[发明专利]一种基于光弹效应的改进电声脉冲法空间电荷分布测量平台

权利要求书

1.一种基于光弹效应的改进电声脉冲法空间电荷分布测量平台，其特征在于所述平台包括电脉冲激励信号发生单元和激光探测还原单元，其中：

所述电脉冲激励信号发生单元由脉冲电压源（1）、直流电压源（2）、高压金属导电杆（3）、直流绝缘套管（4）、BNC接头（5）、金属壳体（6）、匹配电阻（7）、隔离电容（8）、金属上电极（9）、保护电阻（10）、环氧树脂（11）、金属下电极（12）、半导体层（13）、试样（14）、弹光取样传感器（15）构成；

所述激光探测还原单元由氦氖激光器（17）、分光镜（18）、起偏器（19）、第一反射镜（20）、第二反射镜（21）、四分之一波片（22）、沃拉斯顿棱镜（23）、平衡探测器（24）、光学斩波器（25）、锁相放大器（26）以及计算机（16）构成；

所述电脉冲激励信号发生单元中，直流电压源（2）通过高压金属导电杆（3）与保护电阻（10）的一端相连，保护电阻（10）可以在直流电压源（2）短路情况下保护仪器和设备；高压金属导电杆（3）外包裹有直流绝缘套管（4），保护电阻（10）的另一端与金属上电极（9）相连；脉冲电压源（1）与金属壳体（6）外的BNC接头（5）相连，接头另一端经隔离电容（8）与金属上电极（9）相连，该隔直电容器（8）可阻隔脉冲发生器产生的直流信号，以使脉冲发生器产生的交流信号通过隔直电容器（8），并作用在待测绝缘材料（14）上；匹配电阻（7）的一端与BNC接头（5）和所述隔离电容（8）的公共端相连，另一端与金属壳体（6）相连接地，匹配电阻（7）对高压脉冲进行阻抗匹配，以减小高压脉冲的反射和振动，提高施加到被测样品上的脉冲电压的幅值；金属上电极（9）与待测绝缘材料（14）之间设置有半导体膜（13），以提供良好的声阻抗匹配，半导电层（13）与绝缘材料（14）试样紧密接触，用以削除界面由于阻抗不匹配造成的压力波衰减现象；与金属下电极（12）紧贴的弹光取样传感器（15）的金属电介质反射膜用来改变探测光的传播方向；

所述激光探测还原单元中，氦氖激光器（17）发出的探测光经过分光镜（18）分成两束光，一束经过斩波器（25）输出与光调制频率同步的电压方波，作为双相锁相放大器（26）的参考信号，另一束经过起偏器（19）得到偏振光，通过反射镜（20）入射到弹光取样传感器（15）中，在电脉冲激励信号发生单元产生的压力波作用下，弹光取样传感器（15）发生应力双折射效应，改变探测光的偏振状态，在第二反射镜（21）作用下入射到四分之一波片（22）中，得到椭圆偏振光，最后经过沃拉斯顿棱镜（23），把椭圆偏振光分成两束振动方向互相垂直的线偏振光，两束线偏振光入射到光电平衡探测器（24）中，探测器将它们的光强差转化为电信号输入到双相锁相放大器（26）中，通过对比参考信号，实现被淹埋在噪声和干扰中的微弱电压信号的精确测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于光弹效应的改进电声脉冲法空间电荷分布测量平台，其特征在于所述电声脉冲法测量模块中氦氖激光源（17）的应用，即基于光弹效应，利用光学方法测量脉冲激励下空间电荷所产生的压力波以反演绝缘材料内部空间电荷分布特性。

3.根据权利要求1所述的一种基于光弹效应的改进电声脉冲法空间电荷分布测量平台，其特征在于直流电压（2）与脉冲电压（1）输入接口的分离设计，直流电压输入接口位于金属壳体（6）上表面，通过高压金属导电杆（3）接入；脉冲电压输入接口位于金属壳体（6）侧表面，通过侧表面的BNC接口（5）接入，电压输入接口的分离设计可以减小两电路的相互干扰，提高测量结果的准确性。

4.根据权利要求1所述的一种基于光弹效应的改进电声脉冲法空间电荷分布测量平台，其特征在于所述弹光取样传感器（15）结构为三明治结构，其最上层为金属电介质反射膜，中间层为熔融石英晶体，最下层为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。

5.根据权利要求4所述的一种基于光弹效应的改进电声脉冲法空间电荷分布测量平台，其特征在于所述弹光取样传感器金属电介质反射膜是基于铝在高真空条件下，以电子束熔融气化，在薄膜基材表面附着而形成的复合薄膜，其厚度为5mm，对氦氖激光反射率可达到95%以上。

6.一种利用权利要求1-5任意权利要求所述系统进行的一种基于光弹效应的改进电声脉冲法空间电荷分布测量平台，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、在下电极中心处滴入硅油，将待测电介质样品（14）放入下电极试样放置层中，再向试样中心滴入硅油，使试样与上电极半导体层（13）和下电极（12）紧密接触；

步骤二、以氦氖激光发生器（17）发射的激光高度为标准高度，使用一系列等高小孔光阑，调节平面反射镜反射角度及俯仰角，保证激光在传播及反射过程中处于同一高度且与光学平台边线处于平行状态；精确调整四分之一波片（22）使平衡探测器（24）输出光程差为零；

步骤三、启动脉冲电压源（1）、直流电压源（2）、氦氖激光发生器（17）、光学斩波器（25）及锁相放大器（26），测量开始；

步骤四、光学斩波器（25）提取探测光信息并将其转换为电信号作为参考信号输入到锁相放大器（26）中，平衡探测器（24）将所捕捉到的探测光偏振状态变化信息转换为电信号作为输入信号输入到锁相放大器（26）中，对比获得被淹埋在噪声和干扰中的微弱电压信号；

步骤五、计算机（16）反演算法处理得出被测试样空间电荷分布状态。