CN103543339A - 电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法及装置，其中方法包括：接收原始的交直流空间电荷测试数据，所述原始的交直流空间电荷测试数据由采用电声脉冲法作为测试技术的交直流空间电荷测试平台对被测电介质样品进行测试后输出；对接收的原始的交直流空间电荷测试数据进行校正，得到校正后的交直流空间电荷测试数据；根据所述校正后的交直流空间电荷测试数据，计算得到所述被测的电介质样品的特征参数，所述特征参数包括如下任一项或其组合：电荷密度分布、电场强度分布、总电荷量分布、电荷视在迁移率、陷阱能级分布和电场畸变率，实施本发明，可以方便快速准确的获取电介质样品内部的各种特征参数的变化规律。

Description

电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法及装置

技术领域

本发明涉及空间电荷测量技术领域，尤其涉及一种电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法及装置。

背景技术

上世纪中叶开始，为了研究固体电介质中空间电荷的分布，各国学者不断研发了一些测量方法。例如：在20世纪70年代，热刺激法被用来研究材料内部的空间电荷特性，例如TSC（Thermally Stimulated Current，热刺激电流法），TSSP（Thermally Stimulated Surface Potential，热刺激表面电位法），TL（Thermo Luminescence，热致发光法）等；这些测量方法为有损测量，其通过对试品进行缓慢的升温，检测升温过程中的试品内部电荷释放引发的电、光等信号，获得电荷的陷阱深度等信息。又例如：20世纪70年代以后，出现了多种空间电荷分布的无损测量方法，其中，具有代表性的测量方法包括PIPWP（Piezo-electric Induced Pressure Wave Propagation，压电诱导压力波扩展法）、LIPP（Laser Induced Pressure Propagation，激光诱导压力波扩展法）、PEA（Pulsed Electro-Acoustic，电声脉冲法）等。其中PIPWP法与LIPP法统称PWP法，以上各种方法在分辨率、信噪比、后期处理、适用范围等方面各有优缺点，其适用领域也有差别，其中目前应用最多的无损测量方法是电声脉冲法和激光诱导压力脉冲法。

其中，电声脉冲法的原理是利用高压脉冲和绝缘介质中的电荷层的相互作用产生与材料中的电荷成正比的声压力波，然后将这些声压力波通过压电传感器转化为电信号并放大从而被数字示波器获取并显示，目前的电声脉冲法测量空间电荷的基本原理可以如图1所示，其中U_dc为直流极化电压，R为限流电阻，C为隔离电容，在内部空间电荷的分布为ρ(x)的介质上外加一高压脉冲电场e_p（t），高压脉冲电场与界面电场及空间电荷相互作用，产生瞬态电机械应力，发出应力波p（t），该应力波由压电传感器检测并转化为电压信号u_s（t），通过对该电压信号分析即可得出空间电荷密度分布。

发明内容

本发明提供了一种电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法及装置，用于对基于电声脉冲法的测试平台获取的交直流空间电荷测试数据做进一步分析，以方便快速准确的获取电介质样品内部的各种特征参数的变化规律。

本发明提供了一种电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，包括如下步骤：

接收原始的交直流空间电荷测试数据，所述原始的交直流空间电荷测试数据由采用电声脉冲法作为测试技术的交直流空间电荷测试平台对被测电介质样品进行测试后输出；

对接收的原始的交直流空间电荷测试数据进行校正，得到校正后的交直流空间电荷测试数据；

根据所述校正后的交直流空间电荷测试数据，计算得到所述被测的电介质样品的特征参数，所述特征参数包括如下任一项或其组合：电荷密度分布、电场强度分布、总电荷量分布、电荷视在迁移率、陷阱能级分布和电场畸变率。

进一步，所述接收原始的交直流空间电荷测试数据之前，还包括：

接收用户输入的参数，所述用户输入的参数包括：所述被测的电介质样品的厚度、介损值和声传导速率，和所述交直流空间电荷测试平台的电压值、电压极性、频率、测试温度和系统分辨率。

进一步，根据式：

计算电荷密度分布；其中，Q_P是电介质内部储存的电荷量，t是加压或去压时对应的极化时间或去极化时间，L是夹在电极之间的试样厚度即被测电介质样品的厚度，Q₀为去极化开始时的瞬时储存电荷量，q₀为初始平均电荷密度，q₀(t)为电荷密度分布即q₀随时间变化的参数。

