CN105092990A - 一种基于电声脉冲法的空间电荷测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于声电脉冲法的空间电荷测量装置。该装置对待测绝缘材料的空间电荷进行计算时，可采用第一加热部件对待测绝缘材料的上表面进行加热，第二加热部件对待测绝缘材料的下表面加热，实现在不同温度梯度下对空间电荷的测量，真实模拟绝缘材料的工作环境，提高了测量结果的精度。

Description

一种基于电声脉冲法的空间电荷测量装置

技术领域

本申请涉及绝缘材料空间电荷测量领域，更具体地说，涉及一种基于电声脉冲法的空间电荷测量装置。

背景技术

空间电荷是影响绝缘材料老化过程的重要因素。电介质绝缘材料中存在着陷阱，在电场的作用下，陷阱捕获载流子形成空间电荷。空间电荷的存在、转移输运和消散中和会直接导致电介质绝缘材料内部电场分布的改变，对介质绝缘材料内部的局部电场起到削弱或加强的作用。由于空间电荷对电场的这种畸变作用，空间电荷对绝缘材料的电导、击穿破坏、老化等各方面的电特性都有明显的影响。

随着科学技术的不断发展，目前出现了多种用于测量空间电荷分布的测量方法和装置，其中最具有代表性的为基于电声脉冲法的空间电荷测量装置。然而，当前基于电声脉冲法的电荷测量装置在对绝缘材料进行空间电荷测量时，只能实现绝缘材料整体温度的改变，无法在不同的温度梯度下实现对绝缘材料的空间电荷测量，因而不能真实模拟绝缘材料的工作环境，其测量结果精度低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种基于电声脉冲法的空间电荷测量装置，通过在绝缘材料的上表面和下表面施加不同的温度，在不同的温度梯度下实现对绝缘材料的空间电荷测量，真实模拟绝缘材料的工作环境，提高了测量结果的精度。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种基于电脉冲法的空间电荷测量装置，包括：

