纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统及方法转让专利
申请号 : CN202010256657.X
文献号 : CN111505397B
文献日 : 2021-07-09
发明人 : 周远翔 , 黄欣 , 张云霄 , 张灵 , 滕陈源 , 陈健宁 , 胡德雄 , 赵云舟
申请人 : 清华大学 , 新疆大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统,其特征在于,包括:太赫兹激发组件,用于激发太赫兹电磁波;
快速扫描组件,用于改变探测光与激发光之间的配合状态,其中,所述快速扫描组件包括高速电机、多旋臂光学延迟器、分束器和第二镜组,其中,由于光向太赫兹波、太赫兹波向空间电荷压力波转化所带来的激发光与探测光之间的时间差,通过所述第二镜组延长光路实现二者之间的匹配,并且所述多旋臂光学延迟器的变径旋臂固定在类锥体座上以作为所述多旋臂光学延迟器的主体,所述主体套装在丝杠上,用所述高速电机驱动,随着所述多旋臂光学延迟器运动姿态的变化,所述探测光在光学延迟器上的反射点变化,使得所述探测光的光路变化,改变所述探测光与所述激发光之间的配合情况,实现对试样不同厚度层的空间电荷的探测;
空间电荷信号激发组件,用于激发空间电荷信号;以及检测及控制环节组件,用于探测所述空间电荷信号,得到空间电荷测量结果。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述太赫兹激发组件包括飞秒激光器、光学分束器、光学斩波器、第一平面镜组、电光聚合物和抛物面镜。
3.根据权利要求2所述的系统,其特征在于,所述空间电荷信号激发组件包括太赫兹透明高压电极、压光传感器和高压电源,其中,太赫兹电磁波通过斜入射方式照射样品,将在所述样品内部构建电场,脉冲太赫兹波所产生的电场使得介质内部的电荷受电场力的作用而产生携带了空间电荷分布信息的机械波,由于应力双折射效应,机械波使得所述压光传感器的光学特性发生改变,将所述机械波转化为光信号,通过透明电极使太赫兹电磁波得以顺利入射,并实现在样品极化过程中检测,基于近红外区段透明的导电聚合物以及导电玻璃设计的太赫兹波通过电极,通过对导出引线制备成环形引线的透明窗电极。
4.根据权利要求3所述的系统,其特征在于,所述太赫兹激发组件具体用于通过所述飞秒激光器发出的激光被光学分束器分为两束,其中一束先由所述光学斩波器进行调制,经所述第一平面镜组和电光聚合物组成的光路,使得电光聚合物激发出脉冲宽度为几ps,波尾振荡小于预设值的脉冲太赫兹波,利用所述抛物面镜将所述太赫兹电磁波聚焦在试样表面,以用于激发空间电荷信号,而所述分束器分出的另一束激光则照射在光学延迟器上,经过第二镜组所组成的光路后进一步由分束器分为两束,以经由不同光路照射在压光传感器上,作为探测光,以用于探测空间电荷信号。
5.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述光学延迟器由所述高速电机驱动,进行沿轴向的直线运动和绕轴的旋转运动,以改变延迟时间,以cm单位的步长改变探测光的光路,通过所述高速电机控制方法控制所述探测光与所述激发光之间的光程差,实现对空间电荷机械波的快速扫描探测;所述压光传感器接收到空间电荷所产生的压力波信号后,其光学特性发生变化,使得所述探测光的偏振状态发生变化,四分之一波片和沃拉斯顿棱镜接受经过调制的探测光后,将其转化为两束光强不同的光,使得差分探测电路得以将其转化为电信号,并经锁相放大后将信息传输到工控机上。
6.一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法,其特征在于,所述方法采用如权利要求1‑5任一项所述的系统,所述方法包括以下步骤:通过太赫兹激发组件激发太赫兹电磁波;
