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操作冲击电压作用下液体电介质的电场及空间电荷分布特性研究.doc

操作冲击电压作用下液体电介质的电场及空间电荷分布特性研究

Poppy光光
2017-10-08 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《操作冲击电压作用下液体电介质的电场及空间电荷分布特性研究doc》,可适用于初中教育领域

操作冲击电压作用下液体电介质的电场及空间电荷分布特性研究操作冲击电压作用下液体电介质的电场及空间电荷分布特性研究操作冲击电压作用下液体电介质的电场及空间电荷分布特性研究重庆大学硕士学位论文(学术学位)学生姓名:黄思思指导教师:司马文霞教授专业:电气工程学科门类:工学重庆大学电气工程学院二O一三年五月StudyonElectricFieldandSpaceChargeDistributionCharacteristicsinLiquidDielectricunderSwitchingImpulseVoltageAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByHuangSisiSupervisedby:ProfSimaWenxiaSpecialty:ElectricalEngineeringSchoolofElectricalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要空间电荷是影响液体绝缘介质耐电强度导致电场分布畸变和电介质击穿的重要因素之一。随着超、特高压输电线路的不断发展电力变压器逐渐向高绝缘、大容量和小型化的方向发展致使传统的油纸复合绝缘已难以满足高绝缘强度设计和防护的需求。改进和提高变压器油绝缘性能探讨液体中空间电荷的发展规律及其作用机理对于提高变压器油绝缘特性和提升变压器的过电压水平具有重要的意义。本文基于新型Kerr电光测量技术采用试验观测和理论分析相结合的技术路线围绕液体电介质中空间电荷的分布特性以及添加纳米材料对于改善液体绝缘介质冲击绝缘特性两个方面的基础问题开展细致深入的研究。研究了液体电介质中电场及空间电荷高速测量系统。从高Kerr常数碳酸丙烯酯液体的电场测量入手利用高速CCD相机开展冲击电压下平行板电极和刀板电极系统电场及空间电荷的测量研究提出了极间电光场图的自适应移动平均二维滤波处理技术以及电场及空间电荷的反算方法研究了碳酸丙烯酯液体在黄铜、不锈钢、铝平行板电极组合以及不锈钢刀板电极结构下的电场分布特性分析了不同空间电荷分布对电介质绝缘性能的影响规律为全面了解液体电介质中电场及空间电荷的微观发展机理提供参考并进一步开展了低Kerr常数变压器油中的光探测量研究对于变压器油中空间电荷测量系统的建立和完善具有重要意义。围绕冲击电压作用下添加纳米粒子材料对液体绝缘介质的宏观冲击绝缘特性和微观放电机理展开研究。在深入分析纳米粒子分散与团聚特性以及表面改性方法的基础上分别采用纯净的碳酸丙烯酯和克拉玛依号矿物变压器油为纳米流体分散介质选取导电型FeO、半导电型TiO以及非导电型AlO纳米粒子作为分散相依据不同纳米粒子的表面特性依次选取聚乙二醇、油酸、硬脂酸、司盘为最优表面活性剂制备出理化特性良好的纳米改性液体。开展了操作冲击击穿试验研究纳米改性液体在针板电极结构下的宏观冲击击穿特性试验结果表明:添加纳米粒子后液体正、负极性操作平均击穿电压均有提高操作冲击击穿时间亦有一定程度的增加。通过Kerr电光效应高速CCD系统测量验证纳米改性碳酸丙烯酯液体在操作冲击作用下由于负电荷区域的形成使得平行板极间呈现出双极电荷分布趋势这一趋势可有效提高液体电介质的冲击绝缘性能。