專利名稱：一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高電壓測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在雷電防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域中，長空氣間隙放電應(yīng)用于檢驗(yàn)防雷裝置有效性和優(yōu)化重要設(shè)施的防雷設(shè)計(jì)，申請人認(rèn)為，就目前現(xiàn)實(shí)情況而言，由于對雷電機(jī)理和長空氣間隙放電物理過程認(rèn)識的不充分，有可能會(huì)制約防雷技術(shù)的發(fā)展。申請人在研究中發(fā)現(xiàn)，若要提升對長空氣間隙放電物理過程的認(rèn)識，需要依賴不斷完善長空氣間隙放電過程中特征屬性和關(guān)鍵物理參量的觀測技術(shù)。由于長空氣間隙放電過程存在有眾多復(fù)雜的物理問題，諸如，包含流注-先導(dǎo)體系的形態(tài)變化過程，空氣電離過程，空間電場、電流暫態(tài)變化過程，擊中點(diǎn)選擇及最終擊穿過程等，其中涉及到許多個(gè)關(guān)鍵特征物理量同步測量的問題。需要通過不同的方法和手段進(jìn)行處理。據(jù)了解，現(xiàn)有的長空氣間隙放電觀測多集中于關(guān)注單個(gè)物理觀測手段性能的提升，盡管基于現(xiàn)代的電學(xué)測量技術(shù)、光學(xué)觀測技術(shù)和光電傳輸技術(shù)，單個(gè)的物理觀測手段已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步，但是至今為止，申請人還未發(fā)現(xiàn)有能組建所有觀測裝置均高精度同步觀測系統(tǒng)，更沒有發(fā)現(xiàn)有能實(shí)現(xiàn)光學(xué)觀測量與電學(xué)觀測量之間的同步。據(jù)申請人所知，現(xiàn)有的用于長空氣間隙放電觀測的觀測系統(tǒng)通常是非同步觀測系統(tǒng)。須知，非同步觀測系統(tǒng)其不足之處主要在于，只是獲得單個(gè)物理量觀測結(jié)果，不能實(shí)現(xiàn)不同物理量觀測結(jié)果的綜合比對分析，其導(dǎo)致的后果是，不利于開展長空氣間隙放電物理機(jī)理的深入研究工作。據(jù)中國專利文獻(xiàn)(公開號CN101799427A)公開的《基于圖像處理的植物愈傷組織繁殖量在線觀測方法及系統(tǒng)》(申請?zhí)?01010147804. 6)介紹，該方法采用C⑶成像設(shè)備對被觀測對象所在區(qū)域進(jìn)行成像，將獲取的圖像通過圖像采集卡輸入計(jì)算機(jī)，處理后將被觀測對象的邊界與背景區(qū)分開，利用矢量分析法對被觀測對象圖像中植物愈傷組織區(qū)域進(jìn)行邊界跟蹤；完成后進(jìn)行面積和厚度計(jì)算，最后繪制植物愈傷組織的生長曲線。該觀測方法通過電子光學(xué)系統(tǒng)對被測物的進(jìn)行CCD成像，并將CCD成像設(shè)備輸出的圖像送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，計(jì)算機(jī)通過圖像監(jiān)測來計(jì)算植物愈傷組織的繁殖量，以達(dá)到觀測的目的。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在非接觸環(huán)境中及無人監(jiān)控下對植物細(xì)胞的生長進(jìn)行觀測?；谏鲜鲇^測方法的觀測系統(tǒng)，包括圖像采集卡、CCD成像設(shè)備和計(jì)算機(jī)，另外還包括有一密閉的培養(yǎng)容器，所述培養(yǎng)容器內(nèi)設(shè)有兩臺(tái)CCD成像設(shè)備，兩臺(tái)CCD成像設(shè)備分別設(shè)于培養(yǎng)器的頂部和側(cè)部，所述圖像采集卡的輸入端與分別于兩臺(tái)CCD成像設(shè)備的輸出端連接，所述圖像采集卡的輸出端與計(jì)算機(jī)連接。這種通過電子光學(xué)系統(tǒng)對植物細(xì)胞的生長進(jìn)行觀測，記錄植物愈傷組織生長的圖像采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，并計(jì)算植物愈傷組織的繁殖量，繪制植物愈傷組織的生長曲線。該方法及系統(tǒng)存在的問題是，應(yīng)用的范圍窄，觀測的空間狹小，未實(shí)現(xiàn)多個(gè)觀測物理量的高精度同步，尤其不適合于長空氣間隙放電高精度的同步觀測的應(yīng)用環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，進(jìn)行改進(jìn)，研究并提供一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法及系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)長空氣間隙放電試驗(yàn)中每一時(shí)刻下物理形態(tài)、電學(xué)和光學(xué)關(guān)鍵物理參數(shù)的高精度同步觀測。