CN105116171B - 一种平板绝缘材料表面电势快速测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板绝缘材料表面电势快速测量系统，属于绝缘材料性能测试领域，该系统包括：测量探头、探头屏蔽罩、电压保持单元、示波器、计算机、接地电机、探测器固定板、探头接地针、接地电机接地环、二维移动平台、直线推进平台、驱动机构控制器。本发明能够对平板绝缘表面电势快速扫描，测量空间单点电势衰减特性。同时，本发明能够根据待测式样表面电势衰减特性，校正扫描所用时间，降低了电势衰减对测量结果带来的误差。

Description

一种平板绝缘材料表面电势快速测量系统

技术领域

本发明属于绝缘材料表面特性测试领域，特别涉及一种平板绝缘材料表面电势测量系统。

背景技术

对绝缘材料施加直流电压后，材料表面将出现电荷积累现象，这将影响表面电场分布，使绝缘材料在较低电压下发生沿面闪络，大大限制了高压直流绝缘件的应用。因此，研究固体绝缘表面的电荷分布具有重要意义。利用静电电容探头对绝缘材料表面进行扫描，得到材料表面电势分布后，反推表面电荷密度，为目前获得表面电荷分布的主要方法。然而，研究表明，在断开电压后，绝缘材料表面电势将随时间不断变化，具有逐渐衰减的特点，特别是在常压及高于大气压环境下，断开电压后几分钟时间内，表面电势衰减变化十分明显。

目前，表面电势读取大部分通过静电计来完成，静电电容探头由驱动电机或者手动滑轨进行定位后，读取静电计示数并手动记录数据，然后调节静电电容探头至下一测量点，重复上述操作。该方法从测量开始到结束，往往需要耗费至少十几分钟甚至半小时时间，在这段时间内，表面电势衰减将对测量结果带来一定影响，引入较大误差；另外，不同测试人员测量轨迹选择及定位精度会存在差异，这也对实验结论引入了误差。

发明内容

本发明针对现有绝缘材料表面电势测量领域中存在的测量过程耗费时间长，无法自动完成快速测量、记录及显示一体，同时能够完成特定位置绝缘表面电势衰减特性测量的现状，提供一种平板绝缘材料表面电势快速测量系统，实现平板绝缘材料表面电势快速准确测量，以及电势衰减规律测试。

本发明所采用的技术方案是：一种平板绝缘材料表面电势快速测量系统，其特征在于，所述测量系统包括测量探头、探头屏蔽罩、电压保持单元、示波器、计算机、接地电机、探测器固定板、探头接地针、接地电机接地环、二维移动平台、直线推进平台及驱动机构控制器；其中，接地电机与测量探头固定在探测器固定板上，测量探头置于探头屏蔽罩中；接地电机转子与探头接地针连接在一起，接地电机接地环一端卡在转子上，接地电机接地环的另一端连接到探测器固定板上；探头与电压保持单元信号输入端连接，电压保持单元信号输出端与示波器相连，示波器与计算机连接；探测器固定板与二维移动平台固定在一起，二维移动平台被固定在直线推进平台上，驱动机构控制器分别与二维移动平台和直线推进平台的步进电机，以及接地电机连接。

所述测量系统，其特征在于，所述测量探头由静电感应电极，电极外屏蔽层，以及二者之间填充的绝缘材料组成；静电感应电极为下端伸出所述绝缘材料外的不锈钢金属电极，上端穿过绝缘材料，通过SMA接头引出至示波器；电极外屏蔽层由两个中空圆柱组成，所述填充的绝缘材料为聚四氟乙烯，填充于所述电极外屏蔽层内，中间留有孔，用于固定所述静电感应电极，下端紧贴所述电极外屏蔽层并向外伸出，用于套装所述探头屏蔽罩。