进一步，根据式：

计算电场强度分布；其中，E(x,t)为被测电介质样品内部x位置在加压t时刻的电场强度，ρ(x,t)是样品内部x位置在t时刻的电荷密度，ε_r是样品的相对介电常数，ε₀是真空介电常数，且ε₀=8.852*10^-12F/m，d是被测电介质样品的厚度。

进一步，根据式：

计算总电荷量分布；其中，ρ(x,t)是被测电介质样品内部电荷密度，S是电极表面积，d是被测电介质样品厚度。

进一步，根据式：

计算电荷视在迁移率；其中，v是被测电介质样品内部电荷运动速率，E是局部电场值，μ为空间电荷的迁移率即电荷视在迁移率。

进一步，根据式：计算陷阱能级密度；其中，η₁、η₂均为常数，N(E_t)为陷阱能级密度，其中

其中f₀(E_t)为介质中陷阱的初始占有率，取数值1/2,q为电子电量，取值为1.6×10^-19C,k为波尔兹曼常数，取值为8.568×10^－5eV/K；T为绝对温度，单位K；v为电子振动频率，取值为3×10¹²s^-1。

进一步，根据式：

计算电场畸变率；其中，E_max和E_av分别代表加压过程中被测电介质样品内部的最大电场强度和无畸变时的电场强度，□E代表电场的最大畸变率即电场畸变率。

本发明还提供了一种电介质样品交直流空间电荷测试数据分析装置，包括：

第一接收模块，用于接收原始的交直流空间电荷测试数据，所述原始的交直流空间电荷测试数据由采用电声脉冲法作为测试技术的交直流空间电荷测试平台对被测电介质样品进行测试后输出；

校正模块，用于对接收的原始的交直流空间电荷测试数据进行校正，得到校正后的交直流空间电荷测试数据；

分析模块，用于根据所述校正后的交直流空间电荷测试数据，计算得到所述被测的电介质样品的特征参数，所述特征参数包括如下任一项或其组合：电荷密度分布、电场强度分布、总电荷量分布、电荷视在迁移率、陷阱能级分布和电场畸变率。

进一步，所述接收原始的交直流空间电荷测试数据之前，还包括：

第二接收模块，用于在第一接收模块接收原始的交直流空间电荷测试数据之前，接收用户输入的参数，所述用户输入的参数包括：所述被测的电介质样品的厚度、介损值和声传导速率，和所述交直流空间电荷测试平台的电压值、电压极性、频率、测试温度和系统分辨率。

本发明的有益效果：

本发明实施例直接对校正后的交直流空间电荷测试数据进行计算分析，得到被测的电介质样品的特征参数，从而可以方便研究人员快速准确的获取电介质样品内部的各种特征参数的变化规律。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是现有的电声脉冲法测量空间电荷的基本原理示意图。

图2是本发明公开的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法的实施例的流程示意图。

图3是本发明公开的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析装置的实施例的结构示意图

具体实施方式

请参考图2，是本发明提供的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法的实施例的流程示意图，其包括：

步骤S21、接收用户输入的参数。

其中，用户输入的参数包括：被测的电介质样品的厚度、介损值和声传导速率，和交直流空间电荷测试平台的电压值、电压极性、频率、测试温度和系统分辨率。

其中，步骤S21中为用户提供上述各参数的录入界面，用户通过键盘等输入外设将具体的参数值输入系统中，由系统记录并储存在存储器上。

其中，步骤S21接收上述这些参数的目的是便于研究人员分析比较不同被测电介质样品和不同测试平台的测量结果的差异。

步骤S22、接收原始的交直流空间电荷测试数据。

其中，原始的交直流空间电荷测试数据由采用电声脉冲法作为测试技术的交直流空间电荷测试平台（即步骤S21中提及的测试平台）对被测电介质样品进行测试后输出。

其中，交直流空间电荷测试平台的结构，采用该测试平台对被测电介质样品进行测试的过程等内容对于本领域技术人员已经非常熟悉，因此不再赘述。

步骤S23、对接收的原始的交直流空间电荷测试数据进行校正，得到校正后的交直流空间电荷测试数据。

其中，由PEA（电声脉冲法）测试原理，加压、去压时数据都是由电压脉冲所激发出的信号，都包含有脉冲电压的贡献，而加压数据和去压数据相减，即得到了纯直流电压对测试介质的作用图谱。其过程如下：假设在临近声电传感器一侧电极处的信号为V_1-on和V_1-off，二者分别对应于加压和去压试验，于是有：

