張鼎衢，肖勇，胡嘉，孟慶亮，宋強(qiáng)，潘峰

（廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080）

介質(zhì)阻擋放電光電檢測(cè)裝置研究

張鼎衢，肖勇，胡嘉，孟慶亮，宋強(qiáng)，潘峰

（廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080）

采用光電倍增管（PMT）研制一種探測(cè)介質(zhì)阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）微弱光信號(hào)的光電檢測(cè)裝置。根據(jù)DBD微弱光信號(hào)的特點(diǎn)，進(jìn)行光電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)，通過(guò)光纖排、光電轉(zhuǎn)換電路、示波器放大并采集微弱光信號(hào)。使用新裝置進(jìn)行大氣壓下DBD的檢測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證該新型裝置較傳統(tǒng)的DBD檢測(cè)裝置具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、可有效區(qū)分放電與干擾信號(hào)、可同時(shí)采集多點(diǎn)信號(hào)等特點(diǎn)，為DBD的試驗(yàn)研究提供可靠的探測(cè)方法。

介質(zhì)阻擋放電；光電轉(zhuǎn)換；光電倍增管；微弱光信號(hào)

1 檢測(cè)原理

介質(zhì)阻擋放電是一種在放電氣隙空間中至少插入一塊絕緣介質(zhì)的氣體放電。大氣壓空氣中的介質(zhì)阻擋放電主要為絲狀放電，單根電流絲的直徑約100μm，電流密度0.1～1 kA/cm2，輸運(yùn)能量μJ級(jí)[10]，它們貫穿于放電極板之間，形成微放電通道。這些獨(dú)立的微放電在時(shí)空中隨機(jī)分布在介質(zhì)表面，每個(gè)微放電都代表一次流光擊穿，持續(xù)時(shí)間幾十納秒。這些微放電發(fā)出nW量級(jí)的微弱紫外光，主波長(zhǎng)約為340～400nm[11]，均勻、散漫且穩(wěn)定。

光電倍增管是一種具有高增益的真空光電轉(zhuǎn)換器件，其增益高達(dá)105～108，非常適合用于探測(cè)微弱光信號(hào)[12]。

針對(duì)微弱光信號(hào)的特點(diǎn)，采用光纖排及光電轉(zhuǎn)換電路采集放電區(qū)域光電流的方法，稱為多路光信號(hào)探測(cè)法。放電空間中不同區(qū)域的微弱光信號(hào)經(jīng)紫外光纖排引入PMT轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路連接示波器。每路對(duì)應(yīng)一個(gè)微放電通道，獲得的多路光電流波形為研究DBD相鄰微放電通道間相互作用提供了可靠依據(jù)。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與理論分析

系統(tǒng)由DBD發(fā)生裝置、光纖排、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理電路組成，原理圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

DBD發(fā)生裝置由電源、腔體、兩個(gè)放電極板和電介質(zhì)玻璃板組成（如圖2所示）。絕緣介質(zhì)覆蓋在其中一個(gè)放電極板上，用于產(chǎn)生大氣壓中穩(wěn)定的介質(zhì)阻擋放電；在放電過(guò)程中，介質(zhì)阻擋了氣隙空間中的放電通道，介質(zhì)表面累積大量電荷，這些表面電荷形成的電場(chǎng)抑制了氣隙電場(chǎng)的增長(zhǎng)，進(jìn)而抑制電弧的產(chǎn)生[13]。

光纖排將微弱光信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)采集系統(tǒng)。光在光纖中的傳輸滿足下式：

式中：θ——入射角；

θ0——臨界入射角；

n1——內(nèi)芯的折射率；

n2——包層的折射率。

圖2 DBD發(fā)生裝置

由折射定理可知，當(dāng)θ＜arcsinNA時(shí)（NA為數(shù)值孔徑），光線因在光纖內(nèi)部發(fā)生全反射而不會(huì)消失。傳播損耗與纖芯材料的吸收、散射等有關(guān)，這種損耗非常小，可忽略不計(jì)。

受數(shù)值孔徑的影響，光纖的探測(cè)區(qū)域呈輻射狀且滿足下式：

式中：l——探測(cè)區(qū)域到光纖端面的距離；

d——圓形探測(cè)區(qū)域的直徑；

θ——數(shù)值孔徑角。

光電轉(zhuǎn)換主要由光電轉(zhuǎn)換器件組成，相比APD和PIN光電二極管，PMT高增益的特點(diǎn)使其更適合于探測(cè)DBD的微弱光信號(hào)。其工作原理為：入射光經(jīng)PMT光電陰極產(chǎn)生一次光電子，形成陰極電流（IK），一次光電子經(jīng)倍增級(jí)多級(jí)倍增后產(chǎn)生大量的二次電子，最后匯聚于陽(yáng)極形成陽(yáng)極電流（IA），陽(yáng)極電流與陰極電流的比值為電流增益Gm：

