高浩予 任瀚文 李慶民 史昀禎 程思閎

適配光電子學空間電荷測量方法的彈光傳感器設計與測試驗證

高浩予 任瀚文 李慶民 史昀禎 程思閎

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206）

為支撐復雜應力環(huán)境下新能源電力系統(tǒng)裝備絕緣可靠設計與狀態(tài)評估，該文提出一種具備高時空分辨潛力的光電子學空間電荷測量方法，并構(gòu)建了光-電-機械電荷測量信號傳變轉(zhuǎn)換模型。模型分析指出，電荷受太赫茲脈沖電場擾動所產(chǎn)生的彈性波大小與平衡探測器所檢測光強差近似成正比。針對測量傳感器部分，結(jié)合分子動力學模擬，提出以SU-8膠為基體、羥基化石墨烯為摻雜分子的傳感器材料改性設計思路，并基于光刻工藝，完成了高可靠彈光傳感器的研制。進一步，搭建橢偏傳感探測系統(tǒng)對所研發(fā)傳感器開展了測試驗證。實驗表明，平衡探測器輸出電壓與傳統(tǒng)電聲脈沖壓電傳感模塊輸出量級一致，均為mV量級。同時，所研發(fā)彈光傳感器可實現(xiàn)kHz級重復彈性波與飛秒脈寬脈沖彈性波的追蹤測量，相較于壓電傳感模塊，測量波形光滑且無畸變，具備較高的測量可靠性，可應用于光學測量方法。

空間電荷 光彈性效應 橢圓偏振測量 彈光傳感器

0 引言

隨著人類社會的發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源短缺、環(huán)境污染嚴重等問題越發(fā)突出，加快構(gòu)建以可再生能源為主體的新能源電力系統(tǒng)，已經(jīng)成為行業(yè)共識[1-2]。電力電子變壓器等新能源電力系統(tǒng)裝備作為分布式與可再生能源電網(wǎng)的核心部件，面臨著大容量、緊湊型和高電壓等級的發(fā)展需求[3-4]。然而，電力電子技術的發(fā)展在縮小電氣裝備體積的同時，也對其絕緣性能提出了更高的要求[5]。相對于傳統(tǒng)電氣裝備，新能源電力系統(tǒng)裝備在實際運行過程中除承受一般的交、直流應力外，還要經(jīng)受高頻類正弦波和瞬態(tài)PWM開關脈沖等強電場特殊電應力的作用，運行條件更為惡劣[6-8]。

由于外部復雜應力直接作用，大量空間電荷積聚于裝備絕緣系統(tǒng)，將造成絕緣局部電場的嚴重畸變，進而直接導致系統(tǒng)的介電性能變化和放電現(xiàn)象發(fā)展，引起裝備絕緣失效[9-10]。目前，主要依據(jù)空間電荷無損測量技術，對絕緣材料空間電荷積聚及分布機理開展研究。相較于直流與工頻環(huán)境，高頻環(huán)境下電荷積聚研究較少，主要原因在于電荷測量技術時空分辨率的限制。0.5kHz高頻瞬變脈沖電應力和極性反轉(zhuǎn)條件下的測試研究表明，空間電荷可能在加壓和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間即在試樣中形成積聚，高測量速度已成為追蹤高頻環(huán)境下快速遷移電荷的必要基礎[11-12]。同時，探索性電荷仿真發(fā)現(xiàn)，1kHz高頻應力下正負極性內(nèi)部電荷會在試樣表面2μm范圍內(nèi)積聚，現(xiàn)有測量技術難以從界面感應電荷與空間電荷疊加態(tài)中提取空間電荷分布信息[13-14]。因此，發(fā)展高時空分辨空間電荷測量方法顯得尤為重要。