设置有样品槽的下电极和位于所述样品槽上方的上电极，所述样品槽用于放置待测绝缘材料；

通过所述上电极向待测绝缘材料的上表面施加直流电压的直流电压输出电路；

通过所述上电极向待测绝缘材料的上表面施加脉冲信号的脉冲输出电路；

通过所述上电极向待测绝缘材料的上表面加热的第一加热部件；

通过所述下电极接收待测绝缘材料在所述直流电压和所述脉冲信号作用下产生的声波信号，并将所述声波信号转换相应大小的电信号的压电传感器；

通过所述下电极向待测绝缘材料的下表面加热的第二加热部件；

基于声电脉冲法，根据所述电信号确定待测绝缘材料的空间电荷密度分布的处理器。

优选的，所述直流电压输出电路包括：直流电压源、卡扣配合型连接器以及保护电阻；

其中所述直流电压源通过所述卡扣配合型连接器与所述保护电阻的一端相连；

所述保护电阻的另一端与所述上电极相连。

优选的，所述脉冲输出电路包括：脉冲发生器、卡扣配合型连接器、隔离电容以及匹配电阻；

其中所述脉冲发生器通过所述卡扣型连接器与所述隔离电容的一端相连；

所述隔直电容器的另一端与所述上电极相连；

所述匹配电阻的一端与所述卡扣型连接器和所述隔离电容的公共端相连，另一端接地。

优选的，所述直流电压输出电路、所述脉冲输出电路和所述上电极的外侧设置有铜屏蔽层；

所述铜屏蔽层、所述直流电压输出电路、所述脉冲输出电路和所述上电极之间的空隙内填充有环氧树脂。

优选的，所述第一加热部件和所述第二加热部件采用油循环加热系统。

优选的，还包括放置所述压电传感器的聚四氟乙烯外壳；

所述聚四氟乙烯外壳内还设置有用于吸收由不同材料界面引起的反射声波，防止对压电传感器检测的声波信号干扰的吸收层。

优选的，还包括与所述压电传感器相连的放大器以及与所述放大器相连的示波器；

其中，所述放大器用于放大压电传感器输出的的电信号；

所述示波器用于显示放大后电信号，并将放大后的电信号发送至所述处理器。

优选的，还包括包裹所述聚四氟乙烯外壳和所述放大器的铜屏蔽层。

优选的，所述铜屏蔽层外侧设置有降低放大器温度的冷却风扇。

优选的，所述上电极为铜电极，所述下电极为铝电极。

经由上述技术方案可知，本申请公开了一种基于声电脉冲法的空间电荷测量装置。该装置包括上电极、下电极、直流电压输出电路、脉冲输出电路、第一加热部件、第二加热部件、压电传感器和处理器。其工作原理为：直流电压输出电路输出的直流电压和脉冲输出电路输出的脉冲信号通过上电极施加到待测绝缘材料上，待测绝缘材料的空间电荷在脉冲电场的作用下产生振荡，发出声波信号。压电传感器检测该声波信号，进而处理器根据该声波信号计算待测绝缘材料的空间电荷。需要说明的是，与现有技术相比，本发明在对待测绝缘材料的空间电荷进行计算时，可采用第一加热部件对待测绝缘材料的上表面进行加热，第二加热部件对待测绝缘材料的下表面加热，实现在不同温度梯度下对空间电荷的测量，真实模拟绝缘材料的工作环境，提高了测量结果的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一个实施例公开的一种基于声电脉冲的空间测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1示出了本发明一个实施例公开的一种基于声电脉冲的空间测量装置的结构示意图。

由图1可知，在本实施例中该装置主要包括：设有上样品槽16的下电极13、上电极2、直流电压输出电路、脉冲输出电路、第一加热部件14、第二加热部件4、压电传感器7以及处理器10。

其工作原理为：直流电压输出电路和脉冲输出电路通过上电极向位于样品槽内部的待测绝缘材料施加直流电压和脉冲信号。待测绝缘材料内部的空间电荷在直流电压和脉冲信号的作用下发生轻微的振荡，并产生声波信号。

位于下电极下方的压力传感器通过下电极接收绝缘材料产生的声波信号进而将检测到的声波信号转换为相应大小的电信号。处理器利用该电信号，基于声波脉冲法确定待测绝缘材料的空间电荷的密度分布。

需要说明的是，在对待测绝缘材料的空间电荷进行测量时，第一加热部件和第二加热部件通过上、下电极对待测绝缘材料的上表面和下表面进行加热，使待测绝缘材料的上表面和下表面产生不同的温度梯度，从而实现对待测绝缘材料真实工作环境的模拟，避免了不同温度梯度对空间电荷测量结果的影响，提高了测量结果的精度。

可选的，在本发明公开的其他实施例中，该装置的直流电压输出电路包括：直流电压源1、卡扣配合型连接器和保护电阻17。

其中，直流电压源可通过卡扣配合连接器实现与保护电阻的可拆卸连接。保护电阻的另一端与上电极相连，以保护直流电压源，防止直流电压源短路。

脉冲输出电路包括：脉冲发生器15、卡扣型配合连接器、隔直电容器18和匹配电阻19。

其中，脉冲发生器通过卡扣型配合连接器与隔直电容器的一端相连，以实现脉冲发生器与隔直电容器的可拆卸连接。隔直电容器的另一端与上电极相连。该隔直电容器可阻隔脉冲发生器产生的直流信号，以使脉冲发生器产生的交流信号通过隔直电容器，并作用在待测绝缘材料上。

另外，所述匹配电阻的一端与所述卡扣型连接器和所述隔离电容的公共端相连，另一端接地，且匹配电阻的终端电阻大小相等，从而减少脉冲信号的振动和反射。可选的，在本实施例中，为了提高测量精度，避免外界信号的干扰，将所述直流电压输出电路、所述脉冲输出电路和上电极包裹在铜屏蔽层内，铜屏蔽层可作为良好的电磁波和噪声的屏蔽层。另外，可在所述铜屏蔽层、所述直流电压输出电路以及所述脉冲输出电路之间的空隙内填充环氧树脂，作为良好的绝缘体，同时可固定上电极等电气元件。

