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与流程

本发明涉及固体电介质材料性能测试技术领域，特别涉及一种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。

背景技术：

直流电缆是解决大规模电力传输与新能源消纳问题的重要输电方式，也是跨海输电和未来大型城市输配电网络的主要方案。近十年，直流电缆的电压等级实现了从±160kv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。

直流电缆绝缘层容易注入和积聚空间电荷，畸变电场。因此，空间电荷特性是表征直流电缆绝缘材料性能的重要参量之一。在电缆全寿命周期下，绝缘材料及界面处会形成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。

因此，需要开发更高分辨率、更可靠的电场、电荷传感技术以满足对微纳米缺陷检测的要求。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：

太赫兹波(thz)是指频率为10¹¹～10¹³hz之间的电磁波，位于微波与红外之间。太赫兹波位于光波和电磁波之间，能量较低，不足以破坏常见的化学键，是比较安全的电磁技术。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。

光学测量方法具有频带宽的优势，有利于克服电子器件的频带限制，2004年，tanaka提出了基于kerr和pockels效应的固体绝缘空间电荷测量方法。国内哈尔滨理工大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。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统，该系统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。

本发明的另一个目的在于提出一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统，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；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。

本发明实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统，基于快速扫描太赫兹技术，通过稳定快速的多臂旋转光学延迟器和太赫兹压力波传感器，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。

另外，根据本发明上述实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，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组成。

进一步地，在本发明的一个实施例中，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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，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。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法，采用如上述实施例所述的系统，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；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。

本发明实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法，基于快速扫描太赫兹技术，通过稳定快速的多臂旋转光学延迟器和太赫兹压力波传感器，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。

另外，根据本发明上述实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，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组成；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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，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。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的多旋臂光学延迟器示意图；

图4为根据本发明实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的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，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统，。

图1是本发明一个实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统的结构示意图。

如图1所示，该纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统10包括：太赫兹激发组件100、快速扫描组件200、空间电荷信号激发组件300和检测及控制环节组件400。

其中，太赫兹激发组件100用于激发太赫兹电磁波；快速扫描组件200用于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300用于激发空间电荷信号；检测及控制环节组件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。

可以理解的是，本发明实施例的系统10为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。具体地，如图2所示，系统包括太赫兹激发环节、快速扫描环节、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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，太赫兹激发组件100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组成。

具体地，如图2所示，太赫兹激发环节中，太赫兹激发组件100由飞秒激光器、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组成；第一平面镜组由数枚平面镜组成，主要用于光路调整，从而利于系统的综合设计。

进一步地，在本发明的一个实施例中，快速扫描组件200包括高速电机、多旋臂光学延迟器、分束器和第二镜组。

具体地，如图2所示，快速扫描环节中，快速扫描组件200由高速电机、多旋臂光学延迟器、分束器、第二镜组组成；第二镜组由多枚反射镜组成。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。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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，空间电荷信号激发组件300包括太赫兹透明高压电极、压光传感器和高压电源。

具体地，如图2所示，空间电荷信号激发环节中，空间电荷信号激发组件300由太赫兹透明高压电极、压光传感器、高压电源组成。太赫兹电磁波通过斜入射方式照射样品，将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。

下面将结合图2对纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统的测量过程进行详细阐述，具体如下：

飞秒激光器发出的激光被光学分束器分为两束，其中一束先由光学斩波器进行调制，然后经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。

光学延迟器由高速电机驱动，可以进行沿轴向的直线运动和绕轴的旋转运动，以快速改变延迟时间，以cm单位的步长改变探测光的光路，通过高稳定性的高速电机控制方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。

综上，本发明实施例提出的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统，基于快速扫描太赫兹技术，通过稳定快速的多臂旋转光学延迟器和太赫兹压力波传感器，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。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法。

图4是本发明一个实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法的流程图。

如图4所示，该纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法，采用如上述实施例的系统，方法包括以下步骤：

在步骤s401中，通过太赫兹激发组件激发太赫兹电磁波；

在步骤s402中，通过快速扫描组件改变探测光与激发光之间的配合状态；

在步骤s403中，通过空间电荷信号激发组件激发空间电荷信号；

在步骤s404中，通过检测及控制环节组件探测空间电荷信号，得到空间电荷测量结果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，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组成；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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，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。

进一步地，在本发明的一个实施例中，太赫兹激发组件具体用于通过飞秒激光器发出的激光被光学分束器分为两束，其中一束先由光学斩波器进行调制，经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。

需要说明的是，前述纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量系统实施例的解释说明也适用于该实施例的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的纳米级分辨率的快速固体电介质空间电荷测量方法，基于快速扫描太赫兹技术，通过稳定快速的多臂旋转光学延迟器和太赫兹压力波传感器，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。