依據(jù)測量原理，現(xiàn)在主要形成了以壓力波脈沖為激勵的非光學測量技術，以及以激光為激勵的光學測量技術[15]。受壓力波脈沖脈寬限制，非光學測量技術測量空間分辨率僅能達到μm級別，同時，由于測試信號的信噪比較低，測量結(jié)果需進行上千次平均，測量時間僅能達到ms級別[16]。相比之下，受益于激光激勵的超窄脈寬，光學測量技術空間分辨率最高可達到100nm，但受靶電極材料限制難以進一步提高。并且，激光激勵雖然信號信噪比極高，可實現(xiàn)測量信號的單次獲取，但受電氣測量儀器性能限制，其探測系統(tǒng)帶寬僅為亞GHz級別，無法匹配更高空間分辨率測試所需的帶寬要求。同時，由于僅采用電容器件作為其傳感探測模塊與同步極化電路的安全隔離，當處于高頻瞬變脈沖環(huán)境中時，存在較大的設備擊穿和操作安全風險[17-18]。為進一步提升測量時空分辨率，有學者直接使用納秒激光作為激勵，但由于激光能量較高，光電場作用于空間電荷的同時，其自身光壓也會對傳感器測量結(jié)果造成影響，有效電荷信號的提取較為困難[19]。因此，盡管基于高頻率脈沖激光的激勵方式表現(xiàn)出高時空分辨率的潛在優(yōu)勢，但目前仍沒有一個完善的測量方法來解決該技術進一步發(fā)展所面臨的瓶頸問題，難以直接應用于高頻復雜脈沖應力環(huán)境下。

鑒于此，結(jié)合太赫茲脈沖電場窄脈寬高信噪比特性與橢偏測量原理，本文提出了一種基于光彈性效應的光電子學空間電荷測量方法，并構(gòu)建了電荷測量全過程光-電-機械多態(tài)信號傳變模型。針對測量系統(tǒng)關鍵傳感器，結(jié)合分子動力學模擬，提出了以SU-8光刻膠為基體、羥基功能化石墨烯為物理摻雜的光彈性材料改性設計方法，完成了高可靠彈光傳感器的研制。進一步，搭建橢偏傳感探測系統(tǒng)，對所研發(fā)的傳感器測量性能開展實驗驗證，并討論了測量誤差的主要誘因。本文工作可為高時空分辨率空間電荷快速測量技術的發(fā)展提供必要基礎。

1 光電子學空間電荷測量方法拓撲設計與理論建模

1.1 光電子學空間電荷測量方法拓撲設計

本文所提出光電子學空間電荷測量系統(tǒng)建立于傳感器光彈性效應及激光偏振態(tài)測量之上，其測量方法如圖1所示。本方法采用飛秒脈沖激光作為泵浦光。當飛秒激光穿過電光晶體時，基于光整流效應，將發(fā)生差頻振蕩，并向外輻射太赫茲脈沖。高阻硅片阻隔殘余飛秒脈沖泵浦光后，所生成太赫茲脈沖光電場分量將擾動被測試樣中積聚的空間電荷，使其發(fā)生微小位移，并產(chǎn)生包含電荷信息的擾動彈性波，最終傳導于彈光傳感器并被其接收響應。

圖1 光電子學空間電荷測量方法

采用氦氖連續(xù)激光作為探測光，經(jīng)由光學斬波器調(diào)制采樣后，入射彈光傳感器。當被測試樣中不存在空間電荷積聚時，太赫茲光電場作用下將不會有彈性波產(chǎn)生，傳感器仍保持各向同性，探測激光通過后偏振狀態(tài)不會受到影響，仍保持圓偏振態(tài)，因而，經(jīng)沃拉斯頓棱鏡分解產(chǎn)生的兩束激光光強相等，平衡探測器輸出為0；相反，當試樣內(nèi)部存在空間電荷積聚時，光電場作用將造成電荷擾動彈性波的產(chǎn)生，基于應力雙折射效應，傳感器折射率將實時響應外施擾動彈性波變化。當探測光通過時，其將由圓偏振態(tài)變?yōu)闄E圓偏振態(tài)，經(jīng)沃拉斯頓棱鏡分解產(chǎn)生的兩束激光光強將存在差異，且該光強差幅值與外施彈性波大小呈正相關關系。平衡探測器將捕捉此類光強變化，并與斬波器所采樣的參考信號比較，經(jīng)鎖相放大器降噪處理后，實現(xiàn)對外施電荷擾動彈性波的測量。經(jīng)后期恢復算法處理，獲得試樣中空間電荷分布狀態(tài)。

綜上所述，本文電荷測量系統(tǒng)方案核心設計思路為采用太赫茲脈沖電場作為激勵擾動絕緣介質(zhì)內(nèi)部空間電荷產(chǎn)生彈性波，并基于應力雙折射效應及橢圓偏振測量原理，采用氦氖激光實現(xiàn)彈性波的連續(xù)實時測量以反演恢復空間電荷分布。在電荷測量過程中，彈光傳感器是實現(xiàn)空間電荷高分辨快速探測的基礎，因此將是后文研究的重點。

