專利名稱：一種基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固體絕緣材料放電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于電光效應(yīng) 的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
固體絕緣材料表面電荷積累是一種常見的物理現(xiàn)象。由于這些材 料廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備領(lǐng)域，這些表面電荷的存在和積累經(jīng)常引起設(shè) 備表面放電，導(dǎo)致設(shè)備絕緣老化，甚至發(fā)生事故。因此，研究表面電 荷分布、積累過程與放電現(xiàn)象的關(guān)系，進(jìn)而探索如何抑制電荷積累和 放電現(xiàn)象具有重要的意義。
研究固體絕緣材料表面電荷的分布和積累需要借助表面電荷測(cè) 量技術(shù)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常規(guī)和通用的測(cè)量方法是靜電探頭法。該方法需 要采用靜電感應(yīng)和電容分壓的原理來進(jìn)行測(cè)量。由于電容探頭的引入 會(huì)使絕緣材料表面的電場(chǎng)和電荷分布產(chǎn)生畸變，探頭的大小和結(jié)構(gòu)會(huì) 對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的分辨率和靈敏度產(chǎn)生很大的影響，嚴(yán)重影響了測(cè)量的準(zhǔn) 確性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的靜電探頭法的測(cè)量方法和設(shè)備對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)影響
較大的問題，本發(fā)明采用普克爾斯(Pockels)電光效應(yīng)方法對(duì)固體絕 緣材料進(jìn)行表面電荷測(cè)量。本發(fā)明提出如下技術(shù)方案
一種基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)，包括激光器，單模光纖，電荷測(cè)量探頭，多模光纖，光電轉(zhuǎn)換器，同軸電纜和示波器。激光器 的輸出端接到單模光纖的入端，通過單模光纖接到電荷測(cè)量探頭的輸 入端，電荷測(cè)量探頭的輸出端通過多模光纖連接到光電轉(zhuǎn)換器的輸入 端，光電轉(zhuǎn)換器的輸出端通過同軸電纜連接到示波器。
所述電荷測(cè)量探頭由普克爾斯電光晶體、1/8波片、偏振分光鏡、 第一全反射鏡、第二全反射鏡、第一準(zhǔn)直鏡和第二準(zhǔn)直鏡構(gòu)成，第一 準(zhǔn)直鏡、第二準(zhǔn)直鏡，第二準(zhǔn)直鏡設(shè)置在第一準(zhǔn)直鏡的下方，第一準(zhǔn)
直鏡與偏振分光鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、1/8波片、普克
爾斯電光晶體依次連接，第二全反射鏡位于偏振分光鏡的下方，第二 全反射鏡的輸出端與第二準(zhǔn)直鏡連接，在普克爾斯電光晶體朝向被測(cè) 試絕緣材料的一面設(shè)置有介質(zhì)反射膜。
所述的激光器由電池或穩(wěn)壓電源供電，能夠產(chǎn)生功率達(dá)17mW的 光源。
第一準(zhǔn)直鏡接到偏振分光鏡的輸入端，偏振分光鏡和l/8波片通 過光學(xué)膠連接到一起。普克爾斯電光晶體一端鍍有氧化銦錫(ITO) 透明電極，該端面與l/8波片膠合，另一端鍍有介質(zhì)反射膜。全反射 鏡接到偏振分光鏡的出光側(cè)，實(shí)現(xiàn)光路偏轉(zhuǎn)。
所述的光電轉(zhuǎn)換器，測(cè)量波長(zhǎng)范圍320nm-1000nm，響應(yīng)度最大 為0.53A/W，增益可以調(diào)整，將多模光纖中接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)，通過同軸電纜接到示波器，在示波器上顯示測(cè)量波形。
