CN103197181B - 一种屏蔽电极模型组件及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种屏蔽电极模型组件及其应用，属于计量基标准测试领域。所述屏蔽电极模型组件包括屏蔽主体(201)、铜管(202)、适配器(203)、同轴插座(204)、工程塑料管(205)、连接导线(206)以及导向环(207)；所述屏蔽主体(201)为圆筒状结构，在其侧壁上开有与其轴线垂直的孔，该孔使屏蔽主体(201)的内孔与外界连通；所述铜管(202)的下端插入该孔内，其上端插入所述适配器(205)的下端；在适配器(205)与屏蔽主体(201)之间的铜管(202)的外壁上包裹有工程塑料管(205)；在所述屏蔽主体(201)的两端的外表面上分别安装有一个导向环(207)。

Description

一种屏蔽电极模型组件及其应用

技术领域

本发明属于计量基标准测试领域，具体涉及一种屏蔽电极模型组件及其应用，实心电补偿辅助电极是用于传统电学交流阻抗最高基准——计算电容基准最大不确定度来源的端部效应误差的补偿，本发明用于对该实心电补偿辅助电极进行测试。

背景技术

电容是基本电磁参量之一，涉及能源、材料等众多领域的需求。计算电容是唯一在经典电动力学领域内达到10^-8水平的计量基准。它与量子霍尔电阻基准结合测量精细结构常数，对国际单位制的重新定义有重大意义。在计算电容的基础上可进一步建立高精度交流阻抗溯源体系，对整个电磁计量的发展有引领作用，也可为长度、压力计量中的高端研究提供帮助。

计算电容器是以Thompson-Lampard静电学定理为基础，其二维电场中的电容(或单位长度上的电容)与尺寸无关，一般与形状也关系不大，其电容量如式(1)所示只需测量轴向长度L即可，也就是说可以溯源到不确定度达到10^-11的长度基准上：

$C=L\·C_0=L\·{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_0\ln \frac{2}{\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

在真空中，常数C₀≈ε₀/ln(2/π)≈2pF/m。这说明，单位长度上的电容是仅与ε₀有关的常数，约为2pF/m。从这个关系可知道，如果安排0.5m的轴向长度，那么可以获得0.5pF的电容。这是计算电容的一个重要优点，电容量值仅与长度有关。此外，单位长度上的电容与二维电场的尺寸无关，一般与形状关系不大，对上述常数C₀的影响是二阶的。

目前，计算电容的实际装置分为两种，即卧式静止型和立式可动屏蔽型。两种结构均是用四根几乎相碰又彼此绝缘的金属圆柱(称为主电极，如图1所示的ii)组成一组电容，其外围包有一个接地金属屏蔽壳(如图1所示的i)；而两者的差别在于前者是水平卧式结构，是通过理论计算电容器的固定长度L得到最终的电容量值；而后者则是立式结构(如图1所示)，同时还在电容器的中轴线插入上下各一根电极，所有这些部件都处于真空中。下电极固定不动，称为固定屏蔽电极(如图1所示的iv)，而上电极可以移动，则称为可动屏蔽电极(所图1所示的iii)。当可动屏蔽电极从初始位置沿轴向方向移动至最终位置时，将会有一个ΔL的位移量，接着用激光干涉仪来准确测量ΔL，最后按照公式(1)即可得到计算电容值。目前，世界上只有中国的计算电容基准采用前者的结构，其测量不确定度为1×10^-7；而后者则有澳大利亚、美国、英国及法国四家国家级计量院所采用，但是这些装置的不确定度均在10^-8量级，其中美国NIST水平最高，达到了2×10^-8。

国际上主要发达国家计量院近年来纷纷进行新型立式计算电容装置的深入研究，中国计量科学研究院也与澳大利亚计量院(NMIA)进行合作，于2007年1月开始了《精细结构常数测量关键技术及电容基准的研究》课题，采用不同于国外普遍采用的机械补偿法的电补偿法，通过与澳大利亚计量院的部分合作，在绝大部分部件国产化的基础上，建立的立式可动屏蔽电极的第二代计算电容装置(如图1所示)。

在新一代立式结构计算电容装置中，位于其中轴线方向的上电极(即可动屏蔽电极)端部附近的电场与远离端部的无畸变电场是不一样的，这部分畸变电场不是二维场，它的计算不服从于Thompson-Lampard原理。经过大量的试验验证，当主电极系统处于理想的严格平行状态时，可采用将可动屏蔽电极移动前后两次测量的电容值相减的方法来消除其端部的影响(固定屏蔽电极也有同样的问题，它附近也不是二维场，但也能够通过两次相减消除影响)。

不过，如果可动屏蔽电极移动前后的两个位置上，四根主电极内部空间不一致，例如由于不平行所造成的极间距离的不一致，那么这种相减是不能完全消除影响(指可动屏蔽电极)。这种由移动电极端部和主电极不平行联合造成的影响，称为端部效应。经过大量试验验证，这种端部效应引入的误差是立式计算电容最大的不确定度来源之一，可达10^-7量级。

为了降低端部效应引入的误差，国际上通常采用的是机械补偿法，即在上电极(可动屏蔽电极)和下电极(固定屏蔽电极)相对的各自末端安装一个直径较小的被称为改良型钉子头(Nosepiece)圆柱体，根据美国NIST的实践，在四根电极围成的二维电场轴向不平行度小于100nm的情况下，这个装置基本补偿了由端部效应引入的部分误差，整体不确定度达到了2×10^-8，也是目前国际上的最小不确定度(中国计量科学研究院与NMIA合作的新一代立式计算电容是以改良型钉子头原型的结构设计)。从给出的不确定度列表中可知，几何不完善(Geometricalimperfectionsinthecalculablec4acitor)是最大的不确定度因素，达到1.5×10^-8，大于其他的因数，占综合不确定度1.9×10^-8的四分之三。几何不完善因素是采用改良型钉子头补偿后还剩下的部分，端部效应仍旧是主要的问题，说明其还是最大不确定项。

