專利名稱：一種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量通常采用克爾效應(yīng)技術(shù)?？藸栃?yīng)是指某些液體電介質(zhì)在外施電場(chǎng)作用下表現(xiàn)出單軸晶體的性質(zhì)，使得平行于電場(chǎng)分量的光矢量和垂直于電場(chǎng)分量的光矢量在克爾介質(zhì)具有不同的傳播速度，經(jīng)過克爾介質(zhì)后，光束中兩相互正交的光矢量產(chǎn)生一定的相位差，該相位差與外施電場(chǎng)大小的平方成比例關(guān)系，即克爾效應(yīng)。高純水、礦物油、蓖麻油等植物油均是克爾電介質(zhì)，廣泛用于脈沖功率技術(shù)，電カ系統(tǒng)等絕緣領(lǐng)域；但礦物油、植物油等由于其克爾系數(shù)很小，克爾效應(yīng)對(duì)通過光束中兩相互正交的光矢量所產(chǎn)生相位偏移很小，偏振干渉后形成的光強(qiáng)變化很小，無法進(jìn)行有效測(cè)量。為增強(qiáng)克爾效應(yīng)測(cè)量技術(shù)的靈敏度，可采用交流調(diào)制的方法，即在克爾介質(zhì)上同時(shí)施加直流電場(chǎng)和交流調(diào)制電場(chǎng)，這樣光束中兩相互正交的光矢量經(jīng)克爾效應(yīng)形成相位差與外施直流電場(chǎng)和交流調(diào)制電場(chǎng)的矢量和成正比，同時(shí)由于該相位差很小，經(jīng)三角函數(shù)簡(jiǎn)化運(yùn)算，偏振干渉后形成的光強(qiáng)信號(hào)中將包含直流分量，交流基頻分量以及兩倍頻的交流分量；其中光強(qiáng)信號(hào)中交流基頻分量與外施直流電場(chǎng)強(qiáng)度和交流電場(chǎng)強(qiáng)度的乘積成正比；兩倍頻的交流分量與外施交流電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比；經(jīng)光電檢測(cè)器，光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過檢測(cè)電信號(hào)中直流分量，交流基頻分量和兩倍頻分量，就可以得到液體電介質(zhì)中的直流電場(chǎng)和交流電場(chǎng)的大小和方向?？藸栃?yīng)電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)中所產(chǎn)生的光信號(hào)中，兩倍頻交流分量非常微弱，通常為nW量級(jí)，且淹沒在強(qiáng)直流分量和交流基頻分量中。目前現(xiàn)有的光電探測(cè)器通常只用于測(cè)量，沒有于此類信號(hào)的測(cè)量。因此，設(shè)計(jì)一種低噪聲，能同時(shí)分別檢測(cè)直流光強(qiáng)和交流光強(qiáng)的光電檢測(cè)器對(duì)克爾效應(yīng)電場(chǎng)測(cè)量非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述背景技術(shù)中提到現(xiàn)有光電探測(cè)器對(duì)光信號(hào)中直流分量和交流分量同步檢測(cè)的不足，本發(fā)明提出了一種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器。本發(fā)明的技術(shù)方案一種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器，其特征是該檢測(cè)器包括光電ニ極管、電流-電壓變換器、隔直電路、低通放大電路和金屬屏蔽外殼；所述金屬屏蔽外殼包括直流輸出端子、交流輸出端子和同軸圓錐形通光孔；所述光電ニ極管和電流-電壓變換器連接；電流-電壓變換器和隔直電路連接；隔直電路和低通放大電路連接；隔直電路和直流輸出端子連接；低通放大電路和交流輸出端子連接；同軸圓錐形通光孔的軸心和光電ニ極管的軸心對(duì)齊；所述光電ニ極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；所述電流-電壓變換器將光電ニ極管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；
所述隔直電路將電流-電壓變換器輸出的電壓信號(hào)中的交流信號(hào)和直流信號(hào)分離；所述低通放大電路用于對(duì)隔直電路分離出的交流信號(hào)進(jìn)行放大；直流信號(hào)經(jīng)直流輸出端子輸出，放大后的交流信號(hào)經(jīng)交流輸出端子輸出；所述光電ニ極管、電流-電壓變換器、隔直電路和低通放大電路封裝在金屬屏蔽外殼內(nèi)。所述光電檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)的范圍為300 1100納米。所述光電ニ極管為硅光二極管。所述硅光二極管采用零偏壓工作模式。所述硅光二極管為圓形。 所述光電檢測(cè)器的背景光引起的光電流小于10納安。所述同軸圓錐形通光孔的軸心和光電ニ極管的軸心的位置偏差小于±0. 5毫米。本發(fā)明具有極低的噪聲，良好的測(cè)量靈敏度，能實(shí)現(xiàn)調(diào)幅光信號(hào)中交、直流分量的同步測(cè)量。


圖I是光電檢測(cè)器的電路原理圖；圖2是光電檢測(cè)器封裝示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。本發(fā)明是一種低噪聲、能同時(shí)檢測(cè)輸出光信號(hào)中直流分量、交流基頻分量和交流倍頻分量的光電檢測(cè)器，包括光電ニ極管，電流-電壓變換器，隔直電路、低通放大電路和金屬屏蔽外殼。金屬屏蔽外殼包括直流輸出端子、交流輸出端子和同軸圓錐形通光孔；光電ニ極管和電流-電壓變換器連接；電流-電壓變換器和隔直電路連接；隔直電路和低通放大電路連接；隔直電路和直流輸出端子連接；低通放大電路和交流輸出端子連接；同軸圓錐形通光孔的軸心和光電ニ極管的軸心對(duì)齊；光電ニ極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；電流-電壓變換器將光電ニ極管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；隔直電路將電流-電壓變換器輸出的電壓信號(hào)中的交流信號(hào)和直流信號(hào)分離；低通放大電路用于對(duì)隔直電路分離出的交流信號(hào)進(jìn)行放大，低通放大電路_3dB高頻截止頻率為40kHz。