基于電光二次效應(yīng)的空間強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于空間電場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種空氣中強(qiáng)電場(chǎng)快速測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 空氣中的空間電場(chǎng)的測(cè)量在科學(xué)研究和工程技術(shù)研究領(lǐng)域中具有廣泛的運(yùn)用。在 電力行業(yè)，電場(chǎng)測(cè)量可用于電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電氣設(shè)備內(nèi)外電場(chǎng)分布測(cè)量。在長(zhǎng)空氣間隙 放電過(guò)程中，空間電場(chǎng)的準(zhǔn)確有效測(cè)量有利于特高壓輸電線路絕緣距離的選擇。在電氣設(shè) 備中，通過(guò)空間電場(chǎng)的測(cè)量，可以有效判別設(shè)備的絕緣情況，更好的進(jìn)行絕緣配合。因此進(jìn) 行空間電場(chǎng)測(cè)量方法的研究是很有必要的。
[0003] 傳統(tǒng)的空間電場(chǎng)測(cè)量都是采用電磁感應(yīng)原理。當(dāng)空間電場(chǎng)作用在電場(chǎng)傳感器上 時(shí)，基于電磁感應(yīng)，電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)通訊系統(tǒng)達(dá)到接收端，通過(guò)對(duì)接收到的 信號(hào)的分析處理就可以得到所測(cè)空間電場(chǎng)量。這種測(cè)量裝置通常會(huì)由于電場(chǎng)傳感器的放入 而使所測(cè)電場(chǎng)產(chǎn)生畸變，重新分布，同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，體積龐大，不能對(duì)空間電場(chǎng)進(jìn)行精 確定位測(cè)量。
[0004] 隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，基于電光效應(yīng)的電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)也逐步發(fā)展與成熟起來(lái)。在 外界電場(chǎng)作用下，某些本來(lái)是各向同性的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，而本來(lái)就有雙折射性質(zhì) 的晶體，它的雙折射性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，這就是電光效應(yīng)?，F(xiàn)在主要集中研究的電光效應(yīng)是 Pockels(泡克耳斯）效應(yīng)和Kerr(克爾）效應(yīng)。
[0005]目前，有關(guān)空間電場(chǎng)測(cè)量專利主要集中在一次電光效應(yīng)技術(shù)的研究，如申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110009563. 3的"一種基于Pockels效應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)"專利，涉及一種基于 Pocke1s效應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)。二次電光Kerr效應(yīng)主要是應(yīng)用在Kerr液體中電場(chǎng)的測(cè) 量，如申請(qǐng)?zhí)枮镃N201510073187. 2的"一種液體電介質(zhì)空間電場(chǎng)快速測(cè)量裝置及方法"專 利，涉及一種液體電介質(zhì)空間電場(chǎng)快速測(cè)量裝置，采用基于電光Kerr效應(yīng)和Mach-Zehnder 干涉儀的液體電介質(zhì)空間暫態(tài)電場(chǎng)的快速檢測(cè)技術(shù)。很少有將二次電光Kerr效應(yīng)應(yīng)用于 空氣中空間電場(chǎng)測(cè)量的發(fā)明。二次電光Kerr效應(yīng)的弛豫時(shí)間短，約10-9s量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn) 快速準(zhǔn)確測(cè)量，由于空氣在一般情況下表現(xiàn)為各向同性介質(zhì)，在測(cè)量過(guò)程中引入Kerr細(xì)胞 單元，利用二次電光效應(yīng)來(lái)對(duì)空氣中空間強(qiáng)場(chǎng)進(jìn)行快速準(zhǔn)確測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對(duì)傳統(tǒng)空間電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)中系統(tǒng)復(fù)雜，體積龐大，測(cè) 量精度低等一系列不足，提供了一種基于二次電光Kerr效應(yīng)的空間強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。該系 統(tǒng)在空間強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量下具體較高的精度和反應(yīng)速度，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)無(wú)損測(cè) 量。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0008] 基于電光二次效應(yīng)的空間強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，包括
