CN114184900A - 一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，包括光学探测器、光纤、光电信号处理模块、测量显示模块，光学探测器与光电信号处理模块通过光纤连接，光电信号处理模块与测量显示模块电相连，光电信号处理模块用以将接收到的光信号转换成电信号输出，测量显示模块用以测量和显示光电信号处理模块输出的电信号的击穿特征。本发明解决了现有技术存在的不能方便准确监测微区域封闭空间强电场击穿位置、击穿时序和/或击穿发展过程等问题。
Description
技术领域
本发明涉及强电场击穿监测技术领域，具体是一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统。
背景技术
随着时代的发展和技术的进步，大功率发射机的应用途径越来越广泛，其小型化成为目前急需的发展趋势。大功率发射机功率水平越来越高和使用的小型化要求，一些问题也随之而来。小型化大功率发射机在运行过程涉及到强信号在小空间(1cm量级)的传输，其传输功率的大小受到功率容量的限制，功率水平处于临界或过高，就会出现局部击穿打火现象，导致能量在密闭小空间内非正常传输引起一系列的问题，有时是致命的。因为在密闭小空间内，传统的方式很难监测其打火状态，利用打火声音、发射机电压、电流信号异常仅仅能检测系统是否出现打火，但是击穿打火的位置、时间顺序、发展过程没有办法监测到；而快速照相法虽然理论上可行，但测试需要开窗设计，对实际结构改变较大，其内部电磁场分布不能反应实际工作状态。所以，大功率发射机研制和使用过程中的击穿溯源面临一系列难题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，解决现有技术存在的不能方便准确监测微区域封闭空间强电场击穿位置、击穿时序和/或击穿发展过程等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，包括光学探测器、光纤、光电信号处理模块、测量显示模块，光学探测器与光电信号处理模块通过光纤连接，光电信号处理模块与测量显示模块电相连，光电信号处理模块用以将接收到的光信号转换成电信号输出，测量显示模块用以测量和显示光电信号处理模块输出的电信号的击穿特征。
作为一种优选的技术方案，测量显示模块用以测量和显示光电信号处理模块输出的电信号的微区域封闭空间强电场击穿位置、击穿时序和/或击穿发展过程。
作为一种优选的技术方案，测量显示模块包括示波器和/或计算机。
作为一种优选的技术方案，测量显示模块还包括脉冲甄别电路、数据处理电路，光电信号处理模块、脉冲甄别电路、数据处理电路、计算机依次电相连，脉冲甄别电路用以判断是否有击穿信号，数据处理电路用以处理和记录击穿信号产生时刻。
作为一种优选的技术方案，数据处理电路为FPGA。
作为一种优选的技术方案，光电信号处理模块包括光电倍增管、前置放大器，光电倍增管、前置放大器、测量显示模块依次电相连。
作为一种优选的技术方案，光电信号处理模块还包括分压器，光电倍增管、分压器、前置放大器、测量显示模块依次电相连。
作为一种优选的技术方案，光学探测器探测的光信号的波长范围为185nm～900nm。
作为一种优选的技术方案，光学探测器、光纤、光电信号处理模块的数量均相等且均为两个及以上，每一光学探测器、每一光纤、光电信号处理模块、每一测量显示模块组成一路信号支路分别与测量显示模块电相连。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
本发明结构简单，测量和显示光电信号处理模块输出的电信号的击穿特征，便于方便准确监测微区域封闭空间强电场击穿特征。本发明便于方便准确监测微区域封闭空间强电场击穿位置、击穿时序和/或击穿发展过程。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为微区域封闭空间强电场击穿时序在线监测实例示意图；
图3为大功率发射机微波传输封闭链路内击穿异常监测结果图；
图4为图3中A处异常击穿信号的局部放大图。
附图中标记及相应的零部件名称：11、光学探测器，12、光纤，13、光电倍增管，14、分压器，15、前置放大器，16、示波器，17、脉冲甄别电路，18、数据处理电路，19、计算机，21、光电信号处理模块，22、测量显示模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图4所示，一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，包括光学探测器11、光纤12、光电信号处理模块21、测量显示模块22，光学探测器11与光电信号处理模块21通过光纤12连接，光电信号处理模块21与测量显示模块22电相连，光电信号处理模块21用以将接收到的光信号转换成电信号输出，测量显示模块22用以测量和显示光电信号处理模块21输出的电信号的击穿特征。