V_1-on=Ke_P(σ+δ+σ₁)

V_1-off=Ke_P(σ+δ)

其中，σ表示受陷电荷在电极处的感应电荷量，δ表示由脉冲电压作用引发的电荷量，σ₁表示外施直流电压所引发的电荷量。将上述两式相减，则基于外施电压所引发的受陷电荷量为：

V_1-on-V_1-off=Ke_Pσ₁

在该式中，除K之外的变量都可以通过测量求得，因此K值可求（校正主要就是求K值的过程）。

步骤S24、根据校正后的交直流空间电荷测试数据，计算得到被测的电介质样品的特征参数。

其中，该特征参数包括如下任一项或其组合：电荷密度分布、电场强度分布、总电荷量分布、电荷视在迁移率、陷阱能级分布和电场畸变率。下面分别就如何计算上述特征参数进行说明。

其中，可以根据式：

计算电荷密度分布，其中，Q_P是被测电介质样品内部储存的电荷量，t是加压或去压时对应的极化时间或去极化时间，L是夹在电极之间的试样厚度即被测电介质样品的厚度，Q₀为去极化开始时的瞬时储存电荷量，q₀为初始平均电荷密度，q₀(t)为电荷密度分布即q₀随时间变化的参数。

具体的，基于如下假设的前提：（1）空间电荷的去极化过程仅仅依赖于泄漏电流，电荷在介质内部的复合过程不考虑；（2）空间电荷密度可由平均电荷密度表示，占优势的电荷主要是单极性电荷，其分布位置主要在电极附近。

在上述假设前提下，基于泊松方程和电荷连续性的简化模型，首先求得电介质平均电荷幅值，

$Q\left(t\right)={\frac{1}{L}}_0^L\∫Q_P(x,t)\mathrm{dx}$

其中，Q_P是被测电介质样品内部储存的电荷量，t是加压或去压对应的极化去极化时间，L是夹在电极之间的试样厚度。

为了分析被测电介质内部空间电荷随时间变化的规律，通过去极化开始的瞬时储存电荷量Q₀可求得初始平均电荷密度q₀，并进一步由下式求的q₀随时间变化的参数q₀(t)，这对分析电介质样品直流下的空间电荷特性非常重要：

$q_0\left(t\right)=[{\frac{1}{L}}_0^L\∫Q_P(x,t)\mathrm{dx}]/Q_0=Q_t/Q_0$

其中，可以根据式：

计算电场强度分布；其中，E(x,t)为被测电介质样品内部x位置在加压t时刻的电场强度，ρ(x,t)是样品内部x位置在t时刻的电荷密度，ε_r是样品的相对介电常数，ε₀是真空介电常数，且ε₀=8.852*10^-12F/m，d是被测电介质样品的厚度。

其中，可以根据式：

计算总电荷量分布；其中，ρ(x,t)是被测电介质样品内部电荷密度，S是电极表面积，d是被测电介质样品厚度。

具体的，在直流电场作用下，空间电荷会注入到电介质内部，并在局部汇聚，畸变介质内部电场分布，储存电机械能，并引起电荷的复合和激励，导致材料的早期破坏。电介质内部的空间电荷的总量涉及到介质材料的电性能与其物理、化学、微观结构特性，是对材料自身电荷输运特性的表征。

采用PEA测得电介质内部空间电荷的分布情况，其内部总电荷量可以由下式相应计算得到：

$Q\left(t\right)=\underset{0}{\overset{d}{\∫}}\left|\mathrm{\ρ}(x,t)\right|\mathrm{Sdx}$

其中，可以根据式：

计算电荷视在迁移率；其中，v是被测电介质样品内部电荷运动速率，E是局部电场值，μ为空间电荷的迁移率即电荷视在迁移率。

具体的，空间电荷在电介质内部的迁移率可以是在加压情况下即所谓的极化过程，也可以是在去压的情况下即去极化过程。一般来讲，加压过程易于受到外加直流电压等级及其他周围环境因素的影响，而去压的情况能够更为准确地反映及评估电介质内部空间电荷的迁移，进而准确反映电介质自身特性。因此，在去压情况下的电介质内部的电荷迁移率往往作为对材料空间电荷特性量化的一个重要指标。

其中，可以根据式：

计算陷阱能级密度；其中，η₁、η₂均为常数，N(E_t)为陷阱能级密度，其中

其中f₀(E_t)为介质中陷阱的初始占有率，取数值1/2,q为电子电量，取值为1.6×10^-19C,k为波尔兹曼常数，取值为8.568×10^－5eV/K；T为绝对温度，单位K；v为电子振动频率，取值为3×10¹²s^-1。

具体的，对于电介质来讲，当外施电压撤去即短路后，电介质中被浅陷阱入陷的载流子先释放，处于深陷阱中的载流子后释放，在不同温度下随时间衰减的载流子释放电流反映了试样表面的陷阱能级分布规律.这里假设释放出的载流子不会再发生陷阱化，则可得出陷阱能级E_t及电流密度j与陷阱密度N_t的关系：

E_t=kTlnvt,

$j=\frac{\mathrm{qLkT}}{2t}{f}_0\left(E_t\right)N\left(E_t\right),$

式中，f₀(E_t)为介质中陷阱的初始占有率，取数值1/2，q为电子电量，取值为1.6×10^-19C,k为波尔兹曼常数，取值为8.568×10^－5eV/K，T为绝对温度，单位K，v为电子振动频率，取值为3×10¹²s^-1；电子陷阱的能量以导带底为零点计算，空穴陷阱的能量以价带顶为零点计算.

如果令

可看出η₁、η₂均是常数，则有：

$N\left(E_t\right)=\frac{{\mathrm{\η}}_2}{{\mathrm{\η}}_1}\frac{t}{\mathrm{\τ}}{e}^{-t/\mathrm{\τ}}\·$

由该式可知，陷阱能级密度N(E_t)与电荷密度的衰减时间常数和衰减时间密切相关，因此，通过PEA测得电介质表面电荷衰减曲线，求得其衰减时间常数，便可由公式上式求得表面陷阱能级分布。

其中，可以根据式：

计算电场畸变率；其中，E_max和E_av分别代表加压过程中被测电介质样品内部的最大电场强度和无畸变时的电场强度，□E代表电场的最大畸变率即电场畸变率。

具体的，所示样品在加压过程中各个时刻的空间电荷密度曲线，可计算得到各个样品在加压过程中相应时刻的电场分布曲线。本文提取各个样品在加压过程中试品内部电场强度的最大值，按照式下式进行计算，得到加压过程中试品内部电场的最大畸变率△E。

按照上述过程，可以快速准确的计算出电介质样品的电荷密度分布、电场强度分布、总电荷量分布、电荷视在迁移率、陷阱能级分布和电场畸变率，可以采用图形画的形式进行显示，以方便研究人员研究。

请参考图3，是本发明提供的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析装置的实施例的结构示意图，其包括：

第二接收模块1，用于接收用户输入的参数。

其中，用户输入的参数包括：被测的电介质样品的厚度、介损值和声传导速率，和交直流空间电荷测试平台的电压值、电压极性、频率、测试温度和系统分辨率。

第一接收模块2，用于接收原始的交直流空间电荷测试数据。

其中，原始的交直流空间电荷测试数据由采用电声脉冲法作为测试技术的交直流空间电荷测试平台对被测电介质样品进行测试后输出。

样正模块3，用于对接收的原始的交直流空间电荷测试数据进行校正，得到校正后的交直流空间电荷测试数据。

分析模块4，用于根据校正后的交直流空间电荷测试数据，计算得到所述被测的电介质样品的特征参数，所述特征参数包括如下任一项或其组合：电荷密度分布、电场强度分布、总电荷量分布、电荷视在迁移率、陷阱能级分布和电场畸变率。

由于图3为与图2的方法步骤一一对应的装置，因此不再对其详细描述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

