CN113917221A - 基于光纤的光学高精度验电装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光纤的光学高精度验电装置及系统，主要涉及电荷检测领域。本申请提供一种基于光纤的光学高精度验电装置，包括：遮光盒、第一薄膜、第二薄膜、固定部、导电端和光纤；在需要对待测位置的待测电荷量进行检测时，待测电荷通过该导电端进入到该固定部，并进一步的将电荷导入到该第一薄膜和第二薄膜上，第一薄膜和第二薄膜在同性电荷的斥力的作用下发生偏转，使得该第一薄膜和第二薄膜之间的夹角发生改变，从而改变该第一薄膜和第二薄膜之间的光信号的反射情况，进而使得反射回光纤的光信号的强度发生改变，通过对前后光信号的强度的变化进行计算，并根据光信号的强度的变化情况与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量。

Description

基于光纤的光学高精度验电装置及系统

技术领域

本发明涉及电荷检测领域，主要涉及一种基于光纤的光学高精度验电装置及系统。

背景技术

验电装置是用于检测电流的电荷量的装置，并且进一步检测电流或者电荷量大小的装置，现有技术一般采用，电流、电压和电阻的对应关系，通过检测电压和电阻，并通过计算，得到待测电流。

现有技术中，一般采用Q＝It，其中Q表示电荷量，I表示电流大小，t表示时间，通过获取电流大小与时间的乘积，表示待测电荷量的大小。

但是，由于现有技术需要获取到的电流受到电压和电阻的影响，并且电压和电阻在检测的过程中受到的影响因素较多，进而使得计算得到的电荷量中存在误差，进而使得最终得到的电荷量不准确。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤的光学高精度验电装置及系统，以解决现有技术中需要获取到的电流受到电压和电阻的影响，并且电压和电阻在检测的过程中受到的影响因素较多，进而使得计算得到的电荷量中存在误差，进而使得最终得到的电荷量不准确的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种基于光纤的光学高精度验电装置，装置包括：遮光盒、第一薄膜、第二薄膜、固定部、导电端和光纤；第一薄膜、第二薄膜和固定部均设置在遮光盒内部，导电端50的一端垂直贯穿遮光盒10的外壁伸入到遮光盒10内部，另一端设置在遮光盒10的外部，固定部与遮光盒内部的导电端的一端连接，第一薄膜和第二薄膜的一端均与固定部可转动连接，光纤一端设置在遮光盒外部，另一端穿过遮光盒的壁与第二薄膜对应设置，光纤用于将光信号传递到第二薄膜的表面，并接收第二薄膜出射的光信号。

可选地，该装置还包括伸缩部，伸缩部连接在第一薄膜和第二薄膜之间，且伸缩部的材料为电致伸缩材料。

可选地，该第二薄膜靠近第一薄膜的一侧设置有多个锥形凸起。

可选地，该装置还包括石墨烯层，石墨烯层设置在多个锥形凸起表面。

可选地，该第二薄膜靠近第一薄膜的一侧的表面为褶皱状表面。

可选地，该第一薄膜靠近第二薄膜的一侧设置有多个锥形凸起。

可选地，该第一薄膜为导电膜，第二薄膜为贵金属膜。

第二方面，本申请提供的一种基于光纤的光学高精度验电系统，系统包括：光强检测装置、计算机和第一方面任意一项的基于光纤的光学高精度验电装置，光强检测装置与装置的光纤远离第二薄膜的一端连接，用于接收反射光信号的光强，计算机根据反射光信号的光强与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量。