同时，这种机械补偿方法存在钉子头调整困难、不可逆以及实验繁琐等一些问题，而且国际上所有的立式计算电容都采用的相似的改良型钉子头机械补偿法，如果该方法存在系统误差，那么对整个基准的最终不确定度评估有着相当大的负面影响。所以，需要研究一种与钉子头补偿不同的方法来补偿端部效应误差，以及一种测试装置及方法对新型电极进行测试。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，克服机械补偿法中的钉子头调整困难、不可逆以及实验繁琐等缺点，提供一种屏蔽电极模型组件及其应用，用于实现对实心电补偿辅助电极的测试，所述实心电补偿辅助电极补偿立式计算电容最大误差来源之一的端部效应误差。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种屏蔽电极模型组件，用于实现对实心电补偿辅助电极的测试；所述实心电补偿辅助电极包括有源电极I、过渡电极II、聚四氟乙烯导环III以及香蕉插头V；所述香蕉插头V的一端插入有源电极I内，所述有源电极I安装在所述过渡电极II内；所述有源电极I通过光学级胶水涂层IV与过渡电极II和聚四氟乙烯导环III粘接在一起；所述过渡电极包括依次连接的第一圆柱体、截顶圆锥体和第二圆柱体；在所述过渡电极内开有与其具有同轴线的阶梯通孔，包括直径依次增大的小孔、中孔和大孔；在所述大孔的内壁开有内螺纹；

所述屏蔽电极模型组件包括屏蔽主体201、铜管202、适配器203、同轴插座204、工程塑料管205、连接导线206以及导向环207；

所述屏蔽主体201为圆筒状结构，在其侧壁上开有与其轴线垂直的孔，该孔使屏蔽主体201的内孔与外界连通；所述铜管202的下端插入该孔内，其上端插入所述适配器203的下端；在适配器203与屏蔽主体201之间的铜管202的外壁上包裹有工程塑料管205；在所述屏蔽主体201的两端的外表面上分别安装有一个导向环207。

所述同轴插座204安装在所述适配器203的上端；所述连接导线206的上端与所述同轴插座204的下端焊接在一起，其末端穿过铜管202以及屏蔽主体201的中孔后，与香蕉插头V焊接，实现有源电极I与同轴插座204的芯端(即中心芯针)的电气连接；

所述屏蔽主体201的一端插入所述实心电补偿辅助电极的过渡电极大孔内，并通过螺纹与过渡电极拧紧固定在一起，实现两者的电气连接。

所述屏蔽主体201与铜管202通过焊接固定在一起，再使用工程塑料管205紧紧包裹在铜管202外侧；同轴插座204先与连接导线206的一端使用焊锡软焊接在一起，然后与适配器203上的内螺孔拧紧固定。

屏蔽主体201、铜管202及适配器203通过焊接实现三者间的电气连接，通过适配器203的外壳接至地电位，进而过渡电极II为地电位。

所述铜管202和适配器203是由同一种材料制作而成的；材料采用黄铜或者紫铜。

所述工程塑料管205的内径与铜管202紧配合。

所述导向环207的材料是聚四氟乙烯。

所述连接导线206采用的是全铜铜芯和包裹在全铜铜芯外的聚四氟乙烯外皮制作而成。

所述屏蔽电极模型组件位于立式计算电容的四根不锈钢圆柱主电极的中轴线上，那么使用工程塑料管205包裹铜管202，并且从其相邻的两根不锈钢圆柱主电极中间缝隙处伸出，从而避免了铜管202与两根相邻主电极的电气接触，起到电气绝缘作用；

在屏蔽主体201的两端的外表面上均安装有一个导向环207，屏蔽电极模型组件在模型试验中的沿四根主电极中轴线方向左右移动时(中轴线是水平的，中轴线与四根主电极全部相互平行)，使用导向环207能够使其整体与四根主电极电气绝缘，同时起到保护其表面避免划伤。

一种利用所述屏蔽电极模型组件测试实心电补偿辅助电极补偿效果的模型实验方法，包括如下步骤：

步骤1：在立式计算电容的四根主电极的同一位置缠绕相同厚度及相同宽度的铜箔3，以模拟相对主电极间的极间距变化；将一根主电极A接到电容电桥5的高电位端(HI)；另一根与主电极A相对的主电极C接到电容电桥的指零端(DE)；另外两根与主电极A相邻的主电极B和主电极D均接地电位进行屏蔽保护；

步骤2：在屏蔽电极模型组件中的屏蔽主体201的一端安装实心电补偿辅助电极1，另一末端加装一个改良型钉子头(NP)2，实现实心电补偿辅助电极的过渡电极、屏蔽主体以及改良型钉子头三者的电气连接；然后将其放置在四根主电极的中轴线位置，接有实心电补偿辅助电极1的一端正对铜箔内部，接有改良型钉子头2的另一末端则正对铜箔外部(即实心电补偿辅助电极靠近铜箔，改良型钉子头远离铜箔)，在整个试验中，实心电补偿辅助电极会经历进入铜箔内部和远离铜箔的过程，而改良型钉子头则一直不会进入铜箔内部，同时该末端不进入铜箔内部，只在远离铜箔的外侧移动；

步骤3：将商用五盘感应分压器(IVD)6的输入端(IN)与电容电桥5的高电位端(HI)相连接；然后将实心电补偿辅助电极的有源电极I通过香蕉插头V与商用五盘感应分压器6的输出(LO)连接(即将同轴插座204与IVD连接)；

步骤4：实心电补偿辅助电极的过渡电极II、改良型钉子头、屏蔽主体201、铜管202和适配器203，通过间轴插座204的外壳接到整个系统的地电位；同时被工程塑料管205紧套的铜管202穿过两个相邻主电极A和主电极B的中间缝隙，通过推动适配器203以及两个导向环207实现屏蔽电极模型组件整体沿四根主电极的中轴线来回平移，以及标定本身位置；