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法，使用光學(xué)觀測系統(tǒng)與電學(xué)測量系統(tǒng)，光學(xué)觀測系統(tǒng)包括靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置、高速攝像裝置，電學(xué)測量系統(tǒng)包括電流測量裝置、電場測量裝置和電壓測量裝置，其特征在于，采用高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置采集所有電學(xué)信號，利用高速觸發(fā)器同步觸發(fā)高速攝像裝置和靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置，通過同軸電纜輸出高速攝像裝置的曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號；曝光時(shí)鐘的英文譯為Exposure Time Clock，縮寫ETC，拍攝起始記錄信號又稱為Record信號，其中，ETC信號用于表征拍攝各張照片的曝光時(shí)間，ETC信號為周期性信號，其周期為拍攝速度的倒數(shù)；在 ETC信號為高電平時(shí)，高速攝像裝置的電子快門打開，照片持續(xù)曝光直至ETC信號變?yōu)榈碗娖?，Record信號的上升沿對應(yīng)高速攝像裝置開始記錄第一幀照片的時(shí)刻，第一幀照片的曝光時(shí)間即為Record信號上升沿時(shí)刻至其后ETC信號的第一個(gè)下降沿，其后照片的曝光時(shí)間均參考第一幀照片曝光結(jié)束時(shí)刻，以AT的整數(shù)倍類推，并由此得到各幀照片與Record信號的相對時(shí)間關(guān)系；高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置采用多通道高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，用于高速同步觸發(fā)、 采集和存儲(chǔ)信號，利用Record信號觸發(fā)多通道高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，得到電壓信號、電流信號以及電場信號與Record信號的相對時(shí)間關(guān)系,通過修正同軸電纜中信號的傳輸延遲后， 最終得出各幀照片曝光時(shí)間與電學(xué)信號之間的時(shí)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)光學(xué)觀測系統(tǒng)與電學(xué)測量系統(tǒng)的高精度同步。其特征在于，高速觸發(fā)器產(chǎn)生觸發(fā)電平信號，用于控制靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置和高速攝像裝置進(jìn)入拍攝狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)上述方法的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，包括靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置、高速攝像裝置，其特征在于，采用了暫態(tài)電場測量裝置、放電電流測量裝置、放電電壓測量裝置、高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置和高速觸發(fā)器，高速觸發(fā)器與放電電壓測量裝置相連接，在接收到?jīng)_擊電壓波形信號后產(chǎn)生觸發(fā)電平信號，并與靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置的快門控制模塊與高速攝像裝置的觸發(fā)控制模塊連接；高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置與暫態(tài)電場測量裝置的光探測模塊、放電電流測量裝置的地面接收模塊、放電電壓測量裝置的同軸電阻衰減器、高速攝像裝置的信號輸出接口相連接；高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置用于高速同步觸發(fā)采集下列信號高速攝像裝置的曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號、暫態(tài)電場信號、放電電流信號、放電電壓信號。