本发明的有益效果是：

本申请提供一种基于光纤的光学高精度验电装置，装置包括：遮光盒、第一薄膜、第二薄膜、固定部、导电端和光纤；第一薄膜、第二薄膜和固定部均设置在遮光盒内部，导电端50的一端垂直贯穿遮光盒10的外壁伸入到遮光盒10内部，另一端设置在遮光盒10的外部，固定部与遮光盒内部的导电端的一端连接，第一薄膜和第二薄膜的一端均与固定部可转动连接，光纤一端设置在遮光盒外部，另一端穿过遮光盒的壁与第二薄膜对应设置，光纤用于将光信号传递到第二薄膜的表面，并接收第二薄膜出射的光信号；由于该第一薄膜和第二薄膜之间可转动连接，则该第一薄膜和第二薄膜之间形成的夹角的角度也可以改变，当需要对待测电荷强度进行检测时，在光纤的一端通入光信号，光信号通过该光纤达到该第二薄膜的表面，并在该第一薄膜和第二薄膜表面进行多次反射，之后反射回一部分光信号到该光纤，检测该光纤的输出光信号的强度，在需要对待测位置的待测电荷量进行检测时，待测电荷通过该导电端进入到该固定部，并进一步的将电荷导入到该第一薄膜和第二薄膜上，第一薄膜和第二薄膜在同性电荷的斥力的作用下发生偏转，使得该第一薄膜和第二薄膜之间的夹角发生改变，从而改变该第一薄膜和第二薄膜之间的光信号的反射情况，进而使得反射回光纤的光信号的强度发生改变，通过对前后光信号的强度的变化情况进行计算，并根据光信号的强度的变化情况与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量，本申请通过将对电荷量的检测问题转化为对光信号的强度进行检测，由于对光信号的强度的检测灵敏度和准确度均较高，则使得通过光信号强度得到的电荷量的灵敏度和准确度也较高。

附图说明

图1为发明实施例提供的一种基于光纤的光学高精度验电装置的剖面结构示意图。

图2为发明实施例提供的另一种基于光纤的光学高精度验电装置的剖面结构示意图。

图3为发明实施例提供的另一种基于光纤的光学高精度验电装置的剖面结构示意图。

图标：10-遮光盒；20-固定部；30-第一薄膜；40-第二薄膜；50-导电端；60-光纤；70-伸缩部。

具体实施方式

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为发明实施例提供的一种基于光纤60的光学高精度验电装置的剖面结构示意图；图2为发明实施例提供的另一种基于光纤60的光学高精度验电装置的剖面结构示意图；如图1和图2所示，本申请提供一种基于光纤60的光学高精度验电装置，装置包括：遮光盒10、第一薄膜30、第二薄膜40、固定部20、导电端50和光纤60；第一薄膜30、第二薄膜40和固定部20均设置在遮光盒10内部，导电端50的一端垂直贯穿遮光盒10的外壁伸入到遮光盒10内部，另一端设置在遮光盒10的外部，固定部20与遮光盒10内部的导电端50的一端连接，第一薄膜30和第二薄膜40的一端均与固定部20可转动连接，光纤60一端设置在遮光盒10外部，另一端穿过遮光盒10的壁与第二薄膜40对应设置，光纤60用于将光信号传递到第二薄膜40的表面，并接收第二薄膜40出射的光信号。

