CN109374975A - 一种高场强下聚合物薄膜的电阻率测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高场强下聚合物薄膜的电阻率测量装置及方法。该方法用高精度直流电压源通过保护电阻给聚合物薄膜提供电压，然后用静电计测试回路电流。测量聚合物薄膜的厚度和电极面积，采集流过聚合物薄膜的电流，并用电压和薄膜电极面积的乘积除以电流和薄膜厚度的乘积，即可得到聚合物薄膜的电阻率。本发明还提供实现上述方法的装置：主要包括高精度直流电压源、保护电阻、夹具、屏蔽环、恒温恒湿箱和静电计。本发明试验装置简单、测量方法便捷、可操作性强，对样品尺寸要求低。

Description

一种高场强下聚合物薄膜的电阻率测量装置及方法
技术领域
本发明属于电容器储能测试领域，更具体地，涉及一种高场强下聚合物薄膜的电阻率测量装置及方法。
背景技术
作为储能电源，金属化膜电容器在脉冲功率系统中起着重要的作用。金属化膜电容器大多数用聚合物薄膜作为储能介质，随着电容器储能密度的提高，聚合物薄膜的工作场强也相应提高，聚合物薄膜的电导损耗加剧。聚合物薄膜的电导主要有离子型电导和电子型电导两种，其电导率大小与载流子的浓度、迁移速率和外加电场等因素有关。温度越高，聚合物薄膜内部电子和离子的热运动加剧，参与导电的载流子越多，泄漏电流越大，因此聚合物薄膜的绝缘电阻具有负温度系数。当聚合物薄膜承受的场强接近击穿场强时，聚合物薄膜出现显著增加的导电现象，绝缘电阻急剧减小。因此，当温度或工作场强升高时，金属化膜电容器的泄漏电流增加，导致储能系统的输出效率降低。综上所述，要提高金属化膜电容器的有效储能密度，必须研究聚合物薄膜的绝缘特性。
目前，在聚合物薄膜电阻率的测量中，通常用HP 4294A阻抗分析仪测量聚合物薄膜的介质损耗来计算其交流情况下的电阻率。但是，HP 4294A阻抗分析仪输出的交流电压只有1V(有效值)，不能反映聚合物薄膜在高场强下的电阻率。另外，这种方法计算的是聚合物薄膜在交流情况下的电阻率，不能反映聚合物薄膜在实际工作条件下的电阻率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高场强下聚合物薄膜的电阻率测量装置及方法，由此解决现有装置中存在的不能根据实际工作条件测量聚合物薄膜电阻率的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高场强下聚合物薄膜电阻率的测量装置，包括：高精度直流电压源、继电器、保护电阻、恒温恒湿箱、静电计及夹具；
所述高精度直流电压源的第一接线端与所述继电器的第一接线端连接，所述高精度直流电压源的第二接线端与所述静电计的第二接线端连接，并接地；
所述继电器的第二接线端与所述保护电阻的第一接线端连接，所述保护电阻的第二接线端与所述恒温恒湿箱的第一接线端连接，所述恒温恒湿箱的第二接线端与所述静电计的第一接线端连接；
在进行待测聚合物薄膜的电阻率测量时，所述夹具放置于所述恒温恒湿箱中，在所述夹具上放置所述待测聚合物薄膜，且所述夹具的高低压电极分别与所述恒温恒湿箱的第一接线端和第二接线端连接。
优选地，所述静电计的数据输出端用于与外部终端设备相连，以由所述外部终端设备记录所述静电计的读数。
优选地，所述夹具包括：带孔螺栓、弹簧、带孔金属套管、L型螺杆、高压圆形平板电极、低压圆形平板电极、绝缘底座及多个绝缘支撑杆；
所述绝缘底座与多个所述绝缘支撑杆连接；所述L型螺杆较短的一端与所述高压圆形平板电极连接，所述高压圆形平板电极在垂直方向的位置能够调节；所述低压圆形平板电极与所述绝缘底座连接；所述带孔螺栓与所述绝缘底座及所述L型螺杆通过弹簧与所述带孔金属套管连接。