所述测量系统，其特征在于，所述探头屏蔽罩由电极屏蔽罩外壳，接地孔和屏蔽罩固定座组成，为屏蔽探头运行过程中外界存在的高频干扰，提高电势测量分辨率；所述电极屏蔽罩外壳为具有不同内径尺寸的多个不锈钢空心圆管，用于对不同测量环境及表面电势测量灵敏度要求进行相应选择；所述接地孔设置在电极屏蔽罩外壳上端一侧的小孔，用于运行前静电感应电极接地；所述屏蔽罩固定座为与电极屏蔽罩外壳上端相连的金属筒，用于将电极屏蔽罩外壳安装于测量探头外，并与测量探头静电感应电极外屏蔽层可靠连接，使测量探头露出电极屏蔽罩外壳下端。

所述测量系统，其特征在于，所述接地电机接地环，由不锈钢针做成，一段固定于所述探测器固定板上，另一端做成凹形，卡在所述接地电机转子上，能够实现在不影响转子旋转的前提下，对转子持续接地。

所述测量系统，其特征在于，所述二维移动平台为两个运动方向相互垂直的丝杠滑台组成，两个丝杠分别由一台步进电机驱动，步进电机由驱动机构控制器控制。

所述测量系统，其特征在于，所述驱动机构控制器内存储有能够实现步进电机行走的程序，实现对所述二维移动平台及直线推进平台步进电机精确控制，按预定路线及时延行走；驱动机构控制器实现运行程序编写与存储，实现推进平台及二维移动平台按照预期程序带动所述探头运动，其中，推进平台可沿直线带动所述二维移动平台实现直线运动，目的为确保电压施加过程中，探针远离表面，电压断开后，探针被移动到表面测试初始位置，保持电极下端距表面2-5mm，二维移动平台可在电极移动到绝缘表面初始位置后，控制探头沿表面做Z字形扫描，探头停留时间及行走耗时均可通过运行程序进行调整，实现对扫描时间的控制。

所述测量系统，其特征在于，所述计算机其内预先安装有LabVIEW软件编写的操作程序及界面，其程序实现的功能模块包括：采集设备参数设置模块、测量功能选择模块、表面电势变化曲线生成模块、探针行走轨迹校正模块以及表面电势3D图生成模块；其中：

所述采集设备参数设置模块，用于选择相应采集设备接口及采样通道；

所述测量功能选择模块，用于选择测量方式，所述测量方式分为平板绝缘材料表面电势扫描方式及单点电势衰减规律测试；

所述表面电势变化曲线生成模块，用于实时反映测量过程中，测量点处电势数值，并生成历史曲线；

所述探针行走轨迹校正模块，用于结合所述二维移动平台移动速度，对采样速度进行调节，使二者达到同步；

表面电势3D图生成模块，用于将测量结束后显示成表面电势三维图。

本发明的有益效果是：本发明能够对待测绝缘材料表面电势衰减特性进行测量，同时，可以根据待测式样表面电势衰减特性，通过调节所述驱动机构控制器控制扫描所用时间及采样间隔时间，对式样表面进行扫描。本发明可通过提高探针行走速度，来降低扫描过程中，由表面电势衰减对测量结果带来的影响。

附图说明

图1为本发明的测量系统实施例结构示意图，图1中的符号表示：测量探头1；探头屏蔽罩2；电压保持单元3；示波器4；计算机5；接地电机6；探测器固定板7；探头接地针8；接地电机接地环9；二维移动平台10；直线推进平台11；驱动机构控制器12；待测绝缘材料13。

图2为本发明的静电探测器屏蔽罩实施例结构示意图，图2中的符号表示：电极屏蔽罩14；接地孔15；屏蔽罩固定座16。

具体实施方式

下面结合附图，以15mm×8mm平板扫描区域为例，对本发明硬件连接及测试方法做进一步说明。

本发明的一种平板绝缘材料表面电势快速测量系统实施例结构如图1所示，该系统包括：测量探头1；探头屏蔽罩2；电压保持单元3；示波器4；计算机5；接地电机6；探测器固定板7；探头接地针8；接地电机接地环9；二维移动平台10；直线推进平台11；驱动机构控制器12。其中，接地电机6与测量探头1被固定于探测器固定板7上，测量探头1置于探头屏蔽罩2中；接地电机6转子通过可粘贴铜箔与探头接地针8连接在一起，将接地电机接地环9凹端卡在转子上，接地电机接地环9的另一端通过可粘贴铜箔连接到探测器固定板7上；探头1通过SMA屏蔽线与电压保持单元3信号输入端连接，电压保持单元3信号输出端通过SMA-BNC转接线与示波器4相连，示波器与计算机5通过USB通讯线连接；探测器固定板7，与二维移动平台10通过螺丝固定在一起，二维移动平台10被固定在直线推进平台11上，驱动机构控制器12分别与二维移动平台10和直线推进平台11的步进电机，以及接地电机6连接。系统测量时将待测绝缘材料13放置在探头屏蔽罩2下端。