1.2 光-電-機械多態(tài)信號傳變過程建模表征

如圖1所示，電荷測量過程中涉及飛秒脈沖激光-太赫茲脈沖電場—電荷彈性波—傳感器折射率—探測光偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換，光—電—機械測量信號傳變復雜。厘清各測量環(huán)節(jié)信號傳變機制，是實現(xiàn)空間電荷積聚與分布特性定量表征的基礎，因此，本節(jié)依次對各環(huán)節(jié)傳變機制及其數(shù)學建模方法進行了研究。

1.2.1 飛秒脈沖激光—太赫茲脈沖電場—電荷彈性波傳變機制及量化表征

式中，14為非線性光學極化率；為轉(zhuǎn)換系數(shù)；fs為飛秒脈沖泵浦激光光電場強度幅值[20]。

當所生成太赫茲脈沖垂直入射試樣表面時，其光電場分量將擾動試樣內(nèi)部空間電荷并產(chǎn)生彈性波，所產(chǎn)生彈性波傳遞至彈光取樣傳感器處并由其接收?；趶椥圆óa(chǎn)生傳播過程，構(gòu)建太赫茲脈沖電場與擾動電荷所產(chǎn)生彈性波傳變關系。在此之前，需進行一定的假設：①僅考慮彈性波傳播方向上的彈性波傳播與電荷積聚；②彈性波傳播過程中，不存在衰減與色散；③太赫茲脈沖電場分量僅對電荷起擾動的作用，不改變其分布；④試樣材料自身對太赫茲脈沖無吸收作用。

式中，()為材料內(nèi)的空間電荷密度。

電荷擾動產(chǎn)生的彈性波將在單方向上傳播，若傳播速度為，則在=處的彈性波分量為

令=，則空間電荷體密度()為

因此，代入式（1）整理可得，在太赫茲脈沖作用下，絕緣介質(zhì)空間電荷生成的彈性波表達式為

1.2.2 電荷彈性波—傳感器折射率傳變模型

電荷擾動彈性波的加載，將造成傳感器發(fā)生微小形變，進而導致折射率發(fā)生變化，該現(xiàn)象被稱為光彈性效應，又稱為應力雙折射效應。一般通過引入材料介電張量的倒數(shù)逆介電張量對該現(xiàn)象進行表征[21]。在的主軸坐標系下，可構(gòu)建逆介電張量與折射率關系（折射率橢球方程）為

式中，1、2和3分別為晶體的三個主軸取向；0為各向同性材料初始折射率。當材料受到應力作用時，彈光效應所引起的折射率橢球變化可表示為

進一步，引入應力壓光系數(shù)（光彈系數(shù)）張量將逆介電張量改變量?與應力相聯(lián)系，可以將其關系表示為

當應力波1沿1軸施加于傳感器時，折射率橢球方程可表示為

進一步，解得主軸折射率之間存在關系

由式（10）可得，在單向應力波作用下，傳感器主軸方向折射率均與外施應力存在對應關系，其折射率變化量主要受到材料應力壓光系數(shù)及應力大小影響。當探測光通過時，在其不同偏振方向上的傳播光程將隨主軸折射率的變化而發(fā)生改變，從而產(chǎn)生相位差，可表示為

由式（11）可得，光彈性效應所造成的探測光相位差變化與外施彈性波大小呈正相關，可通過對偏振光相位差進行測量實現(xiàn)對外施應力的測量。

1.2.3 探測光偏振狀態(tài)的傳變與檢測模型

結(jié)合本文所提出的橢圓偏振測量平臺設計方案，為實現(xiàn)偏振光相位差的測量，探測激光需依次經(jīng)過偏振片、傳感器、1/4波片及沃拉斯頓棱鏡，最終由平衡探測器實現(xiàn)光電信息轉(zhuǎn)換完成測量。探測光傳播過程中，傳感器及光學鏡組都將會對探測光偏振狀態(tài)產(chǎn)生影響。

使用Stokes矢量以表征探測光偏振態(tài)變化，本方案探測光為氦氖激光，為隨機偏振光，可表示為

式中，分別為不同偏振方向的偏振光強；0為總?cè)肷涔鈴姸?；L、R分別為左旋偏振光和右旋偏振光的光強。

使用Mueller矩陣描述系統(tǒng)方案中線性光學元件改變光波偏振狀態(tài)的能力。當探測光順序通過偏振片、傳感器、1/4波片及沃拉斯頓棱鏡時，其Mueller矩陣依次為pgb以及w，則出射光out與入射光in間關系可表示為

