专利名称：一种用于液体电介质电场测量的光电检测器的制作方法
技术领域：
本发明属于电场測量技术领域，尤其涉及一种用于液体电介质电场测量的光电检测器。
背景技术：
液体电介质电场测量通常采用克尔效应技术。克尔效应是指某些液体电介质在外施电场作用下表现出单轴晶体的性质，使得平行于电场分量的光矢量和垂直于电场分量的光矢量在克尔介质具有不同的传播速度，经过克尔介质后，光束中两相互正交的光矢量产生一定的相位差，该相位差与外施电场大小的平方成比例关系，即克尔效应。高纯水、矿物油、蓖麻油等植物油均是克尔电介质，广泛用于脉冲功率技术，电カ系统等绝缘领域；但矿物油、植物油等由于其克尔系数很小，克尔效应对通过光束中两相互正交的光矢量所产生相位偏移很小，偏振干渉后形成的光强变化很小，无法进行有效测量。为增强克尔效应测量技术的灵敏度，可采用交流调制的方法，即在克尔介质上同时施加直流电场和交流调制电场，这样光束中两相互正交的光矢量经克尔效应形成相位差与外施直流电场和交流调制电场的矢量和成正比，同时由于该相位差很小，经三角函数简化运算，偏振干渉后形成的光强信号中将包含直流分量，交流基频分量以及两倍频的交流分量；其中光强信号中交流基频分量与外施直流电场强度和交流电场强度的乘积成正比；两倍频的交流分量与外施交流电场强度平方成正比；经光电检测器，光强信号转换为电信号，通过检测电信号中直流分量，交流基频分量和两倍频分量，就可以得到液体电介质中的直流电场和交流电场的大小和方向。克尔效应电场測量技术中所产生的光信号中，两倍频交流分量非常微弱，通常为nW量级，且淹没在强直流分量和交流基频分量中。目前现有的光电探测器通常只用于测量，没有于此类信号的測量。因此，设计一种低噪声，能同时分别检测直流光强和交流光强的光电检测器对克尔效应电场测量非常必要。
发明内容
针对上述背景技术中提到现有光电探测器对光信号中直流分量和交流分量同步检测的不足，本发明提出了一种用于液体电介质电场测量的光电检测器。本发明的技术方案一种用于液体电介质电场测量的光电检测器，其特征是该检测器包括光电ニ极管、电流-电压变换器、隔直电路、低通放大电路和金属屏蔽外壳；所述金属屏蔽外壳包括直流输出端子、交流输出端子和同轴圆锥形通光孔；所述光电ニ极管和电流-电压变换器连接；电流-电压变换器和隔直电路连接；隔直电路和低通放大电路连接；隔直电路和直流输出端子连接；低通放大电路和交流输出端子连接；同轴圆锥形通光孔的轴心和光电ニ极管的轴心对齐；所述光电ニ极管将光信号转换为电流信号；所述电流-电压变换器将光电ニ极管输出的电流信号转换为电压信号；
所述隔直电路将电流-电压变换器输出的电压信号中的交流信号和直流信号分离；所述低通放大电路用于对隔直电路分离出的交流信号进行放大；直流信号经直流输出端子输出，放大后的交流信号经交流输出端子输出；所述光电ニ极管、电流-电压变换器、隔直电路和低通放大电路封装在金属屏蔽外壳内。所述光电检测器检测波长的范围为300 1100纳米。所述光电ニ极管为硅光二极管。所述硅光二极管采用零偏压工作模式。所述硅光二极管为圆形。 所述光电检测器的背景光引起的光电流小于10纳安。所述同轴圆锥形通光孔的轴心和光电ニ极管的轴心的位置偏差小于±0. 5毫米。本发明具有极低的噪声，良好的測量灵敏度，能实现调幅光信号中交、直流分量的同步测量。
图I是光电检测器的电路原理图；图2是光电检测器封装示意图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。本发明是一种低噪声、能同时检测输出光信号中直流分量、交流基频分量和交流倍频分量的光电检测器，包括光电ニ极管，电流-电压变换器，隔直电路、低通放大电路和金属屏蔽外壳。金属屏蔽外壳包括直流输出端子、交流输出端子和同轴圆锥形通光孔；光电ニ极管和电流-电压变换器连接；电流-电压变换器和隔直电路连接；隔直电路和低通放大电路连接；隔直电路和直流输出端子连接；低通放大电路和交流输出端子连接；同轴圆锥形通光孔的轴心和光电ニ极管的轴心对齐；光电ニ极管将光信号转换为电流信号；电流-电压变换器将光电ニ极管输出的电流信号转换为电压信号；隔直电路将电流-电压变换器输出的电压信号中的交流信号和直流信号分离；低通放大电路用于对隔直电路分离出的交流信号进行放大，低通放大电路_3dB高频截止频率为40kHz。；直流信号经直流输出端子输出，放大后的交流信号经交流输出端子输出；光电ニ极管、电流-电压变换器、隔直电路和低通放大电路均制作在PCB电路板上，封装在金属屏蔽外壳内。