本实施例系统的各部件具体实现方式及功能说明如下：

本实施例的测量探头1由静电感应电极，电极外屏蔽层，以及二者之间填充的绝缘材料组成。静电感应电极为直径0.5mm，下端伸出所述绝缘材料外12mm的不锈钢金属电极，上端穿过绝缘材料，通过SMA接头引出至示波器4。电极外屏蔽层，由两个中空圆柱组成，其中，上端圆筒外径15mm，内径10mm，高度10mm，下端圆柱高度1mm，外径6.5mm，内径5mm。填充的绝缘材料，为聚四氟乙烯，填充于所述电极外屏蔽层内，中间留有孔，用于固定所述静电感应电极，下端紧贴所述电极外屏蔽层并向外伸出3mm，用于套装所述探头屏蔽罩。

本实施例的探头屏蔽罩2结构如图2所示，由电极屏蔽罩外壳14，接地孔15和屏蔽罩固定座16组成，其功能为屏蔽探头运行过程中外界存在的高频干扰，提高电势测量分辨率。本实施例中电极屏蔽罩外壳14为长度9mm的不锈钢空心圆管，内径可分为2mm，4mm和6mm，对应外径为3mm，5mm和7mm的三种规格，测量前。可针对不同测量环境及表面电势测量灵敏度要求进行相应选择。其中，接地孔15设置在电极屏蔽罩外壳上端一侧高度为2mm，圆心角为120°的小孔，用于运行前静电感应电极接地；屏蔽罩固定座16为与电极屏蔽罩外壳上端相连的外径6mm，内径5mm的金属筒，用于将电极屏蔽罩外壳安装于测量探头1外，并与测量探头静电感应电极外屏蔽层可靠连接，使测量探头露出电极屏蔽罩外壳下端2mm。

本实施例的电压保持单元3采用型号为OPA128的运算放大器，连接成电压跟随器的形式，通过±15V开关电源供电，利用OPA128输入端高阻抗的功能来抑制电荷衰减，可以将测量电势无损传递到所述示波器进行数据采集。

本实施例的探测器固定板7由有机玻璃板或者其他绝缘材料粘接而成，作用为将测量探头，接地电机及探头接地针固定于二维移动平台上。

本实施例的接地电机6为普通步进电机，由驱动机构控制器控制，转子端连接有电极接地针，可以随转子旋转。

本实施例的电极接地针8由直径0.16mm不锈钢针做成，可以通过探头屏蔽罩接地孔与测量探头的静电感应电极相连接，实现将电极测试前接地，确定初始电位。

本实施例的接地电机接地环9，由直径0.16mm不锈钢针做成，一段固定于所述探测器固定板上，另一端做成凹形，卡在所述接地电机转子上，能够实现在不影响转子旋转的前提下，对转子持续接地。

本实施例的二维移动平台10，为两个运动方向相互垂直的丝杠滑台组成，X方向和Y方向移动距离分别为15mm和8mm，两个丝杠分别由一台步进电机驱动，步进电机由驱动机构控制器12控制，运动精度0.001mm。

本实施例的直线推进平台11，与二维移动平台10连接，由一台步进电机驱动，步进电机由驱动机构控制器12控制，可实现所述二维移动平台10纵向移动距离0-50mm。

本实施例的驱动机构控制器12为普通步进电机控制器，内存储有能够实现步进电机行走的程序，实现对所述二维移动平台及直线推进平台步进电机精确控制，按预定路线及时延行走。

