高电压与绝缘技术论文-高压放电紫外检测系统的研究

1、第1章 绪论第1章 绪论1.1 高压放电检测的研究背景及意义近年来，随着我国经济、工业和农业的快速发展，电力系统的电压等级得到了很大的提高，电力网络的规模也随之快速扩大，电网的安全稳定运行关系到经济和社会发展的各个方面，其重要性变得日益突出。电力设备不但是组成电力系统的基本元件，还是保证安全稳定可靠供电的基础。当电力设备（如设备绝缘子、电缆、变压器、电机等）发生故障的时候，如果不能做到及时发现和维护，都可能会对电网造成严重的影响。随着用电电压和用电负荷的不断提高，电气设备的绝缘部分受到的电压越来越大，因为设备绝缘的缺陷而导致的电力事故日益增多1。受到使用次数、使用时间长短、运行操作和工作环境等

2、的影响，会造成高压电力设备的绝缘强度下降、材料裂化以及使用寿命的降低，进而导致电力设备发生故障甚至是严重的电力事故2。一旦发生电力事故，会对工农业生产、居民的日常生活造成很大的影响。为了减少因设备绝缘问题而造成的电力故障，使系统工作在安全稳定的状态，降低因事故而对生产生活造成的影响，需要从两方面来着手：一方面提高设备绝缘材料的性能，使绝缘材料满足设备对绝缘的要求；另一方面检测设备由于存在绝缘缺陷而放电时的特征量，通过对检测到的信号进行数据分析处理，以达到实时了解设备的绝缘情况的目的3。早期对电气设备的维修与保护，主要采用设备发生故障后，根据故障类型的不同进行相应的维修，即传统的事故后维护，这种

3、维护方式的缺点是必须停电维护，且不能对突发事故和偶发性事故做到提前预知。后来，电气设备的维护发展成为事先安排专门的时间对设备实施大修和维护来预防突发事故，即预防性维护。根据设备外部异常情况，采用预防性维护，提前预知其严重性，进而对其故障进行预处理。目前国内的预防维护以传统的预防性维护为主，根据电力公司和设备制造商的维护要求，按规定时间进行维护作业、定期清扫、定期维修等，需要安排停电作业且人力花费较大，这种维护方式很难预防偶发性电力事故。近些年，发展出另一种设备维护的方式，即不停电预知维护，在电气设备不停电的情况下，实时检测设备的工作状况，一旦发生突发事故可以对设备进行及时的维护，这种维护方式的

4、优势是可以减少维护时的停电，节约维护工作的人力，还可以及时的对偶发事故做出预防及维护4。不停电预知维护主要目的是：1. 设备使用寿命的预估；2. 设备使用状况的评估；3. 提高工作人员的安全；4. 降低维护费用；5. 收集设备第一手资料。电力设备不停电预知维护的方法，主要有局部放电检测法、油中气体含量分析法、油中含水量分析法、红外线测温分析法、分析箱体状态法、分析震动法等，目前最常用的维护方法是通过对设备局部放电进行检测来判断设备状态。电气设备的绝缘部分存在裂痕、细小的间隙以及其他绝缘缺陷时，带电粒子会在强电场强度的影响下加速运动而导致设备放电。高压局部放电的原因是由于正负极之间只有一部分发生

5、微小放电，而未构成连续完整的放电。当电力设备发生高压放电时，会导致放电部位发生能量损耗并释放热能，造成绝缘部分材料的裂化甚至是设备绝缘故障。放电的过程中，常伴有发光、发热、发出声音以及化学反应等现象，通过检测放电产生的特征量可以判断放电情况。高压放电是由于设备绝缘部分局部电气压力超过临界值而造成的气体电离现象，是一种局部放电现象。因此，一般认为，高压放电是绝缘表面的气体放电，其产生原因是当绝缘表面的电位大于空气的绝缘强度时而导致的空气游离引发的。处于极不均匀电场的电气设备，如设备毛刺部分，输电线路附近以及绝缘子裂化部分等，一旦绝缘击穿会发生放电的现象，放电过程常常会出现发光、发热、辐射出电磁波

6、以及生成新的物质，同时会导致电能质量的损失以及对其他电子设备造成电磁干扰。有许多电气设备绝缘处在气体中，设备利用大气做绝缘，所以会发生在固体绝缘表面对气体放电的情况。对于电力设备在空气中的放电进行检测时，本文以放电紫外光为特征量，采用紫外传感器来检测微弱的紫外信号，然后对信号进行处理分析，判断对高压设备的放电情况，进而评估高压设备的绝缘状况。本文设计的放电检测系统可以用于在线监测，检测高压设备放电可有效的了解设备绝缘状况，为电力部门运行、检修提供科学的参考，应用前景广阔。1.2 高压放电检测的研究现状检测设备的高压放电可以对电力设备的绝缘情况作出判断，在放电的过程中，常常会出现发光、发热、辐射

7、出电磁波以及生成新的物质5。根据放电过程中出现的现象，相应的产生了两种放电检测的方法，即电气检测法和非电气检测法6,7，目前比较常用的是电气检测法，但是非电气检测法则因为具有电气检测法所不具备的优势而得到了快速的发展。1.2.1 电气检测法1. 脉冲电流法脉冲电流法是目前放电检测的主要方法，脉冲电流法不仅可以在工频交流下进行局部放电的测试，还可以在直流条件下进行局部放电测量。目前，基于脉冲电流法的检测仪主要采用直流回路测量法，如局部放电检测设备、公司的放电检测器等8。2. 介质损耗分析（）检测法放电位置放电时发出的能量可以通过测试介质损耗角正切值（）来反映。当设备发生局部放电时，其绝缘部分介质