其特征在于，高速觸發(fā)器包括極性判別及轉(zhuǎn)換電路、放大電路、可調(diào)參考電平產(chǎn)生電路、比較電路和單穩(wěn)觸發(fā)電路，極性判別及轉(zhuǎn)換電路與放大電路相連接，放大電路與比較電路相連接，可調(diào)參考電平產(chǎn)生電路與比較電路相連接，比較電路與單穩(wěn)觸發(fā)電路相連接， 高速觸發(fā)器用于接收沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的沖擊電壓波，同時(shí)輸出其他裝置能夠識別的觸發(fā)信號。其特征在于，靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置包括靜態(tài)照相機(jī)、快門控制模塊和直流繼電器，靜態(tài)照相機(jī)與快門控制模塊通過多芯電纜連接，快門控制模塊與直流繼電器連接，靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置用于正交拍攝長空氣間隙放電通道的光學(xué)照片、圖像數(shù)據(jù)處理分析提取放電3D 通道。
其特征在于，暫態(tài)電場測量裝置包括激光器、電場傳感器和光探測器，激光器與電場傳感器通過保偏光纖連接，電場傳感器與光探測器通過保偏光纖連接，暫態(tài)電場測量裝置用于測量放電過程中空間某處暫態(tài)電場波形；電場傳感器采用基于Pockels電光效應(yīng)的集成光波導(dǎo)瞬態(tài)電場傳感器。其特征在于，放電電流測量裝置包括無感采樣電阻、同軸電阻衰減器、高電位采集模塊、低電位接收模塊，無感采樣電阻與同軸電阻衰減器相連接，同軸電阻衰減器與高電位采集模塊通過同軸電纜相連接，高電位采集模塊與低電位接收模塊相連接，放電電流測量裝置用于測量長空氣放電間隙中高電位電極上的暫態(tài)電流波形。其特征在于，放電電壓測量裝置包括阻容式分壓器、屏蔽同軸電纜、衰減器，阻容式分壓器與屏蔽同軸電纜相連接，屏蔽同軸電纜與衰減器相連接，放電電壓測量裝置用于測量長空氣間隙施加電壓波形。其特征在于，高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置由高速數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)或上位機(jī)組成，高速數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)或上位機(jī)通過主板插槽連接，用于記錄整套系統(tǒng)中其他裝置輸出的電學(xué)信號。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明提出的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法能夠?qū)崿F(xiàn)長空氣間隙放電試驗(yàn)中每一時(shí)刻下物理形態(tài)、電學(xué)和光學(xué)關(guān)鍵物理參數(shù)的高精度同步觀測，根據(jù)本發(fā)明的方法開發(fā)的長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，創(chuàng)造性地采用了適用于實(shí)驗(yàn)室長空氣間隙放電的高速觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了放電前瞬間的自動(dòng)觸發(fā)功能，該觀測系統(tǒng)結(jié)合多種先進(jìn)的模塊化的測量裝置，基于提取高速攝像裝置內(nèi)部曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號，建立了一種適合于長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，將有助于全面準(zhǔn)確獲得長空氣間隙放電發(fā)展過程的物理機(jī)理及特征參數(shù)，有利于獲取放電過程每一時(shí)刻下的物理形態(tài)、電學(xué)和光學(xué)參數(shù)的同步數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對其物理變化過程的真實(shí)復(fù)現(xiàn)以及物理仿真，從而達(dá)到提升對長空氣間隙放電物理過程的認(rèn)識的真實(shí)性和客觀性。I)采用高速觸發(fā)器控制靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置和高速攝像裝置，確保了長空氣間隙放電過程的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影像獲取設(shè)備放電前瞬間穩(wěn)定觸發(fā)，避免人為操作產(chǎn)生的失誤，提高整個(gè)觀測系統(tǒng)的可靠性；2)本發(fā)明的觀測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便增加新觀測手段，從而有助于增強(qiáng)了本發(fā)明的適應(yīng)性；3)本發(fā)明的觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高精度同步，能夠?qū)崿F(xiàn)每一幀高速攝像裝置拍攝相片與暫態(tài)電場信號、放電電流和電壓信號的數(shù)據(jù)同步，克服了以往長空氣間隙放電觀測系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)光學(xué)拍攝結(jié)果與電流測量結(jié)果高精度同步的缺點(diǎn)。


