CN112147425A - 一种低温空间电荷测量系统 - Google Patents

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吴锴
陈嘉欣
吴洋
马运同
贺逸飞
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Abstract

本发明公开了一种低温空间电荷测量系统，包括脉冲电压源、高压直流源、真空腔体、信号放大器、示波器、计算机信号采集系统、压电传感器以及设置于真空腔体内的冷介质储罐、试样、地电极及上电极；上电极与脉冲电压源及高压直流源相连接，试样位于上电极的下方，且试样与上电极相连接，试样位于地电极上，所述地电极为中空结构，冷介质储罐与地电极相连通，压电传感器固定于地电极的底部，压电传感器的输出端经信号放大器及示波器与计算机信号采集系统相连接，该系统能够实现对接近液氮温度至室温范围内的空间电荷进行测量。

Description

一种低温空间电荷测量系统
技术领域
本发明属于信号采集及处理领域，涉及一种低温空间电荷测量系统。
背景技术
在高电压与绝缘领域的科学研究中，对绝缘材料的性能表征和电荷输运机理的研究是十分重要的。空间电荷测量是通过一定的技术手段对介质内部的积聚电荷进行直接或间接地测量，进而分析绝缘材料性能与微观机理的一种研究手段。电声脉冲法(Electro-Pulsed Acoustic)是目前国际上广泛使用的直接测量介质体内空间电荷的非破坏性方法，具有结构简单、成本低廉和分辨率较高等优点。目前应用此技术测量空间电荷的研究主要集中在室温至高温以及近室温低温条件下，而新兴的超导电缆空间电荷研究对温度控制提出了更高的要求，即需要控制试样在从接近液氮温度下到室温等大温度范围内进行测量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低温空间电荷测量系统，该系统能够实现对接近液氮温度至室温范围内的空间电荷进行测量。
为达到上述目的，本发明所述的低温空间电荷测量系统包括脉冲电压源、高压直流源、真空腔体、信号放大器、示波器、计算机信号采集系统、压电传感器以及设置于真空腔体内的冷介质储罐、试样、地电极及上电极；
上电极与脉冲电压源及高压直流源相连接，试样位于上电极的下方，且试样的表面与上电极相连接，试样位于地电极上，所述地电极为中空结构，冷介质储罐与地电极相连通，压电传感器固定于地电极的底部，压电传感器的输出端经信号放大器及示波器与计算机信号采集系统相连接。
脉冲电压源包括脉冲直流电源及脉冲发生器，其中，脉冲直流电源与脉冲发生器相连接，脉冲发生器的输出端与上电极相连接。
地电极的空腔内设置有加热丝及温度传感器，其中，加热丝及温度传感器与PID温控仪相连接。
真空腔体的侧面设置有真空阀门，冷介质储罐为液氮储罐，冷介质储罐经液氮管路与地电极相连通。
压电传感器经测量信号线与信号放大器相连接，加热丝经加热线与PID温控仪相连通。
压电传感器的底部设置有吸收层。
地电极内部通过密封胶填隙。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的低温空间电荷测量系统在具体操作时，所述地电极为部分中空结构，冷介质储罐与地电极的空腔相连通，在工作时，冷介质储罐向地电极的空腔内通入冷介质，以调节地电极的温度，实现对接近液氮温度至室温范围内的空间电荷进行测量，在测量环境中，使用真空腔体对试样进行保温，同时可以对高频信号进行有效屏蔽，以提高测试的准确性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中地电极14内部的结构示意图；
图3为本发明的电路原理图。
其中，1为高压直流源、2为脉冲发生器、3为脉冲直流电源、4为计算机信号采集系统、5为示波器、6为信号放大器、7为PID温控仪、8为真空腔体、9为真空阀门、10为压电传感器、11为上电极、12为冷介质管路、13为冷介质储罐、14为地电极、15为加热丝、16为吸收层、17为试样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的低温空间电荷测量系统包括脉冲电压源、高压直流源1、真空腔体8、信号放大器6、示波器5、计算机信号采集系统4、压电传感器10以及设置于真空腔体8内的冷介质储罐13、试样17、地电极14及上电极11；上电极11与脉冲电压源及高压直流源1相连接，试样17位于上电极11的下方，且试样17与上电极11相连接，试样17位于地电极14上，所述地电极14为中空结构，冷介质储罐13与地电极14相连通，压电传感器10固定于地电极14的底部，压电传感器10的输出端经信号放大器6及示波器5与计算机信号采集系统4相连接。
脉冲电压源包括脉冲直流电源3及脉冲发生器2，其中，脉冲直流电源3与脉冲发生器2相连接，脉冲发生器2的输出端与上电极11相连接。
地电极14的空腔内设置有加热丝15及温度传感器，其中，加热丝15及温度传感器与PID温控仪7相连接，压电传感器10经测量信号线与信号放大器6相连接，加热丝15经加热线与PID温控仪7相连通，压电传感器10的底部设置有吸收层16。