；直流信號(hào)經(jīng)直流輸出端子輸出，放大后的交流信號(hào)經(jīng)交流輸出端子輸出；光電ニ極管、電流-電壓變換器、隔直電路和低通放大電路均制作在PCB電路板上，封裝在金屬屏蔽外殼內(nèi)。本發(fā)明中，光電檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)的范圍為300 1100納米；光電ニ極管為圓形硅光二極管，采用零偏壓工作模式。光電檢測(cè)器的背景光引起的光電流小于10納安。同軸圓錐形通光孔的軸心和光電ニ極管的軸心的位置偏差小于±0. 5毫米。圖I是光電檢測(cè)器的原理電路圖。參照?qǐng)D1，Pl為雙極性直流電源，為電流-電壓變換器和隔直放大器供電；C4、C5和C6、C7為去耦電容，起到電源過濾作用，使供電電壓更加穩(wěn)定。參照?qǐng)D1，Dl為光電ニ極管，Dl和OPl以及外圍電路構(gòu)成了整體封裝的電流-電壓變換器；R2和C2為電壓-電流轉(zhuǎn)換器的反饋電阻和反饋電容，它們決定了電流-電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換比例，并限制電流-電壓轉(zhuǎn)換器的帶寬，降低噪聲；Rp可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)電流-電壓轉(zhuǎn)換器的直流偏置水平；光電ニ極管Dl將包含交、直流電場(chǎng)信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換電流信號(hào)，電流-電壓轉(zhuǎn)換器將電流信號(hào)按R2決定的反饋系數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。參照?qǐng)D1，0P2為低噪聲，高速精密運(yùn)放，它和其外圍電路構(gòu)成了隔直濾波放大電路；R3和C3為隔直電阻和隔直電容，它們決定了濾波電路的低頻截止頻率，Rl和Cl為反饋電阻和反饋電容，它們決定了濾波電路的高頻截止頻率，R1/R3為閉環(huán)増益，決定了交流信號(hào)的放大倍數(shù)。隔直濾波放大電路將前級(jí)輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行交、直流分離，直流分量直接輸出至直流輸出端子NI，交流分量經(jīng)放大后輸出至交流輸出端子N2。圖2是光電檢測(cè)器的封裝形式。 參照?qǐng)D2，封裝為全金屬外売，I為外殼本體；2為封裝外殼底板，用于安裝固定所制作的PCB電路板；3為光電檢測(cè)器直流輸出端子，4為光電檢測(cè)器交流輸出端子，兩者均為BNC接ロ ；5封裝外殼前蓋板；6為同軸圓錐形通光孔。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器，其特征是該檢測(cè)器包括光電ニ極管、電流-電壓變換器、隔直電路、低通放大電路和金屬屏蔽外殼；所述金屬屏蔽外殼包括直流輸出端子、交流輸出端子和同軸圓錐形通光孔；所述光電ニ極管和電流-電壓變換器連接；電流-電壓變換器和隔直電路連接；隔直電路和低通放大電路連接；隔直電路和直流輸出端子連接；低通放大電路和交流輸出端子連接；同軸圓錐形通光孔的軸心和光電ニ極管的軸心對(duì)齊；所述光電ニ極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；所述電流-電壓變換器將光電ニ極管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；所述隔直電路將電流-電壓變換器輸出的電壓信號(hào)中的交流信號(hào)和直流信號(hào)分離；所述低通放大電路用于對(duì)隔直電路分離出的交流信號(hào)進(jìn)行放大；直流信號(hào)經(jīng)直流輸出端子輸出，放大后的交流信號(hào)經(jīng)交流輸出端子輸出；所述光電ニ極管、電流-電壓變換器、隔直電路和低通放大電路封裝在金屬屏蔽外殼內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器，其特征是所述光電檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)的范圍為300 1100納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器，其特征是所述光電ニ極管為娃光二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器，其特征是所述硅光二極管采用零偏壓工作模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器，其特征是所述娃光二極管為圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器，其特征是所述光電檢測(cè)器的背景光引起的光電流小于10納安。
7.如權(quán)利要求I和權(quán)利要求I所述的光電ニ極管和同軸圓錐形通光孔，其特征是所述同軸圓錐形通光孔的軸心和光電ニ極管的軸心的位置偏差小于±0. 5毫米。
全文摘要
本發(fā)明公開了電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域中的一種用于液體電介質(zhì)電場(chǎng)測(cè)量的光電檢測(cè)器。本發(fā)明包括光電二極管、電流-電壓變換器、隔直電路、低通放大電路和金屬屏蔽外殼；金屬屏蔽外殼包括直流輸出端子、交流輸出端子和同軸圓錐形通光孔。本發(fā)明具有極低的噪聲，良好的測(cè)量靈敏度，能實(shí)現(xiàn)調(diào)幅光信號(hào)中交、直流分量的同步測(cè)量。
文檔編號(hào)G01J1/44GK102829862SQ201210285180
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者李成榕, 趙林杰, 齊波, 黎小林, 吳昊, 呂金壯, 趙曉林, 孫夏青, 趙宇明, 羅兵 申請(qǐng)人:南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司, 華北電力大學(xué)