CN114646818A - 空间电荷非接触测试系统及方法 - Google Patents

空间电荷非接触测试系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114646818A
CN114646818A CN202210231723.7A CN202210231723A CN114646818A CN 114646818 A CN114646818 A CN 114646818A CN 202210231723 A CN202210231723 A CN 202210231723A CN 114646818 A CN114646818 A CN 114646818A
Authority
CN
China
Prior art keywords
insulating medium
electret layer
space charge
field
tested
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210231723.7A
Other languages
English (en)
Inventor
唐绪松
刘艳斌
周心阳
陈海华
余曜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Electromechanical Engineering
Original Assignee
Shanghai Institute of Electromechanical Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Electromechanical Engineering filed Critical Shanghai Institute of Electromechanical Engineering
Priority to CN202210231723.7A priority Critical patent/CN114646818A/zh
Publication of CN114646818A publication Critical patent/CN114646818A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/24—Arrangements for measuring quantities of charge

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明提供了一种空间电荷非接触测试系统及方法，系统包括：基板、移动平台、支架、压电驱动元件、电场激励驻极体层、待测绝缘介质、场平衡驻极体层、压电传感器阵列、吸波材料层、多路控制开关、前置放大器、一体化屏蔽电极、低压脉冲发生器、示波器和计算机；通过低功率脉冲电压驱动极化驻极体层产生高强度交变脉冲场的方式对待测绝缘介质内部的空间电荷进行非接触式测试；通过平衡极化驻极体场禁锢空间电荷层的方式对绝缘介质内原始空间电荷进行分层扫描重构。与现有技术相比，本发明提高了对待测绝缘介质的外层、浅表层、深层空间电荷的测试精度与灵敏度，具备对空间环境下航天器防护层绝缘介质的空间电荷进行测试的能力。

Description

空间电荷非接触测试系统及方法
技术领域
本发明涉及空间电荷测试技术领域，具体地，涉及一种空间电荷非接触测试系统及方法，尤其设计一种基于驻极体场禁锢诱导的空间电荷非接触测试系统及方法。
背景技术
绝缘介质材料内部沉积空间电荷的形成是由于制备或在应用过程中环境导致，如基于高能束/电子束/等离子体的微纳加工、航天器在轨工作、高压直流电场、高动态载体与空气高速摩擦等过程都会引入电荷并贮存在其体内。国内外研究表明：空间电荷的产生和积聚会畸变绝缘介质材料中的电场分布，在一些恶劣的条件下会带来绝缘介质材料的老化、击穿，降低甚至破坏材料的电气特性；此外，这种异常的电荷积累也会对系统内其他导体产生放电，造成电子系统关键电子元件或电路损坏失效，危害极大。
目前空间电荷的测试有以下几种方法：热刺激电流法(Thermally StimulatedCurrent，TSC)、热刺激表面电位法(Thermally Stimulated Surface Potential，TSSP)、热致发光法(Thermo Luminescence，TL)、压电诱导压力波扩展法(Piezo-electric InducedPressure Wave Propagation，PIPWP)、激光诱导压力波扩展法(Laser Induced PressurePropagation，LIPP)以及电声脉冲法(Pulsed Electro-Acoustic，PEA)等。
在现有的空间电荷测试技术中，一般采用PEA法对绝缘介质材料的空间电荷分布进行测量，其基本原理是：在绝缘介质内存在空间电荷的情况下，施加在绝缘介质两端的高压电脉冲会引起绝缘介质内部空间电荷的振动从而产生压力波，然后通过压电传感器将这些压力波转换为电信号，其中，电信号幅值反映了空间电荷密度的大小，到达压电传感器的时间反映了空间电荷在试样内部的分布。
PEA法在传统高压绝缘电缆空间电荷的测试已经十分成熟，然而对于航天器在轨空间电荷的测试鲜见报道。受太空高能粒子束辐照影响，航天器空间在轨运行中绝缘介质也会积累空间电荷，严重危害航天器的正常工作。然而，传统的PEA装置要求测试时激励电极必须与试样紧密贴合的接触式配置，这种配置直接阻挡了太空高能粒子束对试样的辐照，无法实现航天器绝缘介质空间电荷在轨测试；传统的PEA装置需要高压脉冲电源作为激励，这在能源配比及其紧张的航天器中是无法实现的；传统的PEA装置存在严重的界面效应，不能对试样的外层、浅表层空间电荷进行测试，而这在航天器充放电效应研究中是及其重要的；传统空间电荷测试结果是试样内各个位置的空间电荷互相影响后的综合体现，不能反映试样内部特定分层的真实空间电荷分布。综上所述，对于航天器防护层绝缘介质的空间电荷测试而言，需要探索一种在低功率电源电压驱动下能够实现对绝缘介质内原始空间电荷进行分层扫描重构的航天器防护层绝缘介质空间电荷非接触测试系统及方法。