接收原始的交直流空间电荷测试数据，所述原始的交直流空间电荷测试数据由采用电声脉冲法作为测试技术的交直流空间电荷测试平台对被测电介质样品进行测试后输出；

对接收的原始的交直流空间电荷测试数据进行校正，得到校正后的交直流空间电荷测试数据；

根据所述校正后的交直流空间电荷测试数据，计算得到所述被测的电介质样品的特征参数，所述特征参数包括如下任一项或其组合：电荷密度分布、电场强度分布、总电荷量分布、电荷视在迁移率、陷阱能级分布和电场畸变率。

2.如权利要求1所述的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，其特征在于：所述接收原始的交直流空间电荷测试数据之前，还包括：

接收用户输入的参数，所述用户输入的参数包括：所述被测的电介质样品的厚度、介损值和声传导速率，和所述交直流空间电荷测试平台的电压值、电压极性、频率、测试温度和系统分辨率。

3.如权利要求1或2所述的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，其特征在于：

根据式：计算电荷密度分布；其中，Q_P是电介质内部储存的电荷量，t是加压或去压时对应的极化时间或去极化时间，L是夹在电极之间的试样厚度即被测电介质样品的厚度，Q₀为去极化开始时的瞬时储存电荷量，q₀为初始平均电荷密度，q₀(t)为电荷密度分布即q₀随时间变化的参数。

4.如权利要求1或2所述的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，其特征在于：

根据式：

计算电场强度分布；其中，E(x,t)为被测电介质样品内部x位置在加压t时刻的电场强度，ρ(x,t)是样品内部x位置在t时刻的电荷密度，ε_r是样品的相对介电常数，ε₀是真空介电常数，且ε₀=8.852*10^-12F/m，d是被测电介质样品的厚度。

5.如权利要求1或2所述的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，其特征在于：

根据式：

计算总电荷量分布；其中，ρ(x,t)是被测电介质样品内部电荷密度，S是电极表面积，d是被测电介质样品厚度。

6.如权利要求1或2所述的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，其特征在于：

根据式：

计算电荷视在迁移率；其中，v是被测电介质样品内部电荷运动速率，E是局部电场值，μ为空间电荷的迁移率即电荷视在迁移率。

7.如权利要求1或2所述的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，其特征在于：

根据式：

计算陷阱能级密度；其中，η₁、η₂均为常数，N(E_t)为陷阱能级密度，其中

其中f₀(E_t)为介质中陷阱的初始占有率，取数值1/2,q为电子电量，取值为1.6×10^-19C,k为波尔兹曼常数，取值为8.568×10^－5eV/K；T为绝对温度，单位K；v为电子振动频率，取值为3×10¹²s^-1。

8.如权利要求1或2所述的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析方法，其特征在于：

根据式：

计算电场畸变率；其中，E_max和E_av分别代表加压过程中被测电介质样品内部的最大电场强度和无畸变时的电场强度，□E代表电场的最大畸变率即电场畸变率。

9.一种电介质样品交直流空间电荷测试数据分析装置，其特征在于：包括：

第一接收模块，用于接收原始的交直流空间电荷测试数据，所述原始的交直流空间电荷测试数据由采用电声脉冲法作为测试技术的交直流空间电荷测试平台对被测电介质样品进行测试后输出；

校正模块，用于对接收的原始的交直流空间电荷测试数据进行校正，得到校正后的交直流空间电荷测试数据；

分析模块，用于根据所述校正后的交直流空间电荷测试数据，计算得到所述被测的电介质样品的特征参数，所述特征参数包括如下任一项或其组合：电荷密度分布、电场强度分布、总电荷量分布、电荷视在迁移率、陷阱能级分布和电场畸变率。

10.如权利要求9所述的电介质样品交直流空间电荷测试数据分析装置，其特征在于：所述接收原始的交直流空间电荷测试数据之前，还包括：

第二接收模块，用于在第一接收模块接收原始的交直流空间电荷测试数据之前，接收用户输入的参数，所述用户输入的参数包括：所述被测的电介质样品的厚度、介损值和声传导速率，和所述交直流空间电荷测试平台的电压值、电压极性、频率、测试温度和系统分辨率。

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