该遮光盒10用于阻挡外界的光照射到该遮光盒10的内部，该遮光盒10的形状根据实际需要进行设置，在此不做具体限定，一般的，该遮光盒10的表面设置有一层黑色涂层，为了方便说明，在此以该遮光盒10为空腔长方体结构进行说明，长方体的空腔结构内部的一个面上设置有光纤60，该光纤60用于传输光信号，该光纤60的一端设置在该遮光盒10的外部，另一端设置在该遮光盒10的内部，且设置在该遮光盒内部的部分光纤的靠近第二薄膜40的端口与该第二薄膜40的位置相对应，即该光纤60出射的光可以传输到该第二光纤40表面，并在该第一光纤30和第二光纤40之间进行传播，最后该光信号从该光纤60的靠近第二薄膜40的端口进入到该光纤60的内部，并从远离该第二薄膜40一端的端口出射，导电端50穿过该遮光盒10的一个壁，使得该导电端50的一端设置在该遮光盒10的内部，另一端设置在该遮光盒10的外部。一般的，该光纤20与该导电端50垂直，第一薄膜30和第二薄膜40的一端均与固定部20可转动连接，使得该第一薄膜30和第二薄膜40之间形成夹角，且该夹角的角度一般为锐角，该固定部20分别可转动连接第一薄膜30和第二薄膜40的一端，即该固定部20用于将该第一薄膜30和第二薄膜40连接在一起，且当该第一薄膜30和第二薄膜40在力的作用下可以绕着与该固定部20的连接位置旋转，使得该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角发生改变，该导电端50一端与该固定部20连接，另一端延伸至该遮光盒10外部，该导电端50用于将外界的电荷导入到该固定部20上，并且该电荷通过该固定部20传递到该第一薄膜30和第二薄膜40上，由于该第一薄膜30和第二薄膜40上的电荷均是通过从该固定部20上获得的，则该第一薄膜30和第二薄膜40上的电荷为同性电荷，由于同性电荷之间相互排斥，且第一薄膜30和第二薄膜40可以转动，则当电荷导入到该第一薄膜30和第二薄膜40上时，该第一薄膜30和第二薄膜40在电荷力的作用下绕着固定部20发生一定的转动，使得该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角改变，由于光纤60将光信号传递到该第二薄膜40表面，光信号会在该第一薄膜30和第二薄膜40之间进行多次反射，并在传播的过程中，光信号会传递到该光纤60的靠近第二薄膜40的端口上，并通过该光纤60的靠近第二薄膜40的端口进入到该光纤60内部，并通过该光纤60将反射的光信号返回。当本申请的装置检测待测位置的电荷量时，电荷改变了第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角，即改变了光信号在第一薄膜30和第二薄膜40之间的传输路径，从而改变从该光纤60中出射的光信号的光强，通过对光纤60出射的光信号的光强进行检测，并通过该出射光信号的光强与待测电荷强度的对应关系，得到待测电荷量。

在未检测待测电荷之前，检测该光纤60出射的光信号的强度，并记作T1，在检测待测电荷强度之后，检测该光纤60出射的光信号的强度，并记作T2，通过将该T1和T2作差，得到强信号的光强变化情况，并根据该光强变化情况与待测电荷量之间的对应关系，得到待测电荷量，在实际应用中，该光强变化情况与待测电荷量之间的对应关系根据实验测量得到，在此不做具体限定，一般的，通过实验得到光强变化与待测电荷之间的映射关系，并根据该映射关系制作光强变化与待测电荷的映射表，通过根据计算得到的光强变化情况，与光强变化与待测电荷的映射表，得到待测电荷量。

另外，一般的，该第一薄膜30和第二薄膜40的厚度为300nm-8000nm，如此厚度的第一薄膜30和第二薄膜40可以保证光信号在第一薄膜30和第二薄膜40之间多次反射，并且如此厚度的第一薄膜30和第二薄膜40可以减少因重力原因造成的误差，进而提高本申请的装置对电荷检测的准确度，在实际应用中，该第一薄膜30和第二薄膜40的初始位置相互平行，且同时垂直于水平面设置，在电荷的作用下，该第一薄膜30和第二薄膜40从相互垂直变化为不垂直，且该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角变大；且第一薄膜30和第二薄膜40的材料要选用透明导电的材料，如金属薄膜、氧化物、薄金属、氧化物复合材料结构、掺杂具共轭键的有机导电高分子中一种或者多种；具导电性的导电碳材如石墨烯、纳米碳管中一种或者多种；或是设计肉眼看不到网格的结构如金属网格或金属网络。

图3为发明实施例提供的另一种基于光纤60的光学高精度验电装置的剖面结构示意图；如图3所示，可选地，该装置还包括伸缩部70，伸缩部70连接在第一薄膜30和第二薄膜40之间，且伸缩部70的材料为电致伸缩材料。

伸缩部70一方面用于对该第一薄膜30和第二薄膜40进行支撑和保护，避免该第一薄膜30和第二薄膜40在发生位移的之后损坏，进而使得该第一薄膜30和第二薄膜40的使用寿命得到延长，另一方面，由于该伸缩部70的材料为电致伸缩材料在电荷的作用下会发生形变，当需要对待测电荷区域进行检测的时候，电荷进入到该第一薄膜30和第二薄膜40中时，该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角发生改变时，该缩部也发生体积变化，进一步的改变该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角，进而改变该第一薄膜30和第二薄膜40之间光信号的传播路径，使得通过光纤60出射的光信号的光强发生改变，进而使得本申请检测电荷的灵敏度和准确性均得到提高。

