A、扩束镜、克尔盒、四分之一波片B、检偏器和CCD高速摄像机；

所述克尔盒内放置待测的液体电介质，所述克尔盒内平行布置的两个电极板分别接冲击电压发生器和地，以在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布，并基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率。

本发明所述装置将所述He-Ne激光器1、所述起偏器2、所述四分之一波片A 3、所述扩束镜4、所述克尔盒5、所述四分之一波片B 6、所述检偏器7和所述CCD高速摄像机8，按顺序布置在光学平台上，形成一条光路。所述起偏器2、所述四分之一波片A 3、所述扩束镜4、所述克尔盒5、所述四分之一波片B 6、所述检偏器7组成外部光路系统，可以整体制成小型传感器。所述装置全部采用光学元件进行信号的收集，是一种非接触式测量迁移率的装置，可以有效实现光电隔离，整个测量环境无电磁干扰，灵敏度更高。

本发明所述装置利用克尔效应测量出在暂态电压冲击下，两个电极板间二维平面截面的光强时空分布，通过光强时空分布可反推出两个电极板间的电场时空分布，再根据两个电极板间的电场时空分布拟合计算出两个电极板间的电荷时空分布，从而可以利用两个电极板间的电荷时空分布计算出液体电介质在暂态电压下的平均迁移率。本发明所述装置可以获取暂态电压下液体电介质载流子的输运过程，可为进一步分析液体电介质高压放电过程提供支撑。

其中，所述He-Ne激光器1发出的波长为633nm的TEM₀₀模式的线偏振光，出射光斑直径为0.7mm。

所述克尔盒(Kerr盒)5两侧透光窗口面均采用高透光石英玻璃，用于盛放待测的液体电介质，该液体电介质需透明，以利于光的传播，提高测量精度。所述克尔盒5内的电极形状须采用平板电极，且极板间隙应尽量维持在1-5mm范围。

所述CCD高速摄像机8是一种CCD图像传感器，可直接将光学信号转换为模拟电流信号，模拟电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。所述CCD高速摄像机8通过外部信号触发(所述冲击电压发生器12触发点火后)，可以拍摄出光强变换引起的干涉条纹变化图像，获取冲击电压(暂态电压)下液体电介质内部光强变化。所述CCD高速摄像机8的帧数至少为100000fps，以至少100000fps的采样速率采集干涉条纹图像，外部触发时延小于100ns，可以观测到微秒级别的放电过程；若选择更高帧数相机，可以观测到更小的时间尺度的放电过程中光强变化，从而精确计算相应的载流子的平均迁移率。

相应的，所述装置还设置一台计算机9，所述计算机9可通过采集卡得到所述CCD高速摄像机8获取的光学信息(拍摄的干涉条纹图像)，并根据干涉条纹数量拟合计算出电荷时空分布，从而可以更加直观的测量液体电介质载流子的平均迁移率。

所述冲击电压发生器12能输出1.2±30％和50±20％μs的雷电过电压，以及250±20％和2500±60％μs操作过电压。

所述装置在使用时，先借助水平仪使各个光学元件在光学平台上保持水平，并对各个元件的角度进行调节，利用校准装置反复调节光斑，使光束水平通过各个光学元件；再安装固定倍数扩束镜，并调整固定倍数扩束镜的位置，使圆形光斑最明亮，且圆形光斑中心与原记录位置保持不变；遮挡光纤，打开AVT软件，借助自然光调节所述CCD高速摄像机8的光圈，直至所述计算机9的屏幕上显示清晰图像；最后将所述克尔盒5内的上电极板接至所述冲击电压发生器12、下电极板接至地，通过所述冲击电压发生器12施加暂态电压，记录所述CCD高速摄像机8拍摄的图片保存。

一种可选的实施方式，所述He-Ne激光器1发出线偏振光，所述起偏器2、所述检偏器7、所述四分之一波片A 3的光轴方向、所述四分之一波片B 6的光轴方向与光路之间的角度分别为45°、-45°、0°、90°，以在调节光路时，使产生的圆偏振光水平通过克尔盒内两个电极板间隙时产生克尔效应。所述He-Ne激光器1输出的是线偏振光，通过设置两个四分之一波片，对水平方向和垂直方向的偏振光进行调节，使水平方向和垂直方向分量具有一定相位差，产生椭圆偏振光。当水平方向和垂直方向分量之间的相位差越大，CCD高速摄像机8拍摄到干涉条纹的数量越多，空间电场的值越大。

