高壓放電紫外檢測系統(tǒng)的研究本科畢業(yè)論文

1、第1章 緒論1.1 高壓放電檢測的研究背景及意義近年來，隨著我國經(jīng)濟、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的電壓等級得到了很大的提高，電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也隨之快速擴大，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行關(guān)系到經(jīng)濟和社會發(fā)展的各個方面，其重要性變得日益突出。電力設(shè)備不但是組成電力系統(tǒng)的基本元件，還是保證安全穩(wěn)定可靠供電的基礎(chǔ)。當電力設(shè)備（如設(shè)備絕緣子、電纜、變壓器、電機等）發(fā)生故障的時候，如果不能做到及時發(fā)現(xiàn)和維護，都可能會對電網(wǎng)造成嚴重的影響。隨著用電電壓和用電負荷的不斷提高，電氣設(shè)備的絕緣部分受到的電壓越來越大，因為設(shè)備絕緣的缺陷而導(dǎo)致的電力事故日益增多1。受到使用次數(shù)、使用時間長短、運行操作和工作環(huán)境等的影響，會造

2、成高壓電力設(shè)備的絕緣強度下降、材料裂化以及使用壽命的降低，進而導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)生故障甚至是嚴重的電力事故2。一旦發(fā)生電力事故，會對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民的日常生活造成很大的影響。為了減少因設(shè)備絕緣問題而造成的電力故障，使系統(tǒng)工作在安全穩(wěn)定的狀態(tài)，降低因事故而對生產(chǎn)生活造成的影響，需要從兩方面來著手：一方面提高設(shè)備絕緣材料的性能，使絕緣材料滿足設(shè)備對絕緣的要求；另一方面檢測設(shè)備由于存在絕緣缺陷而放電時的特征量，通過對檢測到的信號進行數(shù)據(jù)分析處理，以達到實時了解設(shè)備的絕緣情況的目的3。早期對電氣設(shè)備的維修與保護，主要采用設(shè)備發(fā)生故障后，根據(jù)故障類型的不同進行相應(yīng)的維修，即傳統(tǒng)的事故后維護，這種維護方式的缺

3、點是必須停電維護，且不能對突發(fā)事故和偶發(fā)性事故做到提前預(yù)知。后來，電氣設(shè)備的維護發(fā)展成為事先安排專門的時間對設(shè)備實施大修和維護來預(yù)防突發(fā)事故，即預(yù)防性維護。根據(jù)設(shè)備外部異常情況，采用預(yù)防性維護，提前預(yù)知其嚴重性，進而對其故障進行預(yù)處理。目前國內(nèi)的預(yù)防維護以傳統(tǒng)的預(yù)防性維護為主，根據(jù)電力公司和設(shè)備制造商的維護要求，按規(guī)定時間進行維護作業(yè)、定期清掃、定期維修等，需要安排停電作業(yè)且人力花費較大，這種維護方式很難預(yù)防偶發(fā)性電力事故。近些年，發(fā)展出另一種設(shè)備維護的方式，即不停電預(yù)知維護，在電氣設(shè)備不停電的情況下，實時檢測設(shè)備的工作狀況，一旦發(fā)生突發(fā)事故可以對設(shè)備進行及時的維護，這種維護方式的優(yōu)勢是可以減

4、少維護時的停電，節(jié)約維護工作的人力，還可以及時的對偶發(fā)事故做出預(yù)防及維護4。不停電預(yù)知維護主要目的是：1. 設(shè)備使用壽命的預(yù)估；2. 設(shè)備使用狀況的評估；3. 提高工作人員的安全；4. 降低維護費用；5. 收集設(shè)備第一手資料。電力設(shè)備不停電預(yù)知維護的方法，主要有局部放電檢測法、油中氣體含量分析法、油中含水量分析法、紅外線測溫分析法、分析箱體狀態(tài)法、分析震動法等，目前最常用的維護方法是通過對設(shè)備局部放電進行檢測來判斷設(shè)備狀態(tài)。電氣設(shè)備的絕緣部分存在裂痕、細小的間隙以及其他絕緣缺陷時，帶電粒子會在強電場強度的影響下加速運動而導(dǎo)致設(shè)備放電。高壓局部放電的原因是由于正負極之間只有一部分發(fā)生微小放電，而

5、未構(gòu)成連續(xù)完整的放電。當電力設(shè)備發(fā)生高壓放電時，會導(dǎo)致放電部位發(fā)生能量損耗并釋放熱能，造成絕緣部分材料的裂化甚至是設(shè)備絕緣故障。放電的過程中，常伴有發(fā)光、發(fā)熱、發(fā)出聲音以及化學反應(yīng)等現(xiàn)象，通過檢測放電產(chǎn)生的特征量可以判斷放電情況。高壓放電是由于設(shè)備絕緣部分局部電氣壓力超過臨界值而造成的氣體電離現(xiàn)象，是一種局部放電現(xiàn)象。因此，一般認為，高壓放電是絕緣表面的氣體放電，其產(chǎn)生原因是當絕緣表面的電位大于空氣的絕緣強度時而導(dǎo)致的空氣游離引發(fā)的。處于極不均勻電場的電氣設(shè)備，如設(shè)備毛刺部分，輸電線路附近以及絕緣子裂化部分等，一旦絕緣擊穿會發(fā)生放電的現(xiàn)象，放電過程常常會出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱、輻射出電磁波以及生成新的

6、物質(zhì)，同時會導(dǎo)致電能質(zhì)量的損失以及對其他電子設(shè)備造成電磁干擾。有許多電氣設(shè)備絕緣處在氣體中，設(shè)備利用大氣做絕緣，所以會發(fā)生在固體絕緣表面對氣體放電的情況。對于電力設(shè)備在空氣中的放電進行檢測時，本文以放電紫外光為特征量，采用紫外傳感器來檢測微弱的紫外信號，然后對信號進行處理分析，判斷對高壓設(shè)備的放電情況，進而評估高壓設(shè)備的絕緣狀況。本文設(shè)計的放電檢測系統(tǒng)可以用于在線監(jiān)測，檢測高壓設(shè)備放電可有效的了解設(shè)備絕緣狀況，為電力部門運行、檢修提供科學的參考，應(yīng)用前景廣闊。1.2 高壓放電檢測的研究現(xiàn)狀檢測設(shè)備的高壓放電可以對電力設(shè)備的絕緣情況作出判斷，在放電的過程中，常常會出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱、輻射出電磁波以及

7、生成新的物質(zhì)5。根據(jù)放電過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，相應(yīng)的產(chǎn)生了兩種放電檢測的方法，即電氣檢測法和非電氣檢測法6,7，目前比較常用的是電氣檢測法，但是非電氣檢測法則因為具有電氣檢測法所不具備的優(yōu)勢而得到了快速的發(fā)展。1.2.1 電氣檢測法1. 脈沖電流法脈沖電流法是目前放電檢測的主要方法，脈沖電流法不僅可以在工頻交流下進行局部放電的測試，還可以在直流條件下進行局部放電測量。目前，基于脈沖電流法的檢測儀主要采用直流回路測量法，如局部放電檢測設(shè)備、公司的放電檢測器等8。2. 介質(zhì)損耗分析（）檢測法放電位置放電時發(fā)出的能量可以通過測試介質(zhì)損耗角正切值（）來反映。當設(shè)備發(fā)生局部放電時，其絕緣部分介質(zhì)會被破壞，會

8、使發(fā)生很大變化，因此可以根據(jù)的值來反映放電部位的能量，進而評估設(shè)備絕緣部分介質(zhì)的狀況。在測量低氣壓中存在的亞輝光或輝光放電時，介質(zhì)損耗分析法應(yīng)用的比較多。3. 超高頻（）放電檢測法9-11通過檢測放電產(chǎn)生的3003000mhz高頻信號以實現(xiàn)對放電的檢測，即為超高頻放電檢測法。1982年，和通過改進使測量儀器使其測量頻率范圍達到1ghz，從的測量實驗中得到了放電的初始脈沖，在此頻率范圍內(nèi)，噪聲信號得到很好的抑制，可很好的再現(xiàn)放電脈沖。在1991年，等人設(shè)計了一種新型定子槽耦合傳感器，實現(xiàn)了對于大電機局部放電檢測，該傳感器由兩端同軸的輸出電纜、接地端、帶狀的感應(yīng)導(dǎo)體等構(gòu)成，頻率范圍很寬，同時能夠在

9、波形上反映外部干擾和內(nèi)部放電的區(qū)別。4. 射頻檢測法12射頻檢測法是利用放電時輻射的高頻電磁波為特征量來檢測放電， 線圈構(gòu)成的電流傳感器是常用的檢測輻射高頻電磁波的傳感器。吳廣寧等人將線圈構(gòu)成的電流傳感器改進為頻帶范圍比較寬的電流傳感器，并將其應(yīng)用在在大型電機的放電檢測中，這種傳感器已經(jīng)在我國蘭州的西固熱電廠、陜西的秦嶺發(fā)電廠中得到使用。1.2.2 非電氣檢測法1. 聲檢測法當電力設(shè)備發(fā)生放電時，放電部位周圍的介質(zhì)會被放電瞬間產(chǎn)生的能量加熱，導(dǎo)致介質(zhì)蒸發(fā)，在這個過程中，發(fā)生放電的位置如同發(fā)生源，向外面發(fā)出聲音13。通過傳感器可以有效檢測聲信號，采用聲光轉(zhuǎn)換裝置，將其轉(zhuǎn)化為電信號，目前常用的聲傳

10、感器主要有在液中體使用的聽診器，用于氣體中的電容麥克風，以及在固體中使用的聲音發(fā)射傳感器和振動測量儀。在聲電傳感器中，有兩個指標是非常重要的，即靈敏度和工作頻帶。必須保證傳感器有合適的工作頻帶，如果工作頻帶過窄，容易造成脈沖信號混疊和靈敏度降低。在實際的聲電傳感器設(shè)計中，要綜合靈敏度和工作頻帶這兩個指標進行設(shè)計。2. 化學檢測法化學檢測法，是通過測量電力設(shè)備放電過程中絕緣材料破壞后產(chǎn)生的新生成物的濃度和成分，來判斷設(shè)備放電情況的檢測方法14。一般情況下，對于電力設(shè)備液體、氣體等絕緣介質(zhì)的檢測可以采用化學檢測法，如變壓器、等設(shè)備絕緣的檢測。在中，放電時設(shè)備中的氣體會分解，產(chǎn)生和，通過對兩種氣體的

11、含量進行測量來判斷是否有局部放電產(chǎn)生。在油浸式變壓器中，主要是通過氣體分離式傳感器檢測溶解在變壓器油的氣體的成分和含量，來分析變壓器的絕緣情況。3. 紫外檢測法由于紫外檢測技術(shù)具有不受高頻信號干擾的影響、更高的靈敏度、非接觸的優(yōu)勢，且不會受到人為因素和交通條件的約束。所以紫外檢測技術(shù)越來越多的被用于放電檢測中。在國內(nèi)，很多學者就開始采用紫外光作為特征量對高壓電暈放電進行研究15-18，由于放電過程涉及多學科且過程復(fù)雜微觀，需要很高的試驗設(shè)備和測試手段，因此，過去的研究還存在一些不足之處，同時，對放電的研究也取得了很多的成果。清華大學與武漢大學分別研究了典型高壓電暈放電的光譜，經(jīng)過分析認為高壓放

12、電的過程中會產(chǎn)生明顯的紫外光19-21，同時發(fā)現(xiàn)放電產(chǎn)生的紫外光線大部分波長在280400內(nèi)，光譜范圍在不同的電壓等級下也有所不同，電壓高時主要表現(xiàn)為紫外區(qū)，電壓低時則表現(xiàn)為紅外區(qū)，而且紫外輻射強時，紅外光譜會減弱，當外加電壓和氣隙長度變化時，可見光區(qū)域則不敏感。重慶大學也進行了一定的研究，并取得一定的成果22-26，但是由于抗干擾能力差沒有實現(xiàn)在線檢測。在國際上，20世紀90年代末，國外的科學技術(shù)人員利用紫外成像技術(shù)，研制開發(fā)出了紫外電暈檢測儀，它可以對拍到的紫外對象進行分析判斷放電情況，可以實現(xiàn)日間電暈放電檢測，但是該設(shè)備使用起來有諸多限制，且價格昂貴27。1.2.3 高壓放電各種方法的優(yōu)

13、劣比較在分析各方法的檢測原理的基礎(chǔ)上，通過對比目前主要檢測方法后，我們得出以下結(jié)論：1. 傳統(tǒng)的電測法，即脈沖電流法，射頻檢測法，超高頻檢測法等，由于受到現(xiàn)場強烈的電磁干擾信號及外部環(huán)境的影響，測量時需要對試驗回路使用很強的屏蔽措施，測量精度不高；檢測法在實際中應(yīng)用很少，主要原因是這種方法只能檢測到有沒有發(fā)生放電，而不能判斷放電的強度。2. 與電氣檢測法相比較，在電氣設(shè)備放電位置的判斷上，聲測法有其特有的巨大優(yōu)勢，但是該方法容易受外界干擾，且聲波在傳播過程中會發(fā)生中嚴重畸變和衰減，這些缺點限制了聲測法在實際中的應(yīng)用?；瘜W檢測法目前只能判斷放電是否發(fā)生，還不能反映放電的強度、性質(zhì)和位置?；瘜W檢測

14、法測量時間較長，并且受客觀條件限制，不適合于現(xiàn)場監(jiān)測；3. 目前，紫外檢測技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢得到快速發(fā)展，但應(yīng)用于工程中的紫外成像儀設(shè)備昂貴，大范圍使用存在著制約性。1.3 紫外檢測法的應(yīng)用范圍隨著我國經(jīng)濟、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的電壓等級得到了很大的提高，用電電壓和負荷需求日益提高，由于設(shè)備絕緣破壞造成的電力故障和設(shè)備損壞也越來越多，這就要求在設(shè)備故障時要做出及時、準確的預(yù)防保護。當電力設(shè)備工作在電磁環(huán)境惡劣的大氣中時，一旦設(shè)備絕緣能力下降，會導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生沿面放電的情況，放電時放電位置會輻射出大量紫外光信號，我們可以以放電紫外光為特征量來檢測絕緣設(shè)備的缺陷，并對運行的設(shè)備的絕緣情況進

15、行判斷。在所有的放電檢測方法中，紫外光檢測法在抗強電磁干擾、靈敏度方面效果很好。通過紫外傳感器檢測放電紫外光信號，然后對檢測到的信號進行分析，以達到判斷設(shè)備絕緣情況。通過對設(shè)備的預(yù)防保護，可以避免偶發(fā)性事故對電力系統(tǒng)造成的危害，具有很高的社會效益和非常重要的現(xiàn)實意義。紫外測量技術(shù)可以在很多設(shè)備的檢測上使用，主要有：1. 大型發(fā)電機槽壁高壓放電檢測；2. 對電力工程質(zhì)量的檢測(如接地不良、安裝不當?shù)?；3. 檢測劣化絕緣子的絕緣結(jié)構(gòu)的缺陷以及沿面放電的情況；4. 對導(dǎo)線、電纜的受損放電的檢測。如果導(dǎo)線表面或內(nèi)部有缺陷，在加壓時都可能產(chǎn)生高壓放電；5. 電力設(shè)備的表面污染物的檢測。當電力設(shè)備表面受

16、到污染時，如果處在惡劣的電磁環(huán)境下工作，設(shè)備表面可能會發(fā)生沿面放電?？梢愿鶕?jù)紫外檢測技術(shù)判斷絕緣子上受污染情況、輸電線路的污染情況等；6. 復(fù)合絕緣子護套電蝕及運行中絕緣子的劣化檢測。一旦絕緣子發(fā)生劣化，會致使其絕緣材料性能惡化，如果劣化絕緣子處在極不均勻電場中時，絕緣子表面會發(fā)生放電。由于絕緣性能降低使絕緣子經(jīng)常發(fā)生沿面放電時，其使用壽命會大大降低，而且可能會發(fā)展成絕緣子擊穿事故?？梢岳米贤鈾z測技術(shù)對絕緣子的狀態(tài)及早作出判斷，保證電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行；7. 測量高壓設(shè)備絕緣部分的缺陷。通過紫外檢測技術(shù)對高壓產(chǎn)品的絕緣進行診斷，提供產(chǎn)品絕緣信息并建立信息庫，這樣可以方便快捷的根據(jù)信息庫判斷

17、設(shè)備絕緣部分的缺陷；8. 對變電站高壓電力設(shè)備的放電的檢測。早期對設(shè)備高壓放電的判斷主要是夜間觀察放電和聽聲音等，聽聲音的方法容易受到雜音的干擾，影響判斷；而且根據(jù)夜間發(fā)生放電判斷電力設(shè)備絕緣狀況，不能對放電作出及時的判斷，有時放電發(fā)展很快會對設(shè)備造成嚴重的危害。1.4 本文主要研究內(nèi)容1. 分析了高壓放電對電力設(shè)備絕緣的危害，確定了對設(shè)備進行放電檢測的現(xiàn)實意義，在對國內(nèi)外高壓放電檢測方法深入研究和分析的基礎(chǔ)上，提出了用紫外光纖傳輸放電紫外光，通過檢測放電紫外光的強度來實現(xiàn)對高壓放電的檢測。2. 研究了高壓放電氣體理論和紫外檢測原理，為檢測系統(tǒng)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。通過分析高壓放電光譜特性，確定了

18、放電檢測的光譜范圍。3. 根據(jù)高壓放電紫外檢測原理，本文進行了檢測系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計，系統(tǒng)硬件包括紫外傳感器的設(shè)計與分析、傳感器相關(guān)電路的設(shè)計及信號調(diào)理電路的設(shè)計。4. 進行了系統(tǒng)軟件設(shè)計，軟件部分包括系統(tǒng)登陸界面、系統(tǒng)主界面、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)字濾波等。為研究電力設(shè)備高壓放電現(xiàn)象，我們制作了針針放電模型來模擬高壓放電實驗，結(jié)合紫外脈沖法對檢測系統(tǒng)進行了相應(yīng)的測試分析。1.5 小結(jié)本節(jié)首先介紹了高壓放電檢測的研究背景及意義，分析了目前國內(nèi)外關(guān)于高壓放電檢測的研究現(xiàn)狀，然后比較了各種檢測方法的優(yōu)劣，研究了紫外檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍，最后提出了本論文主要研究內(nèi)容。第2章 高壓放電理論與紫外檢測原理

19、研究本章我們主要研究高壓放電的理論以及紫外檢測的原理。當設(shè)備的絕緣出現(xiàn)（如老化、劣化或內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷等）問題時，絕緣表面部分的電壓和絕緣層的電場都會發(fā)生變化，進而導(dǎo)致放電的發(fā)生。在放電的過程中，會一系列的物理現(xiàn)象，本課題通過對其中某一特征量進行檢測來實現(xiàn)對放電強度的檢測，進而對設(shè)備的絕緣情況進行評估。發(fā)生在絕緣表面的氣體放電會輻射出光，主要光譜范圍在三個波段，即紅外線、紫外線和可見光。可見光和紅外光都會受到日光的干擾，不適合作為檢測的對象。本課題以日盲區(qū)紫外光為特征量對高壓放電進行檢測，可濾除日光干擾，具有非接觸測量的優(yōu)勢。2.1 氣體放電理論2.1.1 湯生理論氣體放電是一種不均勻電場強度

20、下的氣隙擊穿現(xiàn)象，在不同的電離條件下，放電的過程是不同的。根據(jù)對氣體放電的研究，一般把氣體放電分為兩類，一類是只有存在外部電離因素時，放電才能繼續(xù)進行的是非自持放電；另一類是當不存在外部電離因素時，放電仍然可以繼續(xù)進行的是自持放電。在放電發(fā)展的不同過程中，即發(fā)生非自持放電和自持放電轉(zhuǎn)變時，會發(fā)生氣隙擊穿或劇烈放電，這是由科學家湯生最先研究得出的結(jié)論，所以為湯生放電理論。通過對很多實驗的研究，湯生發(fā)現(xiàn)在均勻電場中，電子一直在發(fā)生能量的變化，剛開始在電場的作用下獲取能量，然后與其他粒子發(fā)生碰撞時會導(dǎo)致能量損失，在平衡狀態(tài)下，獲得的能量和損失能量是相同的。一個起始電子從電場獲得能量后會產(chǎn)生碰撞電離生

21、成1個第二代電子；這兩個電子作為新的第一代電子又將電離生成新的第二代電子，這時空間已經(jīng)存在4個自由電子；這樣一代一代不斷增加的過程將使電子數(shù)目迅速增加，如同雪山上發(fā)生的雪崩一樣，故稱之為電子崩。圖2-1為湯生電子崩理論的伏安特性曲線，在段，隨著電壓的升高，間隙中的電流會隨帶電質(zhì)點運動速度加大而增大。在段，到達點后，電壓增大時，電流不會隨著增大，因為外界游離產(chǎn)生的帶電質(zhì)點幾乎全部參與導(dǎo)電，電流慢慢變得飽和，但是此時間隙仍處于絕緣狀態(tài)，所以此時的飽和電流很小，電流密度一般只有10-19的數(shù)量級。在段，當電壓增大到后，間隙中的電流又隨外電壓的增加而增大，這時間隙中又出現(xiàn)了新的碰撞電離產(chǎn)生電子。當施加

22、電壓小于時，間隙內(nèi)雖有電流，但其數(shù)值很小，此時氣隙絕緣尚未擊穿，此時間隙電流只能靠外界電離因素來維持，即為非自持放電。當電壓升高至某臨界值后，氣體中發(fā)生強烈的電離，電流急劇突增，氣隙轉(zhuǎn)入良好的導(dǎo)電狀態(tài)，并伴隨有明顯的發(fā)聲、發(fā)光等現(xiàn)象，此時放電不需要外界游離因素，放電轉(zhuǎn)入自持放電28。圖2-1 湯生電子崩理論的伏安特性曲線2.1.2 流注理論湯生理論認為電子與氣體原子發(fā)生碰撞電離是導(dǎo)致氣體放電擊穿的原因。但是該理論并未考慮二次電子崩的初始電子的來源以及空間電荷對外施電場的影響，它不能對放電過程不受陰極材料影響、擊穿過程中的時延以及分枝放電通道等現(xiàn)象做出合理解釋。為了對以上問題做出解釋，1940年

23、和提出了流注理論，作為湯生理論的補充。流注理論認為，在電子和氣體原子發(fā)生碰撞的過程中，電離出來的帶電粒子數(shù)量增多并不是引起氣體放電擊穿的原因，而是在電子崩發(fā)展的過程中，當電離的帶電粒子數(shù)超過某一界限值時，空間電荷使外電場畸變，進而引發(fā)光電離的變化所導(dǎo)致的。光電離的過程中會產(chǎn)生很多的電子崩，當所有的電子崩融合在一起時會產(chǎn)生流注，此時放電已經(jīng)達到自持放電，放電的游離為光游離。流注理論能夠?qū)Ψ烹娦螤詈头烹姇r間的延遲做出合理的解釋29。由于電離條件的不同，可以將高壓放電分為湯生放電和流注放電。在均勻電場中，尖端發(fā)生放電時，氣隙擊穿電流很小且穩(wěn)定，此時的放電可以采用湯生電子崩理論；而當外加電壓增大時，會

24、出現(xiàn)大量電子崩匯合成的流注，會產(chǎn)生刷狀放電的現(xiàn)象，此時放電發(fā)展很快，最終會使放電氣隙被擊穿，此時放電可以采用流注理論來分析。當電力設(shè)備內(nèi)部存在絕緣缺陷時，會產(chǎn)生不均勻電場，當電場強度很強時，就會發(fā)生放電現(xiàn)象。在放電部位產(chǎn)生發(fā)光的電暈層，電暈層內(nèi)的電場很強，在該電場作用下，周圍氣體會產(chǎn)生激發(fā)或電離。電暈放電是高壓放電中的最常見的表現(xiàn)形式。電暈放電的電流大小主要受到不均勻電場的電壓強度、電極的幾何形狀、電離氣體的密度和性質(zhì)的影響。一般認為，均勻電場適合采用湯生理論，不均勻電場更適合采用流注理論。間隙中位置是關(guān)于場強的函數(shù)，從陰極至距離的增長是，按照湯生理論，由，有(2-1)如果氣體不形成穩(wěn)定的負離

25、子，則(2-2)若用流注理論，則由，有(2-3)式中：一般取105108。或(2-4)式中：值一般取1218，為導(dǎo)致氣隙擊穿的臨界電子崩長度。2.2 高壓放電紫外檢測原理2.2.1 高壓放電的光譜特性分析檢測設(shè)備的高壓放電可以對電力設(shè)備的絕緣情況作出判斷，在放電的過程中，常常會出現(xiàn)發(fā)光、發(fā)熱、輻射出電磁波以及生成新的物質(zhì)。在發(fā)生碰撞電離時，電子一直在發(fā)生能量的變化，剛開始在電場的作用下獲取能量，然后與其他粒子發(fā)生碰撞時會導(dǎo)致能量損失，在這個過程中會產(chǎn)生很多的氣體，所以測光譜為多種氣體混在一起的光譜。對光譜圖進行研究，可以看出光譜圖中包含日盲區(qū)紫外線30-32。一般認為，高壓放電時極不均勻電場下

26、的電離放電，當情況惡化或發(fā)生更嚴重的放電時，才會出現(xiàn)電弧或閃絡(luò)，但性質(zhì)是相同的。當設(shè)備工作在高壓狀態(tài)下，受到不均勻強電場強度的作用，會發(fā)生韌致輻射，存在離子的激勵或電離。當離子從基態(tài)或低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的過程中，會輻射出大量的紫外光信號。如圖2-2所示為不同電壓下的放電光譜圖。圖2-2 不同電壓下電暈放電光譜從上圖可以看出，當外加電壓增大時，即氣體放電強度增大時，放電紫外強度也隨之增大，所以能夠通過檢測紫外輻射的強度來放映放電的強度。上圖很好的反應(yīng)了放電紫外光強度與絕緣放電強度的關(guān)系。2.2.2 檢測光譜范圍的選擇受到檢測器材和制造工藝的制約，過去的紫外檢測法大部分都是檢測全紫外波段紫外光，這

27、種檢測法容易受到太陽光和特定天氣的影響。為了濾除這些干擾因素，發(fā)展出來了日盲紫外檢測技術(shù)。在電磁輻射光譜中，波長在10400之間的光譜范圍為紫外光（uv），而人眼可以直接看到的可見光譜為400760。為了研究和應(yīng)用的方便，從波長范圍上進行區(qū)分，一般可將紫外光分為三個區(qū)域，即長波紫外光()、中波紫外光()和短波紫外光（）。圖2-3為典型的高壓放電光譜圖，從圖中可以看出，高壓放電的光譜范圍主要包括可見光、紅外光和紫外光3個譜段，通過對放電紫外光的光譜范圍進行分析，發(fā)現(xiàn)在240280波長范圍內(nèi)有一部分紫外光，而大氣中的臭氧會吸收太陽光中波長小于280那部分的紫外線，此區(qū)間被稱為日盲區(qū)。因此，我們可以