這種測(cè)量方法的工作原理是，當(dāng)電荷測(cè)量探頭放置在被測(cè)絕緣材 料表面上方時(shí)，固體絕緣材料表面電荷在其周圍空間形成電場(chǎng)分布，當(dāng)電場(chǎng)施加在具有電光效應(yīng)的晶體上時(shí)，會(huì)引起該晶體介質(zhì)折射率變 化，通過電光調(diào)制，可將這種折射率的變化轉(zhuǎn)換為透過該晶體的光強(qiáng) 的變化，通過測(cè)量光強(qiáng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為的電信號(hào)就可以反映表面電荷 的分布狀況。光學(xué)探頭屬于電介質(zhì)材料，對(duì)被測(cè)電荷分布影響很小， 因此可以對(duì)測(cè)量帶來的影響也很小，測(cè)量準(zhǔn)確度較高，是一個(gè)較為理 想的測(cè)量表面電荷的方法。


圖l為本發(fā)明基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖， 圖l中的符號(hào)表示激光器l;單模光纖2;電荷測(cè)量探頭3;多模 光纖4;光電轉(zhuǎn)換器5;同軸電纜6;示波器7;被測(cè)絕緣材料8。 圖2為本發(fā)明電荷測(cè)量探頭結(jié)構(gòu)放大示意圖。
圖2中的符號(hào)表示介質(zhì)反射膜9; 1/8波片10;偏振分光鏡ll; 第二全反射鏡12;第一準(zhǔn)直鏡13;第二準(zhǔn)直鏡14，普克爾斯電光晶體 15，第一全反射鏡16。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步 的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
參見圖l，基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成。激光器l
的輸出遄通過單模光纖2接到電荷測(cè)量探頭3的輸入端，電荷測(cè)量探頭 3的輸出端通過多模光纖4連接到光電轉(zhuǎn)換器5的輸入端，光電轉(zhuǎn)換器5 的輸出端通過同軸電纜6連接到示波器7，電荷測(cè)量探頭3放置在被測(cè) 絕緣材料8表面的上方，距離被測(cè)絕緣材料2mm。所述的激光器l為波長(zhǎng)658nm，功率為17mW的半導(dǎo)體激光器，由 電池或穩(wěn)壓電源供電。
如圖2所示，所述的電荷測(cè)量探頭3由普克爾斯電光晶體15， 1/8 波片IO，偏振分光鏡ll，第一反射鏡16,第二全反射鏡12，第一準(zhǔn)直 鏡13和第二準(zhǔn)直鏡14構(gòu)成。第一準(zhǔn)直鏡13接到偏振分光鏡11的入光 側(cè)，偏振分光鏡11和1/8波片10通過光學(xué)膠連接到一起。普克爾斯電 光晶體15采用Bi4Ge3Ch2晶體， 一端鍍有氧化銦錫(ITO)透明電極， 該端面與1/8波片10膠合，另一端鍍有介質(zhì)反射膜9。第一全反射鏡16 與第二全反射鏡12接到偏振分光鏡11的出光側(cè)，實(shí)現(xiàn)光路偏轉(zhuǎn)。
所述電荷測(cè)量探頭由普克爾斯電光晶體15、 1/8波片10、偏振分 光鏡ll、第一全反射鏡16、第二全反射鏡12、第一準(zhǔn)直鏡13和第二準(zhǔn) 直鏡14構(gòu)成，第二準(zhǔn)直鏡14設(shè)置在第一準(zhǔn)直鏡13的下方，第一準(zhǔn)直鏡 13與偏振分光鏡11、第一全反射鏡16、第二全反射鏡12、 1/8波片10、 普克爾斯電光晶體15依次連接，第二全反射鏡16位于偏振分光鏡11 的下方，第二全反射鏡12的輸出端與第二準(zhǔn)直鏡14連接，在普克爾斯 電光晶體15朝向被測(cè)試絕緣材料的一面設(shè)置介質(zhì)反射膜9。
所述的光電轉(zhuǎn)換器5，測(cè)量波長(zhǎng)范圍320nm-1000nm,響應(yīng)度最大 為0.53A/W，增益可以調(diào)整，能將多模光纖4中接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器5的輸出端通過同軸電纜6接到示波器7，在示 波器7上顯示記錄測(cè)量波形。