关键词:Kerr电光效应空间电荷纳米改性变压器油冲击绝缘特性I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTSpacechargeisoneofthemostimportantparameterstoelectricfieldandinsulationbreakdownperformanceWiththedevelopmentofEHVandUHVtransmissionlines,powertransformermakesprogresstowardsthedirectionofhighinsulation,largecapacityandminiaturization,whichmakestraditionaloilpapercombinationinsulationnolongermeetingtherequirementofhighdielectricstrengthandprotectionItbearsgreattheoreticalandengineeringsignificancetoexplorethemechanismofthespacechargetotheelectricfield,improveinsulatingpropertiesoftransformeroil,andenhancethelevelofovervoltagedefenseWiththecombinationofexperimentalobservationandtheoreticalanalysis,thispapermainlyfocusesonthedistributioncharacteristicsofspacechargeinliquiddielectricandimpulseinsulationperformanceinnanofluidsonthebasisofKerrelectroopticmeasurementtechniqueFirstly,ahighspeedmeasuringsystemofelectricfieldandspacechargeinliquiddielectricwasstudiedTheelectricfieldintensityandspacechargedensitybetweenparallelplateandbladeplaneelectrodesinHVpulsedpropylenecarbonatewithhighKerrconstantwereobservedbyusingaCCDhighspeedcameraSecondly,thetwodimensionaladaptivemovingaveragefilteringtechniqueandimageprocessingmethodofelectroopticfieldmappingwereproposed,theelectricfieldintensitydistributioninpropylenecarbonateusingbrass,stainlesssteelandaluminumparallelplaneelectrodesandstainlesssteelbladeplaneelectrodehasbeenstudied,soastoprovideareferenceforacomprehensivestudyoftheimpactofspacechargeonbreakdownprocessFurther,thephotoelectricdetectionmeasurementintransformeroilwithlowKerrconstantwascarriedout,whichhasgreatsignificancefortheestablishmentandimprovementoftwodimensionalspacechargemeasuringsysteminoilInthispaper,purepropylenecarbonateandKaramay#mineraltransformeroilwereusedasdispersionmediumofnanofluids,andFeO,TiOandAlOnanoparticleswereaddedtomodifytheliquidsonthebasisofdepthanalysisofthenanoparticles’dispersion,agglomerationpropertiesandsurfacemodificationmethodsInordertoimprovephysicochemicalpropertyandinsulationperformanceofliquiddielectrics,polyethyleneglycol,oleicacid,stearicacidandspanwerechosenassurfactant,accordingtothedifferentsurfacepropertiesofnanoparticlesSwitchinglightningII重庆大学硕士学位论文英文摘要impulsevoltagetestswereappliedtothepureliquidsandthenanofluidstochecktheirinsulationbreakdownperformanceItwasfoundthatnanoparticlescanenhancebothpositiveandnegativebreakdownvoltagecomparedtothatofpureliquidThemeasurementresultswereanalyzedbyusingKerrelectrooptichighspeedsystem,whichverifiedtheelectronscavengertheoryThenanoparticlesactaselectronscavengersinelectricallystressednanouidsconvertingfastelectronsintoslownegativechargedparticlestoformanetspacechargeregionnearbottomelectrode,whichmakesamoresymmetricalelectricfielddistributionthatcanimprovetheimpulseinsulationperformanceofliquiddielectricKeywords:KerrelectroopticeffectspacechargenanomodificationtransformeroilimpulseinsulationcharacteristicIII重庆大学硕士学位论文目录目录中文摘要I英文摘要II绪论课题研究的背景和意义国内外研究现状基于Kerr电光效应测量技术的研究现状纳米改性技术的研究现状本文的研究内容基于Kerr效应的液体电介质中电场及空间电荷测量方法研究Kerr电光效应测量原理测量系统的总体结构激光源和扩束镜起偏器和检偏器波片Kerr元件光电接收装置高压试验电源测量系统的优化与试验验证基于CCD的电光场图反算技术研究图像滤波技术平行板系统电光场图的循环处理技术刀板系统电光场图的反算处理技术小结液体电介质中电场及空间电荷分布测量研究概述碳酸丙烯酯平行板电极结构下的高速CCD测量研究双极分布单极正电荷分布单极负电荷分布空间电荷分布机理探讨碳酸丙烯酯刀板电极结构下的CCD测量研究IV重庆大学硕士学位论文目录纯净变压器油平行板电极结构下的光探测量研究小结纳米改性液体电介质的冲击击穿特性及其空间电荷分布研究概述纳米改性液体绝缘介质的制备纳米粒子的团聚与分散特性表面分散剂的选取制备流程纳米流体的分散稳定性和宏观外特性纳米改性液体绝缘介质的冲击击穿特性冲击击穿试验方法及流程纳米改性碳酸丙烯酯的操作冲击击穿测量结果纳米改性变压器油的操作冲击击穿试验结果冲击击穿机理分析纳米改性碳酸丙烯酯中空间电荷分布特性的测量研究正极性操作冲击电压下的试验测量研究负极性操作冲击电压下的试验测量研究小结结论与展望结论展望致谢参考文献附录A作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录B作者在攻读学位期间参与的科研项目V重庆大学硕士学位论文绪论绪论课题研究的背景和意义输变电设备的安全稳定运行是防止电网事故的第一道防御系统而变压器作为电力系统能量转换、电力传输的枢纽是这道防御系统中最为关键的设备同时也是制约电力工业可持续发展的主要因素。变压器的工作状态由其绝缘状态决定大量针对变压器的故障诊断及研究表明:绝缘问题是导致变压器故障的最重要原因之一。当前我国正加快建设以特高压电网为重点、各级电网协调发展的坚强的国家电网随着电网规模的逐渐扩大和超、特高压输电线路的不断发展电力变压器的绝缘设计制造技术和过电压防御技术正面临着新的挑战。变压器油作为电力变压器中油纸绝缘的主要绝缘材料其绝缘和散热性能将对变压器长期运行的安全性和可靠性起到决定性作用。随着输电过程中电压等级的不断提高电力变压器逐渐向高绝缘、大容量和小型化的方向发展传统的油纸复合绝缘已经越来越难以满足高绝缘强度的严格要求。