步骤5：移动屏蔽电极模型组件并使实心电补偿辅助电极位于铜箔的最里侧(一般是在图3中的铜箔3的中部，主要是由于屏蔽电极模型组件中的导向环207与其相邻的四根主电极紧密接触，因此整体往左边推动时导向环207会与铜箔3相互抵触而无法继续向左移动，所谓的最里侧就是屏蔽电极模型组件不能再向左边移动时的位置)，然后以固定间隔距离依次移动至远离铜箔的外侧(向右移动屏蔽电极模型组件，使得其左端的实心电补偿辅助电极离开铜箔内部并逐渐远离铜箔，但是有一个限制，就是屏蔽电极模型组件的另一端改良型钉子头的末端不能超出图3中的A和最右边的4之间的缝隙，即改良型钉子头末端不能进入最右边的4内)，每个位置处均使用电容电桥测量得到四个相对主电极间的电容并得到它们的平均值进而画出并观察与屏蔽电极模型组件的位移s关系曲线，再取曲线两边的平坦区各自平均值的差值

步骤6：依次拨动商用五盘感应分压器6的五个拨盘来实现抽头(LO)在上端口(IN)和下端口(C)来回移动，从而改变补偿电压U的大小和正负，重复步骤5，直至找到最小的U_best、相应的抽头(LO)位置以及对应的商用五盘感应分压器6的电压比例k_best，此时为实心电补偿辅助电极对端部效应补偿完后的剩余量。

一种利用所述屏蔽电极模型组件验证所述实心电补偿辅助电极与以国外最优改良型钉子头为原型的新型立式计算电容装置兼容性的模型实验方法，包括如下步骤：

步骤1：将一根主电极A接到电容电桥5的高电位端(HI)；另一根与A相对的主电极C接到电容电桥的指零端(DE)；另外两根与主电极A相邻的主电极B和D均接地电位进行屏蔽保护；使用电容电桥测量主电极A和C之间的交叉电容C_AC；接着将主电极B、C、D依次接到电容电桥5的高电位端(HI)，同时依次对应将主电极D、A、B接到电容电桥的指零端(DE)；使用电容电桥依次测量其他三个交叉电容C_BD、C_CA和C_DB；最终通过计算得到平均电容值 ${\stackrel{\‾}{C}}_1=(C_{\mathrm{AC}}+C_{\mathrm{BD}}+C_{\mathrm{CA}}+C_{\mathrm{DB}})/4;$

步骤2：将两端接入改良型钉子头2的屏蔽电极模型组件放置在四根主电极的中轴线中心位置，其同轴插座204的芯端和外壳短接一并接地电位，从而使改良型钉子头处于地电位；然后重复步骤1，得到此时的C_AC、C_BD、C_CA和C_DB，最终通过计算得到平均电容值

步骤3：将两端接入实心电补偿辅助电极1的屏蔽电极模型组件放置在四根主电极的中轴线中心位置，其同轴插座204的芯端与商用五盘感应分压器6的输出(LO)端，为两个有源电极I提供同一最佳补偿电压U_best；同轴插座204的外壳接地电位，从而使两个过渡电极II处于地电位；然后重复步骤1，C_AC、C_BD、C_CA和C_DB，最终通过计算得到平均电容值

${\stackrel{\‾}{C}}_3=(C_{\mathrm{AC}}+C_{\mathrm{BD}}+C_{\mathrm{CA}}+C_{\mathrm{DB}})/4;$

步骤4：综合步骤1、2和3的测量结果，同时使用公式以及 ${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{ME}}=[({\stackrel{\‾}{C}}_1-{\stackrel{\‾}{C}}_3)/C_0]/2$ (其中 $C_0={\mathrm{\ϵ}}_0\·\ln \frac{2}{\mathrm{\π}}$ )，分别得到改良型钉子头的电气长度ΔL_NP和实心电补偿辅助电极的电气长度ΔL_ME；此时，将ΔL_NP和ΔL_ME分别合并改良型钉子头和新型实心电补偿辅助电极的总体长度1_NP和l_ME，即得到各自在二维电场中的电气总长度L_NP和L_ME，然后将过渡电极II的第二圆柱体的长度L7增加到L7+(L_NP-L_ME)即可(在实际的模型试验中发现，L_NP＜L_ME这种情况是不会出现的)。

所述实心电补偿辅助电极的具体结构如下：

所述有源电极I沿轴向的截面形状为T型，包括连接在一起的大圆柱体和小圆柱体，主要是与过渡电极II相互匹配；

在所述有源电极I内开有与其同轴线的盲孔，所述盲孔的开口端的端面与所述大圆柱体的端面平齐，盲孔的盲端位于小圆柱体内；

所述大圆柱体的直径D1＞小圆柱体的直径D2＞盲孔的直径D3；

所述小圆柱体的长度L2＞盲孔的深度L3＞大圆柱体的长度L1。

所述有源电极I的小圆柱体的直径D2为4mm至10mm之间。

所述有源电极I的材料为黄铜或紫铜，其中紫铜的导电性能相对更好，可视为最佳选择。

所述过渡电极II包括依次连接的第一圆柱体、截顶圆锥体和第二圆柱体；在所述过渡电极II内开有与其具有同轴线的阶梯通孔，包括直径依次增大的小孔、中孔和大孔；在所述大孔的内壁开有内螺纹；

所述截顶圆锥体的的小口直径与第一圆柱体的直径D5相等，而大口直径与第二圆柱体的直径D7相等；

所述第二圆柱体的外径D7＞内螺纹的直径M1＞中孔的内径D6＞第一圆柱体的外径D5＞小孔的内径D4，所述截顶圆锥体的锥面长度L8＞小孔的长度L4＞中孔的长度L5＞第二圆柱体的长度L7＞第一圆柱体的长度L9＞内螺纹的长度L6。

所述过渡电极II中的截顶圆锥体的锥角为10度至45度之间，主要是为了降低主电极间电场在整个实心电补偿辅助电极末端的畸变程度；所述过渡电极II的小孔的内径D4比有源电极I的小圆柱体的直径D2大1至2mm；