真空腔体8的侧面设置有真空阀门9，冷介质储罐13为液氮储罐，冷介质储罐13经液氮管路12与地电极14相连通。
参考图2，在地电极14内部预留出相应管道，通过液氮导管与地电极14的直接接触制冷，温度传感器与加热丝15固定在地电极14内部，地电极14内部通过导热效果较好的密封胶填隙，PID温控仪7采集地电极14的实时温度并通过控制加热丝15的电流进行加热控温。
本发明的原理为：
压电传感器10的理论分辨率为：
Figure BDA0002653650100000041
其中，a为压电传感器10的厚度，压电传感器10中声波传播的时间决定了其分辨率的下限，此外，空间分辨率Δl存在如下关系：
Δl＝vsa*ΔT
其中，ΔT为50％电脉冲的宽度，脉冲宽度、声速及压电传感器10厚度声速比共同决定测量分辨率，此外系统灵敏度也受压电传感器10的厚度影响，通常来说，分辨率越高，系统灵敏度越低。因此分辨率不是越高越好，通常取试样17厚度的1％-5％左右，对于厚度0.2-0.5mm的绝缘材料，通常选择压电传感器10厚度声速比10-15ns，脉冲宽度10-30ns。另外，压电传感器10的厚度声速比必须小于脉冲宽度，否则将造成压电传感器10无法响应脉冲并产生畸变，对于较厚的同轴试样17(1-5mm)，脉宽通常选择100-150ns，压电传感器10的厚度声速比小于此值。
参考图3，电声脉冲法的原理为：通过耦合电容给试样17中的空间电荷施加脉冲电场，从而驱动电荷振动产生声波,声波通过试样17内部和地电极14传导至压电传感器10，并将压电传感器10转换为电信号，然后经放大后进行显示及采集，由于电脉冲应力与电荷浓度成正比，故测量得到的电信号携带有电荷浓度分布的信息。
设对厚度为d的试样17上施加峰值为Vp，宽度为ΔTp的电脉冲，则理想的脉冲电压为：
Figure BDA0002653650100000051
其中，u(t)为阶跃函数，由于在脉宽较窄的情况下，由脉冲电场引起电荷振动产生的声波到达地电极14和压电传感器10的时间远大于电脉冲的宽度，因此系统对脉冲的响应可以视为系统对冲击函数的响应，而在厚度为Δz的片层上，电荷受到的力为：
Δf(t，z)＝ep(t)ρ(z)Δz
不考虑声波衰减、色散及吸收不匹配时，在位置z处的声压力传导到压电传感器10得到的声压力波为：
Figure BDA0002653650100000052
其中，k为声波电极匹配和投射系数，vele为电极中的声波传播速度，vsa为试样17中的声波传播速度，而最终到达压电传感器10的整个试样17声波集合为：
Figure BDA0002653650100000061
由于声波传递存在时间差，距离压电传感器10越远的试样17位置，其声波传播到压电传感器10所需要的时间越长，因而通过示波器5测量获得的波形，其时间对应于介质中的位置。
压电传感器10压电效应产生的电压值为：
Figure BDA0002653650100000062
其中，k′为综合匹配和投射系数，vsensor为声波在压电传感器10中的速度，Cp为压电传感器10的等效电容，h(t)为信号放大器6的传递函数。
从压电传感器10到信号放大器6组成了一个阻容串联系统，压电传感器10可以视为电容元件，而信号放大器6存在输入阻抗，实际系统可以等效为一个高通滤波器，另外由于信号放大器6存在放大截止频率上限，因而实际测量系统为一个带通滤波器，可以等效表示为：
Figure BDA0002653650100000063
其中，右边第一项为一阶阻容高通滤波器，第二项为运放二阶低通滤波器。
由于声波传播的复杂性与测量系统的影响，实际测量获得的信号和实际电荷浓度有很大出入，故还需要后续的数据处理与恢复，声波在测量系统中的传播经历着复杂的过程，期间会受到脉冲波形、声波反射、衰减、色散和系统传递函数的影响。因而通常直接得到的测量结果是不能使用的。由于材料中声波的衰减，内部和上电极11的电荷波形都不仅会幅值减小，还会波形展宽，这是由于不同频率分量在材料中的衰减系数不同，越高频率衰减越大引起的。另外，波形受传递函数影响会出现过冲现象，这是由于波形中的主要低频分量被滤除的原因，在波形恢复的过程中首先要进行对传递函数影响的去除。
目前主要采取的是波形反卷积方法，其原理是预先采取低场强下的参考波形，使用高斯模拟波包在离散频域内反卷积求得系统的传递函数H(f)，再对H(f)进行高斯滤波，去除噪声分量，在正式测量的时候，用已取得的传递函数进行反卷积即可得到去过冲波形，取得去过冲波形的过程中：
Figure BDA0002653650100000071
其中，U(n)为测得电压波形，H(n)为传递函数，F(n)为低通滤波器。
除此之外，近年来学者使用吉洪诺夫正则化法(Tikhonov)和L-Curve法获得更高精度的测量恢复结果，其过程为：
U＝H·G·ρ
其中，H为系统传递函数矩阵，G为衰减矩阵，这是一个解线性方程组的问题，但系数矩阵通常是不稳定的，因而是病态方程组，不同于传统方法采用滤波器对传递函数进行处理在此之后，针对衰减波形，采用传递矩阵法进行恢复即可得到近似的原始波形，而对于不同温度对传感器的影响，通过测量不同温度下相同电压的感应电荷峰幅值进行对比即可进行幅值的恢复。