同时由于对油纸复合绝缘在多物理场作用下的冲击放电规律认识的不足以及对放电过程中的体积效应和空间电荷效应等方面相关理论依据的缺乏进一步增加了变压器绝缘设计和制造的难度。因此如何改进和提高液体绝缘材料性能使之具有更高的绝缘强度从而降低电力变压器的制造成本是电网过电压防御技术和高可靠性电力变压器制造技术的发展方向也是我国超、特高压电力设备发展的迫切需要。提高变压器油冲击耐受电压可提升变压器油纸绝缘的冲击绝缘性能和变压器的过电压水平从而降低变压器的制作成本其在操作和雷电过电压等冲击电压作用下的绝缘特性和提高其冲击绝缘性能的方法历来受到各研究机构的广泛重视。随着绝缘材料技术的发展纳米技术在绝缘材料领域的应用成为目前绝缘设计制造关注的热点已有研究显示在传统变压器油中添加纳米粒子材料可有效提高变压器油的冲击耐受电压增强变压器油的散热性能。因此基于纳米改性技术开展具有优异电气性能的新型纳米变压器油的研究是提升变压器油纸绝缘的冲击绝缘性能以及变压器过电压水平的一个新思路有必要从理论和工程实践两方面进行系统研究。为提高绝缘油在冲击电压作用下的击穿电压以冲击电压作用下液体电介质的流注发展机理为基础抑制介质中流注的发展以提高其冲击绝缘性能的方法在近年来取得了一定的成果。从目前的研究成果来看抑制冲击电压作用下液体电介质流注的发展主要包括空间电荷注入改变电介质中的电场分布和吸附流注,中电子等几种形式液体中空间电荷的存在是影响绝缘介质耐电强度导致重庆大学硕士学位论文绪论电场分布畸变和电介质击穿的重要参数之一。测量液体电介质中的空间电荷发展规律、分析其作用机理对于提高变压器油冲击绝缘特性和提升变压器的过电压水平具有重要的学术研究价值。因此掌握新型的液体电介质空间电荷的测量技术开展液体电介质中空间电荷的测量研究、分析其对于液体介质绝缘性能的作用机制以及纳米液体电介质的击穿机理对于指导大型电力变压器的内绝缘优化设计和电网过电压水平的提高均具有重要的意义。国内外研究现状基于Kerr电光效应测量技术的研究现状电场作用下液体电介质的空间电荷测量是电力设备内绝缘研究的热点问题同时也是液体放电击穿机理和过电压防护研究的基础。冲击电压作用下液体电介质中的空间电荷分布变化迅速同时由于液体的非定型特性难以借用固体,聚合物空间电荷的测量方法如脉冲电声法和激光诱导压力脉冲法等对液体内部的空间电荷进行测量。自上世纪六十年代以来一种新型的Kerr电光效应法逐渐引入高压电场测量领域该方法通过光学手段获取外加电场在双折射液体中形成的光波相位差信息以求得液体中电场及空间电荷的分布信息具有测量精度高、响应速度快、能有效避免电磁干扰等优点因此采用该方法测量液体电介质在外电场作用下的空间电荷分布特性具有很大优势对于探讨空间电荷对电场的作用机制、提高和改善液体电介质绝缘性能以及提升过电压防御水平具有重要的理论意义和工程应用价值。美国麻省理工学院高压实验室基于Kerr电光效应针对不同液体电介质、不同电压类型、不同电极结构下的空间电荷分布特性进行了大量的研究工作其研究成果表明液体电介质在外加电场作用下呈现出空间电荷效应空间电荷的产生使原有电场发生改变在一定程度上影响了液体电介质的绝缘击穿性能。文献通过施加不同电压类型(极间场强高于kVcm)得到硝基苯中平行板电极间大量的电光场图观测数据结果显示在微秒级短脉冲作用、不同频率范围(HzHz)的交流高压作用、正负极性持续直流高压作用以及直流极性突变情况下极间电场及空间电荷的分布呈现出显著差异试验现象表明其受到外加电压幅值、频率、持续作用时间以及电极材料、电极表面状态、上一时刻的系统状态的影响。文献采用不锈钢、铜、铝不同金属材料制成的平行板电极在去离子纯水、乙二醇以及二者混合液中进行测量试验研究显示液体Kerr常数随试验温度、重庆大学硕士学位论文绪论液体材料的改变出现波动在乙二醇和高纯水的质量配比下液体Kerr常数为。测量结果显示不同材料的极板组合平板极间会出现电荷双极分布和单级分布情况电荷双极分布时由于电荷的屏蔽作用能在一定程度上改善电极间电场分布提高液体电介质的冲击击穿水平反之单电荷注入则使极间电场畸变更加明显液体电介质绝缘特性降低。文献分别采用不锈钢平行板电极(电荷注入临界电场值为kVcm)、铝刀板电极(临界电场值kVcm)、铝针板电极(临界电场值kVcm)测量得到冲击高压作用下碳酸丙烯酯中不同电极结构下的电光分布图提出了不同电极结构下的电场分析方式并采用二维有限元法计算得到电场值及电荷密度值结果呈现出显著的空间电荷效应为进一步探讨液体介质中空间电荷的发展规律提供了依据。