所述过渡电极II中的截顶圆锥体的锥面长度L8为18-21mm，较长的过渡面将大大减缓其附近的电场畸变程度；

所述过渡电极II的材料为黄铜或紫铜，且与有源电极I的材料保持一致，主要是将通有电势的有源电极I本身产生的电场进行屏蔽。

所述香蕉插头V使用的是2mm的香蕉插头，为镀金黄铜件。

所述聚四氟乙烯导环III为圆柱体，在其中间开有与其同轴线的阶梯通孔，分别为大环孔和小环孔；

所述大环孔的直径D1大于小环孔的直径D8；

所述聚四氟乙烯导环III的外圆柱面的直径与所述过渡电极II内的中孔的内径相等，所述大环孔的内径与有源电极I的大圆柱体的直径相等；所述小环孔的直径大于所述有源电极I的小圆柱体的直径；

所述聚四氟乙烯导环III安装在所述过渡电极II中的中孔内，一端顶在小孔与中孔之间形成的台阶处，所述有源电极I的大圆柱体与小圆柱体之间形成的台阶顶在所述大环孔和小环孔形成的台阶处；

所述香蕉插头V的一端插入有源电极I的盲孔内，实现两者的电气连接，从而具有同一电势；

所述聚四氟乙烯导环III的厚度，即(D6-D1)/2在0.5mm至1mm之间选择，但是其其他尺寸要与有源电极I和过渡电极II实现三者间的相互紧配合，目的是将后两者相互物理位置隔离，而余留出的空间则灌入具有良好电气绝缘功能的光学级胶水，从而实现有源电极I和过渡电极II相互固定以及两者间的电气绝缘。

聚四氟乙烯导环III和光学级胶水均是良好的电工绝缘材料，这样实现了两者之间的电气绝缘，两者没有电气连接。

一种利用实心电补偿辅助电极补偿计算电容的端部效应误差的方法，所述方法为在计算电容的上下电极的端部各安装一个所述实心电补偿辅助电极，同时在计算电容的有源电极上加载电压，通过改变两个实心电补偿辅助电极中的有源电极附近的二维电场分布来实现端部效应误差的补偿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：与现有的国外通用最优改良型钉子头的机械补偿方案相比，本发明提出的新型实心电补偿辅助电极采用电补偿方法，具有调试简单、调节更精细、加工要求相对较低以及补偿端部效应效果更优等特点，同时还提供了一种不同原理的电补偿方法，能够与国外通用的改良型钉子头方案进行对比验证，进一步提高立式计算电容装置提供的电容基准值的准确性和可靠性。

附图说明

图1是现有的新一代立式计算电容装置。

图2是本发明屏蔽电极模型组件。

图3是利用本发明测试实心电补偿辅助电极端部效应补偿效果简示图。

图4是利用本发明验证实心电补偿辅助电极与以国外最优改良型钉子头为原型的新型立式计算电容装置兼容性的模型实验方法的步骤一所用连接的示意图。

图5是利用本发明验证实心电补偿辅助电极与以国外最优改良型钉子头为原型的新型立式计算电容装置兼容性的模型实验方法的步骤二所用连接的示意图。

图6是利用本发明验证实心电补偿辅助电极与以国外最优改良型钉子头为原型的新型立式计算电容装置兼容性的模型实验方法的步骤三所用连接的示意图。

图7是利用本发明测试实心电补偿辅助电极补偿端部效应的模型试验结果。

图8-1是实心电补偿辅助电极的左视图。

图8-2是实心电补偿辅助电极的主视图

图9-1是实心电补偿辅助电极中的有源电极I的左视图。

图9-2是实心电补偿辅助电极中的有源电极I的主视图。

图10-1是实心电补偿辅助电极的过渡电极II的左视图。

图10-2是实心电补偿辅助电极的过渡电极II的主视图。

图11-1是实心电补偿辅助电极的聚四氟乙烯导环III的左视图。

图11-2是实心电补偿辅助电极的聚四氟乙烯导环III的主视图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题对本发明进行阐述。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

针对立式计算电容最大误差来源之一的端部效应，国外普遍采用的是在上电极(可动屏蔽电极)和下电极(固定屏蔽电极)的端部各安装一个圆锥体和圆柱体混合体结构的改良型钉子头进行补偿，目前根据计算电容不确定度最小的美国标准与物质实验室NIST的实验结果，在四根主电极围成的二维场轴向不平行度小于100nm的情况下，其补偿剩余误差小于1.5×10^-8。但由于拥有计算电容装置的所有国家计量院都是采用改良型钉子头的机械办法进行补偿，如果其中存在一种固定的系统误差并且未被发现，那么这种装置得到的计算电容量值则存在不确定性。因此，本发明提出了一种不同于目前国外通常采用的改良型钉子头等机械补偿方案的新型实心电补偿辅助电极进行补偿的新方法，即在上下电极的端部各安装一个实心电补偿辅助电极，同时在其有源电极上加载适当的电压，通过改变它们附近的二维电场分布来达到补偿端部效应误差的目的。该实心辅助电极包括有源电极、过渡电极、聚四氟乙烯导环、光学级胶水和香蕉插头。有源电极通过加载有一定的补偿负电压，过渡电极接地电位提供屏蔽。同时，又设计新型模型装置及相应的模型试验来验证该实心辅助电极的补偿性能。本发明具有调整灵活简单、高调节细度、高鲁棒性以及可逆性等一系列优点，其补偿端部效应的效果比国际上最优的改良型钉子头要好一个数量级，达到国际领先水平。

如图8-1和图8-2所示，一种具有补偿端部效应误差的新型实心电补偿辅助电极，包括有源电极I(其结构如图9-1和图9-2所示)、过渡电极II(其结构如图10-1和图10-2所示)、聚四氟乙烯导环III(其结构如图11-1和图11-2所示)以及香蕉插头V；有源电极I通过光学级胶水与过渡电极II和聚四氟乙烯导环III粘接在一起；

