介质阻挡放电光电检测装置研究

张鼎衢，肖勇，胡嘉，孟庆亮，宋强，潘峰

（广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080）

介质阻挡放电光电检测装置研究

张鼎衢，肖勇，胡嘉，孟庆亮，宋强，潘峰

（广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080）

采用光电倍增管（PMT）研制一种探测介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）微弱光信号的光电检测装置。根据DBD微弱光信号的特点，进行光电检测装置设计，通过光纤排、光电转换电路、示波器放大并采集微弱光信号。使用新装置进行大气压下DBD的检测试验，验证该新型装置较传统的DBD检测装置具有灵敏度高、响应速度快、可有效区分放电与干扰信号、可同时采集多点信号等特点，为DBD的试验研究提供可靠的探测方法。

介质阻挡放电；光电转换；光电倍增管；微弱光信号

1 检测原理

介质阻挡放电是一种在放电气隙空间中至少插入一块绝缘介质的气体放电。大气压空气中的介质阻挡放电主要为丝状放电，单根电流丝的直径约100μm，电流密度0.1～1 kA/cm2，输运能量μJ级[10]，它们贯穿于放电极板之间，形成微放电通道。这些独立的微放电在时空中随机分布在介质表面，每个微放电都代表一次流光击穿，持续时间几十纳秒。这些微放电发出nW量级的微弱紫外光，主波长约为340～400nm[11]，均匀、散漫且稳定。

光电倍增管是一种具有高增益的真空光电转换器件，其增益高达105～108，非常适合用于探测微弱光信号[12]。

针对微弱光信号的特点，采用光纤排及光电转换电路采集放电区域光电流的方法，称为多路光信号探测法。放电空间中不同区域的微弱光信号经紫外光纤排引入PMT转化为电信号，再经过信号处理电路连接示波器。每路对应一个微放电通道，获得的多路光电流波形为研究DBD相邻微放电通道间相互作用提供了可靠依据。

2 系统整体结构与理论分析

系统由DBD发生装置、光纤排、光电转换、信号处理电路组成，原理图如图1所示。

图1 检测系统原理图

DBD发生装置由电源、腔体、两个放电极板和电介质玻璃板组成（如图2所示）。绝缘介质覆盖在其中一个放电极板上，用于产生大气压中稳定的介质阻挡放电；在放电过程中，介质阻挡了气隙空间中的放电通道，介质表面累积大量电荷，这些表面电荷形成的电场抑制了气隙电场的增长，进而抑制电弧的产生[13]。

光纤排将微弱光信号传输到信号采集系统。光在光纤中的传输满足下式：

式中：θ——入射角；

θ0——临界入射角；

n1——内芯的折射率；

n2——包层的折射率。

图2 DBD发生装置

由折射定理可知，当θ＜arcsinNA时（NA为数值孔径），光线因在光纤内部发生全反射而不会消失。传播损耗与纤芯材料的吸收、散射等有关，这种损耗非常小，可忽略不计。

受数值孔径的影响，光纤的探测区域呈辐射状且满足下式：

式中：l——探测区域到光纤端面的距离；

d——圆形探测区域的直径；

θ——数值孔径角。

光电转换主要由光电转换器件组成，相比APD和PIN光电二极管，PMT高增益的特点使其更适合于探测DBD的微弱光信号。其工作原理为：入射光经PMT光电阴极产生一次光电子，形成阴极电流（IK），一次光电子经倍增级多级倍增后产生大量的二次电子，最后汇聚于阳极形成阳极电流（IA），阳极电流与阴极电流的比值为电流增益Gm：

光电倍增管一般处于直流或脉冲工作的状态下，针对输出的光电流信号可以通过负载电阻进行电流-电压转换；但负载电阻并不是越大越好，负载过大会影响PMT的时间特性和传输特性，如下式所示：

式中：RL——负载；

Cs——PMT阳极和其他电极间、PMT与最末倍增极间的电容以及杂散电容的总和。

上限截止频率为

可见，PMT外围电路的响应频率会受到负载电阻的限制，负载电阻过大时，受上线截止频率的限制，容易使阳极输出电压脉冲堆积，导致PMT输出非线性。

DBD产生的脉冲信号主要为高频信号，负载电阻通常为100kΩ～1MΩ，该电阻很难与线路波阻抗匹配，如下式所示：

式中：ZC——线路的波阻抗；

Z2——末端阻抗。

信号在线路的始端和末端会发生多次反射，这些反射信号与原信号叠加后输出，使输出信号畸变。

为解决以上问题，本文提出大负载接电压跟随器匹配的信号处理电路，如图3所示。

图3 大负载接电压跟随器匹配电路

电路中电压跟随器的输入阻抗高，输出阻抗低，隔离了负载与电缆，既可以实现末端电缆匹配，又可以放大微弱光电流信号。

3 系统结构设计

3.1 光纤排

光纤排由多根光纤（南京迪多科技特种紫外光纤）、金属探头和调整支架构成。其中，光纤的芯径为200μm，属于特种紫外光纤，数值孔径为0.22。按照需求选用8根光纤制排，光纤排的一端集合成直径8mm的金属探头，每根光纤的间距为150μm，金属探头用于接收光信号；每根光纤的另一端制成直径3mm、长度10mm的金属头，这些金属头通过固定原件连接至光电倍增管的阴极入射窗口。根据式（2）可知，光纤排可测的两点间距为350～2450μm。为了方便探测不同区域的光信号，设计调整支架，该支架可以实现上下40mm、左右1 cm的微调。