专利文献CN106018987A公开了一种应用于高压电缆测试领域的空间电荷的测试系统及测试方法，所述空间电荷的测试系统包括：设置在测试台面上表面的铜电极、用于屏蔽铜电极的屏蔽罩以及一端与铜电极连接、另一端穿出屏蔽罩的铜导体；用于固定电缆试样的电缆限位装置；安装在测试台面下表面且与铜电极正对的第一屏蔽盒以及从上至下依次设置在第一屏蔽盒中的第一压电传感器、第一铝箔、第一有机玻璃压块；安装在测试台面下表面且与电缆限位装置正对的第二屏蔽盒以及从上至下依次设置在第二屏蔽盒中的第二压电传感器、第二铝箔、第二有机玻璃压块；用于接收第一压电传感器和第二压电传感器发送的电信号的信号放大器。但该方法并未解决对航天器防护层绝缘介质的空间电荷测试的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间电荷非接触测试系统及方法。
根据本发明提供的一种空间电荷非接触测试系统，系统包括：
基板、移动平台、支架、压电驱动元件、电场激励驻极体层、待测绝缘介质、场平衡驻极体层、压电传感器阵列、吸波材料层、多路控制开关、前置放大器、一体化屏蔽电极、低压脉冲发生器、示波器和计算机；
基板的一端与移动平台机械连接，基板平行于待测绝缘介质的上表面；压电驱动元件上表面与基板机械连接，受低压脉冲发生器的电学激励而振动；电场激励驻极体层与压电驱动元件下表面机械绝缘连接，在压电驱动元件激励下产生交变脉冲电场；场平衡驻极体层旋涂在一体化屏蔽电极上表面，用于放置待测绝缘介质和形成平衡电场；压电传感器阵列等距放置在一体化屏蔽电极下表面，用于接收待测绝缘介质空间电荷在电场激励驻极体层产生的交变脉冲场作用下诱发的声压力波信号并转化为电信号；吸波材料层用于吸收透过压电传感器阵列的声压力波信号，减小反射；多路控制开关用于控制单个压电传感器与前置放大器之间的通断次序；前置放大器放置在一体化屏蔽电极内部，并于压电传感器阵列电学连接，用于对压电传感器输出的电信号数据进行放大；示波器与前置放大器电学连接，用于采集和显示经过放大后的电信号数据，并将其通过串口传输给计算机；计算机将采集的到的电信号数据进行分析处理和重构，得到绝缘介质的空间电荷分布信息。
优选地，通过移动平台调节基板与待测绝缘介质表面的距离。
优选地，电场激励驻极体层作为诱导空间电荷产生声压力波的交变脉冲电场发生源，包括背电极以及采用微纳工艺旋涂在背电极上的驻极体层薄膜，驻极体层薄膜的表面具有极化电荷。
优选地，压电传感器的阵列化分布，实现对待测绝缘介质空间电荷的三维测量。
优选地，场平衡驻极体层采用微纳工艺旋涂在一体化屏蔽电极上表面，用于放置待测绝缘介质和形成平衡电场以禁锢待测空间电荷层。
根据本发明提供的一种空间电荷非接触测试方法，适用于上述的空间电荷非接触测试系统，方法包括：
步骤1：通过第一脉冲电压驱动悬浮在待测绝缘介质上的电场激励驻极体层振动产生交变脉冲场，使待测绝缘介质内的空间电荷产生声压力波，实现对待测绝缘介质内部的空间电荷的非接触测试；
步骤2：通过放置在待测绝缘介质下方的场平衡驻极体层形成与交变脉冲场方向相反的平衡静电场，在待测绝缘介质内部形成零场强界面，实现对待测绝缘介质内的空间电荷的分层扫描重构。
优选地，场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面的极化电荷产生平衡静电场。
优选地，非接触测试包括整体式测试，整体式测试包括：
步骤101：对电场激励驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第一极化电荷密度；
步骤102：将待测绝缘介质放置在场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面，调节电场激励驻极体层与待测绝缘介质之间的距离，得到待测绝缘介质上表面与场平衡驻极体层下表面间的距离；
步骤103：通过低压脉冲发生器和压电振动元件，激励电场激励驻极体层振动，产生交变脉冲电场；
步骤104：通过交变脉冲电场，待测绝缘介质内的空间电荷产生声压力波，在示波器上通过声压力波信号来确定待测绝缘介质内的空间电荷信号窗口；
步骤105：将示波器采集到的数据传输到计算机，计算机将采集的到的信号进行分析处理，得到绝缘介质材料整体空间电荷的分布信息。
优选地，通过多路控制开关的通断控制不同压电传感器与前置放大器之间的通断次序，实现待测绝缘介质整体空间电荷的三维测量。
优选地，非接触测试包括分层扫描重构式测试，分层扫描重构式测试包括：
步骤201：对电场激励驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第一极化电荷密度；
步骤202：对场平衡驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第二极化电荷密度；
步骤203：将待测绝缘介质放置在场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面，调节电场激励驻极体层与待测绝缘介质之间的距离，得到待测绝缘介质上表面与场平衡驻极体层下表面间的距离；
步骤204：计算待测绝缘介质内部的零场强界面位置；
步骤205：通过低压脉冲发生器和压电振动元件，激励电场激励驻极体层振动，产生交变脉冲电场；
步骤206：通过交变脉冲电场，在待测绝缘介质的上表面与零场强界面位置之间产生声压力波，在示波器上通过声压力波信号来确定待测绝缘介质内的空间电荷信号窗口；
步骤207：将示波器采集到的数据传输到计算机，计算机将采集的到的信号进行分析处理，得到绝缘介质材料整体空间电荷的分布信息；
步骤208：通过多路控制开关的通断控制不同压电传感器与前置放大器之间的通断次序，实现待测绝缘介质局部空间电荷的三维测量；
步骤209：降低场平衡驻极体层上的驻极体层薄膜的第二极化电荷密度，调整零场强界面位置；
步骤210：重复执行步骤201至步骤209，测试整个待测绝缘介质内空间电荷；
步骤211：通过计算机将各分层空间电荷信息进行重构处理，得到待测绝缘介质的空间电荷的分布信息。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过低功率脉冲电压驱动悬浮在待测绝缘介质上的电场激励驻极体层高频振动产生具有高强度的交变脉冲场，从而诱导绝缘介质内的空间电荷产生声压力波，这种低电压驱动驻极体层产生高强度的交变脉冲场的方式使得空间电荷测试装置的非接触配置成为可能，也为航天器防护层绝缘介质空间电荷的在轨测试提供了可行方案。