所述香蕉插头V插入有源电极I对应的中心孔，实现两者的电气连接，从而具有同一电势；

过渡电极II与有源电极I之间是聚四氟乙烯导环III和光学级胶水涂层IV，而所述聚四氟乙烯导环III和光学级胶水涂层IV均是良好的电工绝缘材料，这样实现了两者之间的电气绝缘，两者没有电气连接。

所述聚四氟乙烯导环III的厚度在0.5mm至1mm之间选择，但是其他尺寸要与有源电极I和过渡电极II实现三者间的相互紧配合，目的是将后两者相互物理位置隔离，而余留出的空间则灌入具有良好电气绝缘功能的光学级胶水，从而实现有源电极I和过渡电极II相互固定以及两者间的电气绝缘。

在具体的实施过程中，本发明实心电补偿辅助电极的有源电极I和过渡电极II均采用的是导电性能更好的紫铜材料，有源电极I的小圆柱体的直径为7mm，过渡电极II的圆锥角为19度，其小口直径为8mm，大口直径为22mm；聚四氟乙烯导环III的厚度为0.5mm，与有源电极I和过渡电极II紧配合；香蕉插头V的直径为2mm，材料为紫铜。

为了验证实心电补偿辅助电极对于立式计算电容中的端部效应误差的补偿效果，同时又可对比检验国际通用最优的改良型钉子头，设计了一个如图2所示的用于模型验证试验的屏蔽电极模型组件。图2中的1为所述实心电补偿辅助电极。该屏蔽电极模型组件包括屏蔽主体201、铜管202、工程塑料管205、适配器203、同轴插座204、导向环207以及连接导线206；屏蔽主体201与铜管202使用焊锡软焊接固定在一起，再使用工程塑料管205紧紧包裹在铜管202外侧；适配器203与铜管202使用焊锡软焊接在一起；同轴插座204先与连接导线206的一端使用焊锡软焊接在一起，然后与适配器203上的内螺孔拧紧固定；

所述连接导线206的另一端与本发明实心电补偿辅助电极的香蕉插头V焊接，实现有源电极I与同轴插座204的芯端(即中心芯针)的电气连接；

所述屏蔽主体201与本发明实心电补偿辅助电极的过渡电极II内螺孔拧紧固定在一起，实现两者的电气连接；屏蔽主体201、铜管202及适配器203通过焊接实现三者间的电气连接，通过适配器203的外壳接至地电位，进而过渡电极II为地电位；

屏蔽电极模型组件位于四根不锈钢圆柱主电极的中轴线上，那么使用工程塑料管205包裹铜管202，并且从其相邻的两根不锈钢圆柱主电极中间缝隙处伸出，从而避免了铜管202与两根相邻主电极的电气接触，起到电气绝缘作用；

屏蔽电极模型组件在模型试验中的沿四根主电极中轴线方向左右移动时，使用导向环207能够使其整体与四根主电极电气绝缘，同时起到保护其表面避免划伤。

在具体的实施过程中，用于模型实验的屏蔽电极模型组件的屏蔽主体201的直径为22mm，材料为黄铜；铜管202的外径为2.5mm，材料为黄铜；同轴插座204是22MMCX微型同轴插座，材料是全镀金的紫铜；适配器203的材料是黄铜；工程塑料管205的外径是3mm，内径与铜管202紧配合；导向环207的外径是25mm，内径是22mm，材料是聚四氟乙烯；连接导线206是直径1mm的聚四氟乙烯外皮和直径0.3mm的全铜铜芯，其一端与同轴插座204的末端软焊接在一起，另一端与香蕉插头V的末端软焊接在一起；国外通用最优改良型钉子头NP的材料是殷钢。

模型装置所设计的四根主电极的尺寸与实际新一代计算电容的主电极一致，直径50mm，总长470mm，材料316L号无磁不锈钢，同时各对相邻主电极的相互间隙为3.033mm，各对相对主电极的相对距离(即极间距a)为25mm，与屏蔽电极模型组件中的两个导向环207的外径一致，四根主电极的同一端均设有BPO型同轴插座。

电容电桥采用的是高精度商用电容电桥，采用美国AH公司生产的AH2500A，其测量电容的分辨率是0.5aF，电桥电源设置为15V，运行工作频率为1kHz。

一种用于测试新型实心电补偿辅助电极补偿端部效应效果的模型实验方法，同时还能够实现对国际通用最优改良型钉子头的对比验证功能，其主要包括如下步骤：

步骤1，如图3所示，将四根主电极的中心偏向一方的同一位置处紧密缠绕相同宽度w及厚度t的铜箔，其中w为100mm，t为0.2mm，然后将四个铜箔台阶严格对齐，以模拟相对主电极间的极间距变化Δa；此外，可通过同时改变铜箔厚度(0.1mm，0.2mm和0.3mm)来对应模拟不同的Δa(0.2mm，0.4mm和0.6mm)；例如可以使得铜箔内部与外部的极间距相差0.4mm，即Δa为0.4mm；本实施例中高精度商用电容电桥的电源V_br设置为15V，运行频率为1kHz，将主电极A接入电容电桥的高电位输入端HI，以得到电桥电源电压V_br(根据电桥本身设置，可从1V至15V中选择)，本实施例中为接入15V，然后将主电极C接到电容电桥的指零端DE；另外两根与A相邻的主电极B和D均接地电位进行屏蔽保护，这样就可使用电容电桥进行主电极A和C间的交叉电容值C_AC。

步骤2，在如图2所示的屏蔽电极模型组件中的屏蔽主体201另一末端加装一个改良型钉子头NP，实现两者的电气连接；然后将两端分别接有本发明实心电补偿辅助电极和改良型钉子头NP的屏蔽电极模型组件放置入四根主电极的中轴线位置，同时为了检查电补偿方法克服端部效应的效果，将有源电极I朝向铜箔内部，改良型钉子头朝向铜箔外部，即接有新型实心电补偿辅助电极的一端正对铜箔内部，接有改良型钉子头NP的另一末端则正对铜箔外部，同时该末端不进入铜箔内部，只在远离铜箔的外侧移动，主要是为了祛除模型组件移动过程中模型装置本身对实验的影响，从而使高精度商用电容电桥测量得到的交叉电容值仅反映新型实心电补偿辅助电极的补偿效果变化；