28、使用特定的紫外傳感器，利用日盲區(qū)紫外光為特征量，讓傳感器工作在240280之間，從而可以避開日光中紫外光的干擾，同時對其他頻譜的光信號也不敏感。通過檢測電力設(shè)備放電發(fā)出的日盲區(qū)紫外光，可以判斷設(shè)備放電強弱，對設(shè)備的絕緣狀況做出早期預(yù)報，保證設(shè)備的安全運行。圖2-3 典型的高壓放電光譜圖2.2.3 紫外傳感器檢測原理根據(jù)高壓放電特點，紫外傳感器將檢測到的放電紫外光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路的濾波放大以及軟件系統(tǒng)的濾波處理后，與設(shè)定的閾值進行比較來統(tǒng)計脈沖數(shù)，根據(jù)脈沖的密集程度來判斷電氣設(shè)備絕緣損壞位置的放電強度，這就是紫外脈沖法，這種方法在微弱信號檢測上應(yīng)用很廣。根據(jù)得拜屏蔽和公式計算

29、有33：(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)式中：為絕緣表面氣體放電時韌致輻射功率；為電子密度；為有效離子電荷數(shù)；為電子溫度；為真空介電常數(shù)；為遠離絕緣子處的電子密度；為空間電位；為絕緣子的電位；為得拜長度；為電荷點與絕緣子之間的距離；為紫外傳感器處所有輻射點的體積分輪廓。對上述公式整理后得：(2-9)大氣會吸收在氣體中傳播的放電紫外光，致使輻射光衰減，由基本輻射傳輸方程可得：(2-10)式中：為氣體密度；為輻射光傳播途徑；為氣體質(zhì)量吸收系數(shù)；為探測器所在位置輻射強度；輻射源處的輻射強度。傳感器檢測到的韌致輻射功率為：(2-11)當電力設(shè)備絕緣老化或破壞時，隨著電場強度的增大，紫外輻射會增

30、加，通過傳感器檢測紫外輻射強度的變化，可以檢測出電力設(shè)備放電的情況，進而對設(shè)備的絕緣狀況進行評估。2.3 小結(jié)本章研究了高壓放電氣體理論和紫外檢測原理，為檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。閱讀了相關(guān)的文獻，通過分析放電過程的光譜特性，確定了放電檢測的光譜范圍，本課題以日盲區(qū)紫外光為放電檢測的特征量，并結(jié)合紫外脈沖法來檢測設(shè)備放電情況，從理論上分析了設(shè)計紫外檢測系統(tǒng)來檢測高壓放電的優(yōu)點和可行性。第3章 高壓放電紫外檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 高壓放電紫外檢測系統(tǒng)框圖根據(jù)紫外脈沖法的原理，高壓放電檢測系統(tǒng)由紫外傳感器、pmt工作電路、模擬電路電源部分、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集和機等組成。用光纖對信號進行傳輸

31、，具有抗干擾能力強、絕緣性能好、損耗低、質(zhì)量輕以及可繞性比較好等優(yōu)點。本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)，充分利用光纖的優(yōu)勢，以紫外光纖為放電紫外光傳輸?shù)妮d體來檢測紫外光信號，因此整個檢測系統(tǒng)有不受高頻電磁信號干擾，非接觸測量，靈敏度高的特點。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示，硬件設(shè)計主要包括：圖3-1 高壓放電檢測系統(tǒng)框圖1. 紫外傳感器部分，包括了濾光片、光耦合系統(tǒng)、紫外光纖、光電倍增管（pmt）等組成，光耦合系統(tǒng)可以提高檢測范圍和進入光纖的光強，放電紫外光信號首先經(jīng)過濾光片，濾除其他的干擾光，然后進入光耦合系統(tǒng)，經(jīng)耦合系統(tǒng)匯聚進入紫外光纖束中。紫外探測器采用日盲型光電倍增管（pmt），可以實現(xiàn)微弱紫外光信號的檢測

32、。2. pmt工作電路部分，低紋波噪聲高壓輸出電路可以降低噪聲，穩(wěn)定輸出電壓，為pmt提供低紋波系數(shù)的供電電壓。合理的pmt分壓電路設(shè)計，可以降低噪聲，提高pmt的工作性能。3. 模擬電路電源部分，設(shè)計+12v和2.5v電源電路，為高壓電源控制電路和信號處理電路提供所要的電源。4. 信號調(diào)理電路，將紫外傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過放大和濾波電路處理，便于實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，滿足數(shù)據(jù)采集的要求。3.2 紫外傳感器的設(shè)計與分析紫外傳感器由濾光片、光耦合系統(tǒng)、紫外光纖、pmt等組成，紫外傳感器的示意圖如圖3-2。圖3-2 紫外傳感器的示意圖3.2.1 濾光片的選擇大氣中的臭氧會吸收太陽光中紫外波長

33、范圍低于280那部分光，所以在大氣中傳輸?shù)淖贤夤獠ㄩL范圍為280400，而高壓放電時產(chǎn)生的紫外光波長在240400的范圍內(nèi)，有一部分紫外光在日盲區(qū)，我們可以以日盲區(qū)紫外光為特征量檢測設(shè)備放電。我們采用的pmt的紫外波段檢測范圍在160320，有超過280的部分，太陽光中這部分紫外光對放電紫外光檢測影響很大，所以必須加濾光片濾除這部分紫外光。這樣就避開了太陽光造成的干擾，保證了檢測到的放電紫外光為日盲紫外光，從而免受日光和其他因素的干擾。高壓放電產(chǎn)生的光輻射中所含光譜有可見光、紅外和紫外等多種光譜，一旦進入探測器后會干擾測量，如果不用濾光片進行濾波，有可能會使需要的光信號淹沒在噪聲背景中，因此我

34、們需要在光路中添加同探測器探測波長相匹配的濾光片來消除其他光的干擾。一般選擇紫外濾光片遵循兩條原則34：（一）干擾光的截止深度需要大于9（指在某一波長下濾光片材質(zhì)的光吸收度）。（二）透過光的透過率需要大于10%。根據(jù)系統(tǒng)的檢測要求，我們選擇沈陽匯博公司生產(chǎn)的型紫外濾光片，性能參數(shù)如表3-1，它的各項參數(shù)均滿足實驗要求。經(jīng)紫外/可見分光光度計測試的帶通特性如圖3-3所示，從圖上可以看出，波長在254時的光透過率為17%。表3-1 性能參數(shù)中心波長（）254半寬（）20透光率（%）10%-20%峰值初背景截止光t10-4圖3-3 實測濾光片的光譜特性曲線3.2.2 光耦合系統(tǒng)的設(shè)計與分析3.2.2

35、.1 空間光-光纖耦合條件光纖耦合示意圖如圖3-4所示，為了能使空間放電紫外光入射到紫外光纖束達到最大化，使耦合效率最高，空間光束在紫外光纖的耦合端（即空間光經(jīng)過光學系統(tǒng)變換后束腰平面）的參數(shù)要滿足耦合條件35：(3-1)(3-2)式中：表示經(jīng)過耦合光學系統(tǒng)變化后的遠場發(fā)射角；為光纖纖芯的數(shù)值孔徑；為光纖纖芯直徑；表示經(jīng)過耦合光學系統(tǒng)變化后的入射空間光束的束腰。圖3-4 光纖耦合示意圖3.2.2.2 光耦合系統(tǒng)的設(shè)計一般情況下，空間光與光纖耦合的方式有三種，即直接耦合、單透鏡耦以及透鏡組耦合的方式36，如圖3-5所示。圖3-5 空間光-光纖耦合原理圖直接耦合的效率比較低，只有在光強比較大的時候

36、才采用，而光強比較弱的時候一般不采用這種耦合方式。單透鏡耦合的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、插入的損耗小。缺點是焦距固定，不方便調(diào)整，并且產(chǎn)生的像差很大。為了對這些缺點進行改善，本設(shè)計采用的光耦合系統(tǒng)由倒置的伽利略望遠鏡結(jié)合聚光透鏡組成，示意圖如圖3-6所示。一個正透鏡和一個負透鏡構(gòu)成了伽利略望遠鏡的基本結(jié)構(gòu)，兩個透鏡之間的空間距離為它們的焦距之和。發(fā)散的放電紫外光進入伽利略望遠鏡后得到很好的準直，然后經(jīng)過聚焦透鏡匯聚和耦合后進入光纖中。圖3-6 空間光-光纖耦合示意圖根據(jù)幾何光學，物距、像距、束腰（空間光經(jīng)耦合系統(tǒng)變換后的）和遠場發(fā)射角之間的瑞利距離為37,38：(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)一

37、般光纖耦合透鏡的焦距為50，即。望遠鏡的放大率，經(jīng)綜合考慮，準直距離取望遠鏡鏡筒長度為（），由成像公式：(3-7)對求導(dǎo)：(3-8)當時，隨著物距的增大，經(jīng)耦合變換后的束腰寬度單調(diào)減小，此時：(3-9)(3-10)(3-11)當，即物距遠遠大于透鏡的焦距時，成像位置大約在透鏡的焦點位置上，此時成像和聚焦效果比較好。3.2.2.3 光耦合系統(tǒng)zemax仿真及優(yōu)化放電紫外光經(jīng)過濾光片后進入光耦合系統(tǒng)的光為單色光，這樣在分析系統(tǒng)成像質(zhì)量時，就只需要考慮球差的影響，而可以忽略慧差與色差的影響。使用光學設(shè)計軟件zemax可以對光耦合系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化，使系統(tǒng)獲得較高的耦合效率和最好的成像效果。假設(shè)伽利略望

38、遠鏡的放大率為3倍即，則，入射波長選擇從濾光片中通過的240-280的紫外光，透鏡材料選擇玻璃，它具有良好的透紫外線性能，光耦合系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。圖3-7 初始數(shù)據(jù)假設(shè)耦合透鏡，和的通光半徑分別為，和，又，則它們需滿足：(3-12)(3-13)將系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)輸入zemax中，可以得到光耦合系統(tǒng)的二維成像圖，如圖3-8所示。從圖中可以看出，透鏡在成像點聚光效果不佳，有較大的像差。為提高系統(tǒng)的聚光效果，減小像差，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)結(jié)構(gòu)，如圖3-9所示。在zemax中輸入優(yōu)化后參數(shù)，得優(yōu)化后二維成像圖，如圖3-10所示。從圖上我們發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后，聚焦效果得到了明顯的提

39、升，像差也得到改善。圖3-8 初始二維成像圖3-9 優(yōu)化后數(shù)據(jù)根據(jù)幾何光學理論，在成像的過程中，因為存在著像差，某一發(fā)光點發(fā)出的光線經(jīng)過光學系統(tǒng)成像時，并不能使所有的光線都匯聚于一點，而會在中心成像點周圍形成一個彌散斑，這就是點列圖。在對光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量和光點圖3-10 優(yōu)化后二維成像密集程度進行分析時我們常使用點列圖，成像面上的光點的數(shù)量可以反映成像的光強度分布。利用點列圖評價成像質(zhì)量時，采用的方法是利用集中30%以上點所構(gòu)成區(qū)域看做是成像后的有效彌散斑。使用這種方法評價時，一般需要至少上百條以上光點才可以準確的反映系統(tǒng)成像效果39，而采用zemax可以很方便的判斷成像情況。我們應(yīng)用zem

40、ax仿真得到了優(yōu)化前后的點列圖，如圖3-11所示。從圖上可以看出，優(yōu)化前彌散斑很大，成像中心點處的光點數(shù)量很少；優(yōu)化后彌散斑變小，成像中心點處的光點數(shù)量很多，說明中心位置處的成像光強得到了很大的提高，這有利于提高系統(tǒng)光耦合效率?？臻g光-光纖的耦合效率可由光纖接受端面的復(fù)振幅同入射光復(fù)振幅的歸一化積分表示為：(3-14)式中：為光纖的耦合效率；為入射光的復(fù)振幅分布；為入射光纖端面描述的復(fù)振幅分布。造成光纖耦合效率低的一個重要的原因是空間光在經(jīng)光耦合時引起的相位圖3-11 優(yōu)化前后點列圖差?？臻g光經(jīng)過光耦合系統(tǒng)匯聚在接收端面上，如果接收端面上的像點的模式（振幅和相位相同）與光纖的模式相同，則光纖耦

41、合效率最大，即；如果光纖的模式與接收端面上的像點的模式相差越大，則越小。我們采用的紫外光纖的纖芯直徑為56，使用zemax對優(yōu)化后系統(tǒng)的光耦合效率=91.5%。3.2.3 紫外探測器件光電倍增管常用于檢測紫外光信號的探測器有光電倍增管(pmt)、pin型光電二極管和雪崩光電二極管(apd) 40。1. 光電倍增管（pmt）pmt是一種基于光電效應(yīng)及二次電子發(fā)射效應(yīng)的真空結(jié)構(gòu)的光電探測器，主要應(yīng)用于微弱光的探測。pmt具有其他探測器不具備的一些優(yōu)點：時間響應(yīng)非?？欤傻竭_級，靈敏度很高，輸出的線性范圍很寬。2. pin光電二極管pin光電二極管的特點是輸出線性范圍寬，頻帶也寬，結(jié)電容會隨著耗盡層

42、的寬度增大而減小。pin光電二極管是在p-n結(jié)之間增加了很厚的本征層i層，這樣就使整個pn結(jié)幾乎被耗盡層占據(jù)，從而使光子在耗盡層被充分吸收，而在電場區(qū)域則不吸收。價帶上的電子通過吸收入射光子能量，躍遷到導(dǎo)帶上形成電子-空穴對，當有反偏電壓作用電子空穴對時，空穴和電子各自向p區(qū)和n區(qū)漂移而形成光電流。3. 雪崩光電二極（apd）apd是建立在雪崩效應(yīng)的基礎(chǔ)上，把光電信號進行放大的光電探測器，它具有內(nèi)部增益結(jié)構(gòu)。它的缺點就是存在隧道電流倍增的過程，這將產(chǎn)生較大的散粒噪音，會帶來電流的失真。目前，市場上的apd的檢測范圍主要在3001700。從中我們可以看出，apd由于檢測范圍和散粒噪音等問題不滿足