8、会被破坏，会使发生很大变化，因此可以根据的值来反映放电部位的能量，进而评估设备绝缘部分介质的状况。在测量低气压中存在的亚辉光或辉光放电时，介质损耗分析法应用的比较多。3. 超高频（）放电检测法9-11通过检测放电产生的3003000MHz高频信号以实现对放电的检测，即为超高频放电检测法。1982年，和通过改进使测量仪器使其测量频率范围达到1GHz，从的测量实验中得到了放电的初始脉冲，在此频率范围内，噪声信号得到很好的抑制，可很好的再现放电脉冲。在1991年，等人设计了一种新型定子槽耦合传感器，实现了对于大电机局部放电检测，该传感器由两端同轴的输出电缆、接地端、带状的感应导体等构成，频率范围很宽

9、，同时能够在波形上反映外部干扰和内部放电的区别。4. 射频检测法12射频检测法是利用放电时辐射的高频电磁波为特征量来检测放电， 线圈构成的电流传感器是常用的检测辐射高频电磁波的传感器。吴广宁等人将线圈构成的电流传感器改进为频带范围比较宽的电流传感器，并将其应用在在大型电机的放电检测中，这种传感器已经在我国兰州的西固热电厂、陕西的秦岭发电厂中得到使用。1.2.2 非电气检测法1. 声检测法当电力设备发生放电时，放电部位周围的介质会被放电瞬间产生的能量加热，导致介质蒸发，在这个过程中，发生放电的位置如同发生源，向外面发出声音13。通过传感器可以有效检测声信号，采用声光转换装置，将其转化为电信号，目

10、前常用的声传感器主要有在液中体使用的听诊器，用于气体中的电容麦克风，以及在固体中使用的声音发射传感器和振动测量仪。在声电传感器中，有两个指标是非常重要的，即灵敏度和工作频带。必须保证传感器有合适的工作频带，如果工作频带过窄，容易造成脉冲信号混叠和灵敏度降低。在实际的声电传感器设计中，要综合灵敏度和工作频带这两个指标进行设计。2. 化学检测法化学检测法，是通过测量电力设备放电过程中绝缘材料破坏后产生的新生成物的浓度和成分，来判断设备放电情况的检测方法14。一般情况下，对于电力设备液体、气体等绝缘介质的检测可以采用化学检测法，如变压器、等设备绝缘的检测。在中，放电时设备中的气体会分解，产生和，通过

11、对两种气体的含量进行测量来判断是否有局部放电产生。在油浸式变压器中，主要是通过气体分离式传感器检测溶解在变压器油的气体的成分和含量，来分析变压器的绝缘情况。3. 紫外检测法由于紫外检测技术具有不受高频信号干扰的影响、更高的灵敏度、非接触的优势，且不会受到人为因素和交通条件的约束。所以紫外检测技术越来越多的被用于放电检测中。在国内，很多学者就开始采用紫外光作为特征量对高压电晕放电进行研究15-18，由于放电过程涉及多学科且过程复杂微观，需要很高的试验设备和测试手段，因此，过去的研究还存在一些不足之处，同时，对放电的研究也取得了很多的成果。清华大学与武汉大学分别研究了典型高压电晕放电的光谱，经过分

12、析认为高压放电的过程中会产生明显的紫外光19-21，同时发现放电产生的紫外光线大部分波长在280400内，光谱范围在不同的电压等级下也有所不同，电压高时主要表现为紫外区，电压低时则表现为红外区，而且紫外辐射强时，红外光谱会减弱，当外加电压和气隙长度变化时，可见光区域则不敏感。重庆大学也进行了一定的研究，并取得一定的成果22-26，但是由于抗干扰能力差没有实现在线检测。在国际上，20世纪90年代末，国外的科学技术人员利用紫外成像技术，研制开发出了紫外电晕检测仪，它可以对拍到的紫外对象进行分析判断放电情况，可以实现日间电晕放电检测，但是该设备使用起来有诸多限制，且价格昂贵27。1.2.3 高压放电

13、各种方法的优劣比较在分析各方法的检测原理的基础上，通过对比目前主要检测方法后，我们得出以下结论：1. 传统的电测法，即脉冲电流法，射频检测法，超高频检测法等，由于受到现场强烈的电磁干扰信号及外部环境的影响，测量时需要对试验回路使用很强的屏蔽措施，测量精度不高；检测法在实际中应用很少，主要原因是这种方法只能检测到有没有发生放电，而不能判断放电的强度。2. 与电气检测法相比较，在电气设备放电位置的判断上，声测法有其特有的巨大优势，但是该方法容易受外界干扰，且声波在传播过程中会发生中严重畸变和衰减，这些缺点限制了声测法在实际中的应用。化学检测法目前只能判断放电是否发生，还不能反映放电的强度、性质和位

14、置。化学检测法测量时间较长，并且受客观条件限制，不适合于现场监测；3. 目前，紫外检测技术以其独特的优势得到快速发展，但应用于工程中的紫外成像仪设备昂贵，大范围使用存在着制约性。1.3 紫外检测法的应用范围随着我国经济、工业和农业的快速发展，电力系统的电压等级得到了很大的提高，用电电压和负荷需求日益提高，由于设备绝缘破坏造成的电力故障和设备损坏也越来越多，这就要求在设备故障时要做出及时、准确的预防保护。当电力设备工作在电磁环境恶劣的大气中时，一旦设备绝缘能力下降，会导致设备发生沿面放电的情况，放电时放电位置会辐射出大量紫外光信号，我们可以以放电紫外光为特征量来检测绝缘设备的缺陷，并对运行的设备