步骤3，将商用五盘感应分压器IVD的输入端IN与高精度商用电容电桥的高电位端HI相连接，以得到电桥电源电压V_br，本实施例中为接入15V电压；然后将有源电极I通过香蕉插头V与商用五盘感应分压器IVD输出LO连接，以得到用于补偿端部效应的补偿电压U；此外，可通过改变五位十进制拨盘来改变IVD的分压比，使补偿电压U在-15V经0V至+15V范围内变化，最小电压变化间隔为0.3mV，调节细度非常高。在具体实施中，补偿电压U与高精度商用电容电桥电源V_br之间的关系为：

$U=\frac{x-0.5}{0.5}\·V_{\mathrm{br}}$

其中，x是IVD的五个十进制拨盘设置的比例值，从0至1变化(数值是五位，例如0.34879)，此时补偿电压U是从-V_br经0至+V_br变化；

步骤4，屏蔽电极模型组件除了本发明实心电补偿辅助电极通过同轴插座204的芯端及连接导线206接入补偿电压U之外，其他部分全部接地电位，即过渡电极II、改良型钉子头NP、屏蔽主体201、铜管202和适配器203，通过同轴插座204的外壳接到整个系统的地电位，其中改良型钉子头NP接地电位才能实现端部效应的补偿作用；另外，工程塑料管205紧套的铜管202穿过两个相邻主电极A和B的中间缝隙，通过推动适配器203以及两个导向环207实现屏蔽电极模型组件的整体沿四根主电极中轴线来回平移，以及标定本身位置；

步骤5，移动屏蔽电极模型组件并使本发明实心电补偿辅助电极的有源电极I位于铜箔的最内侧，然后以固定间隔距离Δs(本实施例中Δs为5mm)依次移动至远离铜箔的外侧；在每个位置，均依次将主电极A、B、C和D接入电容电桥AH2500A的高电位输入端HI，与之相对的主电极C、D、A和B接入AH2500A的指零端DE，进而依次测量得到四个相对主电极间的电容C_AC、C_BD、C_CA和C_DB并得到它们的平均值(即均使用高精度商用电容电桥测量得到四个相对主电极间的电容C_AC、C_BD、C_CA和C_DB并得到它们的平均值)，进而观察与屏蔽电极模型组件的位移s关系曲线，再取曲线两边的平坦区各自平均值的差值

步骤6，依次拨动商用五盘感应分压器IVD五个拨盘来实现抽头LO在上端口IN和下端口C来回移动，使得IVD的设置比例x从0至1变化，进而补偿电压U从-V_br经0至+V_br变化，重复步骤5，直至找到最小的U_best、相应的抽头LO位置以及对应的IVD的电压比例k_best，此时的为实心电补偿辅助电极对端部效应补偿完后的剩余量，该值越小说明补偿效果δ_剩余越好。

具体到本实施例中，通过拨动商用五盘感应分压器IVD的五位十进制拨盘以改变补偿电压U的大小和极性，重复上述步骤，得到不同的然后再重复，最终找到最小的其重要结果如下：

ΔC＝0.05aF，U_best＝-4.0302V；

IVDSET_best＝0.36566，k_best＝-0.26868

其中，IVDSET_best表示此时的IVD五位十进制拨盘位置组合显示为0.36566，对应的最佳电压比例k_best为-0.26868，最佳补偿电压U_best为-4.0302V，此时四个交叉电容平均值与屏蔽电极模型组件的位移s关系曲线如图7所示。依据补偿端部效应效果δ_剩余评估公式：

其中，0.4pF是新型立式计算电容装置得到的计算电容值，d为铜箔的厚度，2d为极间距变化Δa。

本发明实心电补偿辅助电极补偿后的剩余相对误差为1.25×10^-11。而根据已发表的目前计算电容水平最高的美国标准及物质研究院NIST的不确定评估中，采用国外通用最优改良型钉子头补偿端部效应后的剩余相对误差为1.5×10^-8，从中可见本发明实心电补偿辅助电极要比改良型钉子头补偿效果要好3个数量级，对于目标总不确定度为5×10^-9的新一代立式计算电容来讲，端部效应误差此时完全可以忽略不计。

由于新一代立式计算电容是基于最优改良型钉子头为原型的整体装置设计，若想在该装置上直接使用本发明实心电补偿辅助电极，那么需要弄清楚替代前后对原有二维电场分布有什么影响。为此，本发明设计了一种用来验证本发明实心电补偿辅助电极在新一代立式计算电容的兼容性模型试验方法，具体实施过程如下：

步骤1：如图4所示，将一根主电极A接到AH2500A的高电位端HI，接入15V(即电桥电源电压V_br)；另一根与A相对的主电极C接到AH2500A指零端DE；另外两根与A相邻的主电极B和D均接地电位进行屏蔽保护；使用AH2500A测量主电极A和C之间的交叉电容C_AC；接着依次将主电极B、C和D接入电容电桥AH2500A的高电位输入端HI，同时依次将与相对应的主电极D、A和B接入AH2500A的指零端DE，进而依次测量得到其他三个相对主电极间的交叉电容C_BD、C_CA和C_DB并得到四个交叉电容的平均值 ${\stackrel{\‾}{C}}_1=(C_{\mathrm{AC}}+C_{\mathrm{BD}}+C_{\mathrm{CA}}+C_{\mathrm{DB}})/4,$ 得到的值为778313.900aF。

步骤2：如图5所示，将两端接入改良型钉子头的屏蔽电极模型组件放置在四根主电极的中轴线中心位置，其同轴插座204的芯端和外壳短接一并接地电位，从而使改良型钉子头处于地电位；然后重复步骤1，得到此时的C_AC、C_BD、C_CA和C_DB并得到四个交叉电容的平均值 ${\stackrel{\‾}{C}}_2=(C_{\mathrm{AC}}+C_{\mathrm{BD}}+C_{\mathrm{CA}}+C_{\mathrm{DB}})/4,$ 得到的值为441717.580aF。