光電倍增管一般處于直流或脈沖工作的狀態(tài)下，針對(duì)輸出的光電流信號(hào)可以通過(guò)負(fù)載電阻進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換；但負(fù)載電阻并不是越大越好，負(fù)載過(guò)大會(huì)影響PMT的時(shí)間特性和傳輸特性，如下式所示：

式中：RL——負(fù)載；

Cs——PMT陽(yáng)極和其他電極間、PMT與最末倍增極間的電容以及雜散電容的總和。

上限截止頻率為

可見(jiàn)，PMT外圍電路的響應(yīng)頻率會(huì)受到負(fù)載電阻的限制，負(fù)載電阻過(guò)大時(shí)，受上線截止頻率的限制，容易使陽(yáng)極輸出電壓脈沖堆積，導(dǎo)致PMT輸出非線性。

DBD產(chǎn)生的脈沖信號(hào)主要為高頻信號(hào)，負(fù)載電阻通常為100kΩ～1MΩ，該電阻很難與線路波阻抗匹配，如下式所示：

式中：ZC——線路的波阻抗；

Z2——末端阻抗。

信號(hào)在線路的始端和末端會(huì)發(fā)生多次反射，這些反射信號(hào)與原信號(hào)疊加后輸出，使輸出信號(hào)畸變。

為解決以上問(wèn)題，本文提出大負(fù)載接電壓跟隨器匹配的信號(hào)處理電路，如圖3所示。

圖3 大負(fù)載接電壓跟隨器匹配電路

電路中電壓跟隨器的輸入阻抗高，輸出阻抗低，隔離了負(fù)載與電纜，既可以實(shí)現(xiàn)末端電纜匹配，又可以放大微弱光電流信號(hào)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 光纖排

光纖排由多根光纖（南京迪多科技特種紫外光纖）、金屬探頭和調(diào)整支架構(gòu)成。其中，光纖的芯徑為200μm，屬于特種紫外光纖，數(shù)值孔徑為0.22。按照需求選用8根光纖制排，光纖排的一端集合成直徑8mm的金屬探頭，每根光纖的間距為150μm，金屬探頭用于接收光信號(hào)；每根光纖的另一端制成直徑3mm、長(zhǎng)度10mm的金屬頭，這些金屬頭通過(guò)固定原件連接至光電倍增管的陰極入射窗口。根據(jù)式（2）可知，光纖排可測(cè)的兩點(diǎn)間距為350～2450μm。為了方便探測(cè)不同區(qū)域的光信號(hào)，設(shè)計(jì)調(diào)整支架，該支架可以實(shí)現(xiàn)上下40mm、左右1 cm的微調(diào)。

3.2 光電轉(zhuǎn)換

針對(duì)DBD微弱紫外光信號(hào)，選用R212UH（濱松）光電倍增管，其光譜響應(yīng)范圍為185～650nm，最大響應(yīng)波長(zhǎng)340nm，陽(yáng)極脈沖上升時(shí)間2.2 ns，電子渡越時(shí)間22ns，增益107?？梢?jiàn)，該P(yáng)MT具有極高的增益并能夠快速地響應(yīng)光信號(hào)。通過(guò)此PMT，可將DBD的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖幅值為1～10μA，脈沖寬度為ns級(jí)的光電流輸出。

光電倍增管作為檢測(cè)微弱光信號(hào)的器件，若直接與可見(jiàn)光接觸，會(huì)受到背景輻射光和空間磁場(chǎng)等外界因素的干擾，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果[14]。因此，為了削弱這些噪聲的影響，設(shè)計(jì)PMT管屏蔽罩（見(jiàn)圖4）。該屏蔽罩由坡莫合金制成，分上罩與底座兩部分，屏蔽罩內(nèi)外都涂有黑色絕緣漆，達(dá)到了屏蔽磁場(chǎng)和背景輻射光的目的。

圖4 PMT屏蔽罩

3.3 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路不僅需要將PMT輸出的微弱光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供示波器接受的電壓信號(hào)，還要保證電壓轉(zhuǎn)換速度能夠跟上介質(zhì)阻擋放電光電流的變化速度。最后將電壓信號(hào)傳輸?shù)绞静ㄆ鳎═ektronix MOS3034）中觀測(cè)。設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

圖5 PMT外圍電路原理圖

CC238及其控制電路用于控制PMT增益，信號(hào)處理電路將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大，供示波器顯示。具體電路及參數(shù)如圖6所示。

電路采用大負(fù)載加電壓跟隨器匹配同軸電纜輸出，既可以放大微弱信號(hào)，又可以避免反射信號(hào)的干擾。其中：限流電阻（R1）保證OPA2350輸入電流I＜500mA；耦合電容（C）隔直通交，可保護(hù)后續(xù)電路；去耦電容（C11、C12）去除紋波干擾，可改善電源的高頻特性；補(bǔ)償電容（C1）為電路增加新極點(diǎn)，拉大主極點(diǎn)與其他極點(diǎn)的間距，改變電路的相頻響應(yīng)，破壞了自激振蕩的條件；可調(diào)負(fù)載電阻RL范圍為10～100kΩ。因此該電路的電壓輸出信號(hào)為0.5～2V。

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用6根光纖探測(cè)不同負(fù)載時(shí)大氣壓DBD錐形極板錐尖處的光信號(hào)，外加電壓為10 kV，頻率為10 kHz，氣隙間距為1mm，得不同負(fù)載時(shí)脈沖寬度，如表1所示。

圖6 PMT外圍電路

表1 不同負(fù)載電阻時(shí)的脈沖寬度

可見(jiàn)，信號(hào)的脈沖寬度隨負(fù)載成正比變化，為了避免多次放電時(shí)信號(hào)重疊，選擇負(fù)載為20 kΩ，干擾信號(hào)的脈寬為ns級(jí)，因此4.8μs的脈沖即為放電信號(hào)。圖7為示波器采集的波形，上方（CH1）為放電電流波形，下方（CH2）為光電流波形。

可見(jiàn)，當(dāng)放電較弱時(shí)（圖7（a）），光電流可以體現(xiàn)放電的發(fā)生，放電電流無(wú)法完全體現(xiàn)；放電較強(qiáng)時(shí)（圖7（b）），放電電流與干擾信號(hào)疊加，無(wú)法區(qū)分，而光電流由于存在4.8μs的脈寬可以區(qū)分干擾，這充分體現(xiàn)了新型檢測(cè)裝置的優(yōu)越性和可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究基于PMT的光電檢測(cè)裝置，針對(duì)DBD微弱紫外光信號(hào)設(shè)計(jì)、分析與制作。裝置具有ns級(jí)的響應(yīng)速度，可將nW級(jí)、波長(zhǎng)為340～400 nm的微弱紫外光信號(hào)放大為0.5～2V的電信號(hào)；最小探測(cè)值為200μm（直徑），可同時(shí)多路采集最小間距為350μm的多個(gè)點(diǎn)光源進(jìn)行對(duì)比研究，通過(guò)調(diào)整支架和光纖排可靈活采集不同區(qū)域的光信號(hào)；選擇不同的負(fù)載，根據(jù)負(fù)載對(duì)應(yīng)的信號(hào)脈寬區(qū)分干擾信號(hào)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，該新型裝置有更好的優(yōu)越性和可靠性。

圖7 放電電流與光電流波形

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Study on photoelectric detection device to dielectric barrier discharge

ZHANG Dingqu，XIAO Yong，HU Jia，MENG Qingliang，SONG Qiang，PAN Feng
（Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510080，China）

A dielectric barrier discharge detection system is developed using PMT.According to faint light signal characteristics of dielectric barrier discharge，the system is designed，using optical fiber line，photoelectric conversion circuit and oscilloscope to magnify and collect the signal.Results in atmospheric pressure of dielectric barrier discharge detection experiment show that the system has high sensitivity，fast response，can effectively distinguish discharge and interference signals，gather more signals in different areas，it provides a reliable detection method for DBD experimental study.

dielectric barrier discharge；photoelectric conversion；PMT；faint light signal

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）06-0076-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.018

0 引言

介質(zhì)阻擋放電（DBD）是產(chǎn)生大氣壓非平衡態(tài)等離子體的一種可靠、經(jīng)濟(jì)的方法，適于常壓或加壓條件下的工業(yè)應(yīng)用[1]。DBD逐漸成為研究等離子體科學(xué)的熱點(diǎn)之一。目前DBD的探測(cè)技術(shù)主要分為以下兩類(lèi)：1）電信號(hào)探測(cè)法，文獻(xiàn)[2-6]在不同的實(shí)驗(yàn)條件下用李薩如圖評(píng)判了DBD的均勻性，用電流電壓波形評(píng)判了放電的周期特性，該方法操作簡(jiǎn)單，但是只能從時(shí)間上評(píng)判DBD的均勻性，探測(cè)回路容易受到空間磁場(chǎng)的干擾；2）光信號(hào)探測(cè)法，通過(guò)發(fā)射光譜法、光電流測(cè)量和照片拍攝分析等研究放電的光譜特性和光電流特性，文獻(xiàn)[7-9]運(yùn)用了放電照片和數(shù)值模擬等方法，這些方法有利于直觀地分析放電斑圖，但是目前相機(jī)的曝光時(shí)間無(wú)法達(dá)到采集幾十納秒的單次微放電的要求，導(dǎo)致放電斑圖為多次放電疊加的結(jié)果，難以分析單次微放電的特性。因此，迫切需要一種高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)、能夠在時(shí)空上同時(shí)研究DBD單次微放電特性的技術(shù)，作為評(píng)判DBD均勻性的依據(jù)?；诖耍疚奶岢霾捎枚嗦饭庑盘?hào)探測(cè)的方法，研究一種基于光電倍增管（PMT）能夠多路同時(shí)采集DBD放電微弱光信號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)。

2014-09-21；

2014-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（50877033）

張鼎衢（1987-），男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市人，工程師，碩士，主要從事電能計(jì)量及相關(guān)領(lǐng)域研究工作。