驱动机构控制器可实现运行程序编写与存储，可实现推进平台及二维移动平台按照预期程序带动所述探头运动，其中，推进平台可沿直线带动所述二维移动平台实现直线运动，距离为0-50mm，目的为确保电压施加过程中，探针远离表面，电压断开后，探针被移动到表面测试初始位置，保持电极下端距表面2-5mm，二维移动平台可在电极移动到绝缘表面初始位置后，控制探头沿表面做Z字形扫描，相邻点间隔距离为1mm，行走时间0.1s，在每一个测量点停留0.2s，其中，X和Y方向分别有15和8个点，共120个测量点，扫描完成后所用时间在一分钟以内。其中，能够根据待测式样表面电势衰减特性，通过调节所述驱动机构控制器控制扫描所用时间，探头停留时间及行走耗时均可通过运行程序进行调整，实现对扫描时间的控制。用以降低扫描过程中，表面电势衰减对测量结果带来的影响。能够根据绝缘表面电势高低及待测区域大小，选择合适的探针屏蔽罩来进行表面电势快速扫描，以及单点电势衰减特性测试。

本实施例的示波器为力科示波器，型号为WaveRunner 610Zi，用来对电压保持单元输出的电压值进行实时采集，并与计算机通过USB接口相连。

本实施例的计算机采用常规PC机，其内预先安装有LabVIEW软件编写的操作程序及界面，其程序实现的功能模块包括：采集设备参数设置模块、测量功能选择模块、表面电势变化曲线生成模块、探针行走轨迹校正模块、表面电势3D图生成模块。其中：

采集设备参数设置模块，通过下来菜单来选择示波器相应通道及相应函数，实现选择相应采集设备接口及采样通道的目的。

所述测量功能选择模块，其功能为通过下拉菜单选择测量方式，其中，所述测量方式分为平板绝缘材料表面电势扫描及单点电势衰减规律测试，二者与相应程序连接。

所述表面电势变化曲线，能够实时显示目前示波器读入电势值，并将其显示与电势-时间二维图中，生成历史曲线。

所述探针行走轨迹校正模块，通过依次点亮具有相同时间间隔的布尔控件，来实现前面板探头行走轨迹显示，此处对每次点亮延时进行软件控制，即可控制前面板布尔控件点亮时间间隔与探头驱动机构控制器控制探头行走时间间隔相同，因此，能够结合所述二维移动平台移动速度，对采样速度进行调节，使二者达到同步。

表面电势数字信号通过LabVIEW自带3DGraph控件，生成电势3D分布图。

本实施例系统的操作方法如下：

系统硬件连接好后，打开计算机，依次对计算机存储的采集设备参数设置模块、测量功能选择模块以及探针行走轨迹校正模块进行选择，具体操作方法如下：

1、在采集设备参数设置模块栏中选择所连接示波器型号及相应通道后，对测量功能选择模块进行调整，可选栏目有：“表面电势衰减特性测试”和“表面电势扫描”。

2、选择“表面电势衰减特性测试”后，则需要在相应窗口下设置采样间隔时间及总时间，间隔时间为1ms-1000ms可选，总时间可根据用户需求在0min-1000min内进行选择，程序运行后，程序自动计算并显示当前所采点数及倒计时，同时实时显示当前电势值及表面电势衰减特性历史曲线。

3、选择“表面电势扫描”选项卡，应首先对采集时间进行校正，使两次采集间隔与探针两步之间时间间隔相同。具体方法如下：选择“表面电势扫描”选项卡，点击“运行”按钮，此时，“探针行走轨迹校正模块”栏将依次点亮探测点位置示意灯，调节采集时间间隔，使发生变化的示意灯位置及两盏灯点亮的时间间隔与探针行走轨迹与时间间隔相同后，即完成了二者时间同步校正，保存该时间，并将其设置为默认值。将探针移动至原点，同时打开二维移动平台移动按钮及计算机软件启动按钮，这样，二者能在时间上达到同步，实现探针行走，软件观察行走轨迹并在相应点采集数据。探针扫描完成后，将在“表面电势3D图”一栏将显示表面电势三维图形。

Claims (7)

