專利名稱：基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于開關(guān)電弧現(xiàn)代測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
低壓開關(guān)電器是供用電系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)設(shè)備，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步對開關(guān)電器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和自動(dòng)化程度提出了更高的要求，促使低壓開關(guān)電器向高性能、小型化和智能化方向發(fā)展。而技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)的應(yīng)用是支撐這種發(fā)展的重要基礎(chǔ)， 由于開關(guān)電弧的仿真模型中許多重要的物性參數(shù)、邊界條件和初始條件還需要從樣機(jī)試驗(yàn)研究中獲取。完全依靠虛擬樣機(jī)的數(shù)值仿真來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電器的設(shè)計(jì)還為時(shí)過早，基于現(xiàn)代測試技術(shù)的試驗(yàn)研究仍然是新型開關(guān)電器產(chǎn)品開發(fā)的必要手段，其具有不可替代的地位。在開關(guān)電器操作過程中，觸頭打開時(shí)將會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧稍作停滯后，在電磁場和氣流場的綜合作用下向柵片方向運(yùn)動(dòng)，隨后電弧進(jìn)入柵片，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，被柵片分成幾個(gè)短弧，導(dǎo)致電弧電壓急劇升高，電弧最終被熄滅。能否使開關(guān)電弧快速地進(jìn)入柵片并可靠地被熄滅是影響開關(guān)電器的開斷性能、電壽命和可靠性的關(guān)鍵因素，也是評價(jià)開關(guān)電器滅弧性能和進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)。對電弧的空間形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)特性的測量和分析， 有助于揭示電弧從產(chǎn)生、發(fā)展到熄滅的物理過程中的相關(guān)規(guī)律，是研究并提高低壓電器產(chǎn)品性能的有效途徑，尤其是對于開關(guān)電器的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有特殊重要的意義。近年來，高速CXD攝像、光纖陣列、光譜分析以及磁測試技術(shù)等現(xiàn)代測試手段已經(jīng)應(yīng)用到開關(guān)電弧等離子體的試驗(yàn)研究中。高速CCD攝像技術(shù)作為一種傳統(tǒng)的開關(guān)電弧測試手段，具有較高的時(shí)間和空間分辨率，拍攝速度一般為(10 20) X IO3幅/S，而且新型的防磁和彩色CCD的性能非常出色。 但在進(jìn)行電弧測試時(shí)，由于滅弧室的器壁一般是不透明的，要獲得電弧運(yùn)動(dòng)圖景，必須對滅弧室器壁做開窗處理，并用有機(jī)玻璃等透明材料重新覆蓋，這不僅破壞了滅弧室的完整性， 更重要的是有機(jī)玻璃和電弧之間的相互作用會(huì)影響等離子體的參數(shù)及滅弧室內(nèi)的壓力，且這種影響隨著電流的增加會(huì)愈加明顯。利用光纖陣列測試電弧運(yùn)動(dòng)，是用光纖感測并傳輸電弧的光信號，并用光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；然后將測量到的信息存貯起來，通過計(jì)算機(jī)接口上傳到上位機(jī)中，借用專用的軟件來模擬電弧的運(yùn)動(dòng)過程。其拍攝速度可達(dá)到IO6幅/s，但仍然需要對滅弧室的器壁打孔，破壞滅弧室的結(jié)構(gòu)，影響滅弧室內(nèi)的壓力。另外，由于受到光纖數(shù)量的限制，光纖陣列測試設(shè)備的空間分辨率相對較低。至于磁測試技術(shù)，Brdys等提出采用霍爾探針來測試開關(guān)電弧的運(yùn)動(dòng)，其基本原理是求解電磁場的逆問題。假定電極、柵片和電弧均由連續(xù)的若干段線電流來描述，利用 Biot-Savart定律就可以獲得一定電流時(shí)滅弧室中的每一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的表達(dá)式，然后通過測量特征點(diǎn)的磁場，就可確定電弧的大致形狀。目前，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題就是磁傳感器受到空間尺寸的限制，精度很低，只能用于確定電弧的位置，無法直觀、準(zhǔn)