步骤3：如图6所示，将两端接入本发明实心电补偿辅助电极的屏蔽电极模型组件放置在四根主电极的中轴线中心位置，其同轴插座204的芯端与商用五盘感应分压器IVD的LO端，为两个有源电极I加载同一最佳补偿电压U_best，同轴插座204的外壳接地电位，从而使两个过渡电极II处于地电位；然后重复步骤1，得到此时的C_AC、C_BD、C_CA和C_DB并得到四个交叉电容的平均值 ${\stackrel{\‾}{C}}_3=(C_{\mathrm{AC}}+C_{\mathrm{BD}}+C_{\mathrm{CA}}+C_{\mathrm{DB}})/4,$ 得到的值为465474.286aF；

步骤4：综合步骤1、2和3的测量结果，同时使用公式以及 ${\mathrm{\ΔL}}_{\mathrm{ME}}=[({\stackrel{\‾}{C}}_1-{\stackrel{\‾}{C}}_3)/C_0]/2$ (其中 $C_0={\mathrm{\ϵ}}_0\·\ln \frac{2}{\mathrm{\π}}$ )，分别得到改良型钉子头的电气长度ΔL_NP为4.65mm和本发明实心电补偿辅助电极的电气长度ΔL_ME为11.82mm；改良型钉子头总长l_NP为42mm(是实际测量得到的)，本发明实心电补偿辅助电极的总长度l_ME为34mm(是实际测量得到的，即为图9-1和图9-2中过渡电极II的总长度)，然后分别与ΔL_NP和ΔL_ME相加即可得到各自在二维电场中的电气总长度L_NP和L_ME，即有如下结果：

L_NP＝l_NP+ΔL_NP＝42+4.65＝46.45mm

L_ME＝l_ME+ΔL_ME＝34+11.82＝45.82mm

如果想要两种方案的总电气长度一样长，那么仅需将本发明实心电补偿辅助电极的过渡电极II外径为22mm的屏蔽部分增加0.83mm(假定让L_NP＝L_ME，那么上面的测量结果两者相差46.45-45.82＝0.83mm，也就是本发明实心电补偿辅助电极的总电气长度要比改良型钉子头的总电气长度短了0.83mm，那么增加过渡电极II的第二圆柱体的长度L7(见图10)到L7+0.83，那么根据静电学相关定理，该实心电补偿辅助电极的总电气长度也相应增加了0.83mm，此时两种方法的总电气长度就一样了。)即可实现，此时无需改动新一代立式计算电容装置的其他任何部件，而是直接可以使用本发明实心电补偿辅助电极替代国外通用最优改良型钉子头而没有任何兼容问题，这也充分证明了本发明提出的这种电补偿方案具有非常好的兼容性和适用性。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本发明在其末端增加了一个与圆锥面最小直径一样的有一定长度的圆柱体，而有源电极则随之一样进行了改变，即减小了其本身的直径，进而也减小了香蕉插头的直径。这样做的目的是使得这种结构放置在二维静电场中时，加长圆锥面能够增加整个面的面积，减少电场畸变程度，同时也能对端部效应起到一定的补偿作用；一定长度的圆柱体则是能够对端部效应进行辅助的补偿，由于加长的圆锥面作用，使得此时加载圆柱体而用于补偿端部效应的补偿电压幅值大大减小(举例说明，未增加圆锥面长度之前，补偿电压为-80V左右，加长圆锥面之后，补偿电压为-30V左右，减小了一半多)，此时就能减少其与相邻的四根主电极中高电位端(一般为+250V)放电打火花的几率(两者之间的电位差从360V降到了280V)，安全性大大增加)

上述技术方案以及实验方法只是本发明的实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种屏蔽电极模型组件，用于实现对实心电补偿辅助电极的测试；所述实心电补偿辅助电极包括有源电极、过渡电极、聚四氟乙烯导环以及香蕉插头；所述香蕉插头的一端插入有源电极内，所述有源电极安装在所述过渡电极内；所述有源电极通过光学级胶水涂层与过渡电极和聚四氟乙烯导环粘接在一起；所述过渡电极包括依次连接的第一圆柱体、截顶圆锥体和第二圆柱体；在所述过渡电极内开有与其具有同轴线的阶梯通孔，包括直径依次增大的小孔、中孔和大孔；在所述大孔的内壁开有内螺纹；其特征在于：

所述屏蔽电极模型组件包括屏蔽主体(201)、铜管(202)、适配器(203)、同轴插座(204)、工程塑料管(205)、连接导线(206)以及导向环(207)；

所述屏蔽主体(201)为圆筒状结构，在其侧壁上开有与其轴线垂直的孔，该屏蔽主体(201)侧壁上的孔使屏蔽主体(201)的内孔与外界连通；所述铜管(202)的下端插入屏蔽主体(201)侧壁上的孔内，其上端插入所述适配器(203)的下端；在适配器(203)与屏蔽主体(201)之间的铜管(202)的外壁上包裹有工程塑料管(205)；在所述屏蔽主体(201)的两端的外表面上分别安装有一个导向环(207)；

所述同轴插座(204)安装在所述适配器(203)的上端；所述连接导线(206)的上端与所述同轴插座(204)的下端焊接在一起，其末端穿过铜管(202)以及屏蔽主体(201)的内孔后，与香蕉插头焊接。

2.根据权利要求1所述的屏蔽电极模型组件，其特征在于：

所述屏蔽主体(201)的一端插入所述实心电补偿辅助电极的过渡电极大孔内，并通过螺纹与过渡电极拧紧固定在一起。

3.根据权利要求2所述的屏蔽电极模型组件，其特征在于：所述屏蔽主体(201)与铜管(202)通过焊接固定在一起；同轴插座(204)先与连接导线(206)的一端使用焊锡软焊接在一起，然后与适配器(203)上的内螺孔拧紧固定。

