CN107167667A - 聚合物基半导电屏蔽料dc/ac介电性能测试系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统与方法涉及电气绝缘测试技术领域；该装置包括功率放大器、限流电阻、电极系统、试样、采样电阻、滤波放大电路、数据采集卡和计算机；该方法启动程序进入界面，输入试样的厚度、激励信号和数据采集参数，启动数据采集卡输出激励信号，启动采集程序、数字信号处理程序和数据显示程序；根据采集到的数据调整采样电阻的大小，使激励电压和响应电流幅值最为接近；对采集到的激励电压和响应电流进行存储；完成采样时，停止采集，对激励电压和响应电流计算，得到交流介电参数并显示；实现了在不同频率下对聚合物基半导电屏蔽料的交流等效介电常数和交流等效电导率等交流介电性能参数进行测量。

Description

聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统与方法
技术领域
本发明聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统与方法涉及电气绝缘测试技术领域。
背景技术
半导电屏蔽料是由导电填料与聚合物通过物理或化学方法复合后形成的既具有一定导电能力，又具备优异力学性能的多相复合材料，其导电性能主要受填料性质和填料浓度的影响，半导电屏蔽料可广泛应用于电力电缆、静电屏蔽、微波吸收等领域。
以交联电力电缆为例，在电缆中设置半导电屏蔽层的主要作用是减少导体与绝缘层交界面上的气隙和毛刺，使电场分布均匀，降低电场强度，减少局部放电，提高绝缘长期稳定性。半导电屏蔽层的特性直接关系到电缆的绝缘性能，其重要性不言而喻。目前电缆中对半导电屏蔽层的介电性能测试主要集中在直流条件下20℃和90℃时电阻率的测量方面，对其交流介电性能的研究则较少。而半导电层作为一种聚合物基复合材料，其导电机理尚未统一，其介电性能随着电场的改变可能会发生变化，尤其在当前交流电力电缆广泛应用的环境下，以及电缆受冲击电压等的非工频情况下，电场频率的改变可能会导致半导电层介电性能的变化，从而影响电缆的绝缘性能。因此，对聚合物基半导电屏蔽料在交流电压下的介电性能进行研究就显得意义重大。
测试是获取材料特性的有效途径，聚合物基半导电屏蔽料介电性能的研究离不开测试技术的支持，现有的介电性能测试装置大多应用于绝缘材料，对电阻率较低的半导电材料并不适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚合物基半导电屏蔽料介电性能测试系统与方法，能够在不同频率下对聚合物基半导电屏蔽料的交流等效介电常数和交流等效电导率等交流介电性能参数进行测量。
本发明的目的是这样实现的：
聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，包括功率放大器、限流电阻、电极系统、试样、采样电阻、滤波放大电路、数据采集卡和计算机，所述的电极系统由不保护电极、保护电极和测量电极组成，试样位于电极系统上，电极系统分别连接限流电阻、滤波放大电路和采样电阻，功率放大器分别连接限流电阻和数据采集卡，滤波放大电路连接数据采集卡，采样电阻连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，所述的电极系统采用三电极系统，测量电极直径为50mm，试样放置于不保护电极和测量电极之间，与不保护电极和测量电极良好接触。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，采样电阻由四个阻值分别为1Ω、10Ω、100Ω、1000Ω的精密电阻构成。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，利用数据采集卡的两个通道同步采集试样上的激励电压信号和流过试样的响应电流信号。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，数据采集卡D/A端口输出的激励电压信号为正弦波，峰值电压在1V～13V范围内调节，频率在0Hz～4MHz范围内调节。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，功率放大器、限流电阻、电极系统、试样、采样电阻和滤波放大器外部设有金属屏蔽。
所述聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统上实现的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试方法，包括以下步骤：
步骤a、启动软件程序进入用户界面；
步骤b、在用户界面输入试样的厚度参数；设置激励信号参数，所述激励信号参数包括物理通道、频率和幅值；设置数据采集参数，所属数据采集参数包括物理通道、采样模式、采样频率和采样点数；
步骤c、启动数据采集卡D/A端口输出激励信号，同时启动A/D采集程序、数字信号处理程序和数据显示程序；
步骤d、根据采集到的数据调整采样电阻的大小，使激励电压信号和响应电流信号幅值最为接近，避免某一数据过小导致误差增加；
步骤e、对采集到的激励电压信号和响应电流信号进行存储；
步骤f、等待完成步骤b中设置的采样点数，关闭数据采集卡D/A端口输出，停止数据采集，对步骤e存储的激励电压信号和响应电流信号进行计算，得到交流介电参数并显示；
步骤g、生成Excel格式的测试报表，内容包括测试时间、相关参数、测量数据和测试结果。
有益效果：