則偏振片Mueller矩陣p可表示為

式中，為偏振片與1/4波片快軸方向夾角。

在未受到彈性波作用時，傳感器呈各向同性，不會影響探測激光偏振狀態(tài)，其Mueller矩陣g可表示為1。

1/4波片的Mueller矩陣b可表示為

沃拉斯頓棱鏡可以將偏振光分成兩束正交的線偏振光再射出，其中符合折射定律的記為o光，光強為wo，不符合折射定律的記為e光，光強為we，其Mueller矩陣wo及we可表示為

綜上所述，基于式（13）出射光out與入射光in間關系，沃拉斯頓棱鏡出射o光及e光可分別表示為

進一步，計算獲得出射o光及e光的光強差為

如式（18）所示，可通過調(diào)節(jié)夾角至合適角度，使平衡探測器所探測初始光強差為0，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)零操作，以排除外界因素對測量的影響。當存在外施彈性波加載時，傳感器主軸方向折射率將發(fā)生變化。結(jié)合式（11）可知，探測光通過后將產(chǎn)生相位差，經(jīng)由1/4波片相位延遲，通過沃拉斯頓棱鏡后的兩束光的光強可分別表示為[22]

進一步地，可計算外施彈性波加載情況下，出射o光及e光光強差為

由式（20）可知，鑒于材料光彈系數(shù)等參量量級較小，可在一定區(qū)間內(nèi)認為平衡探測器所檢測光強差與作用于傳感器上應力近似成正比關系。因此，在太赫茲脈沖電場表達式確定的情況下，結(jié)合平衡探測器輸出結(jié)果，可通過測量獲得的電荷擾動彈性波波形反演恢復空間電荷分布情況。

2 高可靠彈光傳感器設計研發(fā)

上文中通過構(gòu)建測量信號全過程傳變表征模型，對所提出的空間電荷光學測量系統(tǒng)可行性從理論角度進行了論證，同時由式（20）可得，所探測光強差的大小受傳感器光彈系數(shù)等性能指標的直接影響。因此，設計研發(fā)高靈敏高可靠彈光傳感器，是實現(xiàn)電荷高分辨精準測量的必要基礎。

光彈系數(shù)是影響傳感器測量靈敏性的關鍵因素，屬于材料的本征屬性，用以表征外部應力作用與材料形變所導致折射率變化的比例關系，主要通過基體材料遴選加以調(diào)控。同時，鑒于高頻瞬變電應力下新能源電力系統(tǒng)裝備絕緣工作溫度區(qū)間一般為25～60℃，存在較大溫度跨度，因此，為開展實際工況下電荷積聚特性的研究，傳感器不同溫度下的力學性能穩(wěn)定也成為實現(xiàn)高可靠測量的前提條件。綜合上述考慮，本文擬從傳感器基體材料遴選出發(fā)，通過材料改性手段，研發(fā)高可靠彈光傳感器。

2.1 基體材料遴選與改性設計

SU-8光刻膠具有優(yōu)秀的機械、力學及光學性能，并且在表現(xiàn)出各向同性特性的同時，仍具備高透光性以及高彈光系數(shù)等特征，因而，本文擬選取其為傳感器基體材料，并以此開展改性設計，其分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SU-8光刻膠分子結(jié)構(gòu)

首先，參照圖2所示分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)建SU-8光刻膠分子模型，并對其開展能量與幾何最優(yōu)化處理，使其分子構(gòu)型更為合理。進一步，利用優(yōu)化模型開展交聯(lián)反應的模擬，在紫外曝光條件下，SU-8膠中所含的光致產(chǎn)酸劑三苯基硫鹽將發(fā)生光化學反應，產(chǎn)生光酸，光酸將作為催化劑，促使SU-8膠分子中的環(huán)氧基與其距離最近的反應活性部位上的Ｃ原子發(fā)生以鏈式增長為主的交聯(lián)反應，其交聯(lián)反應原理如圖3所示。