本发明结构简单，测量和显示光电信号处理模块21输出的电信号的击穿特征，便于方便准确监测微区域封闭空间强电场击穿特征。
作为一种优选的技术方案，测量显示模块22用以测量和显示光电信号处理模块21输出的电信号的微区域封闭空间强电场击穿位置、击穿时序和/或击穿发展过程。
本发明便于方便准确监测微区域封闭空间强电场击穿位置、击穿时序和/或击穿发展过程。
作为一种优选的技术方案，测量显示模块22包括示波器16和/或计算机19。
示波器16方便直观显示微区域封闭空间强电场击穿特征，计算机19处理数据量大且测量显示精确。
作为一种优选的技术方案，测量显示模块22还包括脉冲甄别电路17、数据处理电路18，光电信号处理模块21、脉冲甄别电路17、数据处理电路18、计算机19依次电相连，脉冲甄别电路17用以判断是否有击穿信号，数据处理电路18用以处理和记录击穿信号产生时刻)。
这提高了进一步提高了监测微区域封闭空间强电场击穿特征的准确度。
作为一种优选的技术方案，数据处理电路18为FPGA。
FPGA具备使用方便、实现快捷。
实施例2
如图1至图4所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
作为一种优选的技术方案，光电信号处理模块21包括光电倍增管13、前置放大器15，光电倍增管13、前置放大器15、测量显示模块22依次电相连。
这便于提高将光信号进行转换的精度。
作为一种优选的技术方案，光电信号处理模块21还包括分压器14，光电倍增管13、分压器14、前置放大器15、测量显示模块22依次电相连。
这便于进一步提高将光信号进行转换的精度。
作为一种优选的技术方案，光学探测器11探测的光信号的波长范围为185nm～900nm。
这便于实现监测1cm量级微区域强场击穿放电信号。
作为一种优选的技术方案，光学探测器11、光纤12、光电信号处理模块21的数量均相等且均为两个及以上，每一光学探测器11、每一光纤12、光电信号处理模块21、每一测量显示模块22组成一路信号支路分别与测量显示模块22电相连。
这便于实现多通道监测微区域封闭空间强电场击穿特征，增加了本发明的适用场景。
实施例3
如图1至图4所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
本发明通过下列手段实现：
一、系统组成。研制的微区域封闭空间强电场击穿时序在线监测系统，主要由：微区域光学探测器11及其支撑与紧固部件、光学探测器11、光纤12、分压器14、前置放大器15、电源、数据采集系统、同轴线缆及信号连接线、直流电源、PC机(计算机19)等组成。系统示意结构图见图1。
其连接关系是：微区域光学探测器11通过连接在被监测物体上的微支撑禁锢部件固定在被测件上，光学探测器11光信号经光纤12引入光纤12，光纤12连接光电倍增管13，光电倍增管13连接分压器14和前置放大器15，分压器14和前置放大器15由直流电源供电，前置放大器15连接数据采集系统，数据采集系统通过线缆连接PC机。
该系统兼容性比较好：微区域光学探测器11通过连接在被监测物体上的微支撑禁锢部件固定在被测件上，探测器光信号经光纤12引入光纤12，光纤12光电倍增管13，光电倍增管13连接分压器14和前置放大器15，分压器14和前置放大器15由直流电源供电，前置放大器15连接信号采集系统，光电探测器产生的电信号可以直接连接示波器，或者经过脉冲甄别电路、FPGA数据处理电路后通过USB连接线连接上位机，最终通过配套上位机测量软件进行数据的最终处理和显示；整个系统一体化封装，可用于微区域强场致光时间响应测量，获取区域内不同位置的发光时间。
二、设计原理及思路。制约封闭微区域强场击穿位置、场致发光时空演化过程的准确测量的是：如何将击穿所致的光信号通过微探测器引出，并传递给监测信号处理，且不影响系统的正常使用。本发明利用光学微探测器(mm级)，引入重点关注位置，采集击穿发光信号，将光脉冲引入光纤12，光纤12将该光脉冲转换为一个的电流脉冲，电流脉冲经前置放大器15转换后形成一个电压脉冲输出，通过采集卡A/D转换后数据传输进入计算机19，通过对电压脉冲的处理就可以得到瞬变击穿发光随时间的变化情况。采用多路同样探测器和通道，以同步触发信号为基准，可以监测记录击穿位置、扩展时间、关联事件顺序等相关信息。为了保障时间序列的监测精度，该系统中微区域光学探测器11和光纤12的波长范围需一致。
三、系统指标参数。
本系统可以探测波长在185nm～900nm之间的击穿发光信号，可以探测1cm量级微区域强场击穿放电信号，可同时监测不超过4个不同位置的发光信号，时间分辨率≤5ns，通过监测到相应的位置信号和时序信号，经数据处理可以给出微区域封闭空间强电场击穿情况。
本发明目的是：在线监测高能量传输封闭通道微区域内，击穿位置、时间顺序以及击穿所致等离子体的传输过程。因为击穿必然伴随着较为强烈的发光现象，为了准确对该物理物理过程进行表征，特发明一种微小区域封闭空间强电场击穿时序在线监测技术，用于解决大功率发射机、高功率微波源研制、阴极电子发射过程监测等研究或使用过程中异常击穿问题或等离子体伴随的光物理过程监测，提高研制和使用效率，为装置研制和使用优化提供技术支撑。