[0009] 激光發(fā)生器，用于發(fā)生激光；
[0010] 光路分束單元，用于將激光發(fā)生器輸出的激光分為至少2束；
[0011] Kerr傳感器，接收光路分束單元分出的激光，使激光光束通過(guò)進(jìn)行Kerr細(xì)胞單元 后輸出；
[0012] 光電探測(cè)器，探測(cè)Kerr傳感器輸出的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；以及
[0013] 信息采集處理單元，根據(jù)光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)，計(jì)算獲得空間電場(chǎng)。
[0014] 進(jìn)一步，所述光路分束單元，用于將激光發(fā)生器輸出的激光分為3束，對(duì)應(yīng)設(shè)置3 套Kerr傳感器和光電探測(cè)器。
[0015] 進(jìn)一步，所述激光發(fā)生器與光路分束單元以及Kerr傳感器之間采用保偏光纖連 接，Kerr傳感器與陣列光電探測(cè)器通過(guò)多模光纖連接。
[0016] 進(jìn)一步，所述光路分束單元、Kerr傳感器入光處與出光處均設(shè)有光纖準(zhǔn)直器。
[0017] 進(jìn)一步，所述Kerr傳感器包括沿光路依次設(shè)置的起偏器、1/4波片I、Kerr細(xì)胞單 元，1/4波片II和檢偏器。
[0018] 進(jìn)一步，所述Kerr傳感器還包括平行反射單元，所述平行反射單元設(shè)置在Kerr細(xì) 胞單元兩側(cè)，將1/4波片I發(fā)出的光束反射穿越Kerr細(xì)胞單元至少2次后進(jìn)入1/4波片II。
[0019] 進(jìn)一步，所述起偏器與檢偏器消光比為10000:1，偏振方向正交。
[0020] 進(jìn)一步，所述Kerr細(xì)胞單元為充滿碳酸丙稀酯液體的無(wú)氣泡密閉玻璃體，所述玻 璃體腔內(nèi)的橫截面積l〇X15mm2,長(zhǎng)度30mm。
[0021] 進(jìn)一步，所述信息采集處理單元通過(guò)下式計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度：
[0022]

[0023] 卜才由-。丨先卓與由各*常數(shù)和Kerr細(xì)胞液介電常數(shù)；E由下式推算：
[0024]
[0025] 上式中，I為光電探測(cè)器接收光強(qiáng)，I。為經(jīng)過(guò)Kerr細(xì)胞入射光強(qiáng)，L為Kerr細(xì)胞 單元長(zhǎng)度，K為平行反射單元反射光路轉(zhuǎn)向次數(shù)，E為Kerr細(xì)胞單元中電場(chǎng)強(qiáng)度，B為細(xì)胞 液Kerr常數(shù)。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0027] (1)測(cè)量準(zhǔn)確度高。本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)的空間電場(chǎng)測(cè)量方法，不引入探針以及其他 可能會(huì)改變電場(chǎng)分布的因素，減少了空間電場(chǎng)在測(cè)量過(guò)程中的畸變，具有較高的準(zhǔn)確度。
[0028] ⑵測(cè)量精度高。本發(fā)明是基于電光二次效應(yīng)的空間強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量方法，在Kerr傳 感器中，光強(qiáng)的變化與場(chǎng)強(qiáng)的二次方成正比，并使用平行反射單元加倍延長(zhǎng)光路，并使用陣 列型光電探測(cè)器進(jìn)行光信號(hào)的接收，具有較高的精確度。
[0029] (3)抗干擾能力強(qiáng)。本發(fā)明使選用帶有光纖接口的保偏激光源，該激光器能發(fā)出光 強(qiáng)連續(xù)、穩(wěn)定的激光，同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)各個(gè)單元均密封在有機(jī)玻璃種，提高了測(cè)量裝置的抗干 擾能力，使得測(cè)量裝置抗干擾能力強(qiáng)。
[0030] (4)響應(yīng)速度快。本發(fā)明的原理是基于Kerr效應(yīng)的空間強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量，弛豫時(shí)間短， 約10-9s量級(jí)，響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。
[0031] (5)集成化設(shè)計(jì)。本發(fā)明個(gè)單元分別集成封裝，通過(guò)光纖連接，集成化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，進(jìn)一步提高了準(zhǔn)確度，精度以及抗干擾能力。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1示出了基于電光二次效應(yīng)的空間強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2示出了Kerr傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方 式