3確地測量電弧的形態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有開關(guān)電弧測試手段的不足，提出一種非介入式的基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置及測量方法，無需破壞開關(guān)電器的滅弧室結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)、直觀、高效地完成對電弧磁場的測量。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的裝置包括包括激光器以及依次設(shè)置在激光器發(fā)射光束的光路軸線上的起偏器、擴(kuò)束透鏡組、光路分離器和磁光玻璃，在光路分離器的反射光束的光路軸線上依次設(shè)置有檢偏器、聚焦透鏡組、光闌和CXD攝像機(jī)，所述的CXD攝像機(jī)與圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連，所述的磁光玻璃放置在待測量的開關(guān)電弧的感應(yīng)磁場之中，磁光玻璃靠近開關(guān)電弧的表面設(shè)置有將入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分離器的全反射膜。所述的光路分離器由單向玻璃構(gòu)成，靠近磁光玻璃的表面為鏡面，光路分離器與激光器發(fā)射光束的光路軸線成45°角度。所述的磁光玻璃為順磁性磁光玻璃。所述的起偏器的透光軸方向與檢偏器的透光軸方向之間的夾角設(shè)置為45°。所述的CXD攝像機(jī)采用256灰度級的(XD，時(shí)間分辨率為0. Ims,且在該CXD攝像機(jī)上安裝有單色濾光片。本發(fā)明的測量方法為1)由激光器產(chǎn)生單色光，經(jīng)過起偏器成為線偏振光，再經(jīng)過擴(kuò)束透鏡組擴(kuò)大光束的輸出直徑，形成均勻的線偏振光，透過光路分離器，投射在磁光玻璃的表面；2)位于待測量開關(guān)電弧感應(yīng)磁場中的磁光玻璃靠近待測量的開關(guān)電弧的表面有全反射膜，全反射膜將入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分離器；其中偏振光在磁光玻璃中傳播時(shí)，受磁場作用，偏振面發(fā)生不同程度的旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角Qi根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)得出；3)光路分離器靠近磁光玻璃的表面為鏡面，光路分離器將磁光玻璃反射回的偏振光束反射至檢偏器；4)檢偏器和起偏器將偏振光的旋轉(zhuǎn)角度信號轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號，形成與磁場強(qiáng)弱分布相關(guān)的偏振光束；5)通過檢偏器的光束透過聚焦透鏡組、光闌，投射到CXD攝像機(jī)，CXD攝像機(jī)采集到的磁光圖像傳輸至圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，依據(jù)圖像灰度與光強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，得到圖像不同灰度信息所對應(yīng)光強(qiáng)的二維分布，即得到不同位置處線偏振光的光強(qiáng)值1(1 = 1，2…η)；結(jié)合馬呂斯定律，計(jì)算出在電弧磁場中不同位置處偏振光的偏轉(zhuǎn)角= 1，2…η)；進(jìn)而根據(jù)法拉第磁致旋光效應(yīng)原理，求得不同位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bi (i = 1，2···η)，獲得開關(guān)電弧空間磁場的二維分布圖。本發(fā)明基于磁光敏感元件的磁致旋光效應(yīng)和光的偏振特性，將電弧周圍的磁場分布轉(zhuǎn)化為偏振光的灰度圖像，通過數(shù)值圖像處理的方法，求解磁光學(xué)的逆問題，獲得開關(guān)電弧周圍空間的二維磁場分布，實(shí)現(xiàn)了電弧周圍磁場的實(shí)時(shí)測量，具有很高的空間和時(shí)間分辨率。由于感應(yīng)磁場由電弧電流產(chǎn)生，連續(xù)變化的電弧磁場分布圖像能夠反映出電弧形態(tài)的發(fā)展規(guī)律以及電弧運(yùn)動(dòng)軌跡的信息，對于開關(guān)電器開斷性能的評估和產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。本發(fā)明的方法屬于非介入式檢測方法，無需破壞低壓開關(guān)電器滅弧室的結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的電絕緣性能和抗干擾等特性，可用于低壓開關(guān)電器產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明的基于磁光成像的電弧磁場測量裝置原理圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1，本發(fā)明包括激光器1以及依次設(shè)置在激光器1發(fā)射光束的光路軸線上的起偏器2、擴(kuò)束透鏡組3、光路分離器4和磁光玻璃5，在光路分離器4的反射光束的光路軸線上依次設(shè)置有檢偏器6、聚焦透鏡組7、光闌8和CXD攝像機(jī)9，所述的CXD攝像機(jī)9與圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10相連，所述的磁光玻璃5放置在待測量的開關(guān)電弧的感應(yīng)磁場之中，磁光玻璃5靠近開關(guān)電弧的表面設(shè)置有將入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分離器4 的全反射膜；所述的光路分離器4由單向玻璃構(gòu)成，靠近磁光玻璃5的表面為鏡面，光路分離器 4與激光器1發(fā)射光束的光路軸線成45°角度。所述的磁光玻璃5為順磁性磁光玻璃。所述的起偏器2的透光軸方向與檢偏器6的透光軸方向之間的夾角設(shè)置為45°。所述的CXD攝像機(jī)9采用256灰度級的(XD，時(shí)間分辨率為0. Ims,且在該CXD攝像機(jī)9上安裝有單色濾光片。