通过快速扫描组件改变探测光与激发光之间的配合状态,所述快速扫描组件包括高速电机、多旋臂光学延迟器、分束器和第二镜组,其中,由于光向太赫兹波、太赫兹波向空间电荷压力波转化所带来的激发光与探测光之间的时间差,通过所述第二镜组延长光路实现二者之间的匹配,并且所述多旋臂光学延迟器的变径旋臂固定在类锥体座上以作为所述多旋臂光学延迟器的主体,所述主体套装在丝杠上,用所述高速电机驱动,随着所述多旋臂光学延迟器运动姿态的变化,所述探测光在光学延迟器上的反射点变化,使得所述探测光的光路变化,改变所述探测光与所述激发光之间的配合情况,实现对试样不同厚度层的空间电荷的探测;
通过空间电荷信号激发组件激发空间电荷信号;以及通过检测及控制环节组件探测所述空间电荷信号,得到空间电荷测量结果。
说明书 :
纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统及方法
技术领域
背景技术
到±500kV的四级跳,线路长度超过5000km。十多年的开发和应用历史,新投运电力电缆产
品的绝缘材料特性认识及结构设计验证不足,电压等级和容量的提升将带来更为严峻的绝
缘老化问题,其造成的故障和隐患及检测诊断技术成为电力系统安全、稳定、可靠、经济运
行的制约因素。
复杂的聚集态结构变化,材料内部会因为空间电荷、局部放电等作用,导致劣化和缺陷产
生,从而引发放电,甚至击穿。实际上电缆绝缘缺陷尺度通常呈现微纳米级别,一旦缺陷在
绝缘材料中形成,电缆的绝缘寿命将大幅缩小。
发明内容
术。且THz对于如聚乙烯等非极性介质穿透性良好,而对金属、水分穿透性很差,在成像领域
有广阔的应用前景。同时THz的宽频带特征也可用于光谱测量。THz的高穿透性、高安全性、
高光谱分辨率的性质受到了研究人员的广泛关注,在安全检查、生物医学、材料无损检测、
远距离成像等领域已经取得了相当的成就。
学利用激光作为激励,拓宽了电声脉冲法的测量带宽。但利用激光作为激励对试样有损伤
的危险。而太赫兹脉冲波的典型脉宽为ps级,比电声脉冲法的电脉冲宽度低三个数量级,有
利于提高空间分辨性,且由于太赫兹在聚乙烯等固体绝缘材料中有良好的穿透性,在较厚
试样(毫米级)的测量中具有很大的发展潜力。
量。
改变探测光与激发光之间的配合状态;空间电荷信号激发组件,用于激发空间电荷信号;检
测及控制环节组件,用于探测所述空间电荷信号,得到空间电荷测量结果。
间分辨率可达数十纳米,单次测量时间在秒级的空间电荷测量,有效解决了目前传统空间
电荷测量方法存在空间分辨率不足,背景噪声干扰大,信噪比较低,缺乏表征绝缘材料中微
纳缺陷的荷电特性的问题。
所带来的激发光与探测光之间的时间差,通过所述第二镜组延长光路实现二者之间的匹
配,并且所述多旋臂光学延迟器的变径旋臂固定在类锥体座上以作为所述多旋臂光学延迟
器的主体,所述主体套装在丝杠上,用所述高速电机驱动,随着所述多旋臂光学延迟器运动
姿态的变化,所述探测光在光学延迟器上的反射点变化,使得所述探测光的光路变化,改变
所述探测光与所述激发光之间的配合情况,实现对试样不同厚度层的空间电荷的探测。
所述样品内部构建电场,脉冲太赫兹波所产生的电场使得介质内部的电荷受电场力的作用
而产生携带了空间电荷分布信息的机械波,由于应力双折射效应,机械波使得所述压光传
感器的光学特性发生改变,将所述机械波转化为光信号,通过透明电极使太赫兹电磁波得
以顺利入射,并实现在样品极化过程中检测,基于近红外区段透明的导电聚合物以及导电
玻璃设计的太赫兹波通过电极,通过对导出引线制备成环形引线的透明窗电极。
所述第一平面镜组和电光聚合物组成的光路,使得电光聚合物激发出脉冲宽度约为几ps,
波尾振荡小于预设值的脉冲太赫兹波,利用所述抛物面镜将所述太赫兹电磁波聚焦在试样
表面,以用于激发空间电荷信号,而所述分束器分出的另一束激光则照射在光学延迟器上,
经过第二镜组所组成的光路后进一步由所述分束器分为两束,以经由不同光路照射在压光
传感器上,作为探测光,以用于探测空间电荷信号。
路,通过所述高速电机控制方法控制所述探测光与所述激发光之间的光程差,实现对空间
电荷机械波的快速扫描探测;所述压光传感器接收到空间电荷所产生的压力波信号后,其