一种可选的实施方式，所述在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，包括：

在施加暂态电压时，所述CCD高速摄像机以一定时间间隔连续拍摄多张RGB图像；

对每张RGB图像进行灰度处理，对灰度图像经过傅立叶变换和高通滤波器滤掉干扰信号，再经过反傅立叶变换得到时域空间图像；

对每张所述时域空间图像，将图像中每个干涉条纹的光强进行归一化处理，得到每个时刻的每个干涉条纹的归一化光强值I/I₀，其中，I表示从所述检偏器输出的光强，I₀表示输入至所述起偏器的光强，再通过反演公式确定每个时刻对应的电场；

将不同时刻的电场分布拟合，得到三维的电场时空分布；

其中，在电场增加时，电场反演公式为：

在电场减小时，电场反演公式为：

式中，E_m表示特征电场，E_m＝(2BL)^-1/2，B表示所述待测液体的克尔常数，L表示上、下电极板的长度，n表示其中一个时刻空间中采样点的数量。

可以理解的是，对每张所述RGB图像进行灰度处理，转换为光强信息的灰度图像，它能完整的保留图像中包含的电场和空间电荷分布信息。首先可以对灰度图像进行傅立叶变换，得到频域空间图像，其中，频域空间图像中每个像素的光强表示为：

式中，M、N分别表示所述灰度图像水平方向和垂直方向的总像素值，(x，y)和(u，v)分别表示时域空间图像和频域空间图像的像素位置，I₀表示输入至所述起偏器2的光强，j表示，I_f(u，v)表示频域空间图像中每个像素的光强；

频域空间图像中频率对应的光强值很容易分辨，通过高通滤波器滤除高通信号，保留有用信息，得到边缘效应更佳的CCD图像。再经过二维反傅立叶变换得到时域空间图像，便于后续光强的计算，其中，时域空间图像中每个像素的光强表示为：

式中，I(x，y)表示所述时域空间图像中每个像素的光强，是由I_f(u，v)经过滤波后再反傅立叶变换得到的时域光强。

基于克尔效应，采用下式确定每个时刻对应的电场分布：

式中，θ₁、θ₂分别表示所述起偏器2、所述检偏器7与电场线的夹角，E表示施加电场，E_m表示特征电场，E_m＝(2BL)^-1/2，B表示所述待测液体的克尔常数，L表示上、下电极板的长度；

取θ₁＝45°，θ₂＝-45°得到：

由于E与I/I₀的关系是非线性关系，所以对于每一段的电场，反演函数是分段的，根据电场增加和电场减小的情况来分别进行反算。

一种可选的实施方式，所述基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布，包括：

对每个时刻的电场，通过泊松方程计算出该时刻任意一点的空间电荷密度，得到每个时刻两个电极板间的空间电荷分布，将不同时刻的空间电荷分布拟合，得到三维的电荷时空分布；

其中，泊松方程为：

式中，ρ表示空间电荷密度值，ε₀和ε_r分别表示真空介电常数和相对介电常数，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，E表示当前时刻对应的电场。

一种可选的实施方式，所述基于所述电荷时空分布确定所述液体电介质载流子的平均迁移率，包括：

基于所述电荷时空分布，确定通过不同位置处在不同时刻电极注入液体电介质的空间电荷变化情况，得到所述液体电介质载流子的平均迁移率，相应的计算公式为：

式中，μ表示所述液体电介质载流子的平均迁移率，

表示所述液体电介质载流子的平均速度，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，Δx表示电荷从起始位置迁移至边界点的距离，x₁和x₂分别表示电荷迁移的起始位置和边界点的位置，t表示两个电极板间电荷迁移的时间，Δt表示两个电极板间电荷从起始位置迁移至边界点的时间差，t₁和t₂分别表示电荷迁移的起始时间和电荷迁移至边界点的时间，

表示时空平均电场，E(t，x)表示t时刻时x位置处的电场值，该电场值是某个时刻某个采样点根据反演公式反算出来的电场值。

可以理解的是，可以先求出某一时刻，空间电荷在上、下电极板间隙的变化情况，再利用不同时刻空间电荷的计算结果，拟合得出空间电荷的时空分布，即三维的电荷时空分布。在确定电荷变化的边界点时，空间电荷注入的时间应该在反算出来的电场值最大值之前的时间范围内选取，边界点距离下电极板的距离的选择，要满足空间电荷值密度值较小时对应的距离值。根据施加暂态电压下的空间电荷时空分布，空间电荷注入的时间优选在50-250μs内选择，边界点距离下电极板的距离优选取电荷密度值为0.5C/m³时位置点的坐标。时空平均电场是电荷迁移范围内的电场时空分布的平均值，在进行时空平均电场的计算时，通过暂态电压下电场时间和空间上分布积分计算后取平均得到，具有较高的精确度，得到的结果更加准确。在计算平均迁移率时，如果CCD高速摄像机的采样率足够，Δt和Δx可以在极小的区间内，计算出的迁移率为瞬态迁移率。