2、本发明在绝缘介质下方还存在一个平衡驻极体层，该驻极体形成的平衡场方向与上述交变脉冲场相反，两个驻极体场间的相互作用会在绝缘介质内部某一位置处形成一个零场强界面，通过调整平衡驻极体场的大小可以控制该界面的位置；零场强界面的存在使得交变脉冲场不能越过零场强界面作用到绝缘介质的其他位置，零场强界面一侧的平衡场就会将该区域的空间电荷牢牢禁锢；这样，未受平衡场禁锢的空间电荷层就能在交变脉冲场的诱导下产生声压力波，从而达到在低功率电源电压驱动下能够实现对航天器防护层绝缘介质内原始空间电荷进行分层扫描重构的目的。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的压电传感器阵列分布示意图；
图3a为本发明的整体式测试原理图；
图3b为本发明的一种声压力波信号的示意图；
图4a为本发明的分层扫描重构式测试原理图；
图4b为本发明的另一种声压力波的示意图。
附图标记：
1：基板；2：移动平台；3：支架；4：压电驱动元件；5：电场激励驻极体层；6：待测绝缘介质；7：场平衡驻极体层；8：压电传感器阵列；9：吸波材料层；10：多路控制开关；11：一体化屏蔽电极；12：前置放大器；13：低压脉冲发生器；14：示波器；15：计算机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种空间电荷非接触测试系统，系统包括：基板1、移动平台2、支架3、压电驱动元件4、电场激励驻极体层5、待测绝缘介质6、场平衡驻极体层7、压电传感器阵列8、吸波材料层9、多路控制开关10、一体化屏蔽电极11、前置放大器12、低压脉冲发生器13、示波器14和计算机15。
具体地，基板为平板状，采用铝合金材料，一端与移动平台机械连接，基板平行于待测绝缘介质的上表面，通过移动平台调节基板与待测绝缘介质表面的距离；压电驱动元件上表面与基板机械连接，受低压脉冲发生器的电学激励而振动；电场激励驻极体层作为诱导空间电荷产生声压力波的交变脉冲电场发生源，包括背电极以及采用微纳工艺旋涂在背电极上的驻极体层薄膜，驻极体层薄膜的表面具有极化电荷，电场激励驻极体层与压电驱动元件下表面机械绝缘连接，在压电驱动元件激励下产生交变脉冲电场；场平衡驻极体层旋涂在一体化屏蔽电极上表面，用于放置待测绝缘介质和形成平衡电场；压电传感器阵列等距放置在一体化屏蔽电极下表面，用于接收待测绝缘介质空间电荷在电场激励驻极体层产生的交变脉冲场作用下诱发的声压力波信号并转化为电信号；压电传感器的阵列化分布，可以实现绝缘介质空间电荷的三维测量；吸波材料层用于吸收透过压电传感器阵列的声压力波信号，减小反射；多路控制开关用于控制单个压电传感器与前置放大器之间的通断次序；前置放大器放置在一体化屏蔽电极内部，并于压电传感器阵列电学连接，用于对压电传感器输出的电信号数据进行放大；示波器与前置放大器电学连接，用于采集和显示经过放大后的电信号数据，并将其通过串口传输给计算机；计算机将采集的到的电信号数据进行分析处理和重构，得到绝缘介质的空间电荷分布信息。
具体地，电场激励驻极体层作为诱导空间电荷产生声压力波的交变脉冲电场发生源，包括背电极以及采用微纳工艺旋涂在背电极上的驻极体层薄膜，驻极体层薄膜的表面具有极化电荷。
其中，驻极体层薄膜包括驻极体基体及其表面的极化电荷。
具体地，驻极体层薄膜为极化驻极体层薄膜，极化驻极体层薄膜的基底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate，PET)、聚丙烯(Polypropylene，PP)和聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene naphthalate two formic acid glycol ester，PEN)中的一种；薄膜采用微纳工艺形成在背电极上：通过旋涂工艺将驻极体层薄膜的材料涂覆于背电极上；对驻极体基体的表面极化而具有极化电荷，形成驻极体层薄膜。
可知的是，极化驻极体层薄膜的表面具有极化电荷，电场激励驻极体层与压电驱动元件下表面机械绝缘连接，可在压电驱动元件激励下产生交变脉冲电场。
具体地，驻极体层薄膜的表面通过极化具有极化电荷。驻极体极化方法包括：采用射线电离或电晕放电方式在驻极体层薄膜的基体的上方空气中产生正负电荷，之后驻极体层的背电极接地，在外置偏置极化高压电场作用下，驱使正负异性电荷分离和加速，注入驻极体层的驻极体层薄膜；极化后驻极体单元的极性与极化时驻极体单元的背电极的极性相反。静止时，激励驻极体层薄膜表面的极化电荷可以在垂直于驻极体表面的方向上形成强静电场，电场强度随极化电荷密度增强而增强。随着压电驱动元件振动，激励驻极体层随之高频振动，极化电荷层在高频运动下产生交变脉冲电场。
进一步地，待测绝缘介质内的空间电荷在交变脉冲电场的作用下产生扰动从而形成声压力波，作用到待测绝缘介质内的交变脉冲电场强度取决待测绝缘介质材料性质、空气间隙和驻极体层薄膜本身的性质，如厚度、介电常数和表面电位等。
更进一步地，还包括，场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面极化电荷产生的平衡静电场。
可知的是，当一体化屏蔽电极上的场平衡驻极体层薄膜表面具有与电场激励驻极体层薄膜极性相反的极化电荷时，平衡静电场与电场激励驻极体层薄膜的强静电场方向一致，对交变脉冲电场起到辅助增强作用。当一体化屏蔽电极上的场平衡驻极体层薄膜表面具有与电场激励驻极体层薄膜极性相同的极化电荷时，平衡静电场与电场激励驻极体层薄膜的强静电场方向相反，两个静电场间的相互作用会在待测绝缘材料内部某一位置处形成一个零场强界面。零场强界面的存在使得交变脉冲电场的作用不能越过零场强界面到达待测绝缘介质材料的其他位置。
进一步地，通过调整场平衡驻极体场的大小可以控制零场强界面的零场强界面位置，零场强界面一侧的平衡场就会将该区域的空间电荷牢牢禁锢；未受平衡场禁锢的绝缘介质空间电荷层在交变脉冲场的诱导下产生声压力波，实现对绝缘介质内原始空间电荷进行分层扫描重构。
其中，压电传感器的阵列化分布，实现对待测绝缘介质空间电荷的三维测量。