圖I、本發(fā)明的長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2、本發(fā)明的高速攝像裝置輸出狀態(tài)信號
圖3、本發(fā)明的高速觸發(fā)器原理框圖
圖4、本發(fā)明的靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置原理框圖
圖5、本發(fā)明的放電電壓測量裝置原理框圖
圖6、本發(fā)明的光纖隔離電流測量裝置原理框圖
圖7、本發(fā)明的暫態(tài)電場測量裝置原理框圖
具體實(shí)施例方式下面，以具體實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明如圖I所示，本發(fā)明提出的長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，包括高速攝像裝置I、高速觸發(fā)器2、靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3、放電電壓測量裝置4、放電電流測量裝置5、暫態(tài)電場測量裝置6和高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7。高速觸發(fā)器2與高速攝像裝置I、靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3配合，高速攝像裝置I有二個(gè)輸出端，高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7與高速攝像裝置I、暫態(tài)電場測量裝置6、放電電流測量裝置5、放電電壓測量裝置4配連。其中，高速觸發(fā)器2接入放電電壓測量裝置4輸出的沖擊電壓波形信號，在接收到?jīng)_擊電壓波形信號產(chǎn)生觸發(fā)電平信號，高速攝像裝置I與計(jì)算機(jī)8配連或者與遠(yuǎn)程電腦控制終端配連，并同時(shí)與靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3的快門控制模塊17和高速攝像裝置I的觸發(fā)控制模塊連接，用于控制靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3和高速攝像裝置I進(jìn)入拍攝狀態(tài)；高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7與暫態(tài)電場測量裝置6的光探測模塊、放電電流測量裝置5的地面接收模塊、放電電壓測量裝置4的同軸電阻衰減器 22、高速攝像裝置I的信號輸出接口相連接，參見圖I、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。高速攝像裝置I包括光學(xué)模塊、(XD、電子快門控制模塊、存儲(chǔ)記錄模塊和計(jì)算機(jī)模塊，用于記錄長空氣間隙放電先導(dǎo)一流注體系形態(tài)變化過程的系列光學(xué)圖像，同時(shí)輸出曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號。所述的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7由高速寬帶數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)或上位機(jī)組成，用于記錄整套系統(tǒng)中其他裝置輸出的電學(xué)信號，進(jìn)一步利用所采集的光學(xué)信號?；诟咚贁z像裝置I內(nèi)部的曝光時(shí)鐘信號(簡稱ETC信號)、拍攝起始記錄信號 (簡稱Record信號)與電學(xué)信號的相對時(shí)間關(guān)系，高速攝像裝置I輸出曝光時(shí)鐘信號(簡稱ETC信號)、拍攝起始記錄信號(簡稱Record信號)，結(jié)合圖2所示高速攝像裝置I的曝光時(shí)鐘信號(簡稱ETC信號)和拍攝起始記錄信號(簡稱Record信號)示意圖，曝光時(shí)鐘信號(簡稱ETC信號)，ETC信號為周期性信號，其周期Λ T為拍攝速度的倒數(shù)，在ETC信號為高電平時(shí)，高速攝像裝置I的電子快門打開，照片持續(xù)曝光直至ETC信號變?yōu)榈碗娖健Ｅ臄z起始記錄信號(簡稱Record信號)上升沿對應(yīng)的時(shí)刻即為高速攝像裝置I開始記錄時(shí)刻。