国内武汉高压研究所董正言阐述了冲击电压下的电光测量方法就其工作原理、测量装置、校验及优缺点进行了论述指出了Kerr测量系统无法测量电压极性、在所测电压较高时容易受到电极边缘效应的影响等不足为本文中Kerr电光测量平台的搭建和优化提供了一定的借鉴。西安交通大学彭宗仁等人应用Kerr电光技术研究了直流高场强下平行板电极间空间电荷的动态过程测量得出硝基苯液体介质中空间电荷密度和极性与电极材料、极性及电极表面状态密切相关并指出在电极极性变换时空间电荷出现过渡过程其间的持续时间和电荷极性取决于电极的材料和极性。在后期研究中采用动态范围大、灵敏度更高的CCD作为光电接收装置动态测量了克尔常数较小的变压器油中电场分布和变化规律为变压器油中的电场及空间电荷分布测量提供了一条新途径。上述研究表明Kerr电光技术对于测量高Kerr常数液体介质如硝基苯、碳酸丙烯酯等在外电场作用下的电场和空间电荷分布特性具有很大优势然而由于液体中空间电荷起源和发展的微观机理较为复杂且受限于现有空间电荷运动特性的试验观测技术目前对液体中空间电荷的深入研究报道仍然较少。同时对于Kerr常数较低的变压器油由于其Kerr参数所决定的特征电场强度相差不大难以引起较大的光相位差移动使得Kerr测量系统对实际电场反应不灵敏难以捕捉空间电荷的分布因此测量较为困难限制了变压器油中空间电荷的测量和微观击穿模型的建立。纳米改性技术的研究现状随着纳米材料技术的发展传统变压器油中添加不同类型纳米材料后优异的电气特性正在受到本领域的重视。国外多个研究结构和国内的清华大学、华北电力大学和重庆大学等均开展了在变压器油中添加纳米粒子材料以改善其电气重庆大学硕士学位论文绪论性能的研究。已有研究表明对变压器油添加不同种类的纳米粒子如FeO、TiO等均可有效提高其冲击击穿电压。JGeorgeHwang、MarkusZahn教授等通过在变压器油中添加导电性纳米粒子材料(FeO)与无添加的纯变压器油进行雷电击穿试验对比结果显示纳米粒子的加入提高了变压油的正极性击穿水平有效抑制了极间流注的发展速度并建立了纳米油中的流注发展模型指出与流注发展的时间尺度相比铁磁纳米材料的驰豫时间极短因而在流注发展过程中极易吸附自由电子从而形成负离子阻碍并抑制了流注过程的发展。清华大学周远翔教授等基于纳米改性技术开展了新型纳米油纸复合绝缘系统的研究围绕纳米改性变压器油的制备方法得到了可提高变压器油破坏特性的最佳配比并对比研究了交流、直流、雷电冲击下的破坏特性和局部放电起始电压发现在较大击穿间隙下可显著提高纳米改性变压器油的击穿电压、局放起始电压改善伏秒特性曲线其原因主要在于纳米粒子界面对载流子的捕获和对流注的阻挡作用。华北电力大学高电压实验室认为磁性导电纳米变压器油的分散性极易受到磁场的影响不利于其绝缘性能的改善针对半导体纳米粒子改性变压器油进行了一系列绝缘性能及机制的研究文献采用TiO半导体纳米粒子对变压器油进行改性得出半导体纳米粒子可以使变压器油的工频和雷电击穿电压提高至未改性变压器油的倍而且可以改善变压器油的局部放电特性并采用热刺激电流法thermallystimulatedcurrentTSC和电声脉冲法(PulseelectroacoustictechniquePEA)对改性前后变压器油中的电荷陷阱特性和输运特性进行测试发现其绝缘性能改善的原因在于纳米粒子的加入增加了变压器油中的浅陷阱密度从而提高了变压器油对电荷的消散和输运能力。文献对半导体纳米改性变压器油和纯净变压器油同时进行热老化处理后进行各项击穿试验发现半导体纳米粒子不仅可以改善老化变压器油的工频击穿强度和耐局放性能而且可以使雷电冲击击穿强度显著提高至老化纯变压器油的倍。重庆大学邹平等人采用油酸包覆的FeO纳米粒子表面改性方法制备出植物绝缘油与FeO纳米粒子的共混体其工频平均击穿电压比普通植物绝缘油提高了正极性雷电冲击击穿电压和负极性雷电冲击击穿电压分别提高到了和且具有和普通植物绝缘油相反的雷电冲击极性效应并通过建立纳米粒子在油中的极化模型解释了纳米改性植物绝缘油击穿场强提高的原因。以上各研究成果表明纳米改性技术对于变压器内绝缘性能的提高提供了新的可能途径。然而各研究机构添加纳米粒子材料、所采用的表面改性方法不同结果亦有一定差异尚未见到关于纳米改性变压器油冲击特性的普适性规律纳重庆大学硕士学位论文绪论米粒子材料、粒径和配比的选择依据也少见研究。