3.2 光电转换

针对DBD微弱紫外光信号，选用R212UH（滨松）光电倍增管，其光谱响应范围为185～650nm，最大响应波长340nm，阳极脉冲上升时间2.2 ns，电子渡越时间22ns，增益107。可见，该PMT具有极高的增益并能够快速地响应光信号。通过此PMT，可将DBD的微弱光信号转换为脉冲幅值为1～10μA，脉冲宽度为ns级的光电流输出。

光电倍增管作为检测微弱光信号的器件，若直接与可见光接触，会受到背景辐射光和空间磁场等外界因素的干扰，严重影响测量结果[14]。因此，为了削弱这些噪声的影响，设计PMT管屏蔽罩（见图4）。该屏蔽罩由坡莫合金制成，分上罩与底座两部分，屏蔽罩内外都涂有黑色绝缘漆，达到了屏蔽磁场和背景辐射光的目的。

图4 PMT屏蔽罩

3.3 信号处理电路

信号处理电路不仅需要将PMT输出的微弱光电流信号转换为可供示波器接受的电压信号，还要保证电压转换速度能够跟上介质阻挡放电光电流的变化速度。最后将电压信号传输到示波器（Tektronix MOS3034）中观测。设计原理图如图5所示。

图5 PMT外围电路原理图

CC238及其控制电路用于控制PMT增益，信号处理电路将光电流信号转换为电压信号并放大，供示波器显示。具体电路及参数如图6所示。

电路采用大负载加电压跟随器匹配同轴电缆输出，既可以放大微弱信号，又可以避免反射信号的干扰。其中：限流电阻（R1）保证OPA2350输入电流I＜500mA；耦合电容（C）隔直通交，可保护后续电路；去耦电容（C11、C12）去除纹波干扰，可改善电源的高频特性；补偿电容（C1）为电路增加新极点，拉大主极点与其他极点的间距，改变电路的相频响应，破坏了自激振荡的条件；可调负载电阻RL范围为10～100kΩ。因此该电路的电压输出信号为0.5～2V。

4 实验

实验用6根光纤探测不同负载时大气压DBD锥形极板锥尖处的光信号，外加电压为10 kV，频率为10 kHz，气隙间距为1mm，得不同负载时脉冲宽度，如表1所示。

图6 PMT外围电路

表1 不同负载电阻时的脉冲宽度

可见，信号的脉冲宽度随负载成正比变化，为了避免多次放电时信号重叠，选择负载为20 kΩ，干扰信号的脉宽为ns级，因此4.8μs的脉冲即为放电信号。图7为示波器采集的波形，上方（CH1）为放电电流波形，下方（CH2）为光电流波形。

可见，当放电较弱时（图7（a）），光电流可以体现放电的发生，放电电流无法完全体现；放电较强时（图7（b）），放电电流与干扰信号叠加，无法区分，而光电流由于存在4.8μs的脉宽可以区分干扰，这充分体现了新型检测装置的优越性和可靠性。

5 结束语

研究基于PMT的光电检测装置，针对DBD微弱紫外光信号设计、分析与制作。装置具有ns级的响应速度，可将nW级、波长为340～400 nm的微弱紫外光信号放大为0.5～2V的电信号；最小探测值为200μm（直径），可同时多路采集最小间距为350μm的多个点光源进行对比研究，通过调整支架和光纤排可灵活采集不同区域的光信号；选择不同的负载，根据负载对应的信号脉宽区分干扰信号；通过实验可知，该新型装置有更好的优越性和可靠性。

图7 放电电流与光电流波形

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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文章编号：1674-5124（2015）06-0076-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.018

0 引言

介质阻挡放电（DBD）是产生大气压非平衡态等离子体的一种可靠、经济的方法，适于常压或加压条件下的工业应用[1]。DBD逐渐成为研究等离子体科学的热点之一。目前DBD的探测技术主要分为以下两类：1）电信号探测法，文献[2-6]在不同的实验条件下用李萨如图评判了DBD的均匀性，用电流电压波形评判了放电的周期特性，该方法操作简单，但是只能从时间上评判DBD的均匀性，探测回路容易受到空间磁场的干扰；2）光信号探测法，通过发射光谱法、光电流测量和照片拍摄分析等研究放电的光谱特性和光电流特性，文献[7-9]运用了放电照片和数值模拟等方法，这些方法有利于直观地分析放电斑图，但是目前相机的曝光时间无法达到采集几十纳秒的单次微放电的要求，导致放电斑图为多次放电叠加的结果，难以分析单次微放电的特性。因此，迫切需要一种高灵敏度、抗干扰能力强、能够在时空上同时研究DBD单次微放电特性的技术，作为评判DBD均匀性的依据。基于此，本文提出采用多路光信号探测的方法，研究一种基于光电倍增管（PMT）能够多路同时采集DBD放电微弱光信号的检测系统。

2014-09-21；

2014-12-16

国家自然科学基金（50877033）

张鼎衢（1987-），男，内蒙古巴彦淖尔市人，工程师，硕士，主要从事电能计量及相关领域研究工作。