在本发明中压电驱动元件4利用逆压电效应作为振动源，振动频率范围为1Hz～1000MHz；低压脉冲发生器13的电压幅值为60V～300V，脉宽10纳秒(ns)；移动平台2具体为手动精密微调位移台，量程0～20mm，通过支架3安装在一体化屏蔽电极11上表面。
图2为本发明的压电传感器阵列分布示意图，如图2所示，压电传感器阵列8具体采用PVDF压电膜传感器，厚度为28μm，面积为1cm×1cm。压电传感器阵列8在本发明中的分布如图2所示，16个压电传感器以4×4分布方式等间距放置在一体化屏蔽电极11的下表面，每个压电传感器之间的间距2mm。
具体地，场平衡驻极体层采用微纳工艺旋涂在一体化屏蔽电极上表面，用于放置待测绝缘介质和形成平衡电场以禁锢待测空间电荷层。
在本发明中电场激励驻极体层的驻极体层薄膜为长方形薄膜，宽度为w，长度为l，厚度为d，采用射线电离或电晕放电方式对电场激励驻极体层薄膜进行极化，使电场激励驻极体层薄膜表面具有极化电荷，利用表面电位测量仪测得极化后的驻极体表面电位Ve，驻极体的表面电荷量为Qe，表面电荷密度为σe，不同物理量之间的转换关系如公式(1)和公式(2)所示：
Figure BDA0003538591170000081
Figure BDA0003538591170000082
其中，ε0表示真空中的介电常数，εe表示驻极体材料的相对介电常数。
图3a为本发明的整体式测试原理图，如图3a所示，包括：一体化屏蔽电极11、压电驱动元件4、电场激励驻极体层5、待测绝缘介质6和场平衡驻极体层7；待测绝缘介质6的厚度为d1，其内部的正空间电荷61与待测绝缘介质6的上表面的距离为x1，其内部的负空间电荷62与待测绝缘介质6的上表面的距离为x2；电场激励驻极体层5通过极化其表面，具有极化电荷51，极性为正，表面电位为Ve1；静止时，电场激励驻极体层5与待测绝缘介质6上面之间的气隙高度为d2；在待测绝缘介质内部的正空间电荷61和负空间电荷62的共同作用下，场平衡驻极体层7薄膜的上表面感应出感应电荷71，假设极性为负，对应的下表面感应出感应电荷72，假设极性为正；在低压脉冲发生器13的作用下，激励驻极体层5伴随压电驱动元件4一起高频振动，极化电荷51在高频往复运动下在其表面法向方向产生交变脉冲电场E1，交变脉冲电场E1可通过公式(3)表示：
Figure BDA0003538591170000083
其中，δ表示运动的最大位移量；r表示距离电场激励驻极体层5下表面的距离；εr表示气隙与待测绝缘介质材料层的等效相对介电常数。
图3b为本发明的一种声压力波信号的示意图，如图3b所示，横轴为时间，纵轴为压强P(t)，具体地，待测绝缘介质内的空间电荷在交变脉冲电场的作用下发生扰动从而产生声压力波，靠近压电传感器的空间电荷产生的声压力波首先被接收到，因此各电荷层到达压电传感器的声压力波信号依次为P72、P71、P62和P61，声压力波信号的强度用压强表示，压强可以通过公式(4)计算得到：
P(t)＝σ·E1(t)； (4)
其中，σ表示待测绝缘介质内某一位置的空间电荷密度。
进一步地，以压电传感器阵列中的压电传感器为聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)压电薄膜传感器为例，声压力波传递到压电传感器阵列中的压电传感器中，由于压电效应，PVDF压电薄膜传感器的输出电压满足公式(5)：
Figure BDA0003538591170000091
其中，a表示PVDF压电薄膜传感器的厚度；d33表示厚度(纵向)方向上压电传感器的压电应变常数；εrp表示相对介电常数。由公式(5)可知，声压力波P(t)产生的电压只与压电传感器的厚度有关，与PVDF压电薄膜传感器的表面积无关。
图4a为本发明的分层扫描重构式测试原理图，如图4a所示，包括：一体化屏蔽电极11、压电驱动元件4、电场激励驻极体层5、待测绝缘介质6和场平衡驻极体层7；待测绝缘介质6的厚度为d1，其内部的正空间电荷61与待测绝缘介质6的上表面的距离为x1，其内部的负空间电荷62与待测绝缘介质6的上表面的距离为x2；电场激励驻极体层5通过极化在其表面具有极化电荷51，极性为正，表面电位为Ve1；静止时，电场激励驻极体层5与待测绝缘介质6上面之间的气隙高度为d2；在低压脉冲发生器的作用下，激励驻极体层5伴随压电振动元件4一起高频振动，极化电荷51在高频往复运动下在其表面法向方向产生交变脉冲电场E1。
进一步地，场平衡驻极体层7薄膜为长方形薄膜，宽度为ws，长度为ls，厚度为ds，采用射线电离或电晕放电方式对场平衡驻极体层7薄膜进行极化，使薄膜表面具有极化电荷73，利用表面电位测量仪测得极化后的驻极体表面电位Ves，驻极体的表面电荷量为Qes，表面电荷密度为σes，其下表面感应出感应电荷74，极性为负。极化电荷73作用到绝缘介质材料6中的电场E2方向与E1相反，其场强可表示为公式(6)：
Figure BDA0003538591170000092
其中，rs表示距离场平衡驻极体层7上表面的距离。
图4b为本发明的另一种声压力波的示意图，如图4b所示，横轴为时间，纵轴为压强P(t)，在E1与的E2共同作用下，此时存在一个零场强界面63，其位置可由E1＝E2、公式(3)和公式(6)共同确定。考虑零场强界面63的影响，交变脉冲电场的作用区域被限制在零场强界面63与待测绝缘介质6上表面之间，只有位于该区域的空间电荷61才能在交变脉冲电场的作用下发生扰动从而产生声压力波P61。
本发明还提供了一种空间电荷非接触测试方法，适用于上述的空间电荷非接触测试系统，包括如下步骤：
步骤1：通过第一脉冲电压驱动悬浮在待测绝缘介质上的电场激励驻极体层振动产生交变脉冲场，使待测绝缘介质内的空间电荷产生声压力波，实现对待测绝缘介质内部的空间电荷的非接触测试。
步骤2：通过放置在待测绝缘介质下方的场平衡驻极体层形成与交变脉冲场方向相反的平衡静电场，在待测绝缘介质内部形成零场强界面，实现对待测绝缘介质内的空间电荷的分层扫描重构。
其中，第一脉冲电压为低功率脉冲电压。