同时从各机构研究结果来看变压器油等液体电介质的冲击击穿特性与流注发展过程中空间电荷的分布密切相关且不同类型纳米粒子对空间电荷的影响机理亦不同纳米粒子驰豫理论和电荷势阱理论均有待试验的证实。本文的研究内容为了深入地开展液体电介质中空间电荷产生及其分布特性的试验及相关机理研究探讨冲击电压作用下添加纳米粒子材料变压器油的宏观冲击绝缘特性和微观放电机理本文针对已有的液体电介质中空间电荷测量研究的不足基于Kerr电光效应测量技术采用试验观测和理论分析相结合的技术路线首先开展液体电介质中电场和空间电荷测量方法的研究基于获取的高压强场下的光强分布数据优化和完善电场及空间电荷的反算方法并结合传统电介质击穿理论分析击穿过程中空间电荷的产生、输运和消散机制同时开展添加不同类型纳米粒子材料下变压器油的操作冲击绝缘特性的研究以获取纳米改性变压器油击穿过程中的空间电荷分布规律主要工作包括以下几个方面:Kerr电光效应测量方法及反算技术研究为了研制精度高、响应快的Kerr电光测量方法本文在深入探讨Kerr电光理论及各组成元件光学特性的基础上完成了液体电介质在外电场作用下电场及空间电荷测量平台的搭建和优化设计基于测量得到的电光场图进一步结合自适应移动平均滤波技术得到了更高边缘特性、更大动态范围和高对比度的图像提高了反算处理精度同时针对平行板电极电光场图引入循环处理思想进一步开发出可反映极间电场动态变化特性的通用图像处理技术。高Kerr常数碳酸丙烯酯操作冲击电压作用下的空间电荷测量研究利用高速CCD摄像仪和普通工业CCD开展高Kerr常数碳酸丙烯酯中电场及空间电荷的测量研究。首先利用不同金属材料(铜、不锈钢、铝)的平板电极和不锈钢刀板电极组合开展操作冲击电压作用下的电光场图测量通过图像处理技术和信号处理技术分析冲击电压作用时间范围内各电极结构下的电场及空间电荷分布得出空间电荷对电场的畸变规律并对比不同金属材料和不同电极下的空间电荷分布结合传统电击穿理论和双电层理论对空间电荷的来源进行辨别以获取液体电介质中空间电荷产生、输运和消散的微观机制。低Kerr常数变压器油操作冲击电压作用下的光探测量研究结合前期研究工作在已具备的高Kerr常数空间电荷测量装置的基础上通过研制低Kerr参数空间电荷测量平台开展变压器油冲击电压作用下的电场测量研究。利用光电探测器获取纯净变压器油电极中心点处的电场分布特性观测重庆大学硕士学位论文绪论变压器油中光强分布随外加电压增大的变化规律。纳米改性液体绝缘介质的配置方法及其操作冲击绝缘特性的试验研究为获取理化性能和电气性能最优的纳米改性液体绝缘介质在论文第四章选取纳米级的导电型FeO颗粒、半导体型的TiO颗粒和非导电型AlO颗粒研究在碳酸丙烯酯以及传统变压器油中添加不同类型纳米颗粒的表面改性剂选取原则研究纳米材料分散处理方法分析不同配比下各组添加不同类型纳米材料后改性液体的外观物理特性获取静置后各组纳米改性液体的稳定性、均匀度和透射比等物理特性指标。针对改性良好的纳米碳酸丙烯酯液体和纳米变压器油进行正、负极性操作冲击冲击电压波作用下针板电极结构的冲击击穿试验获取纳米改性液体冲击绝缘特性的影响趋势。纳米粒子对液体电介质中空间电荷分布特性的测量研究结合电子捕获理论和势阱理论探寻添加纳米粒子材料对冲击电压下液体中空间电荷的作用机制通过Kerr电光效应测量技术探寻纳米改性碳酸丙烯酯中空间电荷的分布特性及其对液体电介质冲击绝缘性能的的影响机理。重庆大学硕士学位论文基于Kerr效应的液体电介质中电场及空间电荷测量方法研究基于Kerr效应的液体电介质中电场及空间电荷测量方法研究自上世纪六十年代以来一种新型的Kerr电光效应法逐渐引入高压电场测量领域该方法通过光学手段获取双折射液体在外加电场下形成的光波相位差信息以获取液体中电场及空间电荷的分布特性具有测量精度高、响应速度快、能有效避免电磁干扰等优点。本章在深入阐述Kerr效应基本原理的基础上完成液体电介质在外电场作用下的电场和空间电荷测量平台的搭建和优化设计研究不同电极结构配置下电场及空间电荷的电光场图反算处理方法。Kerr电光效应测量原理Kerr电光效应是指在电场作用下某些各向同性的透明介质材料呈现出双折射特性即平行于电场方向上的折射率n‖和垂直于电场方向上的折射率n之差与外加电场强度E的平方成正比其数学表达式为nnBE式中λ为光波波长B为液体Kerr常数E为外加电场强度。