43、檢測要求，而pin的響應(yīng)速度無法滿足實驗要求，所以本課題采用了pmt作為紫外光探測器。3.2.3.1 pmt工作原理pmt是基于光電效應(yīng)、電子發(fā)射和光學理論，把微弱光信號轉(zhuǎn)換成電流信號的發(fā)射型探測器，它具有靈敏度極高、響應(yīng)速度快、噪音低和陰極面積大等特點。目前pmt已經(jīng)在微弱光信號檢測、極低能量射射線探測、分光光度測量、生化測量分析、光密度測量、生物發(fā)光的研究、輻射熱量計算、光子數(shù)測量等領(lǐng)域得到使用41。pmt是一種真空器件，典型的pmt包括光電陰極、倍增極、和光電陽極組成。其工作原理圖如圖3-12所示，當光陰極接收到入射光時，會釋放出電子，電子在內(nèi)部電場的作用下會打在上，然后上也釋放出電子，

44、經(jīng)過倍增后打到上，然后開始重復(fù)的過程，經(jīng)過多次倍增后，最后多次倍增后的電子被pmt陽極檢測為光電流。pmt陰極產(chǎn)生的光電流很小，經(jīng)過逐個倍增極放大后陽極輸出電流很大，增益可達106108。圖3-12 pmt工作原理圖3.2.3.2 pmt的基本特性1. 量子效率量子效率即光電轉(zhuǎn)換效率，它是pmt陰極光電子數(shù)與入射光子數(shù)的數(shù)值之比，用百分比來表示，它是衡量光電探測器性能的一個重要參數(shù)。在系統(tǒng)工作的波長區(qū)域范圍內(nèi)，量子效率必須很高。根據(jù)pmt的工作原理可知，光陰極接收到入射光后發(fā)釋放出電子，電子經(jīng)過多級倍增后，在陽極以光電流的形式被收集。光電流與入射光功率兩者的關(guān)系為(3-15)式中表示光電轉(zhuǎn)換因

45、子；為量子效率；為入射光頻率；為電子電量；表示普朗克常量。則量子效率的表達式為(3-16)2. 靈敏度pmt的靈敏度主要是由光陰極和倍增極的光電材料所決定。電子發(fā)生光電發(fā)射的條件是陰極表面的入射光的能量能夠使電子離開該表面。即(3-17)式中：表示電子動能；表示陰極表面的逸出功；表示入射光能量。當時，不會產(chǎn)生光電子；而當時，會產(chǎn)生光電子，此時相對應(yīng)的光波長為該材料表面的閾波長。光電子發(fā)射的效率隨著入射光波長的減小而增大。3. 電流增益42pmt的陽極輸出電流值與陰極光電子電流值之比即為電流增益。二次電子發(fā)射率為，其中是由倍增極材料決定的系數(shù)，其值一般為0.70.8， 表示極間電壓，為一常數(shù)。如

46、果pmt有個倍增極，則pmt的電流增益可以表示為。當pmt陽極與陰極之間電壓為時，其電流增益為(3-18)pmt的電流增益很高，其入射光子與陽極輸出電流是成正比的，比較適合檢測微弱光信號。4. 暗電流43pmt暗電流表示在在全暗環(huán)境下工作時陽極輸出的電流。pmt的陽極輸出電流為：(3-19)式中：表示比例系數(shù)；表示入射光強；表示暗電流。由上式可知，當暗電流比較小時，pmt陽極的輸出電流與入射光強呈線性的數(shù)值關(guān)系。產(chǎn)生暗電流的主要原因是殘余氣體的離子發(fā)射、電極間的漏阻或其他器件的熱電子發(fā)射等。5. 噪聲和信噪比pmt的噪聲是當入射光強不變時信號電流和暗電流兩者的統(tǒng)計起伏，主要是由光電流經(jīng)過負載電

47、阻時產(chǎn)生的熱騷動，以及電子和光子的量子性質(zhì)造成的統(tǒng)計起伏而引起的。pmt信噪比為其陽極輸出電流與噪聲電流的比值。通過降低噪聲電流，可以提高pmt的信噪比，這對于更微弱的光信號的檢測是很有利的。6. 工作電壓pmt的工作電壓對其性能有很大的影響。特別是pmt的光陰極與倍增極間的電壓差會影響其增益和噪聲，因此，對于pmt的供電電壓波動不能高于0.05%，這就要求使用高性能的穩(wěn)壓電源供電，同時，在實驗的過程中，供電電壓不能超過pmt的最大值，這樣會造成管子損壞。根據(jù)實驗的要求，結(jié)合探測器的靈敏度和光譜響應(yīng)范圍，本系統(tǒng)選擇日本hamamatmu公司的r2078日盲型pmt，它的性能參數(shù)如表3-2，從表

48、中可以看出，它具有噪聲低、靈敏度高、信噪比高、響應(yīng)速度快和陰極面積大的特點，特別適合放電紫外光信號的檢測。表3-2 r2078參數(shù)參數(shù)名稱符號測試條件最小典型最大單位光譜響應(yīng)范圍160320峰值響應(yīng)波長m240光敏面直徑21陰極響應(yīng)度re=254,t=252029ma/w增益1.01055.0105暗電流idm=10, =015100pa響應(yīng)時間ft1.5nspmt的增益與外加電壓的關(guān)系密切，外加電壓的大小決定了增益和紫外光脈沖的幅值，圖3-13為是r2078增益和外加電壓的關(guān)系圖，從圖中可知，在一定的電壓范圍內(nèi)，增益和外加電壓具有線性的關(guān)系。pmt的光譜響應(yīng)常用不同波長下的量子效率和靈敏度表

49、示。當入射光波長發(fā)生改變時，pmt的靈敏度也會隨之發(fā)生改變，而反映pmt靈敏度隨波入射光波長發(fā)生改變的曲線即為光譜響應(yīng)曲線。根據(jù)響應(yīng)曲線，我們可以得到pmt的靈敏度最大時的入射光波長以及工作的光譜范圍。圖3-14是r2078光譜響應(yīng)曲線，波長為240時量子效率最高，陰極靈敏度最大為1.5104a/w，對應(yīng)波長為254。3.2.4 傳感器特性分析紫外傳感器的響應(yīng)特性，主要由濾光片的透射系數(shù)和pmt的光譜靈敏度決定。紫外傳感器的光響應(yīng)系數(shù)，為濾光片的光譜透射系數(shù)，為pmt的光譜靈敏度，。根據(jù)濾光片的實測光透射系數(shù)與pmt的光譜響應(yīng)特性參數(shù)，以5間隔逐點取值，將相對應(yīng)的參數(shù)進行相乘，再將得到的數(shù)據(jù)進

50、行處理，獲得的曲線即為紫外傳感器的實際光譜響應(yīng)曲線，如圖3-15。從紫外傳感器的響應(yīng)曲線可以看出，在242270的光譜范圍內(nèi)是一個窄帶矩形窗，當紫外入射光在此光譜范圍內(nèi)時，紫外傳感器的輸出近似線性，而對其他波長的光則傳感器不會響應(yīng)。因此，所設(shè)計的紫外傳感器，可濾除日光干擾，準確的檢測日盲區(qū)紫外光信號。圖3-13 r2078增益和外加電壓的關(guān)系 圖3-14 r2078光譜響應(yīng)曲線圖3-15 紫外傳感器的響應(yīng)特性曲線3.3 pmt工作電路設(shè)計3.3.1 高壓電源電路將直流高壓施加在pmt的陰極、倍增極和陽極上后，在入射光子的作用下光陰極發(fā)射電子，這些電子在加速場的作用下聚焦在第一個倍增極上，沖擊電

