一種基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]空間電荷的存在、轉(zhuǎn)移和消失會直接導致電介質(zhì)內(nèi)部電場分布的改變，對介質(zhì)內(nèi)部的局部電場起到削弱或加強的影響。隨著輸電等級的提高，要求絕緣材料承受的場強越來越大。在外施電壓的作用下聚合物介質(zhì)內(nèi)部會出現(xiàn)空間電荷與表面電荷。特別是對直流高壓輸電系統(tǒng)，極高的電場強度會使電荷積聚變得更為嚴重。這對絕緣電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備方法和性能測試等多個方面提出了更多、更高的要求。聚乙烯材料是電氣工業(yè)中應用非常廣泛的一種絕緣介質(zhì)，它具有良好的電氣性能和絕緣性能，例如高擊穿場強，低介質(zhì)損耗和低電導率。在高壓直流輸電電纜設(shè)計過程中，聚乙烯絕緣中空間電荷的存在是影響電纜絕緣設(shè)計的關(guān)鍵因素，因此，對空間電荷的測量就顯得極其重要。
[0003]目前使用的空間電荷分布的測量方法主要有熱方法(熱脈沖法、熱階躍法)、聲方法(脈沖電聲法)、壓力波法(壓電誘導壓力波擴展法、激光調(diào)制壓力波法)和光電方法(光電導法、激光強度調(diào)制法)等，它們分別以溫度波、聲脈沖、和壓力波作為虛擬探針作用在介質(zhì)上，從而引起外電路的變化，最終獲得空間電荷分布的具體信息。雖然以上介紹的電介質(zhì)空間電荷的分布信息的無損測量方法已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，特別是脈沖電聲法和壓力波法在電氣絕緣領(lǐng)域得到了廣泛的應用，但是它們在測量分辨率上都有微米級的限制。近年來，隨著納米電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性能和應用的研究日趨深入，納米電介質(zhì)的極化、輸運、擊穿與老化現(xiàn)象的多尺度效應也成為關(guān)注的焦點。這些理論的一個很重要的基礎(chǔ)就是納米尺度的空間電荷行為，但是該方面并沒有太多的研究成果。
[0004]空間電荷分布測量系統(tǒng)的一個重要指標就是空間分辨率，目前，除了日本學者通過傳統(tǒng)的PEA技術(shù)將測量的分辨率提高之外，近幾十年來很少有相關(guān)研究的論述。這主要是因為PEA方法的分辨率受限于脈沖電源的脈寬和壓電傳感器的厚度和材料，傳統(tǒng)電子電路的帶寬最大不會超過幾個GHz，再想提高分辨率就不得不借助于非電學方法。
[0005]本發(fā)明提出了一種基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置。所述發(fā)明方案用彈光晶體或電光聚合物的應力雙折射效應對電荷產(chǎn)生的彈性波進行檢測的設(shè)想，設(shè)計了一種PE表面旋涂電光聚合物薄膜的試樣結(jié)構(gòu)，從理論上計算了系統(tǒng)可能達到的空間分辨率約為0.2nmo

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
其特征在于:所述系統(tǒng)包括光源、分束鏡、偏振片、延遲和聚光鏡、待測聚乙烯介質(zhì)、光電探測器、鎖相放大器、斬波器、數(shù)字示波器;光源通過分束鏡分散成測量光束和探測光束兩部分，測量光束經(jīng)延遲和聚光鏡照射至待測介質(zhì)，用來引發(fā)介質(zhì)的電荷擾動;探測光束通過偏振片后變?yōu)槠窆猓缓蠼?jīng)過反光鏡照射至待測聚乙烯介質(zhì)，透過介質(zhì)的折射光作為測量信號，同時探測光束經(jīng)斬波器作為參考信號；測量和參考信號通過鎖相放大器后送入數(shù)字示波器，用來對比顯示空間電荷在介質(zhì)內(nèi)部的分布。
[0007]所述光源采用的是Spectra-Physics公司生產(chǎn)的鎖模鈦藍寶石飛秒激光器，中心波長為800nm，重復頻率80MHz，脈寬小于10fs，平均輸出功率約為700mW。