光学特性发生变化,使得所述探测光的偏振状态发生变化,四分之一波片和沃拉斯顿棱镜
接受经过调制的探测光后,将其转化为两束光强不同的光,使得差分探测电路得以将其转
化为电信号,并经锁相放大后将信息传输到工控机上。
兹激发组件激发太赫兹电磁波;通过快速扫描组件改变探测光与激发光之间的配合状态;
通过空间电荷信号激发组件激发空间电荷信号;通过检测及控制环节组件探测所述空间电
荷信号,得到空间电荷测量结果。
间分辨率可达数十纳米,单次测量时间在秒级的空间电荷测量,有效解决了目前传统空间
电荷测量方法存在空间分辨率不足,背景噪声干扰大,信噪比较低,缺乏表征绝缘材料中微
纳缺陷的荷电特性的问题。
件包括高速电机、多旋臂光学延迟器、分束器和第二镜组,其中,由于光向太赫兹波、太赫兹
波向空间电荷压力波转化所带来的激发光与探测光之间的时间差,通过所述第二镜组延长
光路实现二者之间的匹配,并且所述多旋臂光学延迟器的变径旋臂固定在类锥体座上以作
为所述多旋臂光学延迟器的主体,所述主体套装在丝杠上,用所述高速电机驱动,随着所述
多旋臂光学延迟器运动姿态的变化,所述探测光在光学延迟器上的反射点变化,使得所述
探测光的光路变化,改变所述探测光与所述激发光之间的配合情况,实现对试样不同厚度
层的空间电荷的探测。
所述样品内部构建电场,脉冲太赫兹波所产生的电场使得介质内部的电荷受电场力的作用
而产生携带了空间电荷分布信息的机械波,由于应力双折射效应,机械波使得所述压光传
感器的光学特性发生改变,将所述机械波转化为光信号,通过透明电极使太赫兹电磁波得
以顺利入射,并实现在样品极化过程中检测,基于近红外区段透明的导电聚合物以及导电
玻璃设计的太赫兹波通过电极,通过对导出引线制备成环形引线的透明窗电极。
所述第一平面镜组和电光聚合物组成的光路,使得电光聚合物激发出脉冲宽度约为几ps,
波尾振荡小于预设值的脉冲太赫兹波,利用所述抛物面镜将所述太赫兹电磁波聚焦在试样
表面,以用于激发空间电荷信号,而所述分束器分出的另一束激光则照射在光学延迟器上,
经过第二镜组所组成的光路后进一步由所述分束器分为两束,以经由不同光路照射在压光
传感器上,作为探测光,以用于探测空间电荷信号;其中,所述光学延迟器由所述高速电机
驱动,进行沿轴向的直线运动和绕轴的旋转运动,以改变延迟时间,以cm单位的步长改变探
测光的光路,通过所述高速电机控制方法控制所述探测光与所述激发光之间的光程差,实
现对空间电荷机械波的快速扫描探测;所述压光传感器接收到空间电荷所产生的压力波信
号后,其光学特性发生变化,使得所述探测光的偏振状态发生变化,四分之一波片和沃拉斯
顿棱镜接受经过调制的探测光后,将其转化为两束光强不同的光,使得差分探测电路得以
将其转化为电信号,并经锁相放大后将信息传输到工控机上。
附图说明
具体实施方式
图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
速固体电介质空间电荷测量系统,。
控制环节组件400用于探测空间电荷信号,得到空间电荷测量结果。本发明实施例的系统10
可以实现空间分辨率可达数十纳米,单次测量时间在秒级的空间电荷测量。
描环节、空间电荷信号激发环节和检测及控制环节,从而实现空间分辨率可达数十纳米,单
次测量时间在秒级的空间电荷测量。
面镜组成,主要用于光路调整,从而利于系统的综合设计。
向空间电荷压力波转化所带来的激发光与探测光之间的时间差,通过第二镜组延长光路实
现二者之间的匹配。多旋臂光学延迟器的基本结构如图3所示,变径旋臂固定在类锥体座上
作为多旋臂光学延迟器的主体,主体套装在丝杠上,用高速电机驱动即可实现多旋臂光学
延迟器的旋转与直线运动,随着多旋臂光学延迟器运动姿态的变化,探测光在光学延迟器
上的反射点变化,使得探测光光路变化,改变探测光与激发光之间的配合情况,实现对试样
不同厚度层的空间电荷的探测。
在样品内部构建电场,脉冲太赫兹波所产生的电场使得介质内部的电荷受电场力的作用而