可选地，该第二薄膜40靠近第一薄膜30的一侧设置有多个锥形凸起。

多个锥形凸起由会产生尖端效应，在尖端效应的作用下，多个锥形凸起的尖端位置会聚集大量电荷，从而提高该第二薄膜40对第一薄膜30的排斥作用，使得该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角的变化更大，从而使得该第一薄膜30和第二薄膜40之间的反射率反射较大的变化，从而使得通过该光纤60出射的光信号的强度发巨大变化，从而使得本申请的装置对电荷的检测灵敏度更高，准确性更高，在实际应用中，该第二薄膜40上设置的锥形凸起与该第一薄膜30不接触。

可选地，该装置还包括石墨烯层，石墨烯层设置在多个锥形凸起表面。

该石墨烯层设置在该第二薄膜40的多个锥形凸起的表面，由于该石墨烯薄膜上的载流子的迁移率较高，可以使得电荷在第二薄膜40上快速传播，从而减少本申请检测电荷的时间滞留，另外，石墨烯层还可以和第二薄膜40的表面的表明等离激元发生耦合，在该石墨烯层与该第二薄膜40之间聚集大量的电场，使得电致伸缩材料的伸缩部70的形变更大，更进一步的使得本申请的装置的检测电荷的灵敏度和准确度更高。

可选地，该第二薄膜40靠近第一薄膜30的一侧的表面为褶皱状表面。

将该第二薄膜40靠近该第一薄膜30的一侧设置有褶皱状表面，褶皱状表面即是该第二薄膜40的表面既有凹陷的地方，又有凸起的地方，由于尖端效应，电荷会大量汇聚在该褶皱状表面的凸起位置和凹陷位置，进而提高该第二薄膜40对第一薄膜30的排斥作用，使得在对电荷进行测量时，该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角的变化增大，从而更进一步的使得本申请的装置的检测电荷的灵敏度和准确度更高。

可选地，该第一薄膜30靠近第二薄膜40的一侧设置有多个锥形凸起，在实际应用中，该第一薄膜30上设置的锥形凸起与该第二薄膜40不接触。

多个锥形凸起由会产生尖端效应，在尖端效应的作用下，多个锥形凸起的尖端位置会聚集大量电荷，从而提高该第一薄膜30对第二薄膜40的排斥作用，使得该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角的变化更大，从而使得该第一薄膜30和第二薄膜40之间的反射率反射较大的变化，从而使得通过该光纤60出射的光信号的强度发巨大变化，从而使得本申请的装置对电荷的检测灵敏度更高，准确性更高。

可选地，该第一薄膜30为导电膜，第二薄膜40为贵金属膜。

该第一薄膜30和第二薄膜40一般均为贵金属，且该第一薄膜30和第二薄膜40可以为贵金属中的任意一种或多种，由于贵金属可以增大该第一薄膜30和第二薄膜40之间的等离激元效应，则使得本申请对电荷的检测更准确，灵敏度更高，一般的，该第一薄膜30还为导电膜，即该第一薄膜30为金属膜、氧化物/薄金属/氧化物复合材料结构、掺杂具共轭键的有机导电高分子；具导电性的导电碳材如石墨烯层、纳米碳管；或是设计肉眼看不到网格的结构如金属网格、金属网络中的任意一种，以提高该第一薄膜30对电荷的传输效率，进而提高本申请的装置对电荷检测灵敏度和准确度。