本发明聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，数据采集卡具有AD采集、DA输出、数字I/O口功能，是计算机获取和输出信号的通道，计算机通过数据采集卡DA端口输出0Hz～4MHz频率范围的正弦波激励信号，其驱动负载能力较差，因此采用功率放大器对激励信号进行调整，包括提升电压和增大输出电流，经功率放大器输出的激励信号由电极系统施加于被测试样上，计算机通过数据采集卡AD端口同步采集被测试样上电压和流过试样电流的时域数字信号，并由软件部分进行数字信号处理，从而获取被测试样的交流介电参数，数据采集卡前端设置有滤波和放大电路，起到减少噪声干扰和放大信号的作用，因此对于电阻率较低的半导电材料能够进行测试，实现了能够在不同频率下对聚合物基半导电屏蔽料的交流等效介电常数和交流等效电导率等交流介电性能参数进行测量，此系统改变传统的以模拟电路为主的测量方法，利用计算机加虚拟仪器技术，实现测试过程的数字化、可视化、智能化，增强人机交互性能，同时这种检测方法可以减少硬件设备的使用，降低成本，所测量的波形数据也可以长期保存，有助于后续研究。
附图说明
图1是聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统的系统结构图。
图2是功率放大器电路图。
图3是聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统的流程图。
图中：1功率放大器、2限流电阻、3电极系统、31不保护电极、32保护电极、33测量电极、4试样、5采样电阻、6滤波放大器、7金属屏蔽、8数据采集卡、9计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例是聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统与方法的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统。
本实施例的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，结构示意图如图1所示，聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，包括功率放大器1、限流电阻2、电极系统3、试样4、采样电阻5、滤波放大电路6、数据采集卡8和计算机9，所述的电极系统3由不保护电极31、保护电极32和测量电极33组成，试样4位于电极系统3上，电极系统3分别连接限流电阻2、滤波放大电路6和采样电阻5，功率放大器1分别连接限流电阻2和数据采集卡8，滤波放大电路6连接数据采集卡8，采样电阻5连接数据采集卡8，数据采集卡8连接计算机9。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，所述的电极系统3采用三电极系统，测量电极33直径为50mm，试样4放置于不保护电极31和测量电极33之间，与不保护电极31和测量电极33良好接触。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，采样电阻5由四个阻值分别为1Ω、10Ω、100Ω、1000Ω的精密电阻构成。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，利用数据采集卡8的两个通道同步采集试样4上的激励电压信号和流过试样4的响应电流信号。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，数据采集卡8D/A端口输出的激励电压信号为正弦波，峰值电压在1V～13V范围内调节，频率在0Hz～4MHz范围内调节。
所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，功率放大器1、限流电阻2、电极系统3、试样4、采样电阻5和滤波放大器6外部设有金属屏蔽7。
工作过程：计算机9安装有数据采集卡8和虚拟仪器软件labVIEW，是整个系统的搭建平台，该系统所有的信号输入、输出，数据采集、处理、显示、存储以及I/O口控制等功能均在labVIEW软件中实现，并通过编写用户界面程序实现人机交互。计算机9通过数据采集卡8的DA端口输出0Hz～4MHz频率范围的激励电压信号，其驱动负载能力较差，因此由通道CH3送至功率放大器1进行调整，包括提升电压和增大输出电流，经功率放大器1输出的激励电压信号经限流电阻2限流保护，再由电极系统3施加于被测试样4上，金属屏蔽7用于减少测试环境中的电磁干扰，同时通过数据采集卡8的AD功能实现数据采集，其中通道CH1用于采集试样4上的电压信号，通道CH2用于采集采样电阻5上的电压信号，两个电压信号经比例、加减等运算后转换成试样上的激励电压信号和流过试样的响应电流信号。为了使测量准确，应根据采集到的信号大小选取合适的采样电阻5。计算机9利用获取的激励电压信号和响应电流信号之间的相位、幅值关系，计算出被测试样的交流等效介电常数和交流等效电导率等交流介电性能参数，一次测量完成后，改变激励信号的频率，测量不同频率下的交流介电参数。
具体实施例二
本实施例的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，如图2所示，如图2所示，功率放大器电路由运算放大器一U1和运算放大器二U2构成。其中，运算放大器一U1用于构成反相比例电路，其放大倍数由电阻二R2和电阻一R1的比值决定；运算放大器二U2用于构成电压跟随器，起到隔离和驱动负载的作用。本实施例中，两个运算放大器芯片均选取LM7171高速电压反馈运算放大器，供电电压为正负15V输出峰值电压13V，最大输出电流100mA。
具体实施例三