15、的绝缘情况进行判断。在所有的放电检测方法中，紫外光检测法在抗强电磁干扰、灵敏度方面效果很好。通过紫外传感器检测放电紫外光信号，然后对检测到的信号进行分析，以达到判断设备绝缘情况。通过对设备的预防保护，可以避免偶发性事故对电力系统造成的危害，具有很高的社会效益和非常重要的现实意义。紫外测量技术可以在很多设备的检测上使用，主要有：1. 大型发电机槽壁高压放电检测；2. 对电力工程质量的检测(如接地不良、安装不当等)；3. 检测劣化绝缘子的绝缘结构的缺陷以及沿面放电的情况；4. 对导线、电缆的受损放电的检测。如果导线表面或内部有缺陷，在加压时都可能产生高压放电；5. 电力设备的表面污染物的检测。当电

16、力设备表面受到污染时，如果处在恶劣的电磁环境下工作，设备表面可能会发生沿面放电。可以根据紫外检测技术判断绝缘子上受污染情况、输电线路的污染情况等；6. 复合绝缘子护套电蚀及运行中绝缘子的劣化检测。一旦绝缘子发生劣化，会致使其绝缘材料性能恶化，如果劣化绝缘子处在极不均匀电场中时，绝缘子表面会发生放电。由于绝缘性能降低使绝缘子经常发生沿面放电时，其使用寿命会大大降低，而且可能会发展成绝缘子击穿事故。可以利用紫外检测技术对绝缘子的状态及早作出判断，保证电力设备的安全稳定运行；7. 测量高压设备绝缘部分的缺陷。通过紫外检测技术对高压产品的绝缘进行诊断，提供产品绝缘信息并建立信息库，这样可以方便快捷的根

17、据信息库判断设备绝缘部分的缺陷；8. 对变电站高压电力设备的放电的检测。早期对设备高压放电的判断主要是夜间观察放电和听声音等，听声音的方法容易受到杂音的干扰，影响判断；而且根据夜间发生放电判断电力设备绝缘状况，不能对放电作出及时的判断，有时放电发展很快会对设备造成严重的危害。1.4 本文主要研究内容1. 分析了高压放电对电力设备绝缘的危害，确定了对设备进行放电检测的现实意义，在对国内外高压放电检测方法深入研究和分析的基础上，提出了用紫外光纤传输放电紫外光，通过检测放电紫外光的强度来实现对高压放电的检测。2. 研究了高压放电气体理论和紫外检测原理，为检测系统设计提供理论基础。通过分析高压放电光谱

18、特性，确定了放电检测的光谱范围。3. 根据高压放电紫外检测原理，本文进行了检测系统硬件部分的设计，系统硬件包括紫外传感器的设计与分析、传感器相关电路的设计及信号调理电路的设计。4. 进行了系统软件设计，软件部分包括系统登陆界面、系统主界面、数据采集、数据存储及数字滤波等。为研究电力设备高压放电现象，我们制作了针针放电模型来模拟高压放电实验，结合紫外脉冲法对检测系统进行了相应的测试分析。1.5 小结本节首先介绍了高压放电检测的研究背景及意义，分析了目前国内外关于高压放电检测的研究现状，然后比较了各种检测方法的优劣，研究了紫外检测技术的应用范围，最后提出了本论文主要研究内容。-53-第2章 高压放

19、电理论与紫外检测原理研究第2章 高压放电理论与紫外检测原理研究本章我们主要研究高压放电的理论以及紫外检测的原理。当设备的绝缘出现（如老化、劣化或内部结构存在缺陷等）问题时，绝缘表面部分的电压和绝缘层的电场都会发生变化，进而导致放电的发生。在放电的过程中，会一系列的物理现象，本课题通过对其中某一特征量进行检测来实现对放电强度的检测，进而对设备的绝缘情况进行评估。发生在绝缘表面的气体放电会辐射出光，主要光谱范围在三个波段，即红外线、紫外线和可见光。可见光和红外光都会受到日光的干扰，不适合作为检测的对象。本课题以日盲区紫外光为特征量对高压放电进行检测，可滤除日光干扰，具有非接触测量的优势。2.1 气

20、体放电理论2.1.1 汤生理论气体放电是一种不均匀电场强度下的气隙击穿现象，在不同的电离条件下，放电的过程是不同的。根据对气体放电的研究，一般把气体放电分为两类，一类是只有存在外部电离因素时，放电才能继续进行的是非自持放电；另一类是当不存在外部电离因素时，放电仍然可以继续进行的是自持放电。在放电发展的不同过程中，即发生非自持放电和自持放电转变时，会发生气隙击穿或剧烈放电，这是由科学家汤生最先研究得出的结论，所以为汤生放电理论。通过对很多实验的研究，汤生发现在均匀电场中，电子一直在发生能量的变化，刚开始在电场的作用下获取能量，然后与其他粒子发生碰撞时会导致能量损失，在平衡状态下，获得的能量和损失

21、能量是相同的。一个起始电子从电场获得能量后会产生碰撞电离生成1个第二代电子；这两个电子作为新的第一代电子又将电离生成新的第二代电子，这时空间已经存在4个自由电子；这样一代一代不断增加的过程将使电子数目迅速增加，如同雪山上发生的雪崩一样，故称之为电子崩。图2-1为汤生电子崩理论的伏安特性曲线，在段，随着电压的升高，间隙中的电流会随带电质点运动速度加大而增大。在段，到达点后，电压增大时，电流不会随着增大，因为外界游离产生的带电质点几乎全部参与导电，电流慢慢变得饱和，但是此时间隙仍处于绝缘状态，所以此时的饱和电流很小，电流密度一般只有10-19的数量级。在段，当电压增大到后，间隙中的电流又随外电压的