故第一幀照片的曝光時(shí)間即為Record信號上升沿時(shí)刻至其后ETC信號的第一個(gè)下降沿，如圖3中的ATi。其后照片的曝光時(shí)間均參考第一幀照片曝光結(jié)束時(shí)間Tl，以AT的整數(shù)倍類推，并由此得到各幀照片與Record信號的相對時(shí)間關(guān)系。同時(shí)，輸出Record信號觸發(fā)各類電學(xué)測量裝置，其中包括放電電壓測量裝置4、放電電流測量裝置5、暫態(tài)電場測量裝置6，得到電壓信號、電流信號以及電場信號與Record信號的相對應(yīng)的時(shí)間關(guān)系。在考慮和修正同軸電纜中信號的傳輸延遲后，最終可以得出各幀照片曝光時(shí)間與電學(xué)信號之間的時(shí)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)光學(xué)觀測系統(tǒng)與電學(xué)測量系統(tǒng)的高精度同步。本發(fā)明提出一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法，使用光學(xué)觀測系統(tǒng)與電學(xué)測量系統(tǒng)，其中，光學(xué)觀測系統(tǒng)包括靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3、高速攝像裝置1，電學(xué)測量系統(tǒng)包括電流測量裝置、電場測量裝置和電壓測量裝置，采用高速觸發(fā)器2觸發(fā)控制高速攝像裝置I和靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3拍攝照片，采用高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7采集所有電學(xué)信號，利用高速觸發(fā)器2同步觸發(fā)高速攝像裝置I和靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3，通過同軸電纜輸出高速攝像裝置I的曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號；曝光時(shí)鐘的英文譯為Exposure Time Clock, 縮寫ETC，拍攝起始記錄信號又稱為Record信號，其中，ETC信號用于表征拍攝各張照片的曝光時(shí)間，ETC信號為周期性信號，其周期為拍攝速度的倒數(shù)；在ETC信號為高電平時(shí)，高速攝攝像裝置I的電子快門打開，照片持續(xù)曝光直至ETC信號變?yōu)榈碗娖?，Record信號的上升沿對應(yīng)高速攝像裝置I開始記錄第一幀照片的時(shí)刻，第一幀照片的曝光時(shí)間即為Record 信號上升沿時(shí)刻至其后ETC信號的第一個(gè)下降沿，其后照片的曝光時(shí)間均參考第一幀照片曝光結(jié)束時(shí)刻，以AT的整數(shù)倍類推，并由此得到各幀照片與Record信號的相對時(shí)間關(guān)系； 本發(fā)明采用高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7，高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7采用多通道高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，用于高速同步觸發(fā)、采集和存儲(chǔ)信號，利用Record信號觸高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7，得到電壓信號、 電流信號以及電場信號與Record信號的相對時(shí)間關(guān)系,通過修正同軸電纜中信號的傳輸延遲后，最終得出各幀照片曝光時(shí)間與電學(xué)信號之間的時(shí)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)光學(xué)觀測系統(tǒng)與電學(xué)測量系統(tǒng)的高精度同步。本發(fā)明采用高速觸發(fā)器2產(chǎn)生觸發(fā)電平信號，通過與高速攝像裝置I和靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3相連接進(jìn)行傳輸，高速觸發(fā)器2產(chǎn)生觸發(fā)電平信號用于控制靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3和高速攝像裝置I進(jìn)入拍攝狀態(tài)。如圖3所示，高速觸發(fā)器2包括極性判別及轉(zhuǎn)換電路10、放大電路12、可調(diào)參考電平產(chǎn)生電路11、比較電路13和單穩(wěn)觸發(fā)電路14，極性判別及轉(zhuǎn)換電路10與放大電路12 相連接，放大電路12與比較電路13相連接，可調(diào)參考電平產(chǎn)生電路11與比較電路13相連接，比較電路13與單穩(wěn)觸發(fā)電路相14連接，高速觸發(fā)器用于接收沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生的沖擊電壓波，同時(shí)輸出其他裝置能夠識別的觸發(fā)信號。