外电场作用使得光波在平行和垂直于电场方向上的传播速度c‖、c出现差异进而产生二者间的相位差δ如图所示其中E、E分别代表光分解在x、y方向上的光矢量。xy图光波相位差产生原理图FigPrinciplediagramofphasedifferencegeneration光波相位差的数学表达式为LccccdzBEL式中c为无电场时光波的传播速度L为光经过的电极长度。重庆大学硕士学位论文基于Kerr效应的液体电介质中电场及空间电荷测量方法研究表明一束圆偏振光透过双折射介质时在外电场作用下由式于相位差的产生将转变为椭圆偏振光。设电场线沿y轴方向起偏方向与y轴夹角为θ、检偏方向与y轴夹角为θ则输出光强I与输入光强I之比为IcossinsinsinI若起偏方向与检偏方向相平行θθ则称之为平行偏振AlignedPolarizer简称AP若起偏方向与检偏方向相垂直θθ则称之为垂直偏振CrossedPolarizer简称CP。设置起偏方向与电场方向为联立式得出AP、CP情况下透过检偏器的输出光强相对值为coscosEEmAPIIsinsinEEmCP式中Em定义为CP或AP条件下光强出现第一个最大值或最小值I时极板上所加的电场值其值仅取决于液体电介质的Kerr常数和电极长度有EmBL由式可知光学系统输出光强I随外加电场强度E变化的函数关系AP条件下函数关系图如图所示光强最大值出现在EnEm,,…时光强最小值出现在EE,,…时故通过记录相对光强变化信号测定比值IInm即可求得各点的待测电场值En。II强光对相电场强度比值EEm图AP条件下相对光强与电场强度的关系FigTherelationshipbetweenlightintensityandelectricfieldintensityinAPcondition当相对光强正好处于最大或最小值时有EnEmn当相对光强由最小值向最大值逐渐增强时有重庆大学硕士学位论文基于Kerr效应的液体电介质中电场及空间电荷测量方法研究EEnarcsinIInm当相对光强由最大值向最小值逐渐减弱时有EEnarccosIInm式中n为相对光强分别达到最大、最小值时对应的干涉条纹值。根据泊松方程电极间电荷密度ρ可表示为:xdEdxr式中ε和ε分别为真空介电常数和相对介电常数x为极间间隙距离。由式r对场强求导可得空间电荷密度值。在基于Kerr效应的液体空间电荷测量技术中光强与外加电场的平方成正比电压越高系统灵敏度越大故电压峰值附近的测量精度很高同时系统测量的特征参量为非电学量实现了测量回路与高压回路的电气隔离有效避免了电磁干扰。测量系统的总体结构本文搭建的Kerr效应液体空间电荷测量系统实物图如图所示包括全部试验装置:高压试验电源、光路系统和光电接收部分。光路系统结构图如图所示由HeNe激光器、扩束镜、起偏器、波片、Kerr元件、检偏器和光电接受装置构成。试验光路部分搭建在×m光学隔振平台上便于进行光路校准、保证测量精度。激光源和扩束镜试验中采用氦氖(HeNe)激光器为光源如图所示输出波长为nm、直径为mm的单色线性偏振光光源输出强度稳定、光束集中且方向性良好能够保证在外加电场作用下透过Kerr元件的偏振光矢量在坐标系不同方向上的分量有确定的相位差保持整个试验过程中出射光强度的稳定。输出的激光光束经扩束镜放大为直径mm的均匀光束穿透Kerr元件通光孔。起偏器和检偏器光波是横波光波的振动方向相对于传播方向的不对称性叫做偏振在垂直于光的传播方向的平面内光矢量的各种不同的振动状态即为偏振态。起偏器和检偏器统称为偏振器其中起偏器用于获得线性偏振光检偏器用于检测线性偏振光配合其他光学器件可判断出多种光学偏振态。本文采用方解石构成的偏振器消光比约为:透光率较高能够获得较为理想的平面线性偏振光。重庆大学硕士学位论文基于Kerr效应的液体电介质中电场及空间电荷测量方法研究图液体空间电荷测量系统实物图FigPhysicaldiagramofspacechargemeasurementsystem电源Kerr元件起偏器波片扩束镜波片检偏器高速相机氦氖激光源隔振台图Kerr效应光路系统结构图FigStructurediagramofKerreffectopticalsystem图激光源和扩束镜FigLasersourceandbeamexpander

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