圖3 SU-8膠的交聯(lián)反應原理

對所構(gòu)建交聯(lián)SU-8膠模型力學性能開展模擬計算，并將所獲得結(jié)果與L. Dellmann等實驗測量所獲得結(jié)果進行比較，實驗測量與分子模擬所獲得彈性模量比較見表1[24-27]。通過對比發(fā)現(xiàn)，模擬獲得SU-8膠體系彈性模量與實驗獲得參數(shù)雖有一定誤差，但基本處于同一區(qū)間范圍之內(nèi)?？紤]到開展分子動力學模擬時所構(gòu)建模型受體系分子量的限制，并需預先假設所有粒子運動都遵循牛頓運動定律，故模擬和實驗結(jié)果之間存在一定程度的誤差是難以避免的。綜上所述，可認為本文所構(gòu)建交聯(lián)SU-8膠體系具備一定的等價性，同時所采用的分子動力學算法是有效可靠的，可基于所構(gòu)建模型，進一步開展改性設計。

表1 實驗測量與分子模擬所獲得彈性模量比較

Tab.1 Comparison of elastic moduli between experimental measurements and molecular simulations

鑒于單層石墨烯碳納米材料光在探測光波段光吸收率接近0，同時具備極好的導熱及熱穩(wěn)定性能，本文針對以石墨烯為摻雜分子的SU-8膠改性設計方案開展了仿真研究。首先，分別構(gòu)建單層石墨烯分子以及羥基功能化、羧基功能化以及氨基功能化三種改性石墨烯分子[28]，并將其與SU-8膠分子摻雜。基于交聯(lián)反應原理，對反應活性部位進行標記，分別構(gòu)建SU-8膠/石墨烯（SU-8/GR）、SU-8膠/羥基功能化石墨烯（SU-8/HFGR）、SU-8膠/羧基功能化石墨烯（SU-8/CFGR）以及SU-8膠/氨基功能化石墨烯（SU-8/AFGR）四種模型。其中，所構(gòu)建模型中石墨烯質(zhì)量百分比均設置在0.5%左右，以保證混合體系具備最佳的層間粘結(jié)強度與力學性能[29]。進而，在278～348K溫度區(qū)間內(nèi)，以10K為溫度間隔，針對各模型分別開展五組動力學模擬與力學性能計算，對所獲得各體系彈性模量和泊松比進行平均化處理，結(jié)果如圖4所示。

求取方均差，以評估不同溫度下所構(gòu)建體系力學性能穩(wěn)定性，結(jié)果見表2。

對比發(fā)現(xiàn)，SU-8膠及其復合體系彈性模量與泊松比均呈現(xiàn)隨溫度升高而下降的趨勢，同時，較未改性體系，SU-8膠/石墨烯復合體系力學穩(wěn)定性均有較大提升。其中，SU-8膠/羥基功能化石墨烯混合體系在278K～348K溫度區(qū)間內(nèi)，平均彈性模量為4.420 9GPa，方均差為0.146 6，平均泊松比為0.208 1，方均差為0.009 8，呈現(xiàn)了較好的熱穩(wěn)定性。究其原因，認為在交聯(lián)過程中，羥基功能基團與環(huán)氧基發(fā)生反應，造成環(huán)氧基開環(huán)，同時，開環(huán)后所生成的羥基進一步與環(huán)氧基反應，使石墨烯與SU-8膠之間形成更為緊密的鍵的聯(lián)系。因此，羥基功能化石墨烯的引入，可有效減少溫度上升對SU-8膠力學性能的影響，保持力學性能的穩(wěn)定。綜上所述，擬選用以SU-8膠為基體，羥基功能化石墨烯為摻雜分子的改性設計思路，作為傳感器的制備方案。

表2 不同溫度下SU-8膠復合體系力學性能穩(wěn)定性比較

Tab.2 Comparison of mechanical properties stability of SU-8 photoresist/graphene system

2.2 高可靠彈光傳感器研制

參考電聲脈沖測量系統(tǒng)所用聚偏氟乙烯（Polyvinglidene Fluoride, PVDF）傳感器尺寸，綜合考慮探測激光光斑面積，確定傳感器形狀為圓形，尺寸為10mm。進而，基于光刻工藝，研制彈光傳感器，如圖5所示，SU-8膠結(jié)構(gòu)層制備流程如下：

（1）熱氧化：取單晶硅片清洗處理后，放入馬弗爐中進行熱氧化，設定熱氧化溫度為1 100℃，時間為2h，在其表面形成一層致密SiO2。

（2）涂膠Ⅰ：將適量Omnicoat光刻膠滴附于硅片，控制勻膠機以950r/min旋轉(zhuǎn)30s，旋涂獲得Omnicoat犧牲層，進而，進行烘烤處理。

（3）涂膠Ⅱ：通過長時間超聲使羥基功能化石墨烯與SU-8光刻膠溶液混合均勻，將適量混合溶液滴附于犧牲層之上，控制勻膠機以500r/min旋轉(zhuǎn)30s，旋涂獲得改性SU-8膠層。