本发明微区域封闭空间强电场击穿时序在线监测技术和系统解决了目前强场传输封闭微通道(或强场区域)中击穿位置和击穿时序无法监测的问题，现有的手段为监测强场击穿声音的有无或者依据运行系统的性能参数判断是否出现强场致光效应，但是击穿的位置以及时序关系反应不出来。该项技术填补了国内微区域封闭空间强电场击穿时序在线监测的空白。
实施例4
如图1至图4所示，本实施例包含实施例1～实施例3的全部技术特征，本实施例在实施例1～实施例3的基础上，提供更细化的实施方式。
本发明研制的微区域封闭空间强电场击穿时序在线监测系统，在研制过程中异常强场击穿问题的监测和排查，并还原了封闭微区域内击穿形成等离子体信号随时间变化情况，大大提升了研制工作效率。下面结合实例进行说明。
某大功率发射机微波传输封闭链路内出现强场分布不均击穿异常，导致关键部件损毁。本次工作利用研制的系统在线监测了大功率发射机连续运行10s的工作状态，在传输链路(结构尺寸小于2cm)上布置了三个可疑点进行监测，本次利用示波器进行测试数据的采集，将发射机触发信号作为示波器触发同步信号(作为时间基准)，监测到两个位置先后出现了局部击穿发光现象，且出现2次，其时间间隔为3.7s。
该系统不仅可以实现微区域、封闭空间强场致光效应在线监测、而且可以实现微区域、封闭空间强场致光效应发生的空间位置以及时序关系；该系统的引入不会影响被测物体的正常工作状态以及增加额外部件，具有较强的抗强电磁干扰能力。
图3中为监测到前后两次比较明显的异常击穿放电现象(A和B)，且时间间隔为3.7s。图3中A异常击穿信号局部放大，清晰地看出：位置二先于位置四放电，说明位置二比位置四先放击穿。在微波传输链路中不同的位置设置3个监测点，并安置微区域探测器，其中图4中一为大功率发射机触发信号；二、三、四分别为位置二、三、四的监测信号。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，包括光学探测器(11)、光纤(12)、光电信号处理模块(21)、测量显示模块(22)，光学探测器(11)与光电信号处理模块(21)通过光纤(12)连接，光电信号处理模块(21)与测量显示模块(22)电相连，光电信号处理模块(21)用以将接收到的光信号转换成电信号输出，测量显示模块(22)用以测量和显示光电信号处理模块(21)输出的电信号的击穿特征。
2.根据权利要求1所述的一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，测量显示模块(22)用以测量和显示光电信号处理模块(21)输出的电信号的微区域封闭空间强电场击穿位置、击穿时序和/或击穿发展过程。
3.根据权利要求2所述的一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，测量显示模块(22)包括示波器(16)和/或计算机(19)。
4.根据权利要求3所述的一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，测量显示模块(22)还包括脉冲甄别电路(17)、数据处理电路(18)，光电信号处理模块(21)、脉冲甄别电路(17)、数据处理电路(18)、计算机(19)依次电相连，脉冲甄别电路(17)用以通过电信号的实时变化来判断是否有发光信号，且判定击穿时刻信息，数据处理电路(18)用以处理脉冲甄别电路给出的电信号的变化时刻，记录击穿时刻。
5.根据权利要求4所述的一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，数据处理电路(18)为FPGA。
6.根据权利要求5所述的一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，光电信号处理模块(21)包括光电倍增管(13)、前置放大器(15)，光电倍增管(13)、前置放大器(15)、测量显示模块(22)依次电相连。
7.根据权利要求6所述的一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，光电信号处理模块(21)还包括分压器(14)，光电倍增管(13)、分压器(14)、前置放大器(15)、测量显示模块(22)依次电相连。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，光学探测器(11)探测的光信号的波长范围为185nm～900nm。
9.根据权利要求8所述的一种用于微区域封闭空间强电场击穿监测系统，其特征在于，光学探测器(11)、光纤(12)、光电信号处理模块(21)的数量均相等且均为两个及以上，每一光学探测器(11)、每一光纤(12)、光电信号处理模块(21)、每一测量显示模块(22)组成一路信号支路分别与测量显示模块(22)电相连。
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