产生携带了空间电荷分布信息的机械波。由于应力双折射效应,机械波使得压光传感器的
光学特性发生改变,将机械波信号转化为光信号。为了使太赫兹电磁波得以顺利入射,并实
现在样品极化过程中检测,需要设计透明电极。基于近红外区段透明的导电聚合物以及导
电玻璃设计的太赫兹波可通过电极,通过对导出引线的设计提高其耐压性能,制备成环形
引线的透明窗电极。检测及控制环节由四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、差分探测电路、锁相
放大器、工控机组成。
几ps,波尾振荡较小的脉冲太赫兹波。利用抛物面镜将太赫兹电磁波聚焦在试样表面,即可
用于激发空间电荷信号。而分束器分出的另一束激光则照射在光学延迟器上,经过第二镜
组所组成的光路后进一步由分束器分为两束,这两束光经由不同光路照射在压光传感器
上,作为探测光,用于探测空间电荷信号。
法精确控制探测光与激发光之间的光程差即采样时间差,实现对空间电荷机械波的快速扫
描探测;压光传感器接收到空间电荷所产生的压力波信号后,其光学特性发生变化,使得探
测光的偏振状态发生变化。四分之一波片和沃拉斯顿棱镜接受经过调制的探测光后,将其
转化为两束光强不同的光,使得差分探测电路得以将其转化为电信号,并经锁相放大后将
信息传输到工控机上。
从而实现空间分辨率可达数十纳米,单次测量时间在秒级的空间电荷测量,有效解决了目
前传统空间电荷测量方法存在空间分辨率不足,背景噪声干扰大,信噪比较低,缺乏表征绝
缘材料中微纳缺陷的荷电特性的问题。
速电机、多旋臂光学延迟器、分束器和第二镜组,其中,由于光向太赫兹波、太赫兹波向空间
电荷压力波转化所带来的激发光与探测光之间的时间差,通过第二镜组延长光路实现二者
之间的匹配,并且多旋臂光学延迟器的变径旋臂固定在类锥体座上以作为多旋臂光学延迟
器的主体,主体套装在丝杠上,用高速电机驱动,随着多旋臂光学延迟器运动姿态的变化,
探测光在光学延迟器上的反射点变化,使得探测光的光路变化,改变探测光与激发光之间
的配合情况,实现对试样不同厚度层的空间电荷的探测。
内部构建电场,脉冲太赫兹波所产生的电场使得介质内部的电荷受电场力的作用而产生携
带了空间电荷分布信息的机械波,由于应力双折射效应,机械波使得压光传感器的光学特
性发生改变,将机械波转化为光信号,通过透明电极使太赫兹电磁波得以顺利入射,并实现
在样品极化过程中检测,基于近红外区段透明的导电聚合物以及导电玻璃设计的太赫兹波
通过电极,通过对导出引线制备成环形引线的透明窗电极。
和电光聚合物组成的光路,使得电光聚合物激发出脉冲宽度约为几ps,波尾振荡小于预设
值的脉冲太赫兹波,利用抛物面镜将太赫兹电磁波聚焦在试样表面,以用于激发空间电荷
信号,而分束器分出的另一束激光则照射在光学延迟器上,经过第二镜组所组成的光路后
进一步由分束器分为两束,以经由不同光路照射在压光传感器上,作为探测光,以用于探测
空间电荷信号;其中,光学延迟器由高速电机驱动,进行沿轴向的直线运动和绕轴的旋转运
动,以改变延迟时间,以cm单位的步长改变探测光的光路,通过高速电机控制方法控制探测
光与激发光之间的光程差,实现对空间电荷机械波的快速扫描探测;压光传感器接收到空
间电荷所产生的压力波信号后,其光学特性发生变化,使得探测光的偏振状态发生变化,四
分之一波片和沃拉斯顿棱镜接受经过调制的探测光后,将其转化为两束光强不同的光,使
得差分探测电路得以将其转化为电信号,并经锁相放大后将信息传输到工控机上。
再赘述。
而实现空间分辨率可达数十纳米,单次测量时间在秒级的空间电荷测量,有效解决了目前
传统空间电荷测量方法存在空间分辨率不足,背景噪声干扰大,信噪比较低,缺乏表征绝缘
材料中微纳缺陷的荷电特性的问题。
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三
个等,除非另有明确具体的限定。
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
实施例进行变化、修改、替换和变型。