高速觸發(fā)器2中，由放電電壓測量裝置4輸出的沖擊電壓波形信號9，首先進(jìn)入極性判別及轉(zhuǎn)換電路10，若沖擊電壓波形信號9 為負(fù)極性，就進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，使負(fù)極性信號變成正極性信號，否則不進(jìn)行轉(zhuǎn)換，沖擊電壓波形信號9在放大電路12中放大，然后再比較電路13中與通過可調(diào)參考電平電路11設(shè)置的參考電平進(jìn)行比較，若信號大于參考電平則單穩(wěn)觸發(fā)電路14輸出持續(xù)時(shí)間為ms數(shù)量級的 +5VTTL 電平 15。如圖4所示，靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3包括靜態(tài)照相機(jī)16、快門控制模塊17和直流繼電器18，靜態(tài)照相機(jī)16與快門控制模塊17通過多芯電纜連接，快門控制模塊17與直流繼電器18連接，用于正交拍攝長空氣間隙放電通道的光學(xué)照片，圖像數(shù)據(jù)處理分析提取放電 3D通道。靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置3中，由高速觸發(fā)器2輸出的TTL電平信號19，控制直流繼電器18觸頭動(dòng)作，使快門控制模塊17動(dòng)作，快門控制模塊17使靜態(tài)照相機(jī)16處于長曝光狀態(tài)，最終獲取清晰的放電通道的靜態(tài)照片。如圖5所示，放電電流測量裝置5包括無感采樣電阻23、同軸電阻衰減器24、高電位采集模塊25、高低電位接收模塊26，無感采樣電阻23與同軸電阻衰減器24相連接，同軸電阻衰減器24與高電位采集模塊25通過同軸電纜相連接，高電位采集模塊25與低電位接收模塊26相連接，用于測量長空氣放電間隙中高電位電極上的暫態(tài)電流波形。放電電壓測量裝置4中，空氣間隙兩端電壓值通過阻容式分壓器20分壓，電壓波峰值降為數(shù)百伏特，再經(jīng)過雙層屏蔽同軸電纜21傳輸?shù)娇刂剖?，在電纜末端接同軸電阻衰減器22，控制電壓波峰值不超過高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置7的量程。阻容式分壓器20采用阻容式脈沖分壓器。如圖6所示，放電電流測量裝置5包括無感采樣電阻23、同軸電阻衰減器24、高電位采集模塊25、高低電位接收模塊26，無感采樣電阻23與同軸電阻衰減器24相連接，同軸電阻衰減器24與高電位采集模塊25通過同軸電纜相連接，高電位采集模塊25與低電位接收模塊26相連接，用于測量長空氣放電間隙中高電位電極上的暫態(tài)電流波形。在由光纖隔離的放電電流測量裝置5中，大功率無感采樣電阻23放置于空氣放電間隙高電位端，用于將放電過程中注入通道的電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，電壓信號經(jīng)過同軸電阻衰減器24衰減后， 進(jìn)入高電位采集模塊25，采集到的信號利用光電傳輸方式送達(dá)地面的低電位接收模塊26， 低電位接收模塊26輸出信號提供給高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄裝置7。無感采樣電阻23采用無感大功率電阻。如圖7所示，暫態(tài)電場測量裝置6包括激光器27、電場傳感器28和光探測器29， 激光器27與電場傳感器28通過保偏光纖連接，電場傳感器28與光探測器29通過保偏光纖連接，用于測量放電過程中空間某處暫態(tài)電場波形；電場傳感器28采用基于Pockels電光效應(yīng)的集成光波導(dǎo)瞬態(tài)電場傳感器。在暫態(tài)電場測量裝置6中，放電間隙空間電場的測量原理是激光器27發(fā)出一定功率的激光，通過保偏光纖傳送到電場傳感器28，激光在電場傳感器28中被一分為二，由于空間電場的作用，兩路激光產(chǎn)生偏差，兩路激光在光探測器29中進(jìn)行解調(diào)，輸出放電間隙空間暫態(tài)電場波形。
權(quán)利要求