具体地，首先通过低功率脉冲电压驱动悬浮在待测绝缘介质上的电场激励驻极体层高频振动产生具有高强度的交变脉冲场，从而诱导绝缘介质内的空间电荷产生声压力波，以完成对绝缘介质内部的空间电荷进行非接触式测试；然后，通过放置在待测绝缘介质下方的场平衡驻极体层形成与交变脉冲场方向相反的平衡静电场，从而在待测绝缘介质内部某一位置处形成一个零场强界面，零场强界面的存在使得交变脉冲场不能越过零场强界面作用到待测绝缘介质的其他位置，零场强界面一侧的平衡静电场就会将该区域的空间电荷牢牢禁锢，未受平衡场禁锢的空间电荷层就能在交变脉冲场的诱导下产生声压力波，从而实现对待测绝缘介质内原始空间电荷的分层扫描重构。
其中，场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面的极化电荷产生平衡静电场。
在本发明中当一体化屏蔽电极上的场平衡驻极体层薄膜表面具有与电场激励驻极体层薄膜极性相反的极化电荷时，平衡静电场与电场激励驻极体层薄膜的强静电场方向一致，对交变脉冲电场起到辅助增强作用；当一体化屏蔽电极上的场平衡驻极体层薄膜表面具有与电场激励驻极体层薄膜极性相同的极化电荷时，可以待测绝缘介质内部形成空间电荷禁锢区域。
其中，空间电荷禁锢区域可以通过调整场平衡驻极体场的大小进行控制。
具体地，非接触测试包括整体式测试，整体式测试包括以下步骤：
步骤101：对电场激励驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第一极化电荷密度。
具体地，采用高能射线电离或电晕放电方式对电场激励驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜表面具有极化电荷，利用表面电位测量仪测得极化后的驻极体表面电位，据此计算第一极化电荷密度。
步骤102：将待测绝缘介质放置在场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面，调节电场激励驻极体层与待测绝缘介质之间的距离，得到待测绝缘介质上表面与场平衡驻极体层下表面间的距离。
具体的，首先将待测绝缘介质材料裁剪至合适尺寸，测定其厚度；然后将待测绝缘介质材料放置于场平衡驻极体层薄膜表面，使二者紧密贴合，最后调节移动平台的微调旋钮调整电场激励驻极体层与待测绝缘介质之间的距离，测定待测绝缘介质上表面与场平衡驻极体层下表面间的距离。
步骤103：通过低压脉冲发生器和压电振动元件，激励电场激励驻极体层振动，产生交变脉冲电场。
具体地，将低压脉冲发生器与压电驱动元件电连接，随着压电驱动元件振动，电场激励驻极体层随之高频振动，极化电荷在高频运动下产生交变脉冲电场。
步骤104：通过交变脉冲电场，待测绝缘介质内的空间电荷产生声压力波，在示波器上通过声压力波信号来确定待测绝缘介质内的空间电荷信号窗口。
具体地，待测绝缘介质内的空间电荷在交变脉冲电场的作用下发生扰动从而产生声压力波，不同位置的声压力波在待测绝缘介质内传输到压电传感器的时间不同，靠近压电传感器的空间电荷产生的声压力波首先被接收到，在示波器上可通过场平衡驻极体层薄膜上感应到的界面感应电荷所产生的声压力波信号来确定待测绝缘介质内的空间电荷信号窗口。
步骤105：将示波器采集到的数据传输到计算机，计算机将采集的到的信号进行分析处理，得到绝缘介质材料整体空间电荷的分布信息。
具体地，通过串口通信将示波器采集到的数据传输到计算机，计算机将采集到的信号进行分析处理，得到绝缘介质材料整体空间电荷的分布信息。
具体地，通过多路控制开关的通断控制不同压电传感器与前置放大器之间的通断次序，实现待测绝缘介质整体空间电荷的三维测量。
进一步地，非接触测试还包括分层扫描重构式测试，分层扫描重构式测试包括以下步骤：
步骤201：对电场激励驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第一极化电荷密度。
具体地，采用射线电离或电晕放电方式对电场激励驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜表面具有极化电荷，利用表面电位测量仪测得极化后的驻极体表面电位，据此计算第一极化电荷密度。
步骤202：对场平衡驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第二极化电荷密度。
具体地，采用高能射线电离或电晕放电方式对场平衡驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜表面具有极化电荷，极性与电场激励驻极体层薄膜相反，利用表面电位测量仪测得极化后的驻极体表面电位，据此计算第二极化电荷密度。
步骤203：将待测绝缘介质放置在场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面，调节电场激励驻极体层与待测绝缘介质之间的距离，得到待测绝缘介质上表面与场平衡驻极体层下表面间的距离。
具体地，首先将待测绝缘介质材料裁剪至合适尺寸，测定其厚度；然后将待测绝缘介质材料放置于场平衡驻极体层薄膜表面，使二者紧密贴合；最后调节移动平台的微调旋钮调整电场激励驻极体层与待测绝缘介质之间的距离，测定待测绝缘介质上表面与场平衡驻极体层下表面间的距离。
步骤204：计算待测绝缘介质内部的零场强界面位置。
具体地，计算电场激励驻极体层和场平衡驻极体层薄膜极化电荷静电场共同作用下待测绝缘介质材料内部的零场强界面位置。
步骤205：通过低压脉冲发生器和压电振动元件，激励电场激励驻极体层振动，产生交变脉冲电场。
具体地，将低压脉冲发生器与压电驱动元件电连接，随着压电驱动元件振动，电场激励驻极体层随之高频振动，极化电荷在高频运动下产生交变脉冲电场。
步骤206：通过交变脉冲电场，在待测绝缘介质的上表面与零场强界面位置之间产生声压力波，在示波器上通过声压力波信号来确定待测绝缘介质内的空间电荷信号窗口。
具体地，考虑零场强界面的影响，交变脉冲电场的作用区域被限制在零场强界面与待测绝缘介质材料上表面之间，只有位于该区域的空间电荷才能在交变脉冲电场的作用下发生扰动从而产生声压力波，不同位置的声压力波在待测绝缘介质内传输到压电传感器的时间不同，靠近压电传感器的空间电荷产生的声压力波首先被接收到。
步骤207：将示波器采集到的数据传输到计算机，计算机将采集的到的信号进行分析处理，得到绝缘介质材料整体空间电荷的分布信息。
具体地，通过串口通信将示波器采集到的数据传输到计算机，计算机将采集的到的信号进行分析处理，得到绝缘介质材料局部空间电荷的分布信息。