可选的，在本发明公开的其他实施例中该装置还包括与所述压电传感器相连的放大器8以及与所述放大器相连的示波器9。

由于压电传感器的输出信号很弱，大约为10～100uv，因而在实际测量时，需要采用放大器对压电传感器输出的电信号进行放大，并通过示波器进行显示。处理通过示波器获取该电信号，并基于声电脉冲法确定待测绝缘材料空间电荷的密度分布。

可选的，所述装置还包括放置所述压电传感器的聚四氟乙烯外壳12，从而起到电绝缘作用，且所述聚四氟乙烯外壳12内还放置有吸收层11，用于吸收由不同材料界面引起的反射声波，防止对压电传感器检测的声波信号干扰的吸收层。所述聚四氟乙烯外壳和放大器通过铜屏蔽层5包裹，以实现电磁波和噪声的绝缘.

需要说明的是，在上述任意实施例中该装置用于包裹聚四氟乙烯外壳和放大器的铜屏蔽层的外侧设置有降低放大器温度的冷却风扇，并且上电极与待测绝缘材料之间设置有半导体膜3，以提供良好的声阻抗匹配。

需要说明的是，在实际设计该装置时，为了实现绝缘材料的真实模拟通常该装置的上电极采用铜电极，下电极采用铝电极。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于电脉冲法的空间电荷测量装置，其特征在于，包括：

设置有样品槽的下电极和位于所述样品槽上方的上电极，所述样品槽用于放置待测绝缘材料；

通过所述上电极向待测绝缘材料的上表面施加直流电压的直流电压输出电路；

通过所述上电极向待测绝缘材料的上表面施加脉冲信号的脉冲输出电路；

通过所述上电极向待测绝缘材料的上表面加热的第一加热部件；

通过所述下电极接收待测绝缘材料在所述直流电压和所述脉冲信号作用下产生的声波信号，并将所述声波信号转换相应大小的电信号的压电传感器；

通过所述下电极向待测绝缘材料的下表面加热的第二加热部件；

基于声电脉冲法，根据所述电信号确定待测绝缘材料的空间电荷密度分布的处理器。

2.根据权利1所述的装置，其特征在于，所述直流电压输出电路包括：直流电压源、卡扣配合型连接器以及保护电阻；

其中所述直流电压源通过所述卡扣配合型连接器与所述保护电阻的一端相连；

所述保护电阻的另一端与所述上电极相连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲输出电路包括：脉冲发生器、卡扣配合型连接器、隔离电容以及匹配电阻；

其中所述脉冲发生器通过所述卡扣型连接器与所述隔离电容的一端相连；

所述隔直电容器的另一端与所述上电极相连；

所述匹配电阻的一端与所述卡扣型连接器和所述隔离电容的公共端相连，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直流电压输出电路、所述脉冲输出电路和所述上电极的外侧设置有铜屏蔽层；

所述铜屏蔽层、所述直流电压输出电路、所述脉冲输出电路和所述上电极之间的空隙内填充有环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一加热部件和所述第二加热部件采用油循环加热系统。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括放置所述压电传感器的聚四氟乙烯外壳；

所述聚四氟乙烯外壳内还设置有用于吸收由不同材料界面引起的反射声波，防止对压电传感器检测的声波信号干扰的吸收层。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括与所述压电传感器相连的放大器以及与所述放大器相连的示波器；

其中，所述放大器用于放大压电传感器输出的电信号；

所述示波器用于显示放大后电信号，并将放大后的电信号发送至所述处理器。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括包裹所述聚四氟乙烯外壳和所述放大器的铜屏蔽层。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述铜屏蔽层外侧设置有降低放大器温度的冷却风扇。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上电极为铜电极，所述下电极为铝电极。