优选地，所述装置还包括屏蔽环，所述屏蔽环的外径小于所述低压圆形平板电极的直径，所述屏蔽环与导线焊接，所述导线与所述高精度直流电压源的第二接线端连接，并接地。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述任意一项所述的测量装置的高场强下聚合物薄膜电阻率的测量方法，包括：
将待测聚合物薄膜放置在所述夹具上，并将所述夹具放置在所述恒温恒湿箱中，设置所述恒温恒湿箱的温度和湿度；
将所述高精度直流电压源的输出电压调为预设电压，闭合所述继电器，由所述高精度直流电压源通过所述保护电阻给所述待测聚合物薄膜加载电压，并由所述静电计记录泄漏电流；
由所述预设电压和所述待测聚合物薄膜的电极面积的乘积除以所述泄露电流和所述待测聚合物薄膜厚度的乘积，得到所述待测聚合物薄膜的电阻率。
优选地，所述待测聚合物薄膜的电阻率为：ρ＝U0×S/(Il×d)，其中，U0表示预设电压，S表示所述待测聚合物薄膜的电极面积，Il表示稳态泄漏电流，d表示所述待测聚合物薄膜的厚度。
优选地，所述待测聚合物薄膜的电极包括高压电极、低压电极和屏蔽电极，其中，所述高压电极的尺寸大于等于所述高压圆形平板电极尺寸，所述屏蔽电极的尺寸与所述屏蔽环尺寸一致，所述低压电极的直径与所述屏蔽电极的外径一致。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明可以计算聚合物薄膜在实际工作条件下的电阻率；本发明试验装置可以测量的温度范围和场强范围更宽；本发明试验装置简单、测量方法便捷、可操作性强，对聚合物薄膜的尺寸要求低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高场强下聚合物薄膜电阻率的测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的夹具的截面示意图；
图3是本发明实施例提供的屏蔽环正面的俯视图；
图4是本发明实施例提供的聚合物薄膜电极的截面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示为本发明实施例提供的一种高场强下聚合物薄膜电阻率的测量装置的结构示意图，包括：高精度直流电压源1、继电器2、保护电阻3、恒温恒湿箱4、静电计6、夹具7和屏蔽环8；
高精度直流电压源1的第一接线端与继电器2的第一接线端电连接，继电器2的第二接线端与保护电阻3的第一接线端电连接；
恒温恒湿箱4包括第一接线端5和第二接线端5'，用于分别与夹具的高低压电极电连接，第一接线端5与保护电阻3的第二接线端电连接，第二接线端5'与静电计6的第一接线端电连接；
高精度直流电压源1的第二接线端与静电计6的第二接线端电连接，并接地。
本发明实施例中的高场强指：电场强度超过50MV/m。
本发明实施例中的高精度直流电压源指：输出的支流电压的纹波系数小于0.002％的电压源。
在一个可选的实施方式中，静电计6的数据输出端用于与外部终端设备相连，以由外部终端设备记录静电计6的读数。
如图2所示为本发明实施例提供的夹具7的截面示意图，包括：带孔螺栓7-1、弹簧7-2、带孔的金属套管7-3、多个螺母7-4、L型螺杆7-5、高压圆形平板电极7-6、低压圆形平板电极7-7、绝缘底座7-8和多个绝缘支撑杆7-9。
绝缘底座7-8与多个绝缘支撑杆7-9固定连接，在本发明实施例中，绝缘支撑杆的数量为至少4个；
L型螺杆7-5较短的一端与高压圆形平板电极7-6固定连接，高压圆形平板电极7-6在垂直方向的位置可以调节；
低压圆形平板电极7-7与绝缘底座7-8通过螺母7-4固定连接；
带孔螺栓7-1与绝缘底座7-8、L型螺杆7-5通过弹簧7-2和带孔的金属套管7-3固定连接。
在本发明实施例中，带孔的金属套管7-3可以是由不锈钢材料构成。