本实施例是聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统与方法的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试的方法，操作流程如图3所示，包括以下步骤：
步骤a、启动软件程序进入用户界面；
步骤b、在用户界面输入试样4的厚度参数；设置激励信号参数，所述激励信号参数包括物理通道、频率和幅值；设置数据采集参数，所属数据采集参数包括物理通道、采样模式、采样频率和采样点数；
步骤c、启动数据采集卡8D/A端口输出激励信号，同时启动A/D采集程序、数字信号处理程序和数据显示程序；
步骤d、根据采集到的数据调整采样电阻5的大小，使激励电压信号和响应电流信号幅值最为接近，避免某一数据过小导致误差增加；
步骤e、对采集到的激励电压信号和响应电流信号进行存储；
步骤f、等待完成步骤b中设置的采样点数，关闭数据采集卡8D/A端口输出，停止数据采集，对步骤e存储的激励电压信号和响应电流信号进行计算，得到交流介电参数并显示；
步骤g、生成Excel格式的测试报表，内容包括测试时间、相关参数、测量数据和测试结果。
操作步骤如下：
第一步、启动labVIEW软件程序进入用户界面；
第二步、在用户界面中输入试样厚度参数，设置激励信号参数(物理通道、频率、幅值等)，设置数据采集参数(物理通道、采样模式、采样频率、采样点数等)；
第三步、点击“开始测量”按钮，启动数据采集卡8DA端口输出激励信号，同时启动AD采集程序、数字信号处理程序以及数据显示程序；
第四步、根据采集到的数据调整采样电阻5的大小(程序初始化默认接入1Ω的采样电阻5)，使电压信号和电流信号幅值最为接近，避免某一数据过小导致误差增加；
第五步、点击“数据记录”按钮，对采集到的数字信号进行存储；
第六步、等待完成第二步中设置的采样点数，程序关闭DA输出，停止数据采集，并根据算法对第五步中存储的电压、电流信号进行计算，得到交流介电参数并显示；
第七步、点击“输出报表”按钮，程序将生成Excel格式的测试报表，内容包括测试时间、相关参数、测量数据和测试结果等；
第八步、若继续测试则改变激励信号频率，重复上述步骤，若结束测试则退出程序。

Claims (7)

1.聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，其特征在于，包括功率放大器(1)、限流电阻(2)、电极系统(3)、试样(4)、采样电阻(5)、滤波放大电路(6)、数据采集卡(8)和计算机(9)，所述的电极系统(3)由不保护电极(31)、保护电极(32)和测量电极(33)组成，试样(4)位于电极系统(3)上，电极系统(3)分别连接限流电阻(2)、滤波放大电路(6)和采样电阻(5)，功率放大器(1)分别连接限流电阻(2)和数据采集卡(8)，滤波放大电路(6)连接数据采集卡(8)，采样电阻(5)连接数据采集卡(8)，数据采集卡(8)连接计算机(9)。
2.根据权利要求1所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，其特征在于，所述的电极系统(3)采用三电极系统，测量电极(33)直径为50mm，试样(4)放置于不保护电极(31)和测量电极(33)之间，与不保护电极(31)和测量电极(33)良好接触。
3.根据权利要求1所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，其特征在于，采样电阻(5)由四个阻值分别为1Ω、10Ω、100Ω、1000Ω的精密电阻构成。
4.根据权利要求1所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，其特征在于，利用数据采集卡(8)的两个通道同步采集试样(4)上的激励电压信号和流过试样(4)的响应电流信号。
5.根据权利要求1所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，其特征在于，数据采集卡(8)D/A端口输出的激励电压信号为正弦波，峰值电压在1V～13V范围内调节，频率在0Hz～4MHz范围内调节。
6.根据权利要求1所述的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统，其特征在于，功率放大器(1)、限流电阻(2)、电极系统(3)、试样(4)、采样电阻(5)和滤波放大器(6)外部设有金属屏蔽(7)。
7.一种在权利要求1、2、3、4、5和6所述聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试系统上实现的聚合物基半导电屏蔽料DC/AC介电性能测试方法，特征在于，包括以下步骤：
步骤a、启动软件程序进入用户界面；
步骤b、在用户界面输入试样(4)的厚度参数；设置激励信号参数，所述激励信号参数包括物理通道、频率和幅值；设置数据采集参数，所属数据采集参数包括物理通道、采样模式、采样频率和采样点数；
步骤c、启动数据采集卡(8)D/A端口输出激励信号，同时启动A/D采集程序、数字信号处理程序和数据显示程序；
步骤d、根据采集到的数据调整采样电阻(5)的大小，使激励电压信号和响应电流信号幅值最为接近，避免某一数据过小导致误差增加；
步骤e、对采集到的激励电压信号和响应电流信号进行存储；
步骤f、等待完成步骤b中设置的采样点数，关闭数据采集卡(8)D/A端口输出，停止数据采集，对步骤e存储的激励电压信号和响应电流信号进行计算，得到交流介电参数并显示；
步骤g、生成Excel格式的测试报表，内容包括测试时间、相关参数、测量数据和测试结果。
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