22、增加而增大，这时间隙中又出现了新的碰撞电离产生电子。当施加电压小于时，间隙内虽有电流，但其数值很小，此时气隙绝缘尚未击穿，此时间隙电流只能靠外界电离因素来维持，即为非自持放电。当电压升高至某临界值后，气体中发生强烈的电离，电流急剧突增，气隙转入良好的导电状态，并伴随有明显的发声、发光等现象，此时放电不需要外界游离因素，放电转入自持放电28。图2-1 汤生电子崩理论的伏安特性曲线2.1.2 流注理论汤生理论认为电子与气体原子发生碰撞电离是导致气体放电击穿的原因。但是该理论并未考虑二次电子崩的初始电子的来源以及空间电荷对外施电场的影响，它不能对放电过程不受阴极材料影响、击穿过程中的时延以及分枝放电

23、通道等现象做出合理解释。为了对以上问题做出解释，1940年和提出了流注理论，作为汤生理论的补充。流注理论认为，在电子和气体原子发生碰撞的过程中，电离出来的带电粒子数量增多并不是引起气体放电击穿的原因，而是在电子崩发展的过程中，当电离的带电粒子数超过某一界限值时，空间电荷使外电场畸变，进而引发光电离的变化所导致的。光电离的过程中会产生很多的电子崩，当所有的电子崩融合在一起时会产生流注，此时放电已经达到自持放电，放电的游离为光游离。流注理论能够对放电形状和放电时间的延迟做出合理的解释29。由于电离条件的不同，可以将高压放电分为汤生放电和流注放电。在均匀电场中，尖端发生放电时，气隙击穿电流很小且稳定

24、，此时的放电可以采用汤生电子崩理论；而当外加电压增大时，会出现大量电子崩汇合成的流注，会产生刷状放电的现象，此时放电发展很快，最终会使放电气隙被击穿，此时放电可以采用流注理论来分析。当电力设备内部存在绝缘缺陷时，会产生不均匀电场，当电场强度很强时，就会发生放电现象。在放电部位产生发光的电晕层，电晕层内的电场很强，在该电场作用下，周围气体会产生激发或电离。电晕放电是高压放电中的最常见的表现形式。电晕放电的电流大小主要受到不均匀电场的电压强度、电极的几何形状、电离气体的密度和性质的影响。一般认为，均匀电场适合采用汤生理论，不均匀电场更适合采用流注理论。间隙中位置是关于场强的函数，从阴极至距离的增长

25、是，按照汤生理论，由，有(2-1)如果气体不形成稳定的负离子，则(2-2)若用流注理论，则由，有(2-3)式中：一般取105108。或(2-4)式中：值一般取1218，为导致气隙击穿的临界电子崩长度。2.2 高压放电紫外检测原理2.2.1 高压放电的光谱特性分析检测设备的高压放电可以对电力设备的绝缘情况作出判断，在放电的过程中，常常会出现发光、发热、辐射出电磁波以及生成新的物质。在发生碰撞电离时，电子一直在发生能量的变化，刚开始在电场的作用下获取能量，然后与其他粒子发生碰撞时会导致能量损失，在这个过程中会产生很多的气体，所以测光谱为多种气体混在一起的光谱。对光谱图进行研究，可以看出光谱图中包含

26、日盲区紫外线30-32。一般认为，高压放电时极不均匀电场下的电离放电，当情况恶化或发生更严重的放电时，才会出现电弧或闪络，但性质是相同的。当设备工作在高压状态下，受到不均匀强电场强度的作用，会发生韧致辐射，存在离子的激励或电离。当离子从基态或低能态向高能态跃迁的过程中，会辐射出大量的紫外光信号。如图2-2所示为不同电压下的放电光谱图。图2-2 不同电压下电晕放电光谱从上图可以看出，当外加电压增大时，即气体放电强度增大时，放电紫外强度也随之增大，所以能够通过检测紫外辐射的强度来放映放电的强度。上图很好的反应了放电紫外光强度与绝缘放电强度的关系。2.2.2 检测光谱范围的选择受到检测器材和制造工艺

27、的制约，过去的紫外检测法大部分都是检测全紫外波段紫外光，这种检测法容易受到太阳光和特定天气的影响。为了滤除这些干扰因素，发展出来了日盲紫外检测技术。在电磁辐射光谱中，波长在10400之间的光谱范围为紫外光（UV），而人眼可以直接看到的可见光谱为400760。为了研究和应用的方便，从波长范围上进行区分，一般可将紫外光分为三个区域，即长波紫外光()、中波紫外光()和短波紫外光（）。图2-3为典型的高压放电光谱图，从图中可以看出，高压放电的光谱范围主要包括可见光、红外光和紫外光3个谱段，通过对放电紫外光的光谱范围进行分析，发现在240280波长范围内有一部分紫外光，而大气中的臭氧会吸收太阳光中波长小

28、于280那部分的紫外线，此区间被称为日盲区。因此，我们可以使用特定的紫外传感器，利用日盲区紫外光为特征量，让传感器工作在240280之间，从而可以避开日光中紫外光的干扰，同时对其他频谱的光信号也不敏感。通过检测电力设备放电发出的日盲区紫外光，可以判断设备放电强弱，对设备的绝缘状况做出早期预报，保证设备的安全运行。图2-3 典型的高压放电光谱图2.2.3 紫外传感器检测原理根据高压放电特点，紫外传感器将检测到的放电紫外光信号转换为电压信号，经过信号调理电路的滤波放大以及软件系统的滤波处理后，与设定的阈值进行比较来统计脉冲数，根据脉冲的密集程度来判断电气设备绝缘损坏位置的放电强度，这就是紫外脉冲法