（4）曝光：設定紫外曝光功率為40mW/cm2，曝光時間為30s，調(diào)整掩膜版位置，實現(xiàn)圓形傳感器結(jié)構(gòu)圖形向SU-8膠層的轉(zhuǎn)移。

（5）顯影Ⅰ：采用SU-8專用顯影液進行顯影，獲得具有傳感器結(jié)構(gòu)的SU-8膠結(jié)構(gòu)層，顯影充分進行后，用去離子水將基片清洗并干燥處理。

（6）顯影Ⅱ：采用MF-319顯影液進行顯影，獲得具有傳感器結(jié)構(gòu)的Omnicoat犧牲層，顯影充分進行后，再次進行清洗、干燥以及硬烘處理。

（7）腐蝕釋放：將硅片放入專用去膠液中，腐蝕Omnicoat犧牲層，實現(xiàn)SU-8膠結(jié)構(gòu)層的釋放。

圖5 彈光傳感器制備流程

通過納米壓痕測試對所制備SU-8結(jié)構(gòu)層力學性能進行評估，測量得到其彈性模量為4.172 8GPa。同時，采用原子力顯微鏡對其表面粗糙度進行評估，觀測到其表面存在±20nm突起和凹陷，表面較為光滑。進一步，將SU-8膠結(jié)構(gòu)層與Si反射基底相結(jié)合，制備獲得彈光傳感器，如圖6所示。

圖6 彈光取樣傳感器實物圖

3 彈光傳感器測量性能評估驗證

3.1 橢偏傳感探測系統(tǒng)原理與搭建

本節(jié)進一步設計并搭建了橢偏傳感探測系統(tǒng)，擬從實驗角度對傳感器測量性能進行評估驗證，其測量原理與所提出光學電荷測量系統(tǒng)探測部分一致，如圖7所示。圖中紅色加粗線條表示激光的傳播路徑，所選的氦氖激光源工作波長為632.8nm；傳感器為自主設計彈光傳感器；平衡探測器與斬波器及鎖相放大器配合使用，對輸出信號進行降噪處理。

圖7 橢偏傳感探測系統(tǒng)

由于電荷測量過程中，空間電荷擾動彈性波的產(chǎn)生源于光電場擾動電荷時所產(chǎn)生的微小位移，因此，擬通過對試樣施加外部應力，使其發(fā)生微弱形變產(chǎn)生擾動彈性波，以模擬實際電荷擾動彈性波的產(chǎn)生與傳播。同時，鑒于電荷擾動彈性波波形特征主要受所施加激勵的影響，考慮到光電子學測量方法中選用太赫茲脈沖光電場為激勵，因而，電荷擾動彈性波也將呈現(xiàn)相似的kHz重復頻率、ps脈寬波形特征。因此，所搭建實驗平臺中，選用壓電促動器作為kHz級重復正弦彈性波輸入源，選用飛秒激光器作為fs脈寬脈沖彈性波輸入源，用以分別模擬空間電荷受擾動產(chǎn)生kHz頻率、fs脈寬彈性波的情景。進而，將橢偏傳感系統(tǒng)測量結(jié)果與傳統(tǒng)電聲脈沖測量系統(tǒng)壓電傳感模塊測量結(jié)果進行比對，以實現(xiàn)對所研發(fā)傳感器測量性能的評估驗證。

3.2 彈光傳感器測量性能實驗驗證

3.2.1 kHz重復正弦彈性波的追蹤測量

施加頻率分別為0.5～1kHz的正弦電壓于壓電促動器，使其輸出相應彈性波，平衡探測器輸出測量結(jié)果如圖8所示，圖中曲線代表施加kHz正弦彈性波下平衡探測器輸出電壓的變化情況。

圖8 kHz正弦彈性波下平衡探測器輸出結(jié)果

如圖8所示，平衡探測器輸出電壓波形與壓電促動器所施加彈性波有較高的一致性，呈現(xiàn)較好的正弦波形，且其輸出電壓頻率也與所施加彈性波頻率保持一致，但是，電壓輸出在0值與最大值處存在部分振蕩現(xiàn)象。分析認為，振蕩發(fā)生的主要原因是由于壓電促動器自身物理參數(shù)限制，當促動器外施驅(qū)動電壓在0值與最大值處時發(fā)生幅值增減方向變換時，其運動狀態(tài)難以隨電壓改變而發(fā)生突變，因而存在遲滯及漂移現(xiàn)象，導致其所輸出彈性波呈現(xiàn)振蕩[30-31]。在實際電荷測量過程中，鑒于太赫茲脈沖高信噪比特性，因而所產(chǎn)生電荷擾動彈性波振蕩較小，電荷彈性波源于光電場擾動電荷時所產(chǎn)生的微小位移，不會對傳感器探測結(jié)果造成過大影響。