本发明中，光电检测器检测波长的范围为300 1100纳米；光电ニ极管为圆形硅光二极管，采用零偏压工作模式。光电检测器的背景光引起的光电流小于10纳安。同轴圆锥形通光孔的轴心和光电ニ极管的轴心的位置偏差小于±0. 5毫米。图I是光电检测器的原理电路图。參照图1，Pl为双极性直流电源，为电流-电压变换器和隔直放大器供电；C4、C5和C6、C7为去耦电容，起到电源过滤作用，使供电电压更加稳定。參照图1，Dl为光电ニ极管，Dl和OPl以及外围电路构成了整体封装的电流-电压变换器；R2和C2为电压-电流转换器的反馈电阻和反馈电容，它们决定了电流-电压转换器的转换比例，并限制电流-电压转换器的带宽，降低噪声；Rp可调电阻，用于调节电流-电压转换器的直流偏置水平；光电ニ极管Dl将包含交、直流电场信息的光信号转换电流信号，电流-电压转换器将电流信号按R2決定的反馈系数转换为对应的电压信号。參照图1，0P2为低噪声，高速精密运放，它和其外围电路构成了隔直滤波放大电路；R3和C3为隔直电阻和隔直电容，它们决定了滤波电路的低频截止频率，Rl和Cl为反馈电阻和反馈电容，它们决定了滤波电路的高频截止频率，R1/R3为闭环増益，决定了交流信号的放大倍数。隔直滤波放大电路将前级输入的电压信号进行交、直流分离，直流分量直接输出至直流输出端子NI，交流分量经放大后输出至交流输出端子N2。图2是光电检测器的封装形式。 參照图2，封装为全金属外売，I为外壳本体；2为封装外壳底板，用于安装固定所制作的PCB电路板；3为光电检测器直流输出端子，4为光电检测器交流输出端子，两者均为BNC接ロ ；5封装外壳前盖板；6为同轴圆锥形通光孔。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种用于液体电介质电场测量的光电检测器，其特征是该检测器包括光电ニ极管、电流-电压变换器、隔直电路、低通放大电路和金属屏蔽外壳；所述金属屏蔽外壳包括直流输出端子、交流输出端子和同轴圆锥形通光孔；所述光电ニ极管和电流-电压变换器连接；电流-电压变换器和隔直电路连接；隔直电路和低通放大电路连接；隔直电路和直流输出端子连接；低通放大电路和交流输出端子连接；同轴圆锥形通光孔的轴心和光电ニ极管的轴心对齐；所述光电ニ极管将光信号转换为电流信号；所述电流-电压变换器将光电ニ极管输出的电流信号转换为电压信号；所述隔直电路将电流-电压变换器输出的电压信号中的交流信号和直流信号分离；所述低通放大电路用于对隔直电路分离出的交流信号进行放大；直流信号经直流输出端子输出，放大后的交流信号经交流输出端子输出；所述光电ニ极管、电流-电压变换器、隔直电路和低通放大电路封装在金属屏蔽外壳内。
2.根据权利要求I所述的ー种用于液体电介质电场测量的光电检测器，其特征是所述光电检测器检测波长的范围为300 1100纳米。
3.根据权利要求I所述的ー种用于液体电介质电场测量的光电检测器，其特征是所述光电ニ极管为娃光二极管。
4.根据权利要求3所述的ー种用于液体电介质电场测量的光电检测器，其特征是所述硅光二极管采用零偏压工作模式。
5.根据权利要求3所述的ー种用于液体电介质电场测量的光电检测器，其特征是所述娃光二极管为圆形。
6.根据权利要求I所述的ー种用于液体电介质电场测量的光电检测器，其特征是所述光电检测器的背景光引起的光电流小于10纳安。
7.如权利要求I和权利要求I所述的光电ニ极管和同轴圆锥形通光孔，其特征是所述同轴圆锥形通光孔的轴心和光电ニ极管的轴心的位置偏差小于±0. 5毫米。
全文摘要
本发明公开了电场测量技术领域中的一种用于液体电介质电场测量的光电检测器。本发明包括光电二极管、电流-电压变换器、隔直电路、低通放大电路和金属屏蔽外壳；金属屏蔽外壳包括直流输出端子、交流输出端子和同轴圆锥形通光孔。本发明具有极低的噪声，良好的测量灵敏度，能实现调幅光信号中交、直流分量的同步测量。
文档编号G01J1/44GK102829862SQ201210285180
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者李成榕, 赵林杰, 齐波, 黎小林, 吴昊, 吕金壮, 赵晓林, 孙夏青, 赵宇明, 罗兵 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司, 华北电力大学