步骤208：通过多路控制开关的通断控制不同压电传感器与前置放大器之间的通断次序，实现待测绝缘介质局部空间电荷的三维测量。
具体地，通过多路控制开关的通断控制不同压电传感器与前置放大器之间的通断次序，实现待测绝缘介质材料局部空间电荷的三维测量。
步骤209：降低场平衡驻极体层上的驻极体层薄膜的第二极化电荷密度，调整零场强界面位置。
具体地，降低场平衡驻极体层薄膜极化电荷密度，调整零场强界面位置，使其向靠近场平衡驻极体层的方向移动。
步骤210：重复执行步骤201至步骤209，测试整个待测绝缘介质内空间电荷。
步骤211：通过计算机将各分层空间电荷信息进行重构处理，得到待测绝缘介质的空间电荷的分布信息。
具体地，通过计算机将各分层空间电荷信息进行重构处理，得到待测绝缘介质完整、真实的空间电荷的分布信息。
进一步地，本发明中计算机对采集的到的信号进行分析处理，包括以下步骤：
步骤S1：获取采集到的信号，计算测试系统的传递函数；步骤S2：计算声压力波在待测绝缘介质材料内的衰减色散系数；步骤S3：根据场平衡驻极体层薄膜极化电荷密度，计算待测绝缘介质内出现的零场强位置；步骤S4：计算交变脉冲电场的强度，并计算脉冲电场的衰减系数；步骤S5：获取实测信号；步骤S6：进行反卷积恢复处理获得初步空间电荷信息；步骤S7：进行声波衰减色散恢复和脉冲场强衰减恢复获得分层空间电荷参数信息；步骤S8：获取各分层空间电荷信息，重构获得绝缘介质全部空间电荷的分布信息。
具体操作流程可描述为：程序开始后，在无空间电荷积累的情况下获取待测绝缘介质的在交变脉冲电场作用下对应的电压信号的参考波形；然后对参考波形数据进行平均和置零的预处理，以去除信号毛刺；根据系统实际输出与已知输入条件计算出测量装置的系统传递函数；根据待测绝缘介质试样的声学性质与实际系统输出情况计算试样的声波衰减色散系数；根据电场激励驻极体层与场平衡驻极体薄膜极化电荷密度计算零场强界面，确定实际测试的有效测试区域；根据待测绝缘介质试样的介电性能、厚度与气隙大小计算出交变脉冲电场的场强衰减系数。进一步地，对含有空间电荷的待测绝缘介质进行测试获取压电传感器输出电压信号的实测波形；选取所需恢复的实测波形数据进行预处理，通过反卷积处理纠正信号畸变；通过声波衰减色散恢复、脉冲场强衰减恢复以及反傅里叶变换得出待测绝缘介质试样既定分层区域内的空间电荷分布情况；对所有分层空间电荷信息进行重构处理，得到待测绝缘介质完整的空间电荷的分布信息；最后数据进行分类存储和显示。
本发明可实现对待测绝缘介质内空间电荷的整体式测试和分层扫描重构式测试；由于待测绝缘介质的上表面处的交变脉冲电场相对于其他位置更大，因此本发明对待测绝缘介质的外层、浅表层空间电荷的测试极为敏感；此外，本发明的低功率、非接触式的装置配置对航天器绝缘介质的空间电荷测试更为有效。
本发明对待测绝缘介质材料的空间电荷测试具有普适性，尤其是对航天器防护层绝缘介质空间电荷和绝缘介质材料的浅表层空间电荷测试具有显著优势。
本发明通过预置电场激励驻极体层薄膜表面的极化电荷在垂直于驻极体表面的方向上形成强静电场，随着激励驻极体层的高频振动，极化电荷在高频运动下产生交变脉冲电场，待测绝缘介质内的空间电荷在交变脉冲电场的作用下产生扰动从而形成声压力波；当一体化屏蔽电极上的场平衡驻极体层薄膜表面具有与电场激励驻极体层薄膜极性相同的极化电荷时，平衡静电场与电场激励驻极体层薄膜的强静电场方向相反，两个静电场间的相互作用会在待测绝缘介质内部某一位置处形成一个零场强界面；零场强界面的存在使得交变脉冲电场的作用不能越过零场强界面到达待测绝缘介质材料的其他位置，只有受到交变脉冲场作用的非禁锢区域的空间电荷能够产生声压力波，从而实现对待测绝缘介质内原始空间电荷进行分层扫描重构；进一步地，压电传感器的阵列化分布，可以实现待测绝缘介质材料空间电荷的三维测量。本发明从本质上去除了传统PEA测试装置中的电场激励电极与高压电脉冲装置，避免了待测绝缘介质与电场激励电极间的界面效应及沿面放电，实现了空间电荷测试装置的非接触配置；实现了在低功率、低电压驱动下对待测绝缘材料特定区域内真实空间电荷的针对性测试，突破了只有在高压电脉冲激励下才能进行空间电荷测试的思维局限，具备对待测绝缘介质空间电荷进行分层测试的的能力，具有低电压、非接触、分层重构、阵列化、适用性高等特点。
本发明解决的技术问题是：
1、本发明去除了传统PEA测试装置中的激励电极(或称为上电级)与高压电脉冲发生装置，避免了绝缘介质试样与激励电极间的界面效应、沿面放电和介质击穿等危害。
2、本发明去除了繁杂的高压绝缘装置，实现了测试装置的小型化；实现了低电压驱动驻极体层产生高场强交变脉冲场；实现了对绝缘介质空间电荷的非接触测试；实现了绝缘介质浅表层空间电荷测试；实现了对绝缘介质内原始空间电荷的分层扫描重构。
3、本发明具备适应太空环境下测试航天器防护层绝缘介质空间电荷的能力，具有低电压驱动、非接触测试、分层扫描重构和适用性高等特点。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种空间电荷非接触测试系统，其特征在于，所述系统包括：基板、移动平台、支架、压电驱动元件、电场激励驻极体层、待测绝缘介质、场平衡驻极体层、压电传感器阵列、吸波材料层、多路控制开关、前置放大器、一体化屏蔽电极、低压脉冲发生器、示波器和计算机；
基板的一端与移动平台机械连接，基板平行于待测绝缘介质的上表面；压电驱动元件上表面与基板机械连接，受低压脉冲发生器的电学激励而振动；电场激励驻极体层与压电驱动元件下表面机械绝缘连接，在压电驱动元件激励下产生交变脉冲电场；场平衡驻极体层旋涂在一体化屏蔽电极上表面，用于放置待测绝缘介质和形成平衡电场；压电传感器阵列等距放置在一体化屏蔽电极下表面，用于接收待测绝缘介质空间电荷在电场激励驻极体层产生的交变脉冲场作用下诱发的声压力波信号并转化为电信号；吸波材料层用于吸收透过压电传感器阵列的声压力波信号，减小反射；多路控制开关用于控制单个压电传感器与前置放大器之间的通断次序；前置放大器放置在一体化屏蔽电极内部，并于压电传感器阵列电学连接，用于对压电传感器输出的电信号数据进行放大；示波器与前置放大器电学连接，用于采集和显示经过放大后的电信号数据，并将其通过串口传输给计算机；计算机将采集的到的电信号数据进行分析处理和重构，得到绝缘介质的空间电荷分布信息。