如图3所示为本发明实施例提供的屏蔽环正面的俯视图，屏蔽环8-1的外径小于低压圆形平板电极7-7的直径，屏蔽环8-1与导线8-3通过焊锡8-2焊接，导线8-3与高精度直流电压源1的第二接线端电连接，并接地。
如图4所示为本发明实施例提供的聚合物薄膜电极的截面示意图，聚合物薄膜9-2蒸镀的电极包括高压电极9-3、低压电极9-1和屏蔽电极9-4，其中，高压电极9-3的尺寸大于等于高压圆形平板电极7-6的尺寸，屏蔽电极9-4的尺寸与屏蔽环8-1的尺寸一致，低压电极9-1的直径与屏蔽电极9-4的外径一致。
在本发明的另一实施例中，还提供了一种基于上述高场强下聚合物薄膜电阻率的测量装置实现的高场强下聚合物薄膜电阻率的测量方法，该方法包括：
S1：测试待测聚合物薄膜的厚度d；
S2：将待测聚合物薄膜的两侧蒸镀金属作为电极，电极面积为S；
S3：将待测聚合物薄膜放置在夹具7上；
S4：将夹具7放置在恒温恒湿箱4中，并设置恒温恒湿箱4的温度和湿度；
S5：将高精度直流电压源1的输出电压调为U0；
S6：闭合继电器2，由高精度直流电压源1通过保护电阻3给待测聚合物薄膜加载电压，并由静电计6记录泄漏电流il。
在一个可选的实施方式中，待测聚合物薄膜的电阻率为：ρ＝U0×S/(Il×d)计算待测聚合物薄膜的电阻率，其中，Il为稳态泄漏电流。
本发明实施例中的稳态泄漏电流Il指：1小时后，在半个小时内泄漏电流的偏差小于1％。
由于测量结果中存在的分散性，可以对同一批聚合物薄膜在相同试验条件下进行电阻率测量，取平均值作为聚合物薄膜电阻率的测量数据。本发明测试方法适用于聚合物薄膜的电阻率测量。
应用实例1：
本发明实施例中使用的聚合物薄膜的尺寸是80mm×80mm，厚度为20μm，对该聚合物薄膜的电阻率进行测量。选择的高压电极的直径为40mm，屏蔽电极的内径为50mm，屏蔽电极的外径为60mm，低压电极的直径为60mm，电压为2kV，保护电阻为1MΩ，恒温恒湿箱温度设置为20℃，湿度设置为20％。将聚合物薄膜放置在夹具中并接入回路，高精度直流电压源通过保护电阻给待测聚合物薄膜加载电压，静电计采集泄漏电流并记录。通过公式ρ＝U0×S/(Il×d)计算聚合物薄膜的电阻率为1×1017Ω·m。
应用实例2：
本发明实施例中使用的聚合物薄膜的尺寸是80mm×80mm，厚度为20μm，对该聚合物薄膜的电阻率进行测量。选择的高压电极的直径为40mm，屏蔽电极的内径为50mm，屏蔽电极的外径为60mm，低压电极的直径为60mm，电压为4kV，保护电阻为1MΩ，恒温恒湿箱温度设置为20℃，湿度设置为20％。将聚合物薄膜放置在夹具中并接入回路，高精度直流电压源通过保护电阻给待测聚合物薄膜加载电压，静电计采集泄漏电流并记录。通过公式ρ＝U0×S/(Il×d)计算聚合物薄膜的电阻率为4×1016Ω·m。
应用实例3：
本发明实施例中使用的聚合物薄膜的尺寸是80mm×80mm，厚度为20μm，对该聚合物薄膜的电阻率进行测量。选择的高压电极的直径为40mm，屏蔽电极的内径为50mm，屏蔽电极的外径为60mm，低压电极的直径为60mm，电压为2kV，保护电阻为1MΩ，恒温恒湿箱温度设置为80℃，湿度设置为20％。将聚合物薄膜放置在夹具中并接入回路，高精度直流电压源通过保护电阻给待测聚合物薄膜加载电压，静电计采集泄漏电流并记录。通过公式ρ＝U0×S/(Il×d)计算聚合物薄膜的电阻率为2×1015Ω·m。
应用实例4：