4.根据权利要求1至3任一所述的屏蔽电极模型组件，其特征在于：所述铜管(202)和适配器(203)是由同一种材料制作而成的；材料采用黄铜或者紫铜。

5.根据权利要求4所述的屏蔽电极模型组件，其特征在于：所述工程塑料管(205)的内径与铜管(202)紧配合。

6.根据权利要求5所述的屏蔽电极模型组件，其特征在于：所述导向环(207)的材料是聚四氟乙烯。

7.根据权利要求6所述的屏蔽电极模型组件，其特征在于：所述连接导线(206)采用的是全铜铜芯和包裹在全铜铜芯外的聚四氟乙烯外皮制作而成。

8.一种利用权利要求7所述屏蔽电极模型组件测试实心电补偿辅助电极补偿效果的模型实验方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：在立式计算电容的四根主电极的同一位置缠绕相同厚度及相同宽度的铜箔(3)；将一根主电极A接到电容电桥(5)的高电位端(HI)；另一根与主电极A相对的主电极C接到电容电桥的指零端(DE)；另外两根与主电极A相邻的主电极B和D均接地电位以进行屏蔽保护；

步骤2：在屏蔽电极模型组件中的屏蔽主体(201)的一端安装实心电补偿辅助电极(1)，另一末端加装一个改良型钉子头(2)，实现实心电补偿辅助电极的过渡电极、屏蔽主体以及改良型钉子头三者的电气连接；然后将其放置在四根主电极的中轴线位置，接有实心电补偿辅助电极(1)的一端靠近铜箔，接有改良型钉子头(2)的另一末端远离铜箔；

步骤3：将商用五盘感应分压器(6)的输入端(IN)与电容电桥(5)的高电位端(HI)相连接；然后将实心电补偿辅助电极的有源电极通过香蕉插头与商用五盘感应分压器(6)的输出端(LO)连接；

步骤4：实心电补偿辅助电极的过渡电极、改良型钉子头(2)、屏蔽主体(201)、铜管(202)和适配器(203)，通过同轴插座(204)的外壳接到整个系统的地电位；同时被工程塑料管(205)紧套的铜管(202)穿过两个相邻主电极A和B的中间缝隙，通过推动适配器(203)以及两个导向环(207)实现屏蔽电极模型组件整体沿四根主电极的中轴线来回平移，以及标定本身位置；

步骤5：移动屏蔽电极模型组件并使实心电补偿辅助电极位于铜箔的最里侧，然后以固定间隔距离依次移动至远离铜箔的外侧，每个位置处均使用电容电桥(5)测量得到四个相对主电极间的交叉电容并得到它们的平均值C，进而画出并观察C与屏蔽电极模型组件的位移s关系曲线，再取曲线两边的平坦区各自平均值的差值

步骤6：依次拨动商用五盘感应分压器(6)的五个拨盘来实现抽头在上端口和下端口来回移动，从而改变补偿电压U的大小和正负，然后重复步骤5，直至找到最小的U_best、相应的抽头位置以及对应的商用五盘感应分压器(6)的电压比例k_best，此时为实心电补偿辅助电极对端部效应补偿完后的剩余量。

9.一种利用权利要求7所述的屏蔽电极模型组件验证所述实心电补偿辅助电极与以改良型钉子头为原型的立式计算电容装置兼容性的模型实验方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：将一根主电极A接到电容电桥(5)的高电位端(HI)；另一根与A相对的主电极C接到电容电桥的指零端(DE)；另外两根与主电极A相邻的主电极B和主电极D均接地电位进行屏蔽保护；使用电容电桥测量主电极A和主电极C之间的交叉电容C_AC；接着将主电极B、C、D依次接到电容电桥(5)的高电位端(HI)，同时依次对应将主电极D、A、B接到电容电桥(5)的指零端(DE)；使用电容电桥(5)依次测量其他三个交叉电容C_BD、C_CA和C_DB；最终通过计算得到平均电容值

步骤2：将两端接入改良型钉子头(2)的屏蔽电极模型组件放置在四根主电极的中轴线中心位置，其同轴插座(204)的芯端和外壳短接一并接地电位，从而使改良型钉子头(2)处于地电位；然后重复步骤1，得到此时的C_AC2、C_BD2、C_CA2和C_DB2，最终通过计算得到平均电容值 ${\stackrel{\‾}{C}}_2=(C_{\mathrm{AC}2}+C_{\mathrm{BD}2}+C_{\mathrm{CA}2}+C_{\mathrm{DB}2})/4;$

步骤3：将两端接入实心电补偿辅助电极(1)的屏蔽电极模型组件放置在四根主电极的中轴线中心位置，其同轴插座(204)的芯端与商用五盘感应分压器(6)的输出端(LO)，为两个有源电极提供同一最佳补偿电压U_best；同轴插座(204)的外壳接地电位，从而使两个过渡电极处于地电位；然后重复步骤1，得到此时的C_AC3、C_BD3、C_CA3和C_DB3，最终通过计算得到平均电容值 ${\stackrel{\‾}{C}}_3=(C_{\mathrm{AC}3}+C_{\mathrm{BD}3}+C_{\mathrm{CA}3}+C_{\mathrm{DB}3})/4;$

步骤4：综合步骤1、2和3的测量结果，同时使用公式 $\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{NP}}=[({\stackrel{\‾}{C}}_1-{\stackrel{\‾}{C}}_2)/C_0]/2$ 以及 $\mathrm{\Δ}{L}_{\mathrm{ME}}=[({\stackrel{\‾}{C}}_1-{\stackrel{\‾}{C}}_3)/C_0]/2$ (其中 $C_0={\mathrm{\ϵ}}_0\·\ln \frac{2}{\mathrm{\π}}$ )，分别得到改良型钉子头(2)的电气长度ΔL_NP和实心电补偿辅助电极(1)的电气长度ΔL_ME；此时，将ΔL_NP和ΔL_ME分别合并改良型钉子头和实心电补偿辅助电极的总体长度l_NP和l_ME，即得到各自在二维电场中的电气总长度L_NP和L_ME，然后将过渡电极的第二圆柱体的长度L7增加到L7+(L_NP-L_ME)即可。