CN104698352A - 一种小间隙放电时延测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种放电时延的测量装置及相应的测量方法，能够精确地测量小间隙之间的放电击穿时延。本发明提供的小间隙放电时延测量装置，包括放电形成组件、放电测量组件和计算机，所述放电形成组件包括高压电源、继电器、电容、金属棒和接地块，所述金属棒和接地块之间存在间隙；所述放电测量组件包含两条测量通道和示波器，其中第一通道包括电流探头，第二通道包括光纤和光电转换器；所述计算机分别与继电器、高压电源和示波器相连。本发明同步采集击穿放电时产生的光信号和电信号，能够准确测量出小间隙的放电时延，测量精度高，适用范围广。

Description

一种小间隙放电时延测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于静电放电技术领域，涉及一种放电时延测量装置，尤其是涉及一种小间隙放电时延测量装置。

背景技术

静电放电(Electrostatic Discharge)是指具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移。静电的来源是多方面的，如人体、塑料制品、有关的仪器设备以及电子元器件本身。静电放电对电气电子设备的危害是非常严重的，会造成设备性能下降或出现故障。静电放电领域，电压在几千伏甚至几百伏的低电压放电经常发生。大部分情况下的静电放电会将电流注入接地部分。然而航空航天、工业生产以及消费类电子产品中存在大量的间隙，间隙的一端接信号线，另一端接地,中间为空气，最常见的如PCB间隙。当带电体触碰电子产品时会产生一次放电，间隙两端会积累电荷从而产生电压差，就有可能带来二次放电。放电的时延会导致间隙两端的电压差远超过击穿电压从而导致更大的放电的峰值电流和较小的上升时间。由于二次放电发生在电子系统内部，很可能导致设备发生故障甚至损毁(比如引起集成电路的死锁)。因此研究放电的时延非常有必要，因而需要对时延进行测量。

放电时延(如图1电压从V_o上升到V_p所需时间)只有几纳秒至几毫秒，时延的精确测量是非常困难的。然而间隙两端的电压难以测量，故通过检测两次放电电流的时间差来对放电时延进行测量。当两次放电电流的时间差较大时，如图2，放电起始点可分辨，此时时延较易测量，但当时间差小于10ns时，如图3,一次和二次放电电流混叠在一起，二次放电起始点难以确定，这就使精确地测量放电时延异常困难。有关典型几何形状(间隙距离为几毫米，电压低于20kV)的放电时延的测量目前尚无相关文献记载。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种放电时延的测量装置及相应的测量方法，能够精确地测量小间隙之间的放电二次击穿时延。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种小间隙放电时延测量装置，包括放电形成组件、放电测量组件和计算机，所述放电形成组件包括高压电源、继电器、电容、电极和接地块，所述电极和接地块之间存在间隙；所述放电测量组件包含两条测量通道和示波器，其中第一通道包括电流探头，第二通道包括光纤和光电转换器；所述计算机分别与继电器、高压电源和示波器相连，计算机能够控制高压电源为电容充电，计算机还能向继电器线圈发送电信号从而控制继电器开关的开闭；所述电容通过继电器开关与电极相连，所述电流探头夹持在电极上、用于测量间隙的电流，所述电流探头将接收到的电流信号传输给示波器；所述光纤放置于间隙中，所述光电转换器通过光纤接收间隙中产生的光信号，所述光电转换器将光信号转化为电信号后传输给示波器，所述示波器将接收到信号传输至计算机中，计算机根据示波器中显示的波形图提取相应的参数来计算间隙的放电时延。