本发明实施例中使用的聚合物薄膜的尺寸是80mm×80mm，厚度为20μm，对该聚合物薄膜的电阻率进行测量。选择的高压电极的直径为40mm，屏蔽电极的内径为50mm，屏蔽电极的外径为60mm，低压电极的直径为60mm，电压为4kV，保护电阻为1MΩ，恒温恒湿箱温度设置为80℃，湿度设置为20％。将聚合物薄膜放置在夹具中并接入回路，高精度直流电压源通过保护电阻给待测聚合物薄膜加载电压，静电计采集泄漏电流并记录。通过公式ρ＝U0×S/(Il×d)计算聚合物薄膜的电阻率为3×1014Ω·m。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高场强下聚合物薄膜电阻率的测量装置，包括：高精度直流电压源(1)、继电器(2)、保护电阻(3)、恒温恒湿箱(4)、静电计(6)及夹具(7)；
所述高精度直流电压源(1)的第一接线端与所述继电器(2)的第一接线端连接，所述高精度直流电压源(1)的第二接线端与所述静电计(6)的第二接线端连接，并接地；
所述继电器(2)的第二接线端与所述保护电阻(3)的第一接线端连接，所述保护电阻(3)的第二接线端与所述恒温恒湿箱(4)的第一接线端(5)连接，所述恒温恒湿箱(4)的第二接线端(5')与所述静电计(6)的第一接线端连接；
在进行待测聚合物薄膜的电阻率测量时，所述夹具(7)放置于所述恒温恒湿箱(4)中，在所述夹具(7)上放置所述待测聚合物薄膜，且所述夹具(7)的高低压电极分别与所述恒温恒湿箱(4)的第一接线端(5)和第二接线端(5')连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述静电计的数据输出端用于与外部终端设备相连，以由所述外部终端设备记录所述静电计的读数。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述夹具包括：带孔螺栓、弹簧、带孔金属套管、L型螺杆、高压圆形平板电极、低压圆形平板电极、绝缘底座及多个绝缘支撑杆；
所述绝缘底座与多个所述绝缘支撑杆连接；所述L型螺杆较短的一端与所述高压圆形平板电极连接，所述高压圆形平板电极在垂直方向的位置能够调节；所述低压圆形平板电极与所述绝缘底座连接；所述带孔螺栓与所述绝缘底座及所述L型螺杆通过弹簧与所述带孔金属套管连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括屏蔽环(8)，所述屏蔽环(8)的外径小于所述低压圆形平板电极的直径，所述屏蔽环(8)与导线焊接，所述导线与所述高精度直流电压源的第二接线端连接，并接地。
5.一种基于权利要求1至4任意一项所述的测量装置的高场强下聚合物薄膜电阻率的测量方法，其特征在于，包括：
将待测聚合物薄膜放置在所述夹具(7)上，并将所述夹具(7)放置在所述恒温恒湿箱(4)中，设置所述恒温恒湿箱(4)的温度和湿度；
将所述高精度直流电压源(1)的输出电压调为预设电压，闭合所述继电器(2)，由所述高精度直流电压源(1)通过所述保护电阻(3)给所述待测聚合物薄膜加载电压，并由所述静电计(6)记录泄漏电流；
由所述预设电压和所述待测聚合物薄膜的电极面积的乘积除以所述泄露电流和所述待测聚合物薄膜厚度的乘积，得到所述待测聚合物薄膜的电阻率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述待测聚合物薄膜的电阻率为：ρ＝U0×S/(Il×d)，其中，U0表示预设电压，S表示所述待测聚合物薄膜的电极面积，Il表示稳态泄漏电流，d表示所述待测聚合物薄膜的厚度。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述待测聚合物薄膜的电极包括高压电极、低压电极和屏蔽电极，其中，所述高压电极的尺寸大于等于所述高压圆形平板电极尺寸，所述屏蔽电极的尺寸与所述屏蔽环(8)尺寸一致，所述低压电极的直径与所述屏蔽电极的外径一致。
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