CN110082420A - 基于正弦宽频电场下空间电荷测量的电介质陷阱检测系统 - Google Patents

基于正弦宽频电场下空间电荷测量的电介质陷阱检测系统 Download PDF

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Abstract

一种测量技术领域的基于正弦宽频扫描电场下空间电荷测量的电介质陷阱检测技术，由电荷检测器、数据传输和存储模块、表征量提取模块和陷阱分布模块四部分构成，通过对样品施加100μHz至1MHz不同频率点电场，检测1μs至10000s不同时间尺度激励场下样品内部的空间电荷响应，经对空间电荷原始信号的处理，提取频率、相位偏移量、电荷量分布、电荷极性分布、电荷迁移率等特征参量，并与陷阱分布进行关联，获得陷阱的陷阱密度和陷阱深度分布。在30℃恒定温度下，陷阱深度的检测范围可达0.41‑1.01eV。

Description

基于正弦宽频电场下空间电荷测量的电介质陷阱检测系统
技术领域
本发明涉及的是一种电介质材料领域的技术，具体是一种基于正弦宽频电场下空间电荷测量的电介质陷阱检测系统。
背景技术
电介质材料是电力和电子工业中元器件和设备制造中的关键基础材料，电介质材料的基本电气性能主要与载流子在其内部的微观输运过程相关，电介质中的陷阱基于电荷受陷/脱陷作用影响电荷输运过程。
陷阱检测技术瓶颈在于检测理论的局限性和检测仪器的硬件参数及成本，目前常用的有TSC法和IRC法。TSC法基于线性升温过程中的去极化电流检测来评估陷阱分布，可测陷阱深度范围约在0.46-1.14eV，检测范围较宽，但其测量过程中样品需经历电荷“冷冻”和高温释放，容易对样品分子结构造成不可逆的破坏，且检测难度大，设备成本高。IRC法采用室温等恒定温度下的去极化电流评估陷阱分布，可视为TSC法的特例，其优点在于无需对电介质陷阱分布做预先假设，可应用于任意类型陷阱分布的电介质，对检测系统要求相对较低，但受测量的恒定温度和时间尺寸限制，陷阱评估范围窄，理论范围约在0.81-1eV。另外，上述两者均采用外部去极化电流的检测，评估的是试样整体的传导效果，因此无法测量材料内部空间不同位置净电荷的密度、极性和位置分布。
现有的空间电荷检测技术仅针对直接电场下，受硬件系统响应时间限制，时间尺寸的下限无法缩短，从而丢失浅陷阱相关信息，测量陷阱深度范围较窄。交流电场下的空间电荷已有初步应用，但受检测频率和相位分辨率的限制，现有研究主要针对工频50Hz电场，且数据分析手段与直流电场下一致，可获得的信息有限。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于正弦宽频电场下空间电荷测量的电介质陷阱检测系统，通过对100μHz-1MHz频率范围内电介质中空间电荷的连续动态检测，分析空间电荷在1μs至10000s不同时间尺度激励场下样品内部的空间电荷响应，从频率、电荷量、电荷迁移率和相位偏移量等征陷阱分布的特征参量，提取陷阱分布参数，在30℃恒定温度下可实现0.41-1.01eV深度的陷阱检测。另外，通对连续频率下样品内部不同区域电荷的动态响应，从整体平均和局部分布两个角度进行分析，获得电荷量分布、电荷极性分布、电荷迁移率和相位偏移量等与频率的关系曲线。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：电荷检测器、数据压缩模块、表征量提取模块和陷阱分布模块，其中：电荷检测器对样品施加激励触发信号并采集样品内部的电荷信号后通过电声脉冲法转化得到电压信号并输出电荷信息；表征量提取模块从电荷信息中提取空间电荷的电荷量、电荷极性、电荷迁移率、时频相位偏移参数；陷阱分布模块根据空间电荷量进行陷阱分布计算，并对样品性能进行评估。
技术效果
与现有技术相比，本发明技术效果包括：
1)表征量提取模块利用1μs至10000s不同时间尺度激励场下样品内部不同位置的空间电荷响应，从整体平均和局部分布两个角度进行分析，获得电荷量分布、电荷极性分布、电荷迁移率和相位偏移量等与频率的关系曲线，并与陷阱分布进行关联，获得陷阱的陷阱密度和陷阱深度分布。
2)在30℃恒定温度下，陷阱深度检测范围可达0.41-1.01eV。检测过程中不存在对样品分子结构的破坏，而且实现了恒温条件下宽范围的陷阱检测，在单个恒定温度点即可突破TSC法的检测下限，并略去了“冷冻”电荷对硬件系统的高要求。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为不同检测技术的陷阱深度分析范围。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：电荷检测器、数据压缩模块、表征量提取模块和陷阱分布模块，其中：电荷检测器对样品施加激励触发信号并采集样品内部的电荷信号后通过电声脉冲法转化得到电压信号并输出电荷信息；表征量提取模块从电荷信息中提取空间电荷的电荷量、电荷极性、电荷迁移率、时频相位偏移参数；陷阱分布模块根据空间电荷量进行陷阱分布计算，并对样品性能进行评估。