Claims (7)

1.一种低温空间电荷测量系统，其特征在于，包括脉冲电压源、高压直流源(1)、真空腔体(8)、信号放大器(6)、示波器(5)、计算机信号采集系统(4)、压电传感器(10)以及设置于真空腔体(8)内的冷介质储罐(13)、试样(17)、地电极(14)及上电极(11)；
上电极(11)与脉冲电压源及高压直流源(1)相连接，试样(17)位于上电极(11)的下方，且试样(17)与上电极(11)相连接，试样(17)位于地电极(14)上，所述地电极(14)为部分中空结构，冷介质储罐(13)与地电极(14)相连通，压电传感器(10)固定于地电极(14)的底部，压电传感器(10)的输出端经信号放大器(6)及示波器(5)与计算机信号采集系统(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的所述低温空间电荷测量系统，其特征在于，脉冲电压源包括脉冲直流电源(3)及脉冲发生器(2)，其中，脉冲直流电源(3)与脉冲发生器(2)相连接，脉冲发生器(2)的输出端与上电极(11)相连接。
3.根据权利要求1所述的所述低温空间电荷测量系统，其特征在于，地电极(14)的空腔内设置有加热丝(15)及温度传感器，其中，加热丝(15)及温度传感器与PID温控仪(7)相连接。
4.根据权利要求1所述的所述低温空间电荷测量系统，其特征在于，真空腔体(8)的侧面设置有真空阀门(9)，冷介质储罐(13)为液氮储罐，冷介质储罐(13)经液氮管路(12)与地电极(14)相连通。
5.根据权利要求3所述的所述低温空间电荷测量系统，其特征在于，压电传感器(10)经测量信号线与信号放大器(6)相连接，加热丝(15)经加热线与PID温控仪(7)相连通。
6.根据权利要求1所述的所述低温空间电荷测量系统，其特征在于，压电传感器(10)的底部设置有吸收层(16)。
7.根据权利要求1所述的所述低温空间电荷测量系统，其特征在于，地电极(14)内部通过密封胶填隙。
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