29、，这种方法在微弱信号检测上应用很广。根据得拜屏蔽和公式计算有33：(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)式中：为绝缘表面气体放电时韧致辐射功率；为电子密度；为有效离子电荷数；为电子温度；为真空介电常数；为远离绝缘子处的电子密度；为空间电位；为绝缘子的电位；为得拜长度；为电荷点与绝缘子之间的距离；为紫外传感器处所有辐射点的体积分轮廓。对上述公式整理后得：(2-9)大气会吸收在气体中传播的放电紫外光，致使辐射光衰减，由基本辐射传输方程可得：(2-10)式中：为气体密度；为辐射光传播途径；为气体质量吸收系数；为探测器所在位置辐射强度；辐射源处的辐射强度。传感器检测到的韧致辐射功率为：(2-11)当

30、电力设备绝缘老化或破坏时，随着电场强度的增大，紫外辐射会增加，通过传感器检测紫外辐射强度的变化，可以检测出电力设备放电的情况，进而对设备的绝缘状况进行评估。2.3 小结本章研究了高压放电气体理论和紫外检测原理，为检测系统的设计提供了理论基础。阅读了相关的文献，通过分析放电过程的光谱特性，确定了放电检测的光谱范围，本课题以日盲区紫外光为放电检测的特征量，并结合紫外脉冲法来检测设备放电情况，从理论上分析了设计紫外检测系统来检测高压放电的优点和可行性。第3章 高压放电紫外检测系统硬件设计第3章 高压放电紫外检测系统硬件设计3.1 高压放电紫外检测系统框图根据紫外脉冲法的原理，高压放电检测系统由紫外传

31、感器、PMT工作电路、模拟电路电源部分、信号调理电路、数据采集和机等组成。用光纤对信号进行传输，具有抗干扰能力强、绝缘性能好、损耗低、质量轻以及可绕性比较好等优点。本文设计的检测系统，充分利用光纤的优势，以紫外光纤为放电紫外光传输的载体来检测紫外光信号，因此整个检测系统有不受高频电磁信号干扰，非接触测量，灵敏度高的特点。系统框图如图3-1所示，硬件设计主要包括：图3-1 高压放电检测系统框图1. 紫外传感器部分，包括了滤光片、光耦合系统、紫外光纤、光电倍增管（PMT）等组成，光耦合系统可以提高检测范围和进入光纤的光强，放电紫外光信号首先经过滤光片，滤除其他的干扰光，然后进入光耦合系统，经耦合系

32、统汇聚进入紫外光纤束中。紫外探测器采用日盲型光电倍增管（PMT），可以实现微弱紫外光信号的检测。2. PMT工作电路部分，低纹波噪声高压输出电路可以降低噪声，稳定输出电压，为PMT提供低纹波系数的供电电压。合理的PMT分压电路设计，可以降低噪声，提高PMT的工作性能。3. 模拟电路电源部分，设计+12V和±2.5V电源电路，为高压电源控制电路和信号处理电路提供所要的电源。4. 信号调理电路，将紫外传感器输出的电流信号转换为电压信号，经过放大和滤波电路处理，便于实现转换，满足数据采集的要求。3.2 紫外传感器的设计与分析紫外传感器由滤光片、光耦合系统、紫外光纤、PMT等组成，紫外传感器

33、的示意图如图3-2。图3-2 紫外传感器的示意图3.2.1 滤光片的选择大气中的臭氧会吸收太阳光中紫外波长范围低于280那部分光，所以在大气中传输的紫外光波长范围为280400，而高压放电时产生的紫外光波长在240400的范围内，有一部分紫外光在日盲区，我们可以以日盲区紫外光为特征量检测设备放电。我们采用的PMT的紫外波段检测范围在160320，有超过280的部分，太阳光中这部分紫外光对放电紫外光检测影响很大，所以必须加滤光片滤除这部分紫外光。这样就避开了太阳光造成的干扰，保证了检测到的放电紫外光为日盲紫外光，从而免受日光和其他因素的干扰。高压放电产生的光辐射中所含光谱有可见光、红外和紫外等多

34、种光谱，一旦进入探测器后会干扰测量，如果不用滤光片进行滤波，有可能会使需要的光信号淹没在噪声背景中，因此我们需要在光路中添加同探测器探测波长相匹配的滤光片来消除其他光的干扰。一般选择紫外滤光片遵循两条原则34：（一）干扰光的截止深度需要大于9（指在某一波长下滤光片材质的光吸收度）。（二）透过光的透过率需要大于10%。根据系统的检测要求，我们选择沈阳汇博公司生产的型紫外滤光片，性能参数如表3-1，它的各项参数均满足实验要求。经紫外/可见分光光度计测试的带通特性如图3-3所示，从图上可以看出，波长在254时的光透过率为17%。表3-1 性能参数中心波长（）254半宽（）20透光率（%）10%-20

35、%峰值初背景截止光T10-4图3-3 实测滤光片的光谱特性曲线3.2.2 光耦合系统的设计与分析3.2.2.1 空间光-光纤耦合条件光纤耦合示意图如图3-4所示，为了能使空间放电紫外光入射到紫外光纤束达到最大化，使耦合效率最高，空间光束在紫外光纤的耦合端（即空间光经过光学系统变换后束腰平面）的参数要满足耦合条件35：(3-1)(3-2)式中：表示经过耦合光学系统变化后的远场发射角；为光纤纤芯的数值孔径；为光纤纤芯直径；表示经过耦合光学系统变化后的入射空间光束的束腰。图3-4 光纤耦合示意图3.2.2.2 光耦合系统的设计一般情况下，空间光与光纤耦合的方式有三种，即直接耦合、单透镜耦以及透镜组耦