1.一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法，使用光學(xué)觀測系統(tǒng)與電學(xué)測量系統(tǒng)，光學(xué)觀測系統(tǒng)包括靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置、高速攝像裝置，電學(xué)測量系統(tǒng)包括電流測量裝置、電場測量裝置和電壓測量裝置，其特征在于，采用高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置(7)采集所有電學(xué)信號，利用高速觸發(fā)器(2)同步觸發(fā)高速攝像裝置(I)和靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置(3)，通過同軸電纜輸出高速攝像裝置(I)的曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號；曝光時(shí)鐘的英文譯為Exposure Time Clock，縮寫ETC，拍攝起始記錄信號又稱為Record信號，其中，ETC信號用于表征拍攝各張照片的曝光時(shí)間，ETC信號為周期性信號，其周期為拍攝速度的倒數(shù)；在ETC信號為高電平時(shí)，高速攝攝像裝置(I)的電子快門打開，照片持續(xù)曝光直至ETC信號變?yōu)榈碗娖剑?Record信號的上升沿對應(yīng)高速攝像裝置(I)開始記錄第一幀照片的時(shí)刻，第一幀照片的曝光時(shí)間即為Record信號上升沿時(shí)刻至其后ETC信號的第一個(gè)下降沿，其后照片的曝光時(shí)間均參考第一幀照片曝光結(jié)束時(shí)刻，以AT的整數(shù)倍類推，并由此得到各幀照片與Record信號的相對時(shí)間關(guān)系；高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置(7)采用多通道高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，用于高速同步觸發(fā)、采集和存儲(chǔ)信號，利用Record信號觸發(fā)多通道高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，得到電壓信號、電流信號以及電場信號與Record信號的相對時(shí)間關(guān)系,通過修正同軸電纜中信號的傳輸延遲后，最終得出各幀照片曝光時(shí)間與電學(xué)信號之間的時(shí)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)光學(xué)觀測系統(tǒng)與電學(xué)測量系統(tǒng)的高精度同步。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法，其特征在于，高速觸發(fā)器(2)產(chǎn)生觸發(fā)電平信號，用于控制靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置(3)和高速攝像裝置(I)進(jìn)入拍攝狀態(tài)。
3.—種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，包括靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置、高速攝像裝置、其特征在于，采用了暫態(tài)電場測量裝置￠)、放電電流測量裝置(5)、放電電壓測量裝置(4)、高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置(7)和高速觸發(fā)器(2)，高速觸發(fā)器(2)與放電電壓測量裝置(4)連接，在接收到?jīng)_擊電壓波形信號后產(chǎn)生觸發(fā)電平信號，并與靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置(3)的快門控制模塊與高速攝像裝置(I)的觸發(fā)控制模塊連接；高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置(7)與暫態(tài)電場測量裝置出)的光探測模塊、放電電流測量裝置(5)的地面接收模塊、放電電壓測量裝置(4) 的同軸衰減器、高速攝像裝置(I)的信號輸出接口相連接；高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置(7)用于高速同步觸發(fā)采集下列信號高速攝像裝置(I)的曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號、暫態(tài)電場信號、放電電流信號、放電電壓信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，其特征在于，高速觸發(fā)器(2)包括極性判別及轉(zhuǎn)換電路(10)、放大電路(12)、可調(diào)參考電平產(chǎn)生電路(11)、 比較電路(13)和單穩(wěn)觸發(fā)電路(14)，放大電路(12)與比較電路(13)相連接，可調(diào)參考電平產(chǎn)生電路(11)與比較電路(13)相連接，比較電路(13)與單穩(wěn)觸發(fā)電路(14)相連接，高速觸發(fā)器(2)用于接收沖擊電壓發(fā)生器的觸發(fā)點(diǎn)火模塊產(chǎn)生的信號，同時(shí)輸出其他裝置能夠識別的觸發(fā)信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，其特征在于，靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置(3)包括靜態(tài)照相機(jī)(16)、快門控制模塊(17)和直流繼電器(18)，靜態(tài)照相機(jī)(16)與快門控制模塊(17)通過多芯電纜連接，快門控制模塊(17)與直流繼電器(18)連接，用于正交拍攝長空氣間隙放電通道的光學(xué)照片，圖像數(shù)據(jù)處理分析提取放電3D 通道。2