本发明通过每一张RGB图像，可以求得该图像对应时刻的电场分布，将不同时刻的电场分布通过MATLAB拟合可以得到三维的电场时空分布。通过泊松方程可以对电场求导，得到三维的电荷时空分布。通过MATLAB描绘出三维的电荷时空分布，并将三维分布旋转成图2所示的平面图。从平面图中，可以通过颜色深浅观察不同位置处在不同时刻电极注入液体电介质的空间电荷变化情况，即可以直观的找到极板间某点处空间电荷密度随时间与距离的关系，确定电荷变化的边界，从而可以计算得到液体电介质的平均迁移率。例如，图2中可以观测到在50-150μs区间，电极注入液体电介质中的空间电荷运动到x/d＝0.21处(d表示两个电极板之间的距离)，再根据电场时空分布得到时空平均电场，从而利用公式可得迁移率。其中，通过计算时空平均电场和电荷在液体电介质中迁移的时间差，可以有效减少迁移率的计算误差，使得测量的平均迁移率精度更高。

本发明实施例所述的一种液体电介质载流子平均迁移率的测量方法，采用前述所述装置，这里不再赘述，所述方法包括：

调节光路，使产生的圆偏振光水平通过克尔盒内两个电极板间隙；

在施加的暂态电压下，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，并基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布；

基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率。

一种可选的实施方式，所述调节光路，使产生的圆偏振光水平通过克尔盒内两个电极板间隙，包括：

将所述起偏器、所述检偏器、所述四分之一波片A的光轴方向、所述四分之一波片B的光轴方向与光路之间的角度分别设置为45°、-45°、0°、90°；

所述He-Ne激光器出射的线偏振光依次经过所述四分之一波片A和所述起偏器后变为圆偏振光，圆偏振光平行通过所述克尔盒内两个电极板间隙时产生克尔效应(圆偏振光经过待测液体电介质时产生双折射)。

一种可选的实施方式，所述在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，包括：

在施加暂态电压时，所述CCD高速摄像机以一定时间间隔连续拍摄多张RGB图像；

对每张RGB图像进行灰度处理，对灰度图像经过傅立叶变换和高通滤波器滤掉干扰信号，再经过反傅立叶变换得到时域空间图像；

对每张所述时域空间图像，将图像中每个干涉条纹的光强进行归一化处理，得到每个时刻的每个干涉条纹的归一化光强值I/I₀，其中，I表示从所述检偏器输出的光强，I₀表示输入至所述起偏器的光强，再通过反演公式确定每个时刻对应的电场；

将不同时刻的电场分布拟合，得到三维的电场时空分布；

其中，在电场增加时，电场反演公式为：

在电场减小时，电场反演公式为：

式中，E_m表示特征电场，E_m＝(2BL)^-1/2，B表示所述待测液体的克尔常数，L表示上、下电极板的长度，n表示其中一个时刻空间中采样点的数量。

一种可选的实施方式，所述基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布，包括：

对每个时刻的电场，通过泊松方程计算出该时刻任意一点的空间电荷密度，得到每个时刻两个电极板间的空间电荷分布，将不同时刻的空间电荷分布拟合，得到三维的电荷时空分布；

其中，泊松方程为：

式中，ρ表示空间电荷密度值，ε₀和ε_r分别表示真空介电常数和相对介电常数，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，E表示当前时刻对应的电场。

一种可选的实施方式，所述基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率，包括：

基于所述电荷时空分布，确定通过不同位置处在不同时刻电极注入液体电介质的空间电荷变化情况，得到所述液体电介质载流子的平均迁移率，相应的计算公式为：

式中，μ表示所述液体电介质载流子的平均迁移率，

表示所述液体电介质载流子的平均速度，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，Δx表示电荷从起始位置迁移至边界点的距离，x₁和x₂分别表示电荷迁移的起始位置和边界点的位置，t表示两个电极板间电荷迁移的时间，Δt表示两个电极板间电荷从起始位置迁移至边界点的时间差，t₁和t₂分别表示电荷迁移的起始时间和电荷迁移至边界点的时间，

表示时空平均电场，E(t，x)表示t时刻时x位置处的电场值。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种液体电介质载流子平均迁移率的测量装置，其特征在于，所述装置包括：

在光路上依次布置的He-Ne激光器、起偏器、四分之一波片A、扩束镜、克尔盒、四分之一波片B、检偏器和CCD高速摄像机；

所述克尔盒内放置待测的液体电介质，所述克尔盒内平行布置的两个电极板分别接冲击电压发生器和地，以在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布，并基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述He-Ne激光器发出线偏振光，所述起偏器、所述检偏器、所述四分之一波片A的光轴方向、所述四分之一波片B的光轴方向与光路之间的角度分别为45°、-45°、0°、90°，以使产生的圆偏振光水平通过所述克尔盒内两个电极板间隙时产生克尔效应。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，包括：