36、合的方式36，如图3-5所示。图3-5 空间光-光纤耦合原理图直接耦合的效率比较低，只有在光强比较大的时候才采用，而光强比较弱的时候一般不采用这种耦合方式。单透镜耦合的优点是结构简单、插入的损耗小。缺点是焦距固定，不方便调整，并且产生的像差很大。为了对这些缺点进行改善，本设计采用的光耦合系统由倒置的伽利略望远镜结合聚光透镜组成，示意图如图3-6所示。一个正透镜和一个负透镜构成了伽利略望远镜的基本结构，两个透镜之间的空间距离为它们的焦距之和。发散的放电紫外光进入伽利略望远镜后得到很好的准直，然后经过聚焦透镜汇聚和耦合后进入光纤中。图3-6 空间光-光纤耦合示意图根据几何光学，物距、像距、束腰（空

37、间光经耦合系统变换后的）和远场发射角之间的瑞利距离为37,38：(3-3)(3-4)(3-5)(3-6)一般光纤耦合透镜的焦距为50，即。望远镜的放大率，经综合考虑，准直距离取望远镜镜筒长度为（），由成像公式：(3-7)对求导：(3-8)当时，随着物距的增大，经耦合变换后的束腰宽度单调减小，此时：(3-9)(3-10)(3-11)当，即物距远远大于透镜的焦距时，成像位置大约在透镜的焦点位置上，此时成像和聚焦效果比较好。3.2.2.3 光耦合系统ZEMAX仿真及优化放电紫外光经过滤光片后进入光耦合系统的光为单色光，这样在分析系统成像质量时，就只需要考虑球差的影响，而可以忽略慧差与色差的影响。使用

38、光学设计软件ZEMAX可以对光耦合系统进行仿真优化，使系统获得较高的耦合效率和最好的成像效果。假设伽利略望远镜的放大率为3倍即，则，入射波长选择从滤光片中通过的240-280的紫外光，透镜材料选择玻璃，它具有良好的透紫外线性能，光耦合系统初始结构如图3-7所示。图3-7 初始数据假设耦合透镜，和的通光半径分别为，和，又，则它们需满足：(3-12)(3-13)将系统的初始数据输入ZEMAX中，可以得到光耦合系统的二维成像图，如图3-8所示。从图中可以看出，透镜在成像点聚光效果不佳，有较大的像差。为提高系统的聚光效果，减小像差，对系统的结构参数进行了优化，优化后的参数结构，如图3-9所示。在ZEM

39、AX中输入优化后参数，得优化后二维成像图，如图3-10所示。从图上我们发现，优化后，聚焦效果得到了明显的提升，像差也得到改善。图3-8 初始二维成像图3-9 优化后数据根据几何光学理论，在成像的过程中，因为存在着像差，某一发光点发出的光线经过光学系统成像时，并不能使所有的光线都汇聚于一点，而会在中心成像点周围形成一个弥散斑，这就是点列图。在对光学系统的成像质量和光点图3-10 优化后二维成像密集程度进行分析时我们常使用点列图，成像面上的光点的数量可以反映成像的光强度分布。利用点列图评价成像质量时，采用的方法是利用集中30%以上点所构成区域看做是成像后的有效弥散斑。使用这种方法评价时，一般需要至

40、少上百条以上光点才可以准确的反映系统成像效果39，而采用ZEMAX可以很方便的判断成像情况。我们应用ZEMAX仿真得到了优化前后的点列图，如图3-11所示。从图上可以看出，优化前弥散斑很大，成像中心点处的光点数量很少；优化后弥散斑变小，成像中心点处的光点数量很多，说明中心位置处的成像光强得到了很大的提高，这有利于提高系统光耦合效率。空间光-光纤的耦合效率可由光纤接受端面的复振幅同入射光复振幅的归一化积分表示为：(3-14)式中：为光纤的耦合效率；为入射光的复振幅分布；为入射光纤端面描述的复振幅分布。造成光纤耦合效率低的一个重要的原因是空间光在经光耦合时引起的相位图3-11 优化前后点列图差。空

41、间光经过光耦合系统汇聚在接收端面上，如果接收端面上的像点的模式（振幅和相位相同）与光纤的模式相同，则光纤耦合效率最大，即；如果光纤的模式与接收端面上的像点的模式相差越大，则越小。我们采用的紫外光纤的纤芯直径为56，使用ZEMAX对优化后系统的光耦合效率=91.5%。3.2.3 紫外探测器件光电倍增管常用于检测紫外光信号的探测器有光电倍增管(PMT)、PIN型光电二极管和雪崩光电二极管(APD) 40。1. 光电倍增管（PMT）PMT是一种基于光电效应及二次电子发射效应的真空结构的光电探测器，主要应用于微弱光的探测。PMT具有其他探测器不具备的一些优点：时间响应非常快，可到达级，灵敏度很高，输出

42、的线性范围很宽。2. PIN光电二极管PIN光电二极管的特点是输出线性范围宽，频带也宽，结电容会随着耗尽层的宽度增大而减小。PIN光电二极管是在P-N结之间增加了很厚的本征层I层，这样就使整个PN结几乎被耗尽层占据，从而使光子在耗尽层被充分吸收，而在电场区域则不吸收。价带上的电子通过吸收入射光子能量，跃迁到导带上形成电子-空穴对，当有反偏电压作用电子空穴对时，空穴和电子各自向P区和N区漂移而形成光电流。3. 雪崩光电二极（APD）APD是建立在雪崩效应的基础上，把光电信号进行放大的光电探测器，它具有内部增益结构。它的缺点就是存在隧道电流倍增的过程，这将产生较大的散粒噪音，会带来电流的失真。目前