[0008]所述分束鏡規(guī)格為F-FSJ-Ol，直徑為50mm，作用是將激光器發(fā)出的激光分為兩束，一束作為引發(fā)電荷擾動的激發(fā)光，另一束作為檢測電光聚合物折射率改變的探測光。
[0009]所述延遲區(qū)包括三面反光鏡，放置反光鏡組成延遲線的目的是為了提取完整的應力波形;聚光鏡型號為MY80，聚光鏡作用是聚焦激發(fā)光的光斑。
[0010]所述待測聚乙烯介質(zhì)型號為2220H，使用平面硫化機用來壓制PE薄膜試樣，試樣后表面旋涂電光聚合物(EOP)用來接收激發(fā)光引起的電荷擾動產(chǎn)生的彈性波，使得探測光經(jīng)過試樣到達電光聚合物時產(chǎn)生雙折射效應。
[0011]所述光電探測器型號為VPD35D，模擬信號帶寬大于350kHz，工作波長300?llOOnm，
其作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
[0012]所述鎖相放大器型號為HB-21IA，工作頻率5Hz?10kHz，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，能夠把輸入的電信號無損放大，用來與參考信號進行對比。
[0013]所述斬波器型號為RP1-0125，其作用是將探測光變?yōu)殡x散信號，照射在固體介質(zhì)表面。
[0014]所述數(shù)字示波器型號為DS1054Z，帶寬為50M，有四條傳輸通道，用來對測量信號和參考信號進行對比顯示。
【附圖說明】
[0015]圖1是所述基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置連接圖。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明提供了一種光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0017]圖1所示為所述光學方法測量聚乙烯空間電荷裝置的連接圖，主要包括光源、分束鏡、偏振片、延遲和聚光鏡、待測聚乙烯介質(zhì)、光電探測器、鎖相放大器、斬波器、數(shù)字示波器。如圖1所示，光源通過分束鏡分散成測量光束和探測光束兩部分，測量光束經(jīng)延遲和聚光鏡照射至待測介質(zhì)，用來引發(fā)介質(zhì)的電荷擾動;探測光束通過偏振片后變?yōu)槠窆猓缓蠼?jīng)過反光鏡照射至待測聚乙烯介質(zhì)，透過介質(zhì)的折射光作為測量信號，同時探測光束經(jīng)斬波器作為參考信號；測量和參考信號通過鎖相放大器后送入數(shù)字示波器，用來對比顯示空間電荷在介質(zhì)內(nèi)部的分布。
[0018]該系統(tǒng)的測量方案為把線偏振極化光脈沖以某一角度入射到聚合物前表面，光電場垂直于聚合物表面的分量引起內(nèi)部電荷的擾動從而產(chǎn)生彈性波，與試樣緊貼的旋涂在后表面的電光聚合物受到力的作用，發(fā)生應力雙折射而改變折射率，通過檢測試樣后表面出射的探測光偏振態(tài)的變化來反映聚合物介質(zhì)內(nèi)部空間電荷的大小。
[0019]傳統(tǒng)的無損空間電荷檢測方法是利用與下電極緊貼的壓電傳感器將壓力波轉(zhuǎn)換為電信號，再通過信號放大器到達示波器等設(shè)備。本系統(tǒng)采用電光聚合物的應力雙折射效應，對介質(zhì)中的彈性波進行測量;對于各向同性、均勾、線性、穩(wěn)定的光學介質(zhì)，在無任何外施力的作用時，表現(xiàn)穩(wěn)定。當對該介質(zhì)施加一外力時，介質(zhì)會產(chǎn)生相應形變。假設(shè)介質(zhì)的形變在其彈性限度范圍內(nèi)，即該外力作用不會使其損壞。在此情況下，介質(zhì)就會產(chǎn)生彈性形變，與此對應的介質(zhì)光學性質(zhì)也會發(fā)生改變。光學性質(zhì)的變化可以通過折射率的改變來描述，介質(zhì)在足夠大的外力作用下，因其光學性質(zhì)的改變而變?yōu)楦飨虍愋?，從而發(fā)生雙折射。對于各向異性的光學晶體而言，在外施力足夠大時，其光學各向異性性質(zhì)會更加加劇。介質(zhì)在足夠大的外施力作用下，其光學性質(zhì)發(fā)生改變，即折射率發(fā)生變化，就是彈光效應。