在施加暂态电压时，所述CCD高速摄像机以一定时间间隔连续拍摄多张RGB图像；

对每张RGB图像进行灰度处理，对灰度图像经过傅立叶变换和高通滤波器滤掉干扰信号，再经过反傅立叶变换得到时域空间图像；

对每张所述时域空间图像，将图像中每个干涉条纹的光强进行归一化处理，得到每个时刻的每个干涉条纹的归一化光强值I/I₀，其中，I表示从所述检偏器输出的光强，I₀表示输入至所述起偏器的光强，再通过反演公式确定不同时刻对应的电场强度；

将不同时刻的电场分布拟合，得到三维的电场时空分布；

其中，在电场增加时，电场反演公式为：

在电场减小时，电场反演公式为：

式中，E_m表示特征电场，E_m＝(2BL)^-1/2，B表示所述待测液体的克尔常数，L表示上、下电极板的长度，n表示其中一个时刻空间中采样点的数量。

4.如权利要求1所述的装置，所述基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布，包括：

对每个时刻的电场，通过泊松方程计算出该时刻任意一点的空间电荷密度，得到每个时刻两个电极板间的空间电荷分布，将不同时刻的空间电荷分布拟合，得到三维的电荷时空分布；

其中，泊松方程为：

式中，ρ表示空间电荷密度值，ε₀和ε_r分别表示真空介电常数和相对介电常数，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，E表示当前时刻对应的电场。

5.如权利要求1所述的装置，所述基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率，包括：

基于所述电荷时空分布，确定通过不同位置处在不同时刻电极注入液体电介质的空间电荷变化情况，得到所述液体电介质载流子的平均迁移率，相应的计算公式为：

式中，μ表示所述液体电介质载流子的平均迁移率，

表示所述液体电介质载流子的平均速度，x表示两个电极板间任意一点到下电极板的距离，Δx表示电荷从起始位置迁移至边界点的距离，x₁和x₂分别表示电荷迁移的起始位置和边界点的位置，t表示两个电极板间电荷迁移的时间，Δt表示两个电极板间电荷从起始位置迁移至边界点的时间差，t₁和t₂分别表示电荷迁移的起始时间和电荷迁移至边界点的时间，

表示时空平均电场，E(t，x)表示t时刻时x位置处的电场值。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述CCD高速摄像机的帧数至少为100000fps。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述冲击电压发生器输出250±20％和2500±60％μs操作过电压。

8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的液体电介质载流子平均迁移率的测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

调节光路，使产生的圆偏振光水平通过克尔盒内两个电极板间隙；

在施加的暂态电压下，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，并基于所述电场时空分布反演三维的电荷时空分布；

基于所述电荷时空分布确定电荷运动的边界点，根据所述边界点确定所述液体电介质载流子的平均迁移率。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述调节光路，使产生的圆偏振光水平通过克尔盒内两个电极板间隙，包括：

将所述起偏器、所述检偏器、所述四分之一波片A的光轴方向、所述四分之一波片B的光轴方向与光路之间的角度分别设置为45°、-45°、0°、90°；

所述He-Ne激光器出射的线偏振光依次经过所述四分之一波片A和所述起偏器后变为圆偏振光，圆偏振光平行通过所述克尔盒内两个电极板间隙时产生克尔效应。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述在所述冲击电压发生器施加暂态电压时，根据测量出的两个电极板间二维平面截面的光强时空分布反演三维的电场时空分布，包括：

在施加暂态电压时，所述CCD高速摄像机以一定时间间隔连续拍摄多张RGB图像；

对每张RGB图像进行灰度处理，对灰度图像经过傅立叶变换和高通滤波器滤掉干扰信号，再经过反傅立叶变换得到时域空间图像；

对每张所述时域空间图像，将图像中每个干涉条纹的光强进行归一化处理，得到每个时刻的每个干涉条纹的归一化光强值I/I₀，其中，I表示从所述检偏器输出的光强，I₀表示输入至所述起偏器的光强，再通过反演公式确定每个时刻对应的电场；

将不同时刻的电场分布拟合，得到三维的电场时空分布；

其中，在电场增加时，电场反演公式为：

在电场减小时，电场反演公式为：

式中，E_m表示特征电场，E_m＝(2BL)^-1/2，B表示所述待测液体的克尔常数，L表示上、下电极板的长度，n表示其中一个时刻空间中采样点的数量。

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