CN114895112B - 一种固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法 - Google Patents

一种固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固‑液复合介质电场与电荷测量系统及方法，属于绝缘材料测试技术领域。所述系统包括：外施激励模块、信号转换模块和信号处理模块。本发明的系统通过外施激励模块提供了适用于PEA测量的第一电源激励和适用于Kerr测量的第二电源激励，通过信号转换模块实现PEA测量和Kerr测量，通过信号处理模块基于PEA信号和Kerr信号确定固‑液复合试样的空间电场分布和空间电荷分布。

Description

一种固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法
技术领域
本发明涉及绝缘材料测试技术领域，特别是涉及一种固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法。
背景技术
空间电荷是绝缘材料研究的热点问题，电场的作用下会导致电介质内部积聚空间电荷，空间电荷会造成电介质内部严重的电场畸变，增强或削弱局部电场，诱发绝缘失效。因此对于介质内部的空间电荷以及电场的测量，可以了解空间电荷的积聚过程，以及介质的电场变化过程，为绝缘材料的设计提供指导。固-液复合介质是绝缘材料中常见的类型之一，如油纸绝缘。然而对于固-液复合介质的空间电荷分布及空间电场分布的测量并没有相关研究。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法，以实现固-液复合介质的电场与电荷的测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种固-液复合介质电场与电荷测量系统，所述系统包括：外施激励模块、信号转换模块和信号处理模块；
所述外施激励模块与所述信号转换模块连接，所述外施激励模块用于输出第一电源激励和第二电源激励；所述第一电源激励为包含直流电源和脉冲电源的激励，所述第二电源激励为带有直流偏置的正弦波激励；
所述信号转换模块与所述信号处理模块连接，所述信号转换模块用于将固-液复合试样中的固体试样在第一电源激励作用下产生的包含空间电荷分布信息的声波脉冲转换成PEA（Pulsed Electro-Acoustic，电声脉冲法）信号，将固-液复合试样中的液体试样在第二电源激励作用下形成的包含空间电场分布信息的椭圆偏振光转换成Kerr（克尔）信号；
所述信号处理模块，用于根据所述PEA信号确定所述固体试样的空间电荷分布，并根据所述Kerr信号确定所述液体试样的空间电场分布。
可选的，所述外施激励模块包括第一外施激励子模块和第二外施激励子模块；
所述第一外施激励子模块的一端与所述信号转换模块的内电极连接，所述第一外施激励子模块用于输出第一电源激励；
所述第二外施激励子模块的一端与所述信号转换模块的外电极连接，所述第一外施激励子模块用于输出第二电源激励；
所述第一外施激励子模块的另一端与所述第二外施激励子模块的另一端连接。
可选的，所述第一外施激励子模块包括：直流电源、第一保护电阻、脉冲电源和隔直电容；
所述直流电源与所述第一保护电阻串联形成第一串联支路；所述脉冲电源和所述隔直电容的串联形成第二串联支路；
所述第一串联支路和所述第二串联支路并联连接。
可选的，所述第二外施激励子模块包括：串联连接的信号发生器、功率放大器和第二保护电阻；
所述信号发生器用于产生带有直流偏置的正弦波信号。
可选的，所述信号转换模块包括：激光器、起偏器、1/4玻片、有机玻璃腔体、声-电转换模块、检偏器和光电探测器；所述有机玻璃腔体用于容纳固-液复合试样；
所述声-电转换模块设置在所述有机玻璃腔体的下方，所述声-电转换模块用于将有机玻璃腔体内的固-液复合试样中的固体试样在第一电源激励作用下产生的包含空间电荷分布信息的声波脉冲转换成PEA信号；
所述起偏器、所述1/4玻片和所述有机玻璃腔体的进光口依次设置在所述激光器的激光出射方向上；所述激光器产生的激光经所述起偏器变为线偏振光，所述线偏振光经所述1/4玻片变为圆偏振光，所述圆偏振光从所述有机玻璃腔体的进光口射入，作用于所述有机玻璃腔体内的固-液复合试样上，所述圆偏振光经过第二电源激励作用下的固-液复合试样变为包含空间电场分布信息的椭圆偏振光，所述椭圆偏振光从所述有机玻璃腔体的出光口出射；
所述检偏器和所述光电探测器，沿所述椭圆偏振光的出射方向依次设置，所述椭圆偏振光经所述检偏器检偏后，经所述光电探测器转换为Kerr信号。
可选的，所述有机玻璃腔体内设置有输入电极、两个光学玻璃和地电极；所述输入电极包括外电极，同轴设置在外电极内部的内电极，以及设置在所述内电极和所述外电极之间的绝缘套管；所述内电极用于输入所述第一电源激励，所述外电极用于输入所述第二电源激励；
所述地电极平行设置在所述输入电极的下方，且所述地电极穿过所述有机玻璃腔体延伸至所述有机玻璃腔体的下表面；
工作时，所述固-液复合试样设置在所述输入电极与所述地电极之间，从所述进光口输入的圆偏振光穿过所述固-液复合试样形成椭圆偏振光，所述椭圆偏振光从所述出光口出射。
可选的，所述声-电转换模块包括设置在所述地电极的下表面的压电薄膜、设置在所述压电薄膜下表面的有机玻璃吸声层，设置在有机玻璃吸声层下表面的金属导电层，以及包覆在所述有机玻璃吸声层侧面的铝箔。
可选的，所述信号处理模块包括：锁相放大器、电压放大器、示波器和计算机；
所述电压放大器的输入端与所述声-电转换模块的输出端连接，所述电压放大器的输出端与所述示波器连接；
所述锁相放大器的输入端与所述光电探测器连接，所述锁相放大器的输出端与所述示波器连接；
所述示波器与所述计算机连接；
所述系统还包括金属屏蔽盒，所述声-电转换模块和所述电压放大器均设置在所述金属屏蔽盒内。
一种固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述方法基于上述系统，所述方法包括如下步骤：
利用外施激励模块施加第一电源激励和第二电源激励后，采集PEA信号和Kerr信号；在第一电源激励中的脉冲信号的每个周期内连续进行PEA信号和Kerr信号的采集，PEA信号和Kerr信号的采集时延分别为t1和t2，t1和t2的取值范围为（t，T），t表示所施加的第一电源激励中的脉冲信号的脉宽，T表示所施加的第一电源激励中的脉冲信号的周期；
根据PEA信号和Kerr信号，确定所述固体试样的空间电荷分布及所述液体试样的空间电场分布。
可选的，所述利用外施激励模块施加第一电源激励和第二电源激励后，采集PEA信号和Kerr信号，之前还包括：
在施加第一电源激励和第二电源激励的初始时刻，采集初始PEA信号；
对所述初始PEA信号进行傅里叶变换，获得用于空间电荷分布计算的传递函数；利用所述传递函数进行空间电荷分布计算的步骤为：对施加第一电源激励和第二电源激励后采集的PEA信号进行傅里叶变换得到的中间结果；对所述中间结果进行传递函数变换获得变换后的中间结果；对变换后的中间结果进行傅里叶反变换，获得固体试样的空间电荷分布；
设置第一电源激励中的直流电源和第二电源激励中的直流偏置电压均更换为小于预设电压阈值的低压直流电源，获得更换后的第一电源激励和更换后的第二电源激励；
对信号转换模块施加更换后的第一电源激励和更换后的第二电源激励，待信号转换模块输出的PEA信号和Kerr信号稳定后进行采集，获得低压激励下的稳定PEA信号和稳定Kerr信号；
根据所述稳定PEA信号和所述稳定Kerr信号，利用如下公式，确定修正系数；所述修正系数用于对利用所述PEA信号测量得到的空间电荷分布的固-液界面处的电荷密度进行修正；
Figure 866955DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 478065DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，σ 1表示固-液界面电荷密度的第一计算值，ε S 为固体试样的介电常数，ε L 为液体试样的介电常数，E L 表示根据稳定Kerr信号计算得到的液体试样的稳定电场强度；E S 表示根据液体试样的稳定电场强度计算得到的固体试样的平均电场；
Figure 189276DEST_PATH_IMAGE003
，U表示第一电源激励中的直流电源的电压，d L 为液体试样的厚度，d S 为固体试样的厚度；k表示修正系数，σ 2表示稳定PEA信号积分得到的固-液界面电荷密度的第二计算值。
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：
本发明公开了一种固-液复合介质电场与电荷测量系统及方法，所述系统包括：外施激励模块、信号转换模块和信号处理模块；所述外施激励模块与所述信号转换模块连接，所述外施激励模块用于输出第一电源激励和第二电源激励；所述第一电源激励为包含直流电源和脉冲电源的激励，所述第二电源激励为带有直流偏置的正弦波激励；所述信号转换模块与所述信号处理模块连接，所述信号转换模块用于将固-液复合试样中的固体试样在第一电源激励作用下产生的包含空间电荷分布信息的声波脉冲转换成PEA信号，将固-液复合试样中的液体试样在第二电源激励作用下形成的包含空间电场分布信息的椭圆偏振光转换成Kerr信号；所述信号处理模块，用于根据所述PEA信号确定所述固体试样的空间电荷分布，并根据所述Kerr信号确定所述液体试样的空间电场分布。本发明通过外施激励模块提供了适用于PEA测量的第一电源激励和适用于Kerr测量的第二电源激励，通过信号转换模块实现PEA测量和Kerr测量，通过信号处理模块基于PEA信号和Kerr信号确定固-液复合试样的空间电场分布和空间电荷分布。
而且本发明的方法还通过在低压激励下达到稳定，固-液复合试样内未有空间电荷注入情况下，测量液体试样中的电场并推算出固体试样中的平均电场，以此计算出此时的固-液界面电荷密度，将PEA测量的固-液界面电荷密度与之对比，求得修正系数，则PEA在界面处的信号均乘修正系数恢复信号，提高了固-液界面的电荷密度的测量的准确性。
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行人员来讲，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1提供的一种固-液复合介质电场与电荷测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的有机玻璃腔体及声-电转换模块的结构示意图；
图3为本发明实施例3提供的试验模型的结构示意图；
图4为本发明实施例3提供的油中电场测量结果示意图；
图5为本发明实施例3提供的PEA测量的参考信号的示意图；
图6为本发明实施例3提供的不同测量时间测量点的纸中空间电荷测量结果示意图；
附图标记：
1、直流电源；2、第一保护电阻；3、第二保护电阻；4、功率放大器；5、信号发生器；6、脉冲电源；7、隔直电容；8、计算机；9、示波器；10、激光器；11、起偏器；12、1/4玻片；13、有机玻璃腔体；14、 声-电信号转换模块；15、检偏器；16、光电探测器；17、锁相放大器；18、电压放大器；19、内电极；20、绝缘套管；21、外电极；22、光学玻璃；23、地电极；24、压电薄膜；25、铝箔；26、有机玻璃吸声层；27、金属导电层；28、金属屏蔽盒。
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，本领域普通技术行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固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法，以实现固-液复合介质的电场与电荷的测量。
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。
电声脉冲法（Pulsed Electro-Acoustic，PEA）是测量介质空间电荷分布的有效方法，因其无损测量的优点而得到广泛的应用。传统PEA测量装置的测量对象多为单一固体试样，对于复合试样，尤其是固-液复合试样，因声波在不同介质中的传播特性，在信号采集与处理上均存在较大的难度，且在测厚试样的情况下，对脉冲源和幅值以及信号采集与处理有较高的要求。Kerr（克尔）光电效应利用光在电场作用下介质传播过程中的双折射现象，可实现对液体电介质的空间电场分布无损测量，但难以对不透光的介质的空间电场分布进行测量。此时单一的测量手段已无法满足对固-液复合试样空间电荷分布以及空间电场分布测量的需求，将二者结合，利用PEA测量固体试样的空间电荷分布，Kerr效应测量液体试样的空间电场分布，二者的联合测量，可以更好地研究固-液复合试样的空间电荷分布、电场特性。
基于上述原理本发明提供了如下方案。
实施例1
本发明实施例1提供一种固-液复合介质电场与电荷测量系统，所述系统包括：外施激励模块、信号转换模块和信号处理模块；所述外施激励模块与所述信号转换模块连接，所述外施激励模块用于输出第一电源激励和第二电源激励；所述第一电源激励为包含直流电源1和脉冲电源6的激励，所述第二电源激励为带有直流偏置的正弦波激励；所述信号转换模块与所述信号处理模块连接，所述信号转换模块用于将固-液复合试样中的固体试样在第一电源激励作用下产生的包含空间电荷分布信息的声波脉冲转换成PEA信号，将固-液复合试样中的液体试样在第二电源激励作用下形成的包含空间电场分布信息的椭圆偏振光转换成Kerr信号；所述信号处理模块，用于根据所述PEA信号确定所述固体试样的空间电荷分布，并根据所述Kerr信号确定所述液体试样的空间电场分布。
所述外施激励模块包括第一外施激励子模块和第二外施激励子模块；所述第一外施激励子模块的一端与所述信号转换模块的内电极19连接，所述第一外施激励子模块用于输出第一电源激励；所述第二外施激励子模块的一端与所述信号转换模块的外电极21连接，所述第一外施激励子模块用于输出第二电源激励；所述第一外施激励子模块的另一端与所述第二外施激励子模块的另一端连接。
如图1和2所示，第一外施激励子模块包括直流电源1、第一保护电阻2、脉冲电源6和隔直电容7，第二外施激励子模块包括信号发生器5、功率放大器4和第二保护电阻3。直流电源1与第一保护电阻2串联，并与脉冲电源6和隔直电容7的串联支路并联。第二电源激励通过信号发生器5产生有直流偏置的正弦波信号，再经功率放大器4产生。信号发生器5与功率放大器4及第二保护电阻3串联。施加电压的时候，第一电源激励施加在信号转换模块中的内电极19（高压内电极），第二电源激励电压施加在信号转换模块中的外电极21（高压外电极）。
信号转换模块包括：激光器10、起偏器11、1/4玻片12、有机玻璃腔体13、声-电转换模块14、检偏器15、光电探测器16。其中有机玻璃腔体13内设置有内电极19、绝缘套管20、外电极21、光学玻璃22、地电极23。其中，声-电转换模块14包含压电薄膜24、铝箔25、有机玻璃吸声层26、金属导电层27。激光器10产生的激光先经过起偏器11变为线偏振光，再经1/4玻片12变为圆偏振光后从有机玻璃腔体13两侧的光学玻璃22射入和射出，圆偏振光在第二电源激励中的直流偏置电压的作用下，通过的光束垂直于电场方向的分量与平行电场方向分量产生了包含电场信息的附加相位差，变为椭圆偏振光，起偏器11与检偏器15的偏振方向相互正交，经检偏器15检测偏振态，由光电探测器16将光信号转化为电信号，即，Kerr信号。第一电源激励施加在固体试样上，附带固体试样空间电荷分布信息的声波信号到达压电薄膜24的上表面，引起的压力波使其下表面产生电信号（即，PEA信号），电信号经铝箔25和金属导电层27传输。有机玻璃吸声层26吸收声波，防止声波反射对测量信号产生干扰。针对较厚的固体试样，为防止声波信号衰减，应增大脉冲激励幅值，与此同时，增大地电极23的厚度，使声波在地电极23中传播的时间远大于声波在固体试样中的传播时间，即可避免固体试样上表面的PEA信号被地电极23中声波的反射信号所干扰。
信号处理模块包括：锁相放大器17、电压放大器18、示波器9、计算机8。椭圆偏振光经光电探测器16转换为电信号（即Kerr信号）后由锁相放大器17及示波器9采集，得到光强信号、基频分量、倍频分量，可求得液体试样的电场强度。声波脉冲经声-电转换模块14转化的电信号（即PEA信号）经电压放大器18后，再经示波器9采集，处理后可得固体试样空间电荷分布。
其中，激光器10产生的激光与起偏器11、1/4玻片12、光学玻璃22、检偏器15垂直，与内电极19、外电极21、地电极23平行，固体试样置于地电极23上表面。
其中，内电极19和外电极21通过绝缘套管20相隔，第一电源激励施加在内电极19，第二电源激励施加在外电极21。
其中，压电薄膜24紧贴地电极23下表面，有机玻璃吸声层26的侧面包覆铝箔25，上表面紧贴压电薄膜24，下表面紧贴金属导电层27，金属导电层27与电压放大器18相连，金属屏蔽盒28起到屏蔽电磁干扰的作用。
实施例2
本发明实施例2提供一种固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述方法基于实施例1中的系统，所述方法包括如下步骤：
利用外施激励模块施加第一电源激励和第二电源激励后，采集PEA信号和Kerr信号；根据PEA信号和Kerr信号，确定所述固体试样的空间电荷分布及所述液体试样的空间电场分布。
其中，所述利用外施激励模块施加第一电源激励和第二电源激励后，采集PEA信号和Kerr信号，之前还包括：在施加第一电源激励和第二电源激励的初始时刻，采集初始PEA信号；对所述初始PEA信号进行傅里叶变换，获得用于空间电荷分布计算的传递函数；设置第一电源激励中的直流电源和第二电源激励中的直流偏置电压均更换为小于预设电压阈值的低压直流电源，获得更换后的第一电源激励和更换后的第二电源激励；对信号转换模块施加更换后的第一电源激励和更换后的第二电源激励，待信号转换模块输出的PEA信号和Kerr信号稳定后进行采集，获得低压激励下的稳定PEA信号和稳定Kerr信号；根据所述稳定PEA信号和所述稳定Kerr信号，利用如下公式，确定修正系数；所述修正系数用于对利用所述PEA信号测量得到的空间电荷分布的固-液界面处的电荷密度进行修正；
Figure 784205DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 546887DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，σ 1表示固-液界面电荷密度的第一计算值，ε S 为固体试样的介电常数，ε L 为液体试样的介电常数，E L 表示根据稳定Kerr信号计算得到的液体试样的稳定电场强度；E S 表示根据液体试样的稳定电场强度计算得到的固体试样的平均电场；
Figure 340399DEST_PATH_IMAGE006
，U表示第一电源激励中的直流电源的电压，d L 为液体试样的厚度，d S 为固体试样的厚度；k表示修正系数，σ 2表示稳定PEA信号积分得到的固-液界面电荷密度的第二计算值。
示例性的，本发明实施例2的具体实现方式包括如下步骤：
第1步：放置好所述固-液复合试样后，打开激光器10，调节激光使其从液体试样中射入，调节光电探测器16检测经检偏器15射出的检偏后的椭圆偏振光，获取初始Kerr信号，具体的，固体试样处理好以后放置于地电极23上表面，将有机玻璃腔体13内倒入液体试样，调节输入电极的高度，确保激光能从液体试样中穿过。开启激光器10，使激光垂直于有机玻璃腔体13一侧的光学玻璃22射入，穿过液体机制从另一侧的光学玻璃22射出，调节光电探测器16的位置使其能够检测到出射光（即，检偏后的椭圆偏振光）的光照强度。
第2步：开启外施激励模块，同时开启直流电源1、脉冲电源6、信号发生器5以及功率放大器4。内电极19施加第一电源激励，外电极21施加第二电源激励。
第3步：通过信号处理模块，设置示波器9的触发方式为脉冲激励的信号触发，触发后采集PEA信号和Kerr信号并经计算机8处理，自加压时刻开始采集两种测量信号。设置示波器采集PEA信号的触发时延是t1，采集Kerr信号的时延是t2，t1和t2的取值范围为（t，T）；其中t表示第一电源激励中所施加的脉冲信号的脉宽，T表示脉冲信号的周期。
第4步：固-液界面处的PEA信号因声波的折反射需对该PEA信号进行恢复，利用低压直流达到稳定的Kerr测量获得的液体试样的空间电场分布结果（即，液体试样的稳定电场强度）推算固体试样的平均电场，此时无空间电荷积聚，故可准确计算出此时的界面电荷密度，即固-液界面电荷密度的第一计算值，将PEA测量得到的界面电荷密度（即，固-液界面电荷密度的第二计算值）与固-液界面电荷密度的第一计算值比较，获得信号修正系数，通过修正系数对往后时刻PEA测量得到的在固-液界面处的电荷密度进行修正及恢复。
步骤104具体包括：
根据光电探测器获取光强信号I dc，锁相放大器获取基频分量I 1ω和倍频分量I 2ω可由公式（1）和（2）求得液体试样中的电场强度。
Figure 396080DEST_PATH_IMAGE007
(1)
Figure 150410DEST_PATH_IMAGE008
(2)
式中，B为液体试样的Kerr常数，L为液体试样测量区域的长度，E dc 为液体试样的电场强度，E ac 为中间参量。
根据加压初始时刻的PEA信号为初始PEA信号，因初始时刻无空间电荷积聚，对其信号进行傅里叶变换，可求出测量系统的传递函数，后续采集的PEA信号经傅里叶变换乘上系统传递函数后经反变换得到空间电荷分布。
再对固-液界面处的PEA信号进行修正，低压激励下达到稳定的液体试样中电场测量结果为E L ，固体中的平均电场E S 可由式（3）求得：
Figure 635224DEST_PATH_IMAGE003
(3)
式中，U为第一电源激励中的直流电源的电压，d L为液体试样厚度，d S为固体试样厚度。
可计算固-液界面电荷密度的第一计算值σ 1可由式（4）求得：
Figure 158609DEST_PATH_IMAGE009
(4)
式中，ε S 为固体试样的介电常数，ε L 为液体试样的介电常数。
将PEA在固-液界面测量的稳定PEA信号积分可计算出第二界面电荷密度σ 2，则固-液界面处信号的修正系数k=σ 1/ σ 2，对PEA在固-液界面处的空间电荷分布密度乘上修正系数k，即可对固-液界面处的信号进行恢复修正。
实施例3
固-液复合试样为2 mm绝缘纸板和3 mm变压器油隙，结构如图3。外施激励模块施加的直流电源为﹢10 kV，脉冲激励为1 kV，经信号发生器与功率放大器输出的交流电压的幅值为1 kV，直流偏置为10 kV，第一保护电阻为10 MΩ，第二保护电阻为500 kΩ，隔直电容为1000 pF，交流、直流、脉冲激励的有效值可达90%以上。
加压后采集1800s内的Kerr信号与PEA信号，油中电场可由式（1）和（2）求得，结果如图4所示。选取加压初始时刻的PEA信号为参考信号，此时无空间电荷注入，纸板两端电压可由油中电场获取，在已知固体试样介电常数的情况下，可对参考信号进行傅里叶变化求取传递函数，加压0-1800s的PEA信号傅里叶变化后乘传递函数后反变换可得纸板的空间电荷分布，参考信号如图5所示，纸板空间电荷分布图6所示。
由图4结果可以看出，油中电场呈指数衰减趋势，很快便达到稳态，不再增加，由此可知纸中的平均电场一直增长，且远大于油中电场，由图6结果可知，正极性直流电压下，油纸界面积聚正电荷，随纸板两端电压升高，纸板的上下表面电荷均增长，且纸板内开始有空间电荷积聚。说明了在直流电压下油纸复合绝缘纸板承担大部分电场，且易存在空间电荷积聚，增强局部电场，进一步诱发绝缘失效，表明直流电压下变压器的油纸绝缘结构中，绝缘纸板承担大部分电场，应留有较大的绝缘裕度。
基于上述方案可见：
本发明实施例为克服现有技术中单一测量方法仅能对单一介质的空间电荷分布或空间电场分布的测量，针对固-液复合试样，将两种测量方法结合，本发明对现有测量装置及测量方法进行了改进，设计了一种固-液复合试样电场及空间电荷分布测量系统，适用于对较厚的固体和液体复合试样测量液体中的空间电场分布及固体试样中的空间电荷分布，探究电场及空间电荷分布的变化规律及特性。
本发明实施例为分别保证Kerr效应测量电场与PEA法测量空间电荷分布的准确性，设置采样时序，通过脉冲机理触发采集PEA信号，延时后再采集Kerr信号，避免脉冲电压对空间电场分布产生影响。并将直流、脉冲激励与交直流复合激励分别施加在高压电极的内侧与外侧，这样即可以减小介质的等效电容，避免脉冲波形变宽，保证了测量系统的分辨率，又解决了Kerr测量需要直流加交流调制电压与PEA需要加直流加脉冲机理两种不同形式电压的问题。
本发明实施例为测量厚固体试样的空间电荷分布，采用提高脉冲电压幅值的方法，并增大了下电极的厚度，防止声波折反射信号对有效信号的干扰。
本发明实施例对于采集的固-液界面处的空间电荷分布信号，提出了界面的信号恢复算法。
本发明的效益：
（1）本发明设置了能够提供不同电源激励的外施激励模块电路和包含内电极和外电极21的输入电极的结构，解决了Kerr测量和PEA测量需要施加两种不同形式电压的问题，保证了直流、交流、脉冲三种电源的有效性以及两种测量方法互不影响，提高了测量系统的分辨率；
（2）通过增大脉冲源的幅值和地电极厚度，可适用于较厚固体试样的空间电荷分布测量，并消除了固体试样空间电荷分布测量中，声波折反射信号对有效的PEA信号的干扰，获取了空间电荷分布测量的有效PEA信号；
（3）通过设置示波器的采集时序，即通过脉冲触发采集信号，先采集PEA信号后采集Kerr信号，避免了脉冲激励对Kerr信号产生影响；
（4）提出了固-液界面PEA信号的信号恢复方法，即通过低压激励下试样内未有空间电荷分布注入情况下，测量达到稳定的液体中的电场并推算出固体中的平均电场，以此计算出此时的界面电荷密度，将达到稳定的PEA测量的界面电荷密度与之对比，求得修正系数，则PEA在界面处的信号均乘修正系数恢复信号。
对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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行人员，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 (8)

1.一种固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述方法基于固-液复合介质电场与电荷测量系统，所述系统包括：外施激励模块、信号转换模块和信号处理模块；
所述外施激励模块与所述信号转换模块连接，所述外施激励模块用于输出第一电源激励和第二电源激励；所述第一电源激励为包含直流电源和脉冲电源的激励，所述第二电源激励为带有直流偏置的正弦波激励；
所述信号转换模块与所述信号处理模块连接，所述信号转换模块用于将固-液复合试样中的固体试样在第一电源激励作用下产生的包含空间电荷分布信息的声波脉冲转换成PEA信号，将固-液复合试样中的液体试样在第二电源激励作用下形成的包含空间电场分布信息的椭圆偏振光转换成Kerr信号；
所述信号处理模块，用于根据所述PEA信号确定所述固体试样的空间电荷分布，并根据所述Kerr信号确定所述液体试样的空间电场分布；
所述方法包括如下步骤：
利用外施激励模块施加第一电源激励和第二电源激励后，采集PEA信号和Kerr信号；在第一电源激励中的脉冲信号的每个周期内分别进行PEA信号和Kerr信号的采集，PEA信号和Kerr信号的采集时延分别为t1和t2，且t1和t2的取值范围为（t，T），t表示所施加的第一电源激励中的脉冲信号的脉宽，T表示所施加的第一电源激励中的脉冲信号的周期；
根据PEA信号和Kerr信号，确定所述固体试样的空间电荷分布及所述液体试样的空间电场分布；
所述利用外施激励模块施加第一电源激励和第二电源激励后，采集PEA信号和Kerr信号，之前还包括：
在施加第一电源激励和第二电源激励的初始时刻，采集初始PEA信号；
对所述初始PEA信号进行傅里叶变换，获得用于空间电荷分布计算的传递函数；
设置第一电源激励中的直流电源和第二电源激励中的直流偏置电压均更换为小于预设电压阈值的低压直流电源，获得更换后的第一电源激励和更换后的第二电源激励；
对信号转换模块施加更换后的第一电源激励和更换后的第二电源激励，待信号转换模块输出的PEA信号和Kerr信号稳定后进行采集，获得低压激励下的稳定PEA信号和稳定Kerr信号；
根据所述稳定PEA信号和所述稳定Kerr信号，利用如下公式，确定修正系数；所述修正系数用于对利用所述PEA信号测量得到的空间电荷分布的固-液界面处的电荷密度进行修正；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，σ 1表示固-液界面电荷密度的第一计算值，ε S 为固体试样的介电常数，ε L 为液体试样的介电常数，E L 表示根据稳定Kerr信号计算得到的液体试样的稳定电场强度；E S 表示根据液体试样的稳定电场强度计算得到的固体试样的平均电场；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，U表示第一电源激励中的直流电源的电压，d L 为液体试样的厚度，d S 为固体试样的厚度；k表示修正系数，σ 2表示稳定PEA信号积分得到的固-液界面电荷密度的第二计算值。