43、，市场上的APD的检测范围主要在3001700。从中我们可以看出，APD由于检测范围和散粒噪音等问题不满足检测要求，而PIN的响应速度无法满足实验要求，所以本课题采用了PMT作为紫外光探测器。3.2.3.1 PMT工作原理PMT是基于光电效应、电子发射和光学理论，把微弱光信号转换成电流信号的发射型探测器，它具有灵敏度极高、响应速度快、噪音低和阴极面积大等特点。目前PMT已经在微弱光信号检测、极低能量射射线探测、分光光度测量、生化测量分析、光密度测量、生物发光的研究、辐射热量计算、光子数测量等领域得到使用41。PMT是一种真空器件，典型的PMT包括光电阴极、倍增极、和光电阳极组成。其工作原理图如

44、图3-12所示，当光阴极接收到入射光时，会释放出电子，电子在内部电场的作用下会打在上，然后上也释放出电子，经过倍增后打到上，然后开始重复的过程，经过多次倍增后，最后多次倍增后的电子被PMT阳极检测为光电流。PMT阴极产生的光电流很小，经过逐个倍增极放大后阳极输出电流很大，增益可达106108。图3-12 PMT工作原理图3.2.3.2 PMT的基本特性1. 量子效率量子效率即光电转换效率，它是PMT阴极光电子数与入射光子数的数值之比，用百分比来表示，它是衡量光电探测器性能的一个重要参数。在系统工作的波长区域范围内，量子效率必须很高。根据PMT的工作原理可知，光阴极接收到入射光后发释放出电子，电

45、子经过多级倍增后，在阳极以光电流的形式被收集。光电流与入射光功率两者的关系为(3-15)式中表示光电转换因子；为量子效率；为入射光频率；为电子电量；表示普朗克常量。则量子效率的表达式为(3-16)2. 灵敏度PMT的灵敏度主要是由光阴极和倍增极的光电材料所决定。电子发生光电发射的条件是阴极表面的入射光的能量能够使电子离开该表面。即(3-17)式中：表示电子动能；表示阴极表面的逸出功；表示入射光能量。当时，不会产生光电子；而当时，会产生光电子，此时相对应的光波长为该材料表面的阈波长。光电子发射的效率随着入射光波长的减小而增大。3. 电流增益42PMT的阳极输出电流值与阴极光电子电流值之比即为电流

46、增益。二次电子发射率为，其中是由倍增极材料决定的系数，其值一般为0.70.8， 表示极间电压，为一常数。如果PMT有个倍增极，则PMT的电流增益可以表示为。当PMT阳极与阴极之间电压为时，其电流增益为(3-18)PMT的电流增益很高，其入射光子与阳极输出电流是成正比的，比较适合检测微弱光信号。4. 暗电流43PMT暗电流表示在在全暗环境下工作时阳极输出的电流。PMT的阳极输出电流为：(3-19)式中：表示比例系数；表示入射光强；表示暗电流。由上式可知，当暗电流比较小时，PMT阳极的输出电流与入射光强呈线性的数值关系。产生暗电流的主要原因是残余气体的离子发射、电极间的漏阻或其他器件的热电子发射等

47、。5. 噪声和信噪比PMT的噪声是当入射光强不变时信号电流和暗电流两者的统计起伏，主要是由光电流经过负载电阻时产生的热骚动，以及电子和光子的量子性质造成的统计起伏而引起的。PMT信噪比为其阳极输出电流与噪声电流的比值。通过降低噪声电流，可以提高PMT的信噪比，这对于更微弱的光信号的检测是很有利的。6. 工作电压PMT的工作电压对其性能有很大的影响。特别是PMT的光阴极与倍增极间的电压差会影响其增益和噪声，因此，对于PMT的供电电压波动不能高于0.05%，这就要求使用高性能的稳压电源供电，同时，在实验的过程中，供电电压不能超过PMT的最大值，这样会造成管子损坏。根据实验的要求，结合探测器的灵敏度

48、和光谱响应范围，本系统选择日本HAMAMATMU公司的R2078日盲型PMT，它的性能参数如表3-2，从表中可以看出，它具有噪声低、灵敏度高、信噪比高、响应速度快和阴极面积大的特点，特别适合放电紫外光信号的检测。表3-2 R2078参数参数名称符号测试条件最小典型最大单位光谱响应范围160320峰值响应波长m240光敏面直径21阴极响应度Re=254,T=25°2029mA/W增益1.0×1055.0×105暗电流IDM=10, =015100pA响应时间fT1.5nsPMT的增益与外加电压的关系密切，外加电压的大小决定了增益和紫外光脉冲的幅值，图3-13为是R2

49、078增益和外加电压的关系图，从图中可知，在一定的电压范围内，增益和外加电压具有线性的关系。PMT的光谱响应常用不同波长下的量子效率和灵敏度表示。当入射光波长发生改变时，PMT的灵敏度也会随之发生改变，而反映PMT灵敏度随波入射光波长发生改变的曲线即为光谱响应曲线。根据响应曲线，我们可以得到PMT的灵敏度最大时的入射光波长以及工作的光谱范围。图3-14是R2078光谱响应曲线，波长为240时量子效率最高，阴极灵敏度最大为1.5×104A/W，对应波长为254。3.2.4 传感器特性分析紫外传感器的响应特性，主要由滤光片的透射系数和PMT的光谱灵敏度决定。紫外传感器的光响应系数，为滤光

50、片的光谱透射系数，为PMT的光谱灵敏度，。根据滤光片的实测光透射系数与PMT的光谱响应特性参数，以5间隔逐点取值，将相对应的参数进行相乘，再将得到的数据进行处理，获得的曲线即为紫外传感器的实际光谱响应曲线，如图3-15。从紫外传感器的响应曲线可以看出，在242270的光谱范围内是一个窄带矩形窗，当紫外入射光在此光谱范围内时，紫外传感器的输出近似线性，而对其他波长的光则传感器不会响应。因此，所设计的紫外传感器，可滤除日光干扰，准确的检测日盲区紫外光信号。图3-13 R2078增益和外加电压的关系 图3-14 R2078光谱响应曲线图3-15 紫外传感器的响应特性曲线3.3 PMT工作电路设计3.