51、子會使第一個倍增極釋放更多的電子，然后他們再在加速場的作用下聚焦在第二個倍增極上，重復(fù)這樣的過程，經(jīng)過多次倍增后，放大倍數(shù)能達到1081010，最后，放大的光電流在pmt陽極輸出。本系統(tǒng)所采用的提供加速場的pmt高壓電源為日產(chǎn)小型高壓電源c9619。高壓電源c9619的優(yōu)點是攜帶方便，體積比較小，集成化程度較高，可使用很多方式驅(qū)動電源，輸出電壓可根據(jù)需要連續(xù)調(diào)節(jié)。它輸出的是負高壓，輸出最高負電壓為-2000v，通過調(diào)整電位器的方式，改變控制端的電位器控制高壓輸出，即通過改變控制引腳3的對地電壓來改變輸出，圖3-16為高壓電源c9619的原理圖。圖3-16 高壓電源c9619的原理圖因為輸出電壓

52、較高，當發(fā)生短路或過載的情況時，高壓電源c9619具有限制輸出電壓的功能。c9619還具有過電壓保護功能，一旦控制電壓輸入大于5.2v，模塊將啟動保護將電壓輸出停止?？刂齐妷号c輸出電壓為線性關(guān)系，兩者關(guān)系如圖3-17。3.3.2 低紋波噪聲高壓輸出電路在高壓放電檢測系統(tǒng)中，高壓電源的高穩(wěn)定度和低紋波系數(shù)是保證檢測系統(tǒng)高性能的前提條件。pmt需要高壓供電電壓的穩(wěn)定性很高，一般要達到0.01%0.05%，c9619輸出紋波噪聲為0.003%，通常情況下，pmt工作電路對高壓電源的電壓穩(wěn)定性要求比較高，大約是其穩(wěn)定性的10倍。c9619的驅(qū)動電源是+12v，它是由220v交流電經(jīng)過整流后得到的，因此

53、穩(wěn)定性很差，而高壓圖3-17 高壓電源的控制電壓與輸出電壓的關(guān)系電源產(chǎn)生的紋波噪聲會對后續(xù)電路產(chǎn)生影響。所以，抑制紋波噪聲對于提高檢測性能極其重要。在高壓供電電源輸入端并聯(lián)電容，目的是減小振蕩，降低紋波噪聲；末端電容接地主要是作為儲能元件，當有高頻脈沖信號經(jīng)過時，加電容器可以儲備脈沖信號，已到達穩(wěn)定輸出電壓的目的，圖3-18為低紋波噪聲高壓輸出電路。圖3-18 低紋波噪聲高壓輸出電路3.3.3 pmt分壓電路pmt供電電路有很多種，根據(jù)不同的測試需要可以設(shè)計不同的供電電路，本系統(tǒng)使用的供電電路是電阻分壓式電路。r2078有10級倍增極，因此，供電電路電阻鏈分壓器由11個電阻構(gòu)成，分別向倍增極提

54、供電壓。3.3.3.1 電阻鏈設(shè)計根據(jù)pmt的工作原理，在各倍增極上會產(chǎn)生電子倍增效應(yīng)，按放大倍率來確定各倍增極上的電子流，其中，電子流最大的為陽極電流。所以，在電阻鏈分壓電路中，每個電阻上的電流值是不同的，但是，如果每個分壓電阻上的電流遠遠大于pmt陽極電流，即，則可以認為流過每個分壓電阻上的電流值近似相等，在工程設(shè)計上，和需要滿足下列關(guān)系：(3-20)電阻鏈設(shè)計的過大會造成電阻功率損耗太大，pmt溫度高性能降低，更嚴重的會造成其無法工作。根據(jù)選定的分壓電阻上電流，可以確定電阻鏈的總阻值，各分壓電阻滿足下式：(3-21)而需要滿足。3.3.3.2 末極并聯(lián)電容如果pmt入射信號為脈沖或迅變信

55、號，最后3級倍增極電流變化會造成很大的變化，并造成pmt增益的不穩(wěn)定波動，破壞陽極光電流的獲取。因此，需要在最后3級倍增極上并聯(lián)3個電容、與，通過三個電容充放電過程來保證最后3級倍增極上電壓的穩(wěn)定，電容、與滿足計算公式：(3-22)(3-23)(3-24)式中：為陽極最大值電流；為倍增極個數(shù)；為脈沖持續(xù)的時間；為增益穩(wěn)定度的百分數(shù)；為電極間電壓。本系統(tǒng)所設(shè)計的pmt分壓電路圖為圖3-19。3.4 模擬電路電源部分設(shè)計的2.5v直流電壓主要是為模擬電路部分的運放提供驅(qū)動電壓；+12v直流電壓為高壓電源c9619驅(qū)動電壓。根據(jù)實驗要求，我們采用用不同的電源芯片得到所需電壓，在紋波干擾大的地方和主要

56、電壓處，使用對地電容和型濾波電路來減小紋波以提高電壓穩(wěn)定性，各電壓間轉(zhuǎn)換圖為3-20所示。圖3-19 pmt分壓電路圖圖3-20電壓間轉(zhuǎn)換圖根據(jù)模擬電路部分實驗電壓要求，我們采用tps76850穩(wěn)壓器來獲得+5v電壓，它的輸入電壓為2.7v-10v，具有低壓差、靜態(tài)電流小和關(guān)斷保護的功能，圖3-21為+5v直流電壓電路圖。采用max742芯片來獲得12v的直流電壓，max742為dc-dc芯片，它的輸入電壓范圍為4.2v10v，輸出電壓為12v，輸入電壓由設(shè)計的+5v直流電壓提供，圖3-22為12v的直流電壓電路圖。圖3-21 +5v直流電壓電路圖圖3-22 12v的直流電壓電路圖寬帶放大器o

57、pa4350的輸入電壓為2.5v的直流電壓，可以分別采用三端穩(wěn)壓器lm317和lm337來獲得2.5v，。lm317和lm337的輸入電壓范圍相同，都為1.2v33v，其輸出電壓2.5v滿足運放opa4350供電的需要。+12v輸入來獲得+2.5v的直流電壓，電路圖如圖3-23。而采用-12v為輸入電壓，將圖3-23中l(wèi)m317換為lm337可獲得-2.5v直流電壓。圖3-23 +2.5v的直流電壓電路圖pmt是靈敏度很高的探測器，其輸出信號為高頻脈沖信號，供電電壓的變化對其增益影響很大，因此需要對電源進行處理，減小電源紋波和噪聲對pmt測量的干擾。在硬件電路調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，各電壓器件獲得的直流電壓會受到紋波擾動的影響，尤其對微弱信號測量時，對實驗測量結(jié)果影響很大。為了濾除電源紋波和噪聲干擾，一方面要減少外部電磁場和線路之