进一步的，所述示波器置于法拉第笼内。

进一步的，所述第一通道与第二通道之间无耦合。

进一步的，所述电流探头通过电缆与示波器相连。

进一步的，所述光电转换器通过电缆与示波器相连。

进一步的，所述电极为铝棒，可更换为其它任何金属材料。

一种小间隙放电时延测量方法，包括如下步骤：

步骤A，高压电源为电容充电；

步骤B，电容为间隙充电，电流探头采集间隙产生的电流并将电信号传输至示波器中；

步骤C，放电产生，光电转换器采集间隙中产生的光信号并将其转换为电信号后传输至示波器中，电流探头采集间隙产生的放电电流并传输至示波器中；

步骤D，计算机根据示波器中的波形图采集所需时间参数T₁、T₂、T_光后通过下述步骤计算得到放电时延：

(a)当时延较大T₂可读取时，由下式可得放电时延：

T_时延＝T₂-T₁-t₀；

或先由下式得到第一通道与第二通道之间信号传输的时间差t_延迟：

t_延迟＝T_光-T₂，

再通过下式计算得出放电时延：

T_时延＝T_光-T₁-t_延迟-t₀；

(b)当时延较大T₂不可读取时，由下式可得放电时延：

T_时延＝T_光-T₁-t_延迟-t₀；

其中T₁是继电器开关打开电容对间隙充电的起始时刻，T₂是第一通道输出的放电电流阈值时间，T_光是第二通道输出的检测到光信号的阈值时间。

进一步的，步骤(b)中的t_延迟预先在较低电压下测试得出。

有益效果：

本发明提供的间隙放电时延测量装置采用双通道法，同步采集放电时产生的光信号和电信号，能够准确测量出小间隙的放电时延，无论是二次放电触发点易判别的情况还是二次放电触发点不易判别的情况，本发明都能实现放电时延的精确测量，测量精度高，适用范围广。本发明装置简单，操作步骤简便，测量结果准确可靠。

附图说明

图1为时延曲线；其中，t₀：从开始充电到到达静态击穿电压的时间；t_s：统计时延，即在外施电压作用下出现有效的触发电子所需要的时间；t_f：放电时延，即出现触发电子后，放电通道发展直至贯穿整个间隙而完成击穿所需要的时间；

图2为时延较大时的电流曲线；

图3为时延小于10ns时的电流曲线；

图4为本发明提供的小间隙放电时延测量装置结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供一种小间隙放电时延测量装置，如图4所示，包括放电形成组件、放电测量组件和计算机，所述放电形成组件包括高压电源、继电器、电容、电极和接地块，所述电极和接地块之间存在间隙；所述放电测量组件包含两条测量通道(第一通道和第二通道)和示波器，其中第一通道包括电流探头，用于传输充放电过程中的电信号，第二通道包括光纤和光电转换器，用于传输充放电过程中的光信号，这两条通道间无耦合；所述计算机分别与继电器、高压电源和示波器相连，计算机能够控制高压电源为电容充电，计算机还能向继电器线圈发送电信号从而控制继电器开关的开闭；所述电容通过继电器开关与电极相连，所述电流探头夹持在电极上、用于测量间隙中的电流，所述电流探头通过电缆将接收到的电流信号传输给示波器；所述光纤放置于间隙中，所述光电转换器通过光纤接收间隙中产生的光信号，所述光电转换器将光信号转化为电信号后通过电缆传输给示波器，所述示波器将接收到信号传输至计算机中。计算机根据示波器中显示的波形图提取相应的参数来计算间隙的放电时延。电极和接地块之间存在间隙宽度在0.5mm-3mm之间为佳，本装置能够准确测量出上述范围内的放电时延。

由于静电放电时的电磁脉冲干扰非常强，而系统如果要正常工作，必须得有非常好的抗干扰能力，因此本装置中的示波器应置于法拉第笼内进行电磁屏蔽，避免放电时的强电磁干扰，其它部分置于一个小型环境实验箱，实验箱可进行温湿度控制。

此外，本装置采用光纤接收间隙中产生的光信号而非电信号，也避免了放电时的电磁干扰耦合到电缆上进入示波器形成干扰。

具体地说，如图4所示，计算机通过GPIB接口与高压电源相连、通过USB接口与继电器相连，通过LAN接口与示波器连接。本例中采用NoiseKen-2000作为高压电源，高压电源通过R1电阻和R2Ω电阻与C1电容连接，电容另一端接地；电容通过R2电阻、继电器开关、R3电阻、R4电阻后与电极(或其他导电率好的金属)相连；电容还通过R2电阻、R5接地。电极可以采用金属棒，如铝棒等，电流探头可采用电流钳。本例中提到的仪器型号、电阻数量和电阻阻值仅仅为一种可行的实施例，而不应作为本发明的限制，本领域内技术人员可以根据实验要求和现场条件选择合适型号的仪器、电阻的数量和电阻阻值。

本发明还提供了基于上述小间隙放电时延测量装置的测量方法，包括如下步骤:

步骤A，实验开始时，继电器开关闭合，此时高压源给C1电容充电；

步骤B，当断开继电器开关时，电容两端的电压给间隙(电极尖端与接地块之间的间隙)充电，使间隙两端电压快速升高，在该过程中，本例中采用电流探头用于检测间隙中的电流(此时间隙中的电流其实是电容对电极充电产生充电电流)，并将波形图显示在示波器上，根据示波器上的电流曲线可以确定充电过程在何时开始。

步骤C，当间隙两端电压上升到击穿电压时，则有可能发生二次放电，若出现触发电子且放电通道发展直至贯穿整个间隙，放电开始。光纤放置于间隙中，用于检测光信号。当放电发生时会发出光，光信号通过光纤和光电转换器转化为电信号，显示在示波器上，通过LAN连接传输至计算机使数据在计算机上可视。同时电流探头检测到间隙中的放电电流。