[0020]本發(fā)明理論上計算了系統(tǒng)可能達到的空間分辨率約為0.2nm，具有實際的可行性應用。但是利用光學方法進行空間電荷的測量并提高空間分辨率還有很長的路要走，仍需繼續(xù)利用驗證試驗系統(tǒng)進行試驗。
【主權(quán)項】
1.一種基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:所述系統(tǒng)包括光源、分束鏡、偏振片、延遲和聚光鏡、待測聚乙烯介質(zhì)、光電探測器、鎖相放大器、斬波器、數(shù)字示波器； 各部分之間的連接關(guān)系為:光源通過分束鏡分散成測量光束和探測光束兩部分，測量光束經(jīng)延遲和聚光鏡照射至待測介質(zhì)，用來引發(fā)介質(zhì)的電荷擾動;探測光束通過偏振片后變?yōu)槠窆?，然后?jīng)過反光鏡照射至待測聚乙烯介質(zhì)，透過介質(zhì)的折射光作為測量信號，同時探測光束經(jīng)斬波器作為參考信號；測量和參考信號通過鎖相放大器后送入數(shù)字示波器，用來對比顯示空間電荷在介質(zhì)內(nèi)部的分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:光源采用的是Spectra-Physics公司生產(chǎn)的鎖模鈦藍寶石飛秒激光器，中心波長為800nm，重復頻率80MHz，脈寬小于10fs，平均輸出功率約為700mW。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:所述分束鏡規(guī)格為F-FSJ-OI，直徑為50mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:所述延遲區(qū)包括三面反光鏡;聚光鏡型號為MY80。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:所述待測聚乙烯介質(zhì)后表面旋涂電光聚合物(EOP)用來接收彈性波。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:所述光電探測器型號為VPD3?，模擬信號帶寬大于350kHz，工作波長300?I lOOnm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:所述鎖相放大器型號為HB-21IA，工作頻率5Hz?10kHz。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:所述斬波器型號為RP1-0125。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置，其特征在于:所述數(shù)字示波器型號為DS1054Z，帶寬為50M，有四條傳輸通道。
【專利摘要】本發(fā)明提供固體介質(zhì)空間電荷的測量系統(tǒng)，特別涉及一種基于光學方法測量聚乙烯空間電荷的裝置。該系統(tǒng)包括光源、分束鏡、偏振片、延遲和聚光鏡、待測聚乙烯介質(zhì)、光電探測器、鎖相放大器、斬波器和數(shù)字示波器。各部分之間的連接關(guān)系為：光源通過分束鏡分散成測量光束和探測光束兩部分，測量光束經(jīng)延遲和聚光鏡照射至待測介質(zhì)，用來引發(fā)介質(zhì)的電荷擾動；探測光束通過偏振片后變?yōu)槠窆猓缓蠼?jīng)過反光鏡照射至待測聚乙烯介質(zhì)，透過介質(zhì)的折射光作為測量信號，同時探測光束經(jīng)斬波器作為參考信號；測量和參考信號通過鎖相放大器后送入數(shù)字示波器，用來對比顯示空間電荷在介質(zhì)內(nèi)部的分布。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量方法新穎獨特，與傳統(tǒng)測量方式相比具有較高的空間分辨率。
【IPC分類】G01R29/24
【公開號】CN105629085
【申請?zhí)枴緾N201511000871
【發(fā)明人】李衛(wèi)國, 高寒, 賈國濱, 陽以歆, 陳艷, 歐陽潔
【申請人】華北電力大學, 歐陽潔
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月28日