1.一种平板绝缘材料表面电势快速测量系统，其特征在于，所述测量系统包括测量探头、探头屏蔽罩、电压保持单元、示波器、计算机、接地电机、探测器固定板、探头接地针、接地电机接地环、二维移动平台、直线推进平台及驱动机构控制器；其中，接地电机与测量探头固定在探测器固定板上，测量探头置于探头屏蔽罩中；接地电机转子与探头接地针连接在一起，接地电机接地环一端卡在转子上，接地电机接地环的另一端连接到探测器固定板上；探头与电压保持单元信号输入端连接，电压保持单元信号输出端与示波器相连，示波器与计算机连接；探测器固定板与二维移动平台固定在一起，二维移动平台被固定在直线推进平台上，驱动机构控制器分别与二维移动平台和直线推进平台的步进电机，以及接地电机连接。

2.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述测量探头由静电感应电极，电极外屏蔽层，以及二者之间填充的绝缘材料组成；静电感应电极为下端伸出所述绝缘材料外的不锈钢金属电极，上端穿过绝缘材料，通过SMA接头引出至示波器；电极外屏蔽层由两个中空圆柱组成，所述填充的绝缘材料为聚四氟乙烯，填充于所述电极外屏蔽层内，中间留有孔，用于固定所述静电感应电极，下端紧贴所述电极外屏蔽层并向外伸出，用于套装所述探头屏蔽罩。

3.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述探头屏蔽罩由电极屏蔽罩外壳，接地孔和屏蔽罩固定座组成，为屏蔽探头运行过程中外界存在的高频干扰，提高电势测量分辨率；所述电极屏蔽罩外壳为具有不同内径尺寸的多个不锈钢空心圆管，用于对不同测量环境及表面电势测量灵敏度要求进行相应选择；所述接地孔设置在电极屏蔽罩外壳上端一侧的小孔，用于运行前静电感应电极接地；所述屏蔽罩固定座为与电极屏蔽罩外壳上端相连的金属筒，用于将电极屏蔽罩外壳安装于测量探头外，并与测量探头静电感应电极外屏蔽层可靠连接，使测量探头露出电极屏蔽罩外壳下端。

4.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述接地电机接地环，由不锈钢针做成，一段固定于所述探测器固定板上，另一端做成凹形，卡在所述接地电机转子上，能够实现在不影响转子旋转的前提下，对转子持续接地。

5.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述二维移动平台为两个运动方向相互垂直的丝杠滑台组成，两个丝杠分别由一台步进电机驱动，步进电机由驱动机构控制器控制。

6.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述驱动机构控制器内存储有能够实现步进电机行走的程序，实现对所述二维移动平台及直线推进平台步进电机精确控制，按预定路线及时延行走；驱动机构控制器实现运行程序编写与存储，实现推进平台及二维移动平台按照预期程序带动所述探头运动，其中，推进平台可沿直线带动所述二维移动平台实现直线运动，目的为确保电压施加过程中，探针远离表面，电压断开后，探针被移动到表面测试初始位置，保持电极下端距表面2-5mm，二维移动平台可在电极移动到绝缘表面初始位置后，控制探头沿表面做Z字形扫描，探头停留时间及行走耗时均可通过运行程序进行调整，实现对扫描时间的控制。

7.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述计算机其内预先安装有LabVIEW软件编写的操作程序及界面，其程序实现的功能模块包括：采集设备参数设置模块、测量功能选择模块、表面电势变化曲线生成模块、探针行走轨迹校正模块以及表面电势3D图生成模块；其中：

所述采集设备参数设置模块，用于选择相应采集设备接口及采样通道；

所述测量功能选择模块，用于选择测量方式，所述测量方式分为平板绝缘材料表面电势扫描方式及单点电势衰减规律测试；

所述表面电势变化曲线生成模块，用于实时反映测量过程中，测量点处电势数值，并生成历史曲线；

所述探针行走轨迹校正模块，用于结合所述二维移动平台移动速度，对采样速度进行调节，使二者达到同步；

表面电势3D图生成模块，用于将测量结束后显示成表面电势三维图。