步骤D，计算机根据整个过程中示波器中的波形图读取所需时间参数(T₁、T₂、T_光)通过下述公式计算可得放电时延：

T_时延＝T₂-T₁-t₀           (1)

T_时延＝T_光-T₁-t_延迟-t₀          (2)

t_延迟＝T_光-T₂          (3)

其中，T₁是一次放电电流阈值时间，即继电器开关打开电容对间隙充电的起始时刻，对应图1，即为t₀的起始时刻。T₂是第一通道输出的放电电流阈值时间，T_光是第二通道输出的检测到光信号的阈值时间，t_延迟是第一通道与第二通道之间信号传输的时间差，t₀是到达击穿电压的时间。由于小间隙的放电过程可等效为一个RC串联电路，于是t₀可由电容充电公式计算得到。当时延较大时，T₁、T₂、T_光均可由计算机上读取，由式(1)可得放电时延；或先由式(3)可得第一通道与第二通道之间信号传输的时间差t_延迟，再由式(2)可得放电时延；

当时延小于10ns时，T₁、T_光可由计算机上读取，T₂未知，t_延迟不变，将数据代入公式(2)可得放电时延。

本发明中所述的放电时延，包括统计时延t_s和放电时延t_f。

综上所述，本发明提供的放电时延测量装置和方法对于一般情况(放电触发点易判别)和一次、二次放电电流发生重叠(放电延时小于10ns，触发点不易判别)的情况都能准确测量出小别的间隙的放电时延，测量精度高。时延对电子产品对二次放电的响应有重要影响，尤其当时延很小的时候(10ns或更小)，本发明实现了小别间隙的放电时延的精确测量。

通过环境实验箱可进行不同温湿度条件下的时延测量，通过更换电极材料可实现不同金属材料的时延测试，通过电极与接地距离可实现不同间隙尺寸的时延测量，通过调节电压源的电压大小可实现不同电压、场强、以及过电压对时延的影响。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种小间隙放电时延测量装置，其特征在于：包括放电形成组件、放电测量组件和计算机，所述放电形成组件包括高压电源、继电器、电容、电极和接地块，所述电极和接地块之间存在间隙；所述放电测量组件包含两条测量通道和示波器，其中第一通道包括电流探头，第二通道包括光纤和光电转换器；所述计算机分别与继电器、高压电源和示波器相连，计算机能够控制高压电源为电容充电，计算机还能向继电器线圈发送电信号从而控制继电器开关的开闭；所述电容通过继电器开关与电极相连，所述电流探头夹持在电极上、用于测量间隙的电流，所述电流探头将接收到的电流信号传输给示波器；所述光纤放置于间隙中，所述光电转换器通过光纤接收间隙中产生的光信号，所述光电转换器将光信号转化为电信号后传输给示波器，所述示波器将接收到信号传输至计算机中，计算机根据示波器中显示的波形图提取相应的参数来计算间隙的放电时延。

2.根据权利要求1所述的小间隙放电时延测量装置，其特征在于：所述示波器置于法拉第笼内。

3.根据权利要求1或2所述的小间隙放电时延测量装置，其特征在于：所述第一通道与第二通道之间无耦合。

4.根据权利要求1所述的小间隙放电时延测量装置，其特征在于：所述电流探头通过电缆与示波器相连。

5.根据权利要求1所述的小间隙放电时延测量装置，其特征在于：所述光电转换器通过电缆与示波器相连。

6.根据权利要求1所述的小间隙放电时延测量装置，其特征在于：所述电极为铝棒。

7.一种小间隙放电时延测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，高压电源为电容充电；

步骤B，电容为间隙充电，电流探头采集间隙产生的电流并将电信号传输至示波器中；

步骤C，放电产生，光电转换器采集间隙中产生的光信号并将其转换为电信号后传输至示波器中，电流探头采集间隙产生的放电电流并传输至示波器中；

步骤D，计算机根据示波器中的波形图采集所需时间参数T₁、T₂、T_光后通过下述步骤计算得到放电时延：

(a)当时延较大T₂可读取时，由下式可得放电时延：

T_时延＝T₂-T₁-t₀；

或先由下式得到第一通道与第二通道之间信号传输的时间差t_延迟：

t_延迟＝T_光-T₂，

再通过下式计算得出放电时延：

T_时延＝T_光-T₁-t_延迟-t₀；

(b)当时延较大T₂不可读取时，由下式可得放电时延：

T_时延＝T_光-T₁-t_延迟-t₀；

其中T₁是继电器开关打开电容对间隙充电的起始时刻，T₂是第一通道输出的放电电流阈值时间，T_光是第二通道输出的检测到光信号的阈值时间。

8.根据权利要求7所述的小间隙放电时延测量方法，其特征在于，步骤(b)中的t_延迟预先在较低电压下测试得出。