2.根据权利要求1所述的空间电荷非接触测试系统，其特征在于，通过移动平台调节基板与待测绝缘介质表面的距离。
3.根据权利要求1所述的空间电荷非接触测试系统，其特征在于，电场激励驻极体层作为诱导空间电荷产生声压力波的交变脉冲电场发生源，包括背电极以及采用微纳工艺旋涂在背电极上的驻极体层薄膜，驻极体层薄膜的表面具有极化电荷。
4.根据权利要求1所述的空间电荷非接触测试系统，其特征在于，压电传感器的阵列化分布，实现对待测绝缘介质空间电荷的三维测量。
5.根据权利要求1所述的空间电荷非接触测试系统，其特征在于，场平衡驻极体层采用微纳工艺旋涂在一体化屏蔽电极上表面，用于放置待测绝缘介质和形成平衡电场以禁锢待测空间电荷层。
6.一种空间电荷非接触测试方法，其特征在于，适用于权利要求1所述的空间电荷非接触测试系统，所述方法包括：
步骤1：通过第一脉冲电压驱动悬浮在待测绝缘介质上的电场激励驻极体层振动产生交变脉冲场，使待测绝缘介质内的空间电荷产生声压力波，实现对待测绝缘介质内部的空间电荷的非接触测试；
步骤2：通过放置在待测绝缘介质下方的场平衡驻极体层形成与交变脉冲场方向相反的平衡静电场，在待测绝缘介质内部形成零场强界面，实现对待测绝缘介质内的空间电荷的分层扫描重构。
7.根据权利要求6所述的空间电荷非接触测试方法，其特征在于，场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面的极化电荷产生平衡静电场。
8.根据权利要求6所述的空间电荷非接触测试方法，其特征在于，非接触测试包括整体式测试，所述整体式测试包括：
步骤101：对电场激励驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第一极化电荷密度；
步骤102：将待测绝缘介质放置在场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面，调节电场激励驻极体层与待测绝缘介质之间的距离，得到待测绝缘介质上表面与场平衡驻极体层下表面间的距离；
步骤103：通过低压脉冲发生器和压电振动元件，激励电场激励驻极体层振动，产生交变脉冲电场；
步骤104：通过交变脉冲电场，待测绝缘介质内的空间电荷产生声压力波，在示波器上通过声压力波信号来确定待测绝缘介质内的空间电荷信号窗口；
步骤105：将示波器采集到的数据传输到计算机，计算机将采集的到的信号进行分析处理，得到绝缘介质材料整体空间电荷的分布信息。
9.根据权利要求8所述的空间电荷非接触测试方法，其特征在于，通过多路控制开关的通断控制不同压电传感器与前置放大器之间的通断次序，实现待测绝缘介质整体空间电荷的三维测量。
10.根据权利要求6所述的空间电荷非接触测试方法，其特征在于，非接触测试包括分层扫描重构式测试，所述分层扫描重构式测试包括：
步骤201：对电场激励驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第一极化电荷密度；
步骤202：对场平衡驻极体层上的驻极体层薄膜进行极化，使驻极体层薄膜的表面产生极化电荷，得到第二极化电荷密度；
步骤203：将待测绝缘介质放置在场平衡驻极体层的驻极体层薄膜表面，调节电场激励驻极体层与待测绝缘介质之间的距离，得到待测绝缘介质上表面与场平衡驻极体层下表面间的距离；
步骤204：计算待测绝缘介质内部的零场强界面位置；
步骤205：通过低压脉冲发生器和压电振动元件，激励电场激励驻极体层振动，产生交变脉冲电场；
步骤206：通过交变脉冲电场，在待测绝缘介质的上表面与零场强界面位置之间产生声压力波，在示波器上通过声压力波信号来确定待测绝缘介质内的空间电荷信号窗口；
步骤207：将示波器采集到的数据传输到计算机，计算机将采集的到的信号进行分析处理，得到绝缘介质材料整体空间电荷的分布信息；
步骤208：通过多路控制开关的通断控制不同压电传感器与前置放大器之间的通断次序，实现待测绝缘介质局部空间电荷的三维测量；
步骤209：降低场平衡驻极体层上的驻极体层薄膜的第二极化电荷密度，调整零场强界面位置；
步骤210：重复执行步骤201至步骤209，测试整个待测绝缘介质内空间电荷；
步骤211：通过计算机将各分层空间电荷信息进行重构处理，得到待测绝缘介质的空间电荷的分布信息。
CN202210231723.7A 2022-03-09 2022-03-09 空间电荷非接触测试系统及方法 Pending CN114646818A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210231723.7A CN114646818A (zh) 2022-03-09 2022-03-09 空间电荷非接触测试系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210231723.7A CN114646818A (zh) 2022-03-09 2022-03-09 空间电荷非接触测试系统及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114646818A true CN114646818A (zh) 2022-06-21

Family

ID=81992850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210231723.7A Pending CN114646818A (zh) 2022-03-09 2022-03-09 空间电荷非接触测试系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114646818A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114895112A (zh) * 2022-07-13 2022-08-12 华北电力大学 一种固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法