2.根据权利要求1所述的固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述外施激励模块包括第一外施激励子模块和第二外施激励子模块；
所述第一外施激励子模块的一端与所述信号转换模块的内电极连接，所述第一外施激励子模块用于输出第一电源激励；
所述第二外施激励子模块的一端与所述信号转换模块的外电极连接，所述第一外施激励子模块用于输出第二电源激励；
所述第一外施激励子模块的另一端与所述第二外施激励子模块的另一端连接。
3.根据权利要求2所述的固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述第一外施激励子模块包括：直流电源、第一保护电阻、脉冲电源和隔直电容；
所述直流电源与所述第一保护电阻串联形成第一串联支路；所述脉冲电源和所述隔直电容的串联形成第二串联支路；
所述第一串联支路和所述第二串联支路并联连接。
4.根据权利要求2所述的固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述第二外施激励子模块包括：串联连接的信号发生器、功率放大器和第二保护电阻；
所述信号发生器用于产生带有直流偏置的正弦波信号。
5.根据权利要求1所述的固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述信号转换模块包括：激光器、起偏器、1/4玻片、有机玻璃腔体、声-电转换模块、检偏器和光电探测器；所述有机玻璃腔体用于容纳固-液复合试样；
所述声-电转换模块设置在所述有机玻璃腔体的下方，所述声-电转换模块用于将有机玻璃腔体内的固-液复合试样中的固体试样在第一电源激励作用下产生的包含空间电荷分布信息的声波脉冲转换成PEA信号；
所述起偏器、所述1/4玻片和所述有机玻璃腔体的进光口依次设置在所述激光器的激光出射方向上；所述激光器产生的激光经所述起偏器变为线偏振光，所述线偏振光经所述1/4玻片变为圆偏振光，所述圆偏振光从所述有机玻璃腔体的进光口射入，作用于所述有机玻璃腔体内的固-液复合试样上，所述圆偏振光经过第二电源激励作用下的固-液复合试样变为包含空间电场分布信息的椭圆偏振光，所述椭圆偏振光从所述有机玻璃腔体的出光口出射；
所述检偏器和所述光电探测器，沿所述椭圆偏振光的出射方向依次设置，所述椭圆偏振光经所述检偏器检偏后，经所述光电探测器转换为Kerr信号。
6.根据权利要求5所述的固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述有机玻璃腔体内设置有输入电极、两个光学玻璃和地电极；所述输入电极包括外电极，同轴设置在外电极内部的内电极，以及设置在所述内电极和所述外电极之间的绝缘套管；所述内电极用于输入所述第一电源激励，所述外电极用于输入所述第二电源激励；
所述有机玻璃腔体的进光口和所述出光口分别设置有光学玻璃；
所述地电极平行设置在所述输入电极的下方，且所述地电极穿过所述有机玻璃腔体延伸至所述有机玻璃腔体的下表面；
工作时，所述固-液复合试样设置在所述输入电极与所述地电极之间，从所述进光口输入的圆偏振光穿过所述固-液复合试样形成椭圆偏振光，所述椭圆偏振光从所述出光口出射。
7.根据权利要求6所述的固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述声-电转换模块包括设置在所述地电极的下表面的压电薄膜、设置在所述压电薄膜下表面的有机玻璃吸声层，设置在有机玻璃吸声层下表面的金属导电层，以及包覆在所述有机玻璃吸声层侧面的铝箔。
8.根据权利要求5所述的固-液复合介质电场与电荷测量方法，其特征在于，所述信号处理模块包括：锁相放大器、电压放大器、示波器和计算机；
所述电压放大器的输入端与所述声-电转换模块的输出端连接，所述电压放大器的输出端与所述示波器连接；
所述锁相放大器的输入端与所述光电探测器连接，所述锁相放大器的输出端与所述示波器连接；
所述示波器与所述计算机连接；
所述系统还包括金属屏蔽盒，所述声-电转换模块和所述电压放大器均设置在所述金属屏蔽盒内。
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