本發(fā)明的測量方法如下1)作為光源的激光器1發(fā)射的單色光束經(jīng)過起偏器2后，變?yōu)闄M向分量只在一個(gè)固定方向上振動(dòng)的線偏振光；該線偏振光束經(jīng)擴(kuò)束透鏡組3進(jìn)行擴(kuò)束后，透過光路分離器4 的垂直入射到磁光玻璃5 ；2)磁光玻璃5放置在開關(guān)電器滅弧室附近，處于開關(guān)電弧的感應(yīng)磁場之中，偏振光在磁光玻璃5中傳播時(shí)，受磁場作用，偏振面發(fā)生不同程度的旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)得出；假定電弧周圍區(qū)域各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bi (i = 1，2…η)，各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下對應(yīng)的線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為= 1，2…η)，由量子理論可知法拉第效應(yīng)旋轉(zhuǎn)角為θ i = VdBiUi = 1，2···η)則有
QB1(/ = 1,2··· )其中Vd為費(fèi)爾德(Verdet))常數(shù)；L為磁場與磁光介質(zhì)的有效相互作用長度；3)磁光玻璃5靠近試品的表面有全反射膜，將使入射的偏振光沿入射光路相反的方向反射回光路分離器4 ；測量過程中光線往返兩次穿過磁光玻璃，由于在電弧磁場方向不變的情況下法拉第旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無關(guān)，故在此L等于磁光玻璃厚度的兩倍；4)磁光玻璃5反射的攜帶磁場信息的光束傳播至光路分離器4，由于光路分離器4的單向透光性，且光路分離器4與磁光玻璃5的反射光束成45°夾角，因此該光束將被其進(jìn)一步反射進(jìn)入檢偏器6，從而實(shí)現(xiàn)入射光束和反射光束的光路分離；5)入射到檢偏器6的線偏振光，如其振動(dòng)方向與檢偏器6的振動(dòng)方向平行，則能完全通過；如果偏斜，則只以通過一部分；如若垂直，則完全不能通過；因此，檢偏器6可以將偏振光的旋轉(zhuǎn)角度中包含的磁場強(qiáng)度的信息轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號；檢偏器6和起偏器2配合使用，檢測偏振光束的旋轉(zhuǎn)角度。檢偏器測量線偏振光旋轉(zhuǎn)角的原理為令起偏器的透光軸方向與檢偏器的透光軸方向之間的夾角為α，Bi(i = 1，2…η) 若由磁光介質(zhì)出射的線偏振光旋轉(zhuǎn)角為= 1，2…η)，則由馬呂斯定律可知，透過檢偏器的線偏振光光強(qiáng)Ji (i = 1，2···η)為J1 = J0 COS2 (a + O1)
1 1 9= -J0(1 + cos 2a) --J0 sin sin 2^ - Λ cos 2a sin θτ (i = l，2...n)由于測量過程中旋轉(zhuǎn)角θ i較小，上式可近似為J1 = J0(1 + cos 2a) - J0O1 sin 2a (i = l，2...n)式中第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，J0代表當(dāng)夾角α = 0時(shí)檢偏器輸出的光強(qiáng)；第二項(xiàng)為信號項(xiàng)，含有待測旋轉(zhuǎn)角度的信息，當(dāng)α =45°時(shí)，系統(tǒng)具有最高的信號檢測靈敏度，因此，測量裝置中起偏器2和檢偏器6透光軸方向之間的夾角設(shè)置為45°。此時(shí)輸出光強(qiáng)為J1 =^J0 -J0O1 (i = 1,2-η)這樣，利用檢偏器檢測線偏振光束旋轉(zhuǎn)角度的問題，便轉(zhuǎn)化為了檢測透過檢偏器的線偏振光光強(qiáng)的問題。推導(dǎo)出，旋轉(zhuǎn)角度θ i與光強(qiáng)Ji的關(guān)系如下θ j = 0.= 1,2-η)6)由檢偏器6出射的光線經(jīng)聚焦透鏡組7匯聚成較窄的光束，位于聚焦透鏡組7 和CXD攝像機(jī)9之間的光闌8能夠阻擋外界雜光；CXD攝像機(jī)9采用了 256灰度級的CXD器件，時(shí)間分辨率可達(dá)0. 1ms，能夠?qū)崟r(shí)采集偏振光的圖像；由于灰度CCD器件可以得到整個(gè)可見光波長范圍的輻射強(qiáng)度信號，因此為了得到被測對象在固定波長的輻射強(qiáng)度信號，給 CCD攝像機(jī)9加裝了單色濾光片。7)(XD攝像機(jī)9采集到的磁光圖像傳輸至圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)10，借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，依據(jù)圖像灰度與光強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，得到圖像不同灰度信息所對應(yīng)光強(qiáng)的二維分布，即可得到不同位置處線偏振光的光強(qiáng)值Ji (i = 1，2···η)；結(jié)合馬呂斯定律，計(jì)算出在電弧磁場中不同位置處偏振光的偏轉(zhuǎn)角= 1，2…η)；進(jìn)而根據(jù)法拉第磁致旋光效應(yīng)原理，求得不同位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bi (i = 1，2···η)，從而獲得開關(guān)電弧空間磁場的二維分布圖。
權(quán)利要求
1.一種基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置，其特征在于包括激光器(1)以及依次設(shè)置在激光器(1)發(fā)射光束的光路軸線上的起偏器( 、擴(kuò)束透鏡組C3)、光路分離器(4) 和磁光玻璃(5)，在光路分離器(4)的反射光束的光路軸線上依次設(shè)置有檢偏器(6)、聚焦透鏡組(7)、光闌(8)和CCD攝像機(jī)(9)，所述的CCD攝像機(jī)(9)與圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(10) 相連，所述的磁光玻璃( 放置在待測量的開關(guān)電弧的感應(yīng)磁場之中，磁光玻璃( 靠近開關(guān)電弧的表面設(shè)置有將入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分離器的全反射膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置，其特征在于所述的光路分離器由單向玻璃構(gòu)成，靠近磁光玻璃(5)的表面為鏡面，光路分離器(4)與激光器(1)發(fā)射光束的光路軸線成45°角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置，其特征在于所述的磁光玻璃( 為順磁性磁光玻璃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置，其特征在于所述的起偏器⑵的透光軸方向與檢偏器(6)的透光軸方向之間的夾角設(shè)置為45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置，其特征在于所述的CXD攝像機(jī)(9)采用256灰度級的(XD，時(shí)間分辨率為0. 1ms，且在該CXD攝像機(jī)(9)上安裝有單色濾光片。
6.一種如權(quán)利要求1所述的基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置的測量方法，其特征在于包括以下步驟1)由激光器(1)產(chǎn)生單色光，經(jīng)過起偏器( 成為線偏振光，再經(jīng)過擴(kuò)束透鏡組(3)擴(kuò)大光束的輸出直徑，形成均勻的線偏振光，透過光路分離器G)，投射在磁光玻璃(5)的表2)位于待測量開關(guān)電弧感應(yīng)磁場中的磁光玻璃(5)靠近待測量的開關(guān)電弧的表面有全反射膜，全反射膜將入射的偏振光沿光路相反方向反射回光路分離器；其中偏振光在磁光玻璃(5)中傳播時(shí)，受磁場作用，偏振面發(fā)生不同程度的旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角θ i根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)得出；3)光路分離器(4)靠近磁光玻璃(5)的表面為鏡面，光路分離器(4)將磁光玻璃(5) 反射回的偏振光束反射至檢偏器(6)；4)檢偏器(6)和起偏器( 將偏振光的旋轉(zhuǎn)角度信號轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號，形成與磁場強(qiáng)弱分布相關(guān)的偏振光束；5)通過檢偏器(6)的光束透過聚焦透鏡組(7)、光闌(8)，投射到CXD攝像機(jī)(9)，CXD 攝像機(jī)(9)采集到的磁光圖像傳輸至圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(10)，借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)， 依據(jù)圖像灰度與光強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，得到圖像不同灰度信息所對應(yīng)光強(qiáng)的二維分布，即得到不同位置處線偏振光的光強(qiáng)值Ji (i = 1，2…η)；結(jié)合馬呂斯定律，計(jì)算出在電弧磁場中不同位置處偏振光的偏轉(zhuǎn)角= 1，2…η)；進(jìn)而根據(jù)法拉第磁致旋光效應(yīng)原理，求得不同位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度BiG = 1，2…η)，獲得開關(guān)電弧空間磁場的二維分布圖。
全文摘要
本發(fā)明屬于開關(guān)電弧測試技術(shù)，涉及一種基于磁光成像的開關(guān)電弧磁場測量裝置及測量方法。該測量裝置包括激光器、起偏器、擴(kuò)束透鏡組、光路分離器、磁光玻璃、檢偏器、聚焦透鏡組、光闌、CCD攝像機(jī)、圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。本發(fā)明基于磁光敏感元件的磁致旋光效應(yīng)和光的偏振特性，將電弧周圍的磁場分布轉(zhuǎn)化為偏振光的灰度圖像，通過數(shù)值圖像處理的方法，實(shí)現(xiàn)電弧周圍磁場的實(shí)時(shí)測量，具有很高的空間和時(shí)間分辨率。該方法屬于非介入式檢測方法，無需破壞低壓開關(guān)電器滅弧室的結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的電絕緣性能和抗干擾等特性，可用于低壓開關(guān)電器產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
文檔編號G01R33/10GK102253350SQ20111011224
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者劉愷, 張國鋼, 張鵬飛, 楊博宇, 王序辰, 耿英三 申請人:西安交通大學(xué)