51、3.1 高压电源电路将直流高压施加在PMT的阴极、倍增极和阳极上后，在入射光子的作用下光阴极发射电子，这些电子在加速场的作用下聚焦在第一个倍增极上，冲击电子会使第一个倍增极释放更多的电子，然后他们再在加速场的作用下聚焦在第二个倍增极上，重复这样的过程，经过多次倍增后，放大倍数能达到1081010，最后，放大的光电流在PMT阳极输出。本系统所采用的提供加速场的PMT高压电源为日产小型高压电源C9619。高压电源C9619的优点是携带方便，体积比较小，集成化程度较高，可使用很多方式驱动电源，输出电压可根据需要连续调节。它输出的是负高压，输出最高负电压为-2000V，通过调整电位器的方式，改变控制端

52、的电位器控制高压输出，即通过改变控制引脚3的对地电压来改变输出，图3-16为高压电源C9619的原理图。图3-16 高压电源C9619的原理图因为输出电压较高，当发生短路或过载的情况时，高压电源C9619具有限制输出电压的功能。C9619还具有过电压保护功能，一旦控制电压输入大于5.2V，模块将启动保护将电压输出停止。控制电压与输出电压为线性关系，两者关系如图3-17。3.3.2 低纹波噪声高压输出电路在高压放电检测系统中，高压电源的高稳定度和低纹波系数是保证检测系统高性能的前提条件。PMT需要高压供电电压的稳定性很高，一般要达到0.01%0.05%，C9619输出纹波噪声为0.003%，通常

53、情况下，PMT工作电路对高压电源的电压稳定性要求比较高，大约是其稳定性的10倍。C9619的驱动电源是+12V，它是由220V交流电经过整流后得到的，因此稳定性很差，而高压图3-17 高压电源的控制电压与输出电压的关系电源产生的纹波噪声会对后续电路产生影响。所以，抑制纹波噪声对于提高检测性能极其重要。在高压供电电源输入端并联电容，目的是减小振荡，降低纹波噪声；末端电容接地主要是作为储能元件，当有高频脉冲信号经过时，加电容器可以储备脉冲信号，已到达稳定输出电压的目的，图3-18为低纹波噪声高压输出电路。图3-18 低纹波噪声高压输出电路3.3.3 PMT分压电路PMT供电电路有很多种，根据不同的

54、测试需要可以设计不同的供电电路，本系统使用的供电电路是电阻分压式电路。R2078有10级倍增极，因此，供电电路电阻链分压器由11个电阻构成，分别向倍增极提供电压。3.3.3.1 电阻链设计根据PMT的工作原理，在各倍增极上会产生电子倍增效应，按放大倍率来确定各倍增极上的电子流，其中，电子流最大的为阳极电流。所以，在电阻链分压电路中，每个电阻上的电流值是不同的，但是，如果每个分压电阻上的电流远远大于PMT阳极电流，即，则可以认为流过每个分压电阻上的电流值近似相等，在工程设计上，和需要满足下列关系：(3-20)电阻链设计的过大会造成电阻功率损耗太大，PMT温度高性能降低，更严重的会造成其无法工作。

55、根据选定的分压电阻上电流，可以确定电阻链的总阻值，各分压电阻满足下式：(3-21)而需要满足。3.3.3.2 末极并联电容如果PMT入射信号为脉冲或迅变信号，最后3级倍增极电流变化会造成很大的变化，并造成PMT增益的不稳定波动，破坏阳极光电流的获取。因此，需要在最后3级倍增极上并联3个电容、与，通过三个电容充放电过程来保证最后3级倍增极上电压的稳定，电容、与满足计算公式：(3-22)(3-23)(3-24)式中：为阳极最大值电流；为倍增极个数；为脉冲持续的时间；为增益稳定度的百分数；为电极间电压。本系统所设计的PMT分压电路图为图3-19。3.4 模拟电路电源部分设计的±2.5V直流

56、电压主要是为模拟电路部分的运放提供驱动电压；+12V直流电压为高压电源C9619驱动电压。根据实验要求，我们采用用不同的电源芯片得到所需电压，在纹波干扰大的地方和主要电压处，使用对地电容和型滤波电路来减小纹波以提高电压稳定性，各电压间转换图为3-20所示。图3-19 PMT分压电路图图3-20电压间转换图根据模拟电路部分实验电压要求，我们采用TPS76850稳压器来获得+5V电压，它的输入电压为2.7V-10V，具有低压差、静态电流小和关断保护的功能，图3-21为+5V直流电压电路图。采用MAX742芯片来获得±12V的直流电压，MAX742为DC-DC芯片，它的输入电压范围为4.2

57、V10V，输出电压为±12V，输入电压由设计的+5V直流电压提供，图3-22为±12V的直流电压电路图。图3-21 +5V直流电压电路图图3-22 ±12V的直流电压电路图宽带放大器OPA4350的输入电压为±2.5V的直流电压，可以分别采用三端稳压器LM317和LM337来获得±2.5V，。LM317和LM337的输入电压范围相同，都为1.2V33V，其输出电压±2.5V满足运放OPA4350供电的需要。+12V输入来获得+2.5V的直流电压，电路图如图3-23。而采用-12V为输入电压，将图3-23中LM317换为LM337可获得-2.5V直流电压。图3-23 +2.5V的直流电压电路图PMT是灵敏度很高的探测器，其输出信号为高频脉冲信号，供电电压的变化对其增益影响很大，因此需要对电源进行处理，减小电源纹波和噪声对PMT测量的干扰。在硬件电路调试中发现，各电压器件获得的直流电压会受