所述的电荷检测器包括：正弦电源、激励脉冲、转化器和采样器，其中：正弦电源和激励脉冲输出端对样品施加激励触发信号，两者频率根据自动均匀移相原理设置，无硬件相位识别和移相电路，正弦波电场频率范围在100μHz-1MHz，转化器实现样品内部的电荷-声波-电压信号的转化，采用电声脉冲法实现，采样器用于实现对转化器输出电荷表征信号的测量。
所述的系统中进一步设有数据压缩模块，该数据压缩模块包括：数据压缩单元、传输单元和存储单元，其中：对采样到的电荷信息进行压缩、传输和存储。
本实施例采用的试样为：有机玻璃PMMA(以降低声波在样品中传播时的色散、衰减)。对有机玻璃PMMA进行宽频扫描正弦电场下的空间电荷检测，检测条件为：恒温30℃，频率100μHz-1MHz，对提取的频率、电荷量分布、电荷极性分布、电荷迁移率和相位偏移量特征参量进行分析，获得陷阱深度和平均受陷时间等。
对比验证：采用传统IRC法、TSC法、直流电场空间电荷检测法对PMMA试样进行松弛电流检测：
①IRC法测量条件为：恒温30℃，短路时间5s，去极化5s-10000s。
②TSC法测量条件为：温度为-100℃至100℃，升温速度为5℃/min，短路5s，去极化2400s。
③直流电场去极化空间电荷测量条件为：恒温30℃，短路时间10s，去极化10s-10000s。
依据测量条件分别进行IRC实验、TSC实验和直流电场去极化空间电荷实验，获得松弛电流曲线并基于IRC、TSC、空间电荷-直流的理论基础进行分析，获得PMMA试样中的陷阱深度和平均受陷时间的曲线图。
基于上述正弦波宽频扫描电场下空间电荷中获得PMMA中空间电荷响应数据，并结合传统等温松弛电流IRC法、热刺激电流TSC法和宽频介电谱仪检测获得的陷阱分布和宽频介电谱数据，从整体平均和局部分布两个角度综合分析电荷积累量、变化速率等随正弦波电场频率、幅值和偏置等波形参数的影响，并通过与宽频介电谱和松弛电流分析获得的介电陷阱分布数据比对，研究表征试样陷阱分布的相关特征参数。
所述的整体平均是指：对上下电极之间的空间电荷分布积累进行积分计算以后的平均值。
所述的局部分布是指：对局部空间电荷积累较明显的地方进行积分计算以后的平均值。
最终得出不同检测技术的陷阱深度分析范围，如图2所示。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种基于正弦宽频电场下空间电荷测量的电介质陷阱检测系统，其特征在于，包括：电荷检测器、数据压缩模块、表征量提取模块和陷阱分布模块，其中：电荷检测器对样品施加激励触发信号并采集样品内部的电荷信号后通过电声脉冲法转化得到电压信号并输出电荷信息；表征量提取模块从电荷信息中提取空间电荷的电荷量、电荷极性、电荷迁移率、时频相位偏移参数；陷阱分布模块根据空间电荷量进行陷阱分布计算，并对样品性能进行评估。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，进一步设有数据压缩模块，该数据压缩模块包括：数据压缩单元、传输单元和存储单元，其中：对采样到的电荷信息进行压缩、传输和存储。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的电荷检测器包括：正弦电源、激励脉冲、转化器和采样器，其中：正弦电源和激励脉冲输出端对样品施加激励触发信号，正弦电源输出的正弦波电场频率范围在100μHz-1MHz，检测过程中不同频率点由低至高逐点连续动态扫描，空间电荷电荷响应的检测时间尺度从10000s至1μs；转化器实现样品内部的电荷-声波-电压信号的转化，采用电声脉冲法实现，采样器用于实现对转化器输出电荷表征信号的测量。
4.一种根据上述任一权利要求所述系统的电介质陷阱检测方法，其特征在于，对待测对象进行宽频扫描正弦电场下的空间电荷检测，获得频率、电荷量分布、电荷极性分布、电荷迁移率和相位偏移量特征参量进行分析，获得陷阱深度和平均受陷时间的曲线图。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的空间电荷检测，检测条件为：恒温30℃，频率100μHz-1MHz。
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