3.2.2 飛秒脈寬脈沖彈性波的追蹤測量

控制飛秒脈沖激光源輸出400fs脈寬脈沖波，分別作用于彈光傳感器與電聲脈沖測量系統(tǒng)壓電傳感模塊，輸出測量結(jié)果如圖9所示。

圖9 飛秒脈寬脈沖彈性波下傳感器輸出結(jié)果

如圖9所示，彈光傳感器與壓電傳感模塊均可對外施飛秒脈沖彈性波響應，經(jīng)鎖相放大器處理后，平衡探測器輸出電壓幅值為mV量級，與壓電傳感模塊輸出信號量級相同。進一步比較發(fā)現(xiàn)，平衡探測器輸出與飛秒脈沖激光參考波形一致，光滑且無畸變發(fā)生，但由于現(xiàn)有平衡探測器帶寬無法滿足飛秒級脈沖光波的測量，同時，傳感器較厚，導致彈性波在其內(nèi)部傳播時間較長，造成測量結(jié)果發(fā)生了一定展寬。壓電傳感模塊雖由于其1μm傳感器厚度優(yōu)勢，輸出波形展寬程度較小，但波形發(fā)生了一定畸變，存在較大的過沖與振蕩。分析認為，在壓電傳感模塊中，由壓電傳感器電容與信號放大器電感所組成的濾波電路是造成輸出波形發(fā)生過沖與振蕩的主要原因[32]，現(xiàn)主要通過恢復算法進行后期處理。相反，橢偏測量平臺采用全光路設計，電氣連接較少，有效地減少了電氣量對測量結(jié)果的影響，且探測激光信噪比較高。因而，與壓電傳感模塊相比，平衡探測器輸出與飛秒脈沖激光器的參考波形一致性更高，且不存在過沖與振蕩。在實際電荷測量過程中，鑒于激勵為ps脈寬量級，且可通過控制涂膠過程中溶液濃度、旋轉(zhuǎn)速度及時間，實現(xiàn)更薄的彈光傳感器制備，有效減少波形展寬對測量結(jié)果的影響。

綜上所述，所研發(fā)彈光取樣傳感器，可實現(xiàn)kHz級重復彈性波與fs脈寬脈沖彈性波的追蹤測量，相較于電聲脈沖所用壓電傳感模塊，測量波形光滑且無畸變，具備較高可靠性，可應用于光學測量方法。

4 結(jié)論

1）結(jié)合太赫茲脈沖窄脈寬高信噪比特性與橢圓偏振測量原理，本文提出了一種基于光彈性效應的光電子學空間電荷測量方法，并構(gòu)建了光—電—機械測量信號傳變表征模型。模型分析指出，空間電荷受太赫茲脈沖電場擾動所產(chǎn)生的彈性波與平衡探測器檢測的光強差近似成正比，從理論層面驗證了方案可行性。

2）針對測量系統(tǒng)關鍵傳感器部分，基于分子動力學模擬，提出了以SU-8光刻膠為基體、羥基功能化石墨烯為摻雜分子的傳感器材料改性設計方法。仿真發(fā)現(xiàn)，復合體系彈性模量與泊松比呈現(xiàn)隨溫度升高而下降趨勢，同時，較未改性體系，其力學穩(wěn)定性有較大提升，平均彈性模量為4.420 9GPa，方均差為0.146 6，平均泊松比為0.208 1，方均差為0.009 8。進一步地，基于光刻工藝，完成了高可靠彈光傳感器制備研發(fā)。

3）基于所提出光學測量方法，設計并搭建橢偏傳感探測系統(tǒng)，對傳感器測量性能進行了實驗驗證。實驗發(fā)現(xiàn)，在使用鎖相放大器的情況下，平衡探測器輸出電壓幅值為mV量級，與傳統(tǒng)電聲脈沖壓電傳感模塊輸出信號量級相同。同時，所研發(fā)彈光傳感器可實現(xiàn)kHz級重復彈性波與fs脈寬脈沖彈性波的追蹤測量，相較于電聲脈沖所用壓電傳感模塊，測量波形光滑且無畸變，但受限于平衡探測器帶寬與傳感器厚度，測量結(jié)果發(fā)生了一定展寬。

4）鑒于太赫茲脈沖脈寬僅為ps級別且能量較飛秒激光稍弱，并且探測系統(tǒng)由多種電學、光學元器件組成，測量過程中信號傳播與轉(zhuǎn)換過程復雜，在實際電荷測量過程中仍有諸多問題需要解決。為基于所提出光電子學方法開展空間電荷測量，仍需針對高功率太赫茲激勵發(fā)生、激勵與極化電場可靠加載、百納米厚度光彈性材料制備、電荷信息反演恢復等關鍵技術開展更深層次的探索。

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Design and Measurement Verification of Elasto-Optical Sensor Adapted to Space Charge Measurement Method Based on Optoelectronics

Gao Haoyu Ren Hanwen Li Qingmin Shi Yunzhen Cheng Sihong

（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China）

The alternative electrical power system equipment such as power electronic transformer is the core component of the distributed and renewable energy grid, facing the development needs to large capacity, compact and high voltage level. However, the development of power electronics technology reduces the size of electrical equipment, but also puts higher requirements on its insulation performance. Compared to the traditional electrical equipment, due to the direct exposure to the high frequency class sine wave, transient PWM switching pulse and other strong field special electrical stress, the operating condition of the alternative electrical power system equipment is worse.

To support the reliable insulation design and state evaluation of alternative electrical power system equipment under the complex transient stress, based on the narrow pulse width and high signal-to-noise ratio characteristics of terahertz wave and the principle of the ellipsometry detection method, a space charge measurement method with high spatial and temporal resolution is proposed, and the transmission model of photo-electro-mechanical charge measurement signal is constructed. The model analysis points out that the space charge elastic wave generated by the perturbation of the electric field is approximately proportional to the light intensity difference detected by the balanced detector. Combined with the terahertz photoelectric field characterization model, it is feasible to recover space charge distribution by measuring the light intensity difference. The related work verified the feasibility of the proposed method from the theoretical level.

Aiming to the key sensing detection part of the measurement system, based on molecular dynamics simulation, the design and modification of the elasto-optical sensor substrate material are carried out. Meanwhile, the modified design idea of sensor material based on SU-8 photoresist and hydroxylated functionalized graphene is proposed. The simulation results point out that the elastic modulus and Poisson's ratio of the SU-8/HFGR composite system shows a decreasing trend with the increase of temperature. Compared with the unmodified system, the mechanical stability of the composite system is improved. The average elastic modulus of the composite system is 4.420 9 GPa with a mean squared error of 0.146 6, and the average Poisson's ratio is 0.208 1 with a mean squared error of 0.009 8. Further, based on the photolithography principle, the highly reliable elasto-optical sensor is prepared.

Further, based on the proposed optical measurement method, an ellipsometry measurement platform is designed and built. Since the charge perturbation elastic wave presents kHz repetition frequency and picosecond pulse width waveform characteristics, the piezoelectric actuator is selected as the kHz level repetition sinusoidal elastic wave input source, and the femtosecond laser is selected as the femtosecond pulse width pulsed elastic wave input source, so as to respectively simulate the space charge perturbed to produce kHz frequency and fs pulse width elastic wave scenarios. Then, the measurement results of the ellipsometry measurement platform are compared with the piezoelectric sensing module of the conventional electroacoustic pulse measurement system to verify the measurement performance of the developed sensor. The experimental results shows that the output voltage of the balanced detector is mV level, which is consistent with the traditional PEA piezoelectric sensor module. At the same time, the sensor could be used in optical measurement with high reliability to catch the kHz repeated elastic waves and fs pulse width elastic waves. Compared with the piezoelectric sensor module, the measurement waveform of the elasto-optical sensor is smoother and less distortion.

Space charge, photo-elastic effect, ellipsometric measurement, elasto-optical sensor

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221189

TM93

國家自然科學基金（52127812，51737005，51929701）和中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（2022MS007）資助項目。

2022-06-21

2022-10-27

高浩予 男，1997年生，博士研究生，研究方向為固體電介質(zhì)空間電荷測量技術。E-mail：hygaoeee@163.com

任瀚文 男，1994年生，講師，研究方向為高電壓與絕緣技術。E-mail：rhwncepu@ncepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）