CN202948074U - 基于克尔效应的液体介质空点电场分布测量装置 - Google Patents
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Abstract
基于克尔效应的液体介质空点电场分布测量装置，它涉及液体介质空点电场分布测量装置。它为解决现有液体介质空点电场分布测量装置在测量克尔常数小的液体介质时存在的虽能实现动态测量和实时采集，但是对外加电压的范围有较大的限制的问题。激光器发射的激光光束入射到扩束透镜的光线入射端，激光光束经扩束透镜的光线出射端入射到准直器的光线入射端；经过准直器的激光光束通过起偏器入射到λ/4波片的光线入射端；经过λ/4波片的激光光束入射到克尔效应盒的光线入射端，由克尔效应盒透射出的激光光束通过检偏器和滤波器入射到CCD图像传感器的光线接收端；CCD图像传感器连上位控制计算机。它可适用于常数较小的液体介质中的电场分布的测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及液体介质空点电场分布测量装置。
背景技术
介质中的电场是介质电性理论中一个关键性的参数，介质材料的各种电气物性都与此密切相关，有效地测量出介质中的电场分布对介质物理的发展和介质材料的开发应用都有非常重要的价值。
如果介质是理想的，则可根据电极系统的集合形状计算体内电场；实际介质往往因各种各样的原因，形成体内空间电荷，使电场分布发生时变。空间电荷的形成和运动以及与电极材料等外界条件的关系在物理上尚不清楚，电荷与电场之间互为因果的自洽特性，使数学处理尤其困难。因此利用实验方法测量出介质中的电场分布是非常诱人的课题。相对来说，固体介质的研究较为广泛和活跃，这与固体介质驻极体的开发应用有着不解之缘，先后采用的方法有切片法、电子束法、热脉冲法、激光光强调制法、压力波传输法、电声脉冲法、热刺激电流法、表面电位法、光谱分析法、光刺激电流法等，多数方法国内外研究保持着同步的发展水平。
液体介质材料的应用范围和量都很大，而其电场分布的研究显得比较薄弱，国外先后提出了探针法、纹影法和克尔效应法。利用静电感应原理的探针法，可以深入液体内部测量电极各位置点上的电势，假如测得的电势分布式连续光滑的，则求导可得出电场分布，遗憾的是探针本身引起的干扰，常带来不可补救的极大的误差，使测量无效，这一方法已不太有人应用。纹影法的基础是介质的折射率。介质常数和密度为温度的函数。如在电极相同的介质中有一个温度梯度，外施电压使温度梯度的变化将以折射两次的变化反映出来，以测量透明液体介质中的电场分布。通过测量透明液体介质中建立一个可以人为控制的温度梯度，并对之进行精确的计量。纹影法自1982年后未见应用报道。
克尔效应指的是各向相同性的透明介质材料在外施高压下表现出来的光学上的各向异性，即平行和垂直于电场方向的折射率之差正比于电场强度的平方。这是英格兰物理学家(John Kerr)于1875年首次发现的电光效应实验规律，上世纪20年代开始被利用来测量液体介质中的电场，光通过外施电压的介质后因相位差在像屏上形成明暗条纹，由此可推算电场分布，这种像叫电光场图。
克尔效应测量要求液体介质中有大的克尔效应，然而已知的液体介质中克尔常数大的不多，主要有硝基苯(克尔常数10-12m/V2数量级)和氯代联苯(克尔常数10-13m/V2数量级)几种。而对克尔常数较小的介质，如高纯水(克尔常数10-14m/V2数量级)则必须把电压加到很高或把电极加长到1米以上。外加电压受液体介质击穿电压的限制而不可能过高；加长电极可使克尔效应明显，但同时光路吸收增加、干扰加剧、信号变弱，需改用大功率光源，而大功率光源向介质的入射会在测量过程中加热液体而使测量失败。克尔常数更小的液体介质，如变压器油(10-15m/V2数量级)电极要加长到5米以上，才有从理论上讲的明显的克尔效应，考虑到吸收和干扰等因素，这种加长电极的方式达不到实用。很长时间以来，人们一直以为克尔效应法仅仅适用于几种克尔常数大的液体，直到瑞典的Torne和Gafvert首次提出改进的克尔效应法，把测量范围拓展到了变压器油。
由于克尔常数较小的液体介质被广泛用于变压器、断路器、电力电容器等电气设备中，故研究这些克尔常数较小的液体介质中的电场分布十分必要。目前，国际上已有用精度高、响应快、且对被测电场无干扰的克尔电光效应测量系统，来研究介质中的电场和空间电荷分布，但大部分只针对稳态而少有对动态情况研究，国内这一领域的研究更是几乎没有真正的实用化。虽然国内有学者用性能相对较好的CCPD传感器作光电转换和接收装置，实现了对克尔常数较大的液体介质(如硝基苯)中电场和空间电荷的动态测量，但自身灵敏度的限制使其不能动态测量克尔常数较小的液体介质电场和空间电荷分布。同时，国内的一些研究者提出采用新型光电接收装置，对变压器油等克尔常数较小的液体介质实现动态测量和实时采集，并对采集的光强信号进一步处理分析，同时验证了测量系统的可靠性，但其对外加电压的范围有较大的限制。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有液体介质空点电场分布测量装置在测量克尔常数小的液体介质时存在的虽能实现动态测量和实时采集，但是对外加电压的范围有较大的限制的问题，而提出的基于克尔效应的液体介质空点电场分布测量装置。
基于克尔效应的液体介质空点电场分布测量装置，它包括激光器、扩束透镜、准直器、起偏器、λ/4波片、克尔效应盒、检偏器、滤波器、CCD图像传感器和上位控制计算机；待测液体介质装设在克尔效应盒内部；所述激光器的激光出射口的中心轴线与扩束透镜的中心轴线、准直器的中心轴线、起偏器的中心轴线、λ/4波片的中心轴线、克尔效应盒的中心轴线、检偏器的中心轴线、滤波器的中心轴线和CCD图像传感器的中心轴线位于同一轴线上；所述激光器发射的激光光束入射到扩束透镜的光线入射端，所述激光光束经扩束透镜的光线出射端入射到准直器的光线入射端；经过准直器的激光光束通过起偏器入射到λ/4波片的光线入射端；经过λ/4波片的激光光束入射到克尔效应盒的光线入射端，由克尔效应盒透射出的激光光束通过检偏器和滤波器入射到CCD图像传感器的光线接收端；CCD图像传感器的图像数据信号输出端与上位控制计算机的图像数据信号输入端相连；所述克尔效应盒的正、负电极分别与供电电源正、负极相连。
本实用新型所述基于克尔效应的液体介质空点电场分布测量装置采用稳定性好、动态范围大、灵敏度高的CCD图像传感器9建立新的测量系统，以测量克尔常数较小的液体介质中的电场分布，从而得到通过分析光强的空间分布和变化规律来得出电场的空间分布和变化规律的方法，为液体介质中的电场及空间电荷分布测量提供测试设备。该测量装置采用CCD图像传感器9采集信息，可以实现动态测量；该测量装置在信号采集端采用滤波器8实现接收波段的控制，可以保证采集信息的有效性，能够避免杂散光的输入，解决了装置对实验环境的依赖性，便于现场测量；通过克尔效应盒6的改进，实现了对克尔常数小的液体介质的有效测量，并实现了装置小型化，减少了对外加电压范围的限制；测试装置具有便携性，拆装以及移动方便。它可广泛适用于常数较小的液体介质中的电场分布的测量。
附图说明
图1为具体实施方式一的结构示意图；图2为具体实施方式二的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于克尔效应的液体介质空点电场分布测量装置，它包括激光器1、扩束透镜2、准直器3、起偏器4、λ/4波片5、克尔效应盒6、检偏器7、滤波器8、CCD图像传感器9和上位控制计算机10；待测液体介质装设在克尔效应盒6内部；所述激光器1的激光出射口的中心轴线与扩束透镜2的中心轴线、准直器3的中心轴线、起偏器4的中心轴线、λ/4波片5的中心轴线、克尔效应盒6的中心轴线、检偏器7的中心轴线、滤波器8的中心轴线和CCD图像传感器9的中心轴线位于同一轴线上；所述激光器1发射的激光光束入射到扩束透镜2的光线入射端，所述激光光束经扩束透镜2的光线出射端入射到准直器3的光线入射端；经过准直器3的激光光束通过起偏器4入射到λ/4波片5的光线入射端；经过λ/4波片5的激光光束入射到克尔效应盒6的光线入射端，由克尔效应盒6透射出的激光光束通过检偏器7和滤波器8入射到CCD图像传感器9的光线接收端；CCD图像传感器9的图像数据信号输出端与上位控制计算机10的图像数据信号输入端相连；所述克尔效应盒6的正、负电极分别与供电电源正、负极相连。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述测量装置还包括显示器11；所述显示器11的显示数据输入端与上位控制计算机10的显示数据输出端相连。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (2)
1.基于克尔效应的液体介质空点电场分布测量装置，其特征在于它包括激光器(1)、扩束透镜(2)、准直器(3)、起偏器(4)、λ/4波片(5)、克尔效应盒(6)、检偏器(7)、滤波器(8)、CCD图像传感器(9)和上位控制计算机(10)；待测液体介质装设在克尔效应盒(6)内部；所述激光器(1)的激光出射口的中心轴线与扩束透镜(2)的中心轴线、准直器(3)的中心轴线、起偏器(4)的中心轴线、λ/4波片(5)的中心轴线、克尔效应盒(6)的中心轴线、检偏器(7)的中心轴线、滤波器(8)的中心轴线和CCD图像传感器(9)的中心轴线位于同一轴线上；所述激光器(1)发射的激光光束入射到扩束透镜(2)的光线入射端，所述激光光束经扩束透镜(2)的光线出射端入射到准直器(3)的光线入射端；经过准直器(3)的激光光束通过起偏器(4)入射到λ/4波片(5)的光线入射端；经过λ/4波片(5)的激光光束入射到克尔效应盒(6)的光线入射端，由克尔效应盒(6)透射出的激光光束通过检偏器(7)和滤波器(8)入射到CCD图像传感器(9)的光线接收端；CCD图像传感器(9)的图像数据信号输出端与上位控制计算机(10)的图像数据信号输入端相连；所述克尔效应盒(6)的正、负电极分别与供电电源正、负极相连。
2.根据权利要求1所述的基于克尔效应的液体介质空点电场分布测量装置，其特征在于所述测量装置还包括显示器(11)；所述显示器(11)的显示数据输入端与上位控制计算机(10)的显示数据输出端相连。
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