測(cè)量過程將本發(fā)明的基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)的激光 器開啟，激光器1發(fā)出的激光信息號(hào)通過單模光纖2，通過電荷測(cè)量探頭3的第一準(zhǔn)直鏡13入射到偏振分光鏡11，形成偏振光，偏振光通過 1/8波片10，進(jìn)入普克爾斯電光晶體15，在介質(zhì)反射膜9的一端反射回 來，然后光路通過第一全反射鏡16和第二全反射鏡12實(shí)現(xiàn)光路偏轉(zhuǎn)， 光信號(hào)經(jīng)由第二準(zhǔn)直鏡14耦合到多模光纖4中，通過光電轉(zhuǎn)換器5將光 信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入示波器7，即可達(dá)到測(cè)量固體絕緣材料表面電 荷分布狀況的目的。當(dāng)把電荷測(cè)量探頭3置于待測(cè)區(qū)域，表面電荷形 成的電場(chǎng)作用在普克爾斯電光晶體15的折射率會(huì)發(fā)生變換，通過上述 光路的調(diào)制，將折射率轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)的變化，通過測(cè)量光強(qiáng)的幅值即可 以獲得對(duì)應(yīng)的電荷分布的數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括激光器(1)、單模光纖(2)、電荷測(cè)量探頭(3)、多模光纖(4)、光電轉(zhuǎn)換器(5)、同軸電纜(6)和示波器(7)，激光器(1)的輸出端接到單模光纖(2)的輸入端，通過單模光纖(2)接到電荷測(cè)量探頭(3)的輸入端，電荷測(cè)量探頭(3)的輸出端通過多模光纖(4)連接到光電轉(zhuǎn)換器(5)的輸入端，光電轉(zhuǎn)換器(5)的輸出端通過同軸電纜(6)連接到示波器(7)，被測(cè)絕緣材料(8)設(shè)置在電荷測(cè)量探頭(3)的下方。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)，其 特征在于所述電荷測(cè)量探頭(3)由普克爾斯電光晶體(15)、 1/8 波片(10)、偏振分光鏡(11)、第一全反射鏡(16)、第二全反射鏡(12)、第一準(zhǔn)直鏡(13)和第二準(zhǔn)直鏡(14)構(gòu)成;第二準(zhǔn)直鏡(14) 設(shè)置在第一準(zhǔn)直鏡(13 )的下方，第一準(zhǔn)直鏡(13 )與偏振分光鏡(11)、 第一全反射鏡(16)、第二全反射鏡(12)、 1/8波片(10)、普克爾斯 電光晶體(15)依次連接，第二全反射鏡(12)位于偏振分光鏡(11) 的下方，第二全反射鏡(12)的輸出端與第二準(zhǔn)直鏡(14)連接，第 二全反射鏡(12)的介質(zhì)反射膜設(shè)置在普克爾斯電光晶體(15)朝向 被測(cè)試絕緣材料的一面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)，其 特征在于所述的激光器(1)為波長(zhǎng)658nm,功率為17mW的半導(dǎo)體激光器，由電池或穩(wěn)壓電源供電。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換器(5)，測(cè)量波長(zhǎng)范圍320nm-1000nm， 響應(yīng)度最大為0.53A/W，增益可以調(diào)整。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)，其 特征在于所述電荷測(cè)量探頭(3)與被測(cè)絕緣材料(8)的距離不大 于2mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于固體絕緣材料放電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于電光效應(yīng)的表面電荷測(cè)量系統(tǒng)。包括激光器、單模光纖、電荷測(cè)量探頭、多模光纖、光電轉(zhuǎn)換器、同軸電纜和示波器，激光器的輸出接到單模光纖的輸入端，通過單模光纖接到電荷測(cè)量探頭的輸入端，電荷測(cè)量探頭的輸出端通過多模光纖連接到光電轉(zhuǎn)換器的輸入端，光電轉(zhuǎn)換器的輸出端通過同軸電纜連接到示波器，被測(cè)絕緣材料設(shè)置在電荷測(cè)量探頭的下方，本發(fā)明測(cè)量準(zhǔn)確度高，是一個(gè)較為理想的測(cè)量表面電荷的方法。
文檔編號(hào)G01R29/14GK101614770SQ20091002345
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月28日
發(fā)明者張冠軍, 穆海寶, 政 韓 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)