本申请提供一种基于光纤60的光学高精度验电装置，装置包括：遮光盒10、第一薄膜30、第二薄膜40、固定部20、导电端50和光纤60；第一薄膜30、第二薄膜40和固定部20均设置在遮光盒10内部，第一薄膜30和第二薄膜40均垂直于水平面，第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角为锐角，且固定部20连接在第一薄膜30和第二薄膜40之间的连接位置，导电端50一端与固定部20连接，另一端延伸出遮光盒10的壁，光纤60一端设置在遮光盒10外部，另一端穿过遮光盒10的壁与第二薄膜40对应设置，光纤60用于将光信号传递到第二薄膜40的表面；当需要对待测电荷强度进行检测时，在光纤60的一端通入光信号，光信号通过该光纤60达到该第二薄膜40的表面，并在该第一薄膜30和第二薄膜40表面进行多次反射，之后反射回一部分光信号到该光纤60，检测该光纤60的输出光信号的强度，在需要对待测位置的待测电荷量进行检测时，待测电荷通过该导电端50进入到该固定部20，并进一步的将电荷导入到该第一薄膜30和第二薄膜40上，第一薄膜30和第二薄膜40在同性电荷的斥力的作用下发生偏转，使得该第一薄膜30和第二薄膜40之间的夹角发生改变，从而改变该第一薄膜30和第二薄膜40之间的光信号的反射情况，进而使得反射回光纤60的光信号的强度发生改变，通过对前后光信号的强度的变化情况进行计算，并根据光信号的强度的变化情况与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量，本申请通过将对电荷量的检测问题转化为对光信号的强度进行检测，由于对光信号的强度的检测灵敏度和准确度均较高，则使得通过光信号强度得到的电荷量的灵敏度和准确度也较高。

本申请提供的一种基于光纤60的光学高精度验电系统，系统包括：光强检测装置、计算机和上述任意一项的基于光纤60的光学高精度验电装置，光强检测装置与装置的光纤60远离第二薄膜40的一端连接，用于接收反射光信号的光强，计算机根据反射光信号的光强与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光纤的光学高精度验电装置，其特征在于，所述装置包括：遮光盒、第一薄膜、第二薄膜、固定部、导电端和光纤；所述第一薄膜、所述第二薄膜和所述固定部均设置在所述遮光盒内部，所述导电端的一端垂直贯穿所述遮光盒的外壁伸入到所述遮光盒内部，另一端设置在所述遮光盒的外部，所述固定部与所述遮光盒内部的导电端的一端连接，所述第一薄膜和所述第二薄膜的一端均与所述固定部可转动连接，所述光纤一端设置在所述遮光盒外部，另一端穿过所述遮光盒的壁与所述第二薄膜对应设置，所述光纤用于将光信号传递到所述第二薄膜的表面，并接收所述第二薄膜出射的光信号。

2.根据权利要求1所述的基于光纤的光学高精度验电装置，其特征在于，所述装置还包括伸缩部，所述伸缩部连接在所述第一薄膜和所述第二薄膜之间，且所述伸缩部的材料为电致伸缩材料。

3.根据权利要求2所述的基于光纤的光学高精度验电装置，其特征在于，所述第二薄膜靠近所述第一薄膜的一侧设置有多个金属锥形凸起。

4.根据权利要求3所述的基于光纤的光学高精度验电装置，其特征在于，所述装置还包括石墨烯层，所述石墨烯层设置在多个所述锥形凸起表面。

5.根据权利要求4所述的基于光纤的光学高精度验电装置，其特征在于，所述第二薄膜靠近所述第一薄膜的一侧的表面为褶皱状表面。

6.根据权利要求5所述的基于光纤的光学高精度验电装置，其特征在于，所述第一薄膜靠近所述第二薄膜的一侧设置有多个锥形凸起。

7.根据权利要求6所述的基于光纤的光学高精度验电装置，其特征在于，所述第一薄膜为导电膜，所述第二薄膜为贵金属膜。

8.一种基于光纤的光学高精度验电系统，其特征在于，所述系统包括：光强检测装置、计算机和权利要求1-7任意一项所述的基于光纤的光学高精度验电装置，所述光强检测装置与所述装置的光纤远离第二薄膜的一端连接，用于接收反射光信号的光强，所述计算机根据所述反射光信号的光强与待测电荷量的对应关系，得到待测电荷量。

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