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，其特征在于，高速攝像裝置(I)包括光學(xué)模塊、(XD、電子快門控制模塊、存儲(chǔ)記錄模塊和計(jì)算機(jī)模塊，用于記錄長空氣間隙放電先導(dǎo)一流注體系形態(tài)變化過程的系列光學(xué)圖像，同時(shí)輸出曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，其特征在于，所述的暫態(tài)電場測量裝置(6)包括激光器(27)、電場傳感器(28)和光探測器(29)，激光器(27)與電場傳感器(28)通過保偏光纖連接，電場傳感器(28)與光探測器(29)通過保偏光纖連接，用于測量放電過程中空間某處暫態(tài)電場波形；電場傳感器(28)采用基于Pockels 電光效應(yīng)的集成光波導(dǎo)瞬態(tài)電場傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，其特征在于，放電電流測量裝置(5)包括無感采樣電阻(23)、同軸電阻衰減器(24)、高電位采集模塊(25)、 高低電位接收模塊(26)，無感采樣電阻(23)與同軸電阻衰減器(24)相連接，同軸電阻衰減器(24)與高電位采集模塊(25)通過同軸電纜相連接，高電位采集模塊(25)與低電位接收模塊(26)相連接，用于測量長空氣放電間隙中高電位電極上的暫態(tài)電流波形。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，其特征在于，放電電壓裝置包括阻容式分壓器(20)、屏蔽同軸電纜(21)、同軸電阻衰減器(22)，阻容式分壓器(20)與屏蔽同軸電纜(21)相連接，屏蔽同軸電纜(21)與同軸電阻衰減器(22)相連接，用于測量長空氣間隙施加電壓波形。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種長空氣間隙放電高精度同步觀測系統(tǒng)，其特征在于，所述的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置(7)由高速寬帶數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)或上位機(jī)組成，高速數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)或上位機(jī)通過主板插槽連接，用于記錄整套系統(tǒng)中其他裝置輸出的電學(xué)信號，進(jìn)一步利用所采集的光學(xué)信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種長空氣間隙放電高精度同步觀測方法及系統(tǒng)，其方法是使用光學(xué)觀測系統(tǒng)與電學(xué)測量系統(tǒng)，光學(xué)觀測系統(tǒng)包括靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置、高速攝像裝置，電學(xué)測量系統(tǒng)包括電流測量裝置、電場測量裝置和電壓測量裝置；用高速觸發(fā)器觸發(fā)控制高速攝像裝置和靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置拍攝照片，高速攝像機(jī)通過網(wǎng)線由計(jì)算機(jī)獲取照片；利用高速觸發(fā)器同步觸發(fā)高速攝像裝置和靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置，通過同軸電纜輸出高速攝像裝置的曝光時(shí)鐘信號和拍攝起始記錄信號；采用拍攝起始記錄信號觸發(fā)高速存儲(chǔ)記錄裝置記錄所有電學(xué)信號。其系統(tǒng)由靜態(tài)光學(xué)拍攝裝置、高速攝像裝置、暫態(tài)電場測量裝置、放電電流測量裝置、放電電壓測量裝置、高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置和高速觸發(fā)器組成。
文檔編號H04N5/235GK102608503SQ20121007008
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
發(fā)明者向念文, 謝施君, 谷山強(qiáng), 賀恒鑫, 陳家宏, 陳維江 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司