CN115598429A (zh) * 2022-11-23 2023-01-13 西安交通大学（Cn） 一种压电驱动的旋转式微型电场传感器及其工作方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114895112A (zh) * 2022-07-13 2022-08-12 华北电力大学 一种固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法
CN114895112B (zh) * 2022-07-13 2022-10-14 华北电力大学 一种固-液复合介质的电场与电荷测量系统及方法
CN115598429A (zh) * 2022-11-23 2023-01-13 西安交通大学（Cn） 一种压电驱动的旋转式微型电场传感器及其工作方法
CN115598429B (zh) * 2022-11-23 2023-03-07 西安交通大学 一种压电驱动的旋转式微型电场传感器及其工作方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Imburgia et al. Review of space charge measurement systems: Acoustic, thermal and optical methods
CN114646818A (zh) 空间电荷非接触测试系统及方法
Takada et al. An electric stress-pulse technique for the measurement of charges in a plastic plate irradiated by an electron beam
Li et al. Progress in space charge measurement of solid insulating materials in Japan
CN107247196B (zh) 一种多功能空间电荷测量系统及测量方法
El-Sekelly et al. Shear wave velocity measurement in the centrifuge using bender elements
US11360048B2 (en) Method for phonon assisted creation and annihilation of subsurface electric dipoles
Balk Scanning electron acoustic microscopy
Dennison et al. Pulsed electro-acoustic (PEA) measurements of embedded charge distributions
Hussaini et al. Review of space-charge measurement using pulsed electro-acoustic method: Advantages and limitations
Duroux et al. Using cross-correlations of elastic diffuse fields for attenuation tomography of structural damage
Diamond et al. A new capacitive imaging technique for NDT
Kawashima et al. Resonant electromagnetic excitation and detection of ultrasonic waves in thin sheets
Kikunaga et al. Measuring technique for static electricity using focused sound
Haardt et al. High resolution technique for measuring charge and polarization distributions in dielectrics by piezoelectrically induced pressure step waves (PPS)
Ghaffari et al. On calibration of piezoelectric sensors with laser doppler vibrometer
Galloy et al. PSpice modeling of the pulsed electro-acoustic signal
Cals et al. The pressure-pulse method for measuring space-charge distribution in irradiated insulators
Jian et al. Influence of array parameters on defect imaging in plate by modified RTM method
Alquié et al. Pulsed laser determination of surface electric charge distributions
Schindel et al. The capacitance transducer as a standard ultrasonic source in solids
He et al. Evaluation of space charge distribution under a divergent electric field by combining experiment and simulation
CN111722026A (zh) 基于磁声系统的绝缘介质空间电荷测量方法及系统
Lewiner Direct determination of space charge distributions in dielectrics: The pressure wave propagation method
Haque et al. Diagnosis of GIS based on acoustic sensing technique

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination