CN110849943B - 一种非接触式绝缘介质响应全自动测试方法及测试用电极盒 - Google Patents

一种非接触式绝缘介质响应全自动测试方法及测试用电极盒 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非接触式绝缘介质响应全自动测试方法,属于频域介质响应测试技术领域,包括以下步骤:S1:预测量:针对同种介电材料,测量样品及不同厚度空气隙的联合响应并得到频率响应特性曲线;S2:极限拟合:利用预测量得到的频率响应特性数据,以空气隙厚度为自变量,通过曲面拟合得到在同一频率点下,空气隙厚度为零时的频率响应特性;S3:对于后续绝缘材料样品,采用单个空气隙厚度进行常规测量,通过步骤S1,S2得到的频域介质响应曲线,得到消除空气隙影响后的样品材料介电特性。

Description

一种非接触式绝缘介质响应全自动测试方法及测试用电极盒
技术领域
本发明属于频域介质响应测试技术领域,涉及一种非接触式绝缘介质响应全自动测试方 法及测试用电极盒。
背景技术
频域介质响应的测量是高压技术中非常重要的部分。它是将绝缘介质放在电极板之间, 通过测量绝缘介质在不同频率的激励下的响应来得到介质的介电特性,从而评估介质的老化 程度等性能参数。
传统测量方式采用的是两极都接触介质的测量方式,一般来说,需要两电极对测试样品 施加一定压力,使得电极与测试样品可以紧密接触,并且可较大程度消除二者之间因表面不 平整度而导致的空气间隙对测量结果造成的误差。然而,测量者人为安装被测物品与电极的 手段,会使介质和测量电极之间的挤压力不可控,每次安装所带来的挤压力的大小都不尽相 同,从而导致介质的形变、接触紧密度等因素均不相同,也使得测量样品与电极接触时产生 的接触电容、接触电阻、表面不平整度等发生变化,从而导致频域介质响应测试结果发生变 化。
解决接触问题的一种简单办法是直接使用恒定的电极自重作为恒定压力,然而这种解决 方法过于粗糙,并且受制电极本身形状、材料、密度的限制,无法完全解决二者之间存在气 隙的问题,并且,使用电极自重,也无法使得压力可调,无法寻找对测量结果精度控制最佳 的压力。
还有一种较为通用的方法是采取对材料表面喷金,以消除电极接触带来的影响。但这种 方法一方面成本高,另一方面操作复杂,需要特殊的设备和有经验的人员才能执行。因此, 目前很多测试中都省略了这一步骤,但无疑会带来很多测量误差。
另一种较好的解决方案是避免材料与平行板电极之间的任何直接接触,从而测量一个小 气隙与试样的联合响应,称为空气基准法。在不施加任何压力和消除表面电导率的情况下, 无接触电极的布置似乎是介质频响测量中避免材料接触问题的理想解决方案。它本质上是由 一个平行的平板空气电容器组成,将电介质试样插入气隙中,但不一定完全填满气隙,测量 板间电容。通过测量电容和空气电容器及试样的已知尺寸,可以计算出介电常数和损耗因子。 由于有空气隙的存在,最后再根据空气隙造成的影响,在原来的测试数据上进行补偿,从而 得到最终的频域介质响应。
然而现有方案无法使空气隙的影响达到零,若只是调节空气隙为零便无法避免接触问题。 不同样品的厚度不同,而电极之间的距离是恒定的,因而空气隙的厚度在测量不同样品时是 不同的,这样每次空气隙造成的影响不同,空气隙造成的影响不一定与厚度成正比,从而无 法仅仅只将空气隙的影响乘以厚度比例来得到新的厚度下的空气隙影响。若要保证空气隙厚 度一定,一个方法是使样品厚度一定,但这显然太难实现,而且大大降低了适用性。另一个 方法是根据样品的厚度调节极板之间的厚度,但极板间的距离极小,很难测量,而且很难手 动调节出和原来等厚的空气隙。而实际上,现有的关于非接触式测量的研究,其设计的电极 装置都是通过螺钉及其固定的旋钮去控制两极板间的距离,但是实际确定空气厚度只能依赖 单独的设备如千分尺,但是空气层的厚度本身可调仅有3mm-5mm,使用其他设备测量其精度 与准确性也会大大下降。
此外,非接触式测量受到空气隙的影响,因而空气的物理特性对测试结果也十分重要。 空气有流动性和不均匀性,所以测试结果会因此发生波动,这大大降低了测试精度,必须使 得空气的性质十分稳定才能达到好的测量效果。并且,空气层的厚度不同也将直接影响其介 电性能,从而影响其能否作为基准的标准。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种非接触式绝缘介质响应全自动测试方法及测试用 电极盒。
为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种非接触式绝缘介质响应全自动测试方法,包括以下步骤:
S1:预测量:针对同种介电材料,测量样品及不同厚度空气隙的联合响应并得到频率响 应特性曲线;
S2:极限拟合:极限拟合:利用预测量得到的频率响应特性数据,以空气隙厚度为自变 量,通过曲面拟合得到在同一频率点下,空气隙厚度为零时的频率响应特性;
S3:对于后续绝缘材料样品,采用单个空气隙厚度进行常规测量,通过步骤S1和S2得到的频域介质响应曲线,得到消除空气隙影响后的样品材料介电特性。
进一步,步骤S2中所述极限拟合包括:
在某一个频率点下,将空气对应的频率响应特性模型化,令空气复电容为k/d,k为复 数,是拟合中待定的系数,d为空气隙厚度,令k=k1+jk2,且有c=c1+jc2为绝缘样品对应的复电容,代入公式化简得:
其中为测量得到的复电容值。
进一步,在所述极限拟合中,由于函数为复数域,无法对之进行实数域和虚数域的同时 拟合;在实数域拟合得到的系数值和在虚数域拟合得到的系数值会相差较远,因此要找到一 组k1,k2,c1,c2的值使得上式成立,即同时使实部和实部相等,虚部和虚部相等;使用反 复迭代的方法使得实部拟合得到的系数和虚部拟合得到的系数相互接近,从而最终收敛到相 同的值;
将实部和虚部分成两个等式,分别对之进行拟合,将实部拟合得到的k1和c1值代入虚 部的等式再进行拟合,将虚部拟合得到的k2和c2值回代入实部的等式再次拟合,使用迭代 回归进行反复拟合,最终得到收敛的一组待定系数值,即为需要测量的复电容的值。
另一方面,本发明提供一种配合上述方法进行非接触式绝缘介质响应测试的测试用电极 盒,包括侧面设有开口的屏蔽盒,包括用于封闭开口的侧板,所述屏蔽盒上部设有电极盒盖 板和电机安装板,所述屏蔽盒内,电极盒盖板下方设有一对上电极和下电极,所述上电极和 下电极之间设有绝缘纸板,所述下电极下部安装在下绝缘座上,所述绝缘座与屏蔽盒固定; 所述电机安装板上方设有电机,下方设有与电机连接的内部调距装置,所述内部调距装置连 接有压力传感器和上绝缘座,所述上绝缘座与上电极连接。
进一步,所述内部调距装置包括设置在屏蔽盒侧面的导轨底座,设置在所述导轨底座上 的直线导轨,与直线导轨滑动连接的滑枕,与所述滑枕连接的压臂,所述压臂与压力传感器 连接,还包括穿过滑枕,用于导向的滚珠丝杆,所述滚珠丝杆通过联轴节与电机的输出轴连 接,用于控制滑枕在直线导轨上滑动。
进一步,所述屏蔽盒侧面还设有可视窗口,顶面还设有BNC接头。
本发明的有益效果在于:本发明以极限拟合的思想获取材料精准的介电特性,与现有技 术的喷金测试相比,受制于喷金的被试材料条件限制及昂贵的耗材与复杂的工艺,本发明可 在保证精度明显优于传统测试的基础上免于这些问题对测试者的困扰。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某 种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作优选的详 细描述,其中:
图1为本发明实施例所述某频点下对复电容预测量的复电容实部随空气隙厚度变化曲线;
图2为本发明所述测试用电极盒整体结构示意图;
图3为本发明所述测试用电极盒内部结构示意图;
图4为本发明所述测试用电极盒外部结构示意图;
图5为本发明所述非接触式绝缘介质响应全自动测试方法流程图;
图6为绝缘纸板1000Hz下复电容实部拟合曲线;
图7为绝缘纸板1000Hz下复电容虚部拟合曲线。
附图标记:电极盒盖板1、压臂2、BNC接头3、压力传感器4、上绝缘座5、上电极6、 下电极7、绝缘纸板8、下绝缘座9、电机10、电机安装板11、联轴节12、滚珠丝杆13、滑 枕14、直线导轨15、导轨底座16。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本发明 的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表 实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中, 需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或 位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是 指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中 描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本方法旨在通过自主研发的智能一键式材料介电特性测试用电极,以极限拟合的思想获 取材料精准的介电特性。首先针对同种介电材料,测量样品及不同厚度空气隙的联合响应并 作出曲线,如图1所示(这里以复电容实部为例)。此测量称为预测量,即针对同种绝缘样 品均需操作的预备型测量。
这样的曲线在每个频率点下均有,其数目由选取测量的频率点数目确定。由于实验设备 与操作的限制,没有办法精准地在恰好无空气间隙的状态下测量,但针对各个频率点的上述 曲线,可直接以极限逼近空气隙厚度为0,即与纵轴的交点,该点的值便为无空气隙影响、无 压力导致形变的准确值。进一步,可以拟合得到复电容实部、虚部、介损关于空气层厚度的 函数,从而在对于未知样品测量时只需单个空气隙厚度的常规测量便可得知消除空气隙影响 后的样品材料介电特性。常规测量即指一般研究为得到频谱而进行的测量。
本发明提供一种配合上述方法进行非接触式绝缘介质响应测试的测试用电极盒,如图2- 4所示,包括侧面设有开口的屏蔽盒,包括用于封闭开口的侧板,所述屏蔽盒上部设有电极 盒盖板1和电机安装板11,所述屏蔽盒内,电极盒盖板1下方设有一对上电极6和下电极 7,所述上电极6和下电极7之间设有绝缘纸板8,所述下电极7下部安装在下绝缘座9上,所述绝缘座与屏蔽盒固定;所述电机安装板11上方设有电机10,下方设有与电机10 连接的内部调距装置,所述内部调距装置连接有压力传感器4和上绝缘座5,所述上绝缘座 5与上电极6连接。所述内部调距装置包括设置在屏蔽盒侧面的导轨底座16,设置在所述导轨底座16上的直线导轨15,与直线导轨15滑动连接的滑枕14,与所述滑枕14连接的压臂 2,所述压臂2与压力传感器4连接,还包括穿过滑枕14,用于导向的滚珠丝杆13,所述滚 珠丝杆13通过联轴节12与电机10的输出轴连接,用于控制滑枕14在直线导轨15上滑 动。所述屏蔽盒侧面还设有可视窗口,顶面还设有BNCBNC接头3。
该电极盒控制主要采用LabVIEW,同时测试激励源与信号采集分析也使用LabVIEW与 PC端相连,通过PC端操作人员可实现联动控制。当开始预测量时,LabVIEW程序控制测试用电极中的电机,从空气隙为2mm(该值与下述值均可自由设定),以0.02mm为间隔,在 每一空气隙厚度下,控制测试激励源及数据采集设备进行三次及以上的重复测试,保证测试 结果重复性即数据准确性;随后得到复电容实部、虚部、介损关于空气隙厚度的数据集。通 过函数拟合后,对后续绝缘材料进行一次常规测试便可得到准确的材料介电特性。操作流程图如图5所示。
实验证明,非接触式测量得到的频率响应更为稳定,重复测量时几条曲线的重合度很高, 而接触式(即在有压力的情况下)在重复测量时会得到相差较大的几条曲线,重合度较差, 无从得知哪条曲线符合真实情况。极限拟合法便是利用非接触式测量得到的频率响应特性(在 不同空气隙厚度下分别测量频率响应,每个空气隙厚度下对应了一条频率响应特性曲线), 以空气隙厚度为自变量,通过曲面拟合的方式得到在空气隙厚度为零时的频率响应特性。
在某一个频率点下,将之模型化为,空气复电容为k/d,k为复数,是拟合中待定的系数, 这个k在不同的频率下,不同的测试环境下是不同的,需要通过数据的拟合才能得到,而不 能直接代入空气介电常数计算得。d为此时的空气隙厚度。令k=k1+jk2,且有c=c1+jc2为 绝缘样品对应的复电容,代入公式化简得:
其中为测量得到的复电容值。
在同一频点下,以d为自变量对测试数据进行拟合便可得到在d为零时绝缘样品得复电 容c值。以此操作再测量不同的频率点便可得到完整的频域介质响应曲线。
在拟合之中,由于函数为复数域,因此无法对之进行实数域和虚数域的同时拟合。在实 数域拟合得到的系数值和在虚数域拟合得到的系数值会相差较远,目标是找到一组k1,k2,c1,c2的值使得上式成立,即同时使实部和实部相等,虚部和虚部相等。因而使用反复 迭代的方法使得实部拟合得到的系数和虚部拟合得到的系数相互接近,从而最终收敛到相同 的值。将实部和虚部分成两个等式,分别对之进行拟合,将实部拟合得到的k1和c1值代入 虚部的等式再进行拟合,将虚部拟合得到的k2和c2值回代入实部的等式再次拟合,使用迭 代回归使计算机反复进行上面的工作,最终得到收敛的一组待定系数值。这便是需要测量的 复电容的值。
具体举例说明:
测试厚度1mm,直径66mm的圆形交联聚乙烯绝缘材料的介电参数,测试多个厚度点共 30组数据。
以空气隙厚度为自变量,将测量的部分数据及拟合结果绘图,如图6-7所示;
表1为三种测试方法得到复电容实部在1kHz下结果对比。
表1
接触式测试 喷金测试 本专利测试
1.2277E-10 1.2943E-10 1.2853E-10
以喷金测试结果作为标准,则接触式测试误差达到5%,而本专利测试结果误差不到1%, 仅为0.7%,而较之喷金测试受制于喷金的被试材料条件限制及昂贵的耗材与复杂的工艺,本 专利所提出的方法可在保证精度明显优于传统测试的基础上免于这些问题对测试者的困扰。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。

Claims (5)

1.一种非接触式绝缘介质响应全自动测试方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:预测量:针对同种介电材料,测量样品及不同厚度空气隙的联合响应并得到频率响应特性曲线;
S2:极限拟合:利用预测量得到的频率响应特性数据,以空气隙厚度为自变量,通过曲面拟合得到在同一频率点下,空气隙厚度为零时的频率响应特性;步骤S2中所述极限拟合包括:
在某一个频率点下,将空气对应的频率响应特性模型化,令空气复电容为k/d,k为复数,是拟合中待定的系数,d为空气隙厚度,令k=k1+jk2,且有c=c1+jc2为绝缘样品对应的复电容,则复电容值由如下公式计算:
其中为测量得到的复电容值;
S3:对于后续绝缘材料样品,采用单个空气隙厚度进行常规测量,通过步骤S1和S2得到的频域介质响应曲线,得到消除空气隙影响后的样品材料介电特性。
2.根据权利要求1所述的非接触式绝缘介质响应全自动测试方法,其特征在于:在所述极限拟合中,由于函数为复数域,无法对之进行实数域和虚数域的同时拟合;在实数域拟合得到的系数值和在虚数域拟合得到的系数值会相差较远,因此要找到一组k1,k2,c1,c2的值使得上式成立,即同时使实部和实部相等,虚部和虚部相等;使用反复迭代的方法使得实部拟合得到的系数和虚部拟合得到的系数相互接近,从而最终收敛到相同的值;
具体方法为将实部和虚部分成两个等式,分别对之进行拟合,将实部拟合得到的k1和c1值代入虚部的等式再进行拟合,将虚部拟合得到的k2和c2值回代入实部的等式再次拟合,使用迭代回归进行反复拟合,最终得到收敛的一组待定系数值,即为需要测量的复电容的值。
3.一种根据权利要求1-2任一所述非接触式绝缘介质响应全自动测试方法进行非接触式绝缘介质响应测试的测试用电极盒,其特征在于:包括侧面设有开口的屏蔽盒,包括用于封闭开口的侧板,所述屏蔽盒上部设有电极盒盖板和电机安装板,所述屏蔽盒内,电极盒盖板下方设有一对相互配合的上电极和下电极,所述上电极和下电极之间设有绝缘纸板,所述下电极下部安装在下绝缘座上,所述下绝缘座与屏蔽盒固定;所述电机安装板上方设有电机,下方设有与电机连接的内部调距装置,所述内部调距装置连接有压力传感器和上绝缘座,所述上绝缘座与上电极连接。
4.根据权利要求3所述的测试用电极盒,所述内部调距装置包括设置在屏蔽盒侧面的导轨底座,设置在所述导轨底座上的直线导轨,与直线导轨滑动连接的滑枕,与所述滑枕连接的压臂,所述压臂与压力传感器连接,还包括穿过滑枕,用于导向的滚珠丝杆,所述滚珠丝杆通过联轴节与电机的输出轴连接,用于控制滑枕在直线导轨上滑动。
5.根据权利要求3所述的测试用电极盒,其特征在于:所述屏蔽盒侧面还设有可视窗口,顶面还设有BNC接头。
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