CN115616306B - 一种低电荷泄漏的表面电荷采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低电荷泄漏的表面电荷采集装置，包括金属屏蔽罩，金属屏蔽罩内腔中设置有金属探针、运算放大器芯片，金属探针一端位于金属屏蔽罩开口、或从金属屏蔽罩开口伸出，金属探针另一端与运算放大器芯片一个输入引脚电连接，运算放大器芯片另一个输入引脚与输出引脚电连接，运算放大器芯片输出引脚与信号处理器电连接；金属探针由第一绝缘支撑件支撑，从而与金属屏蔽罩内壁间隔、且固定设置；与运算放大器芯片引脚连接的导线或运算放大器芯片由绝缘的芯片安装座支撑，从而使得运算放大器芯片悬空设置在金属屏蔽罩内；第一绝缘支撑件、芯片安装座均设置在金属屏蔽罩内壁。

Description

一种低电荷泄漏的表面电荷采集装置

技术领域

本发明涉及一种低电荷泄漏的表面电荷采集装置，尤其涉及一种用于采集表面电荷的静电计放大器飞线盒。

背景技术

国内学者的前期探索性研究表明，表面静电荷积聚严重时可以使得不同种类的高压绝缘子的沿面闪络电压下降10%-20%，此外，且有可能是高压直流输电线路不明原因闪络的诱因之一，需在工程上予以关注。相比于交流输电系统，绝缘子表面静电及空间直流电场还会使得绝缘子表面积污速度加快，积污量显著增加，特别是对于特高压直流输电线路，长间隙绝缘引起的绝缘饱和问题使得特高压直流输电线路的绝缘要求极为苛刻，由表面电荷积聚引起的闪络电压下降应当得到重视，相关研究具有重要的理论和工程意义。

曾有多起复合绝缘子不明闪络事故后重新对其性能进行实验却发现各项性能仍然良好。这很有可能就是绝缘子在运行中受外加电压作用影响在表面积聚电荷，畸变了原有电场，引发局部放电直至闪络，而在闪络时正负电荷中和以至于闪络后绝缘子表面检测不到有电荷积聚。户外复合绝缘子易受大气环境影响而导致表面电荷积聚情况更加复杂，湿润条件下，含污秽的复合绝缘子表面电荷积聚及其对绝缘子表面放电起始机制还不清楚。因此对复合绝缘子进行大气环境下的表面电荷观测实验进而对其沿面电荷积聚特性进行研究是有必要的。

有的研究者发现在交流输电系统中，由于隔离开关断开后，GIS母线上的残余电荷可以导致母线段绝缘子承受近0.8pu的直流电压，此种情况同样可以使得母线段的绝缘子表面积聚起大量的电荷。

近年来随着对表面电荷积聚问题研究的深入，有些研究者发现当绝缘子与金属电极接触不良或绝缘子表面存在金属微粒时，在冲击电压作用下绝缘子表面也可能积聚大量的表面电荷。另外已有的研究结果表明，那些可以引起绝缘子沿面闪络的绝缘缺陷，在外施电压作用下都可能成为绝缘子表面电荷的来源，因此对表面电荷积聚问题进行专题研究可以进一步认识影响绝缘子沿面闪络的本质因素，这对于提高绝缘子的闪络电压，改善直流和交流绝缘子设计和制造水平方面都具有非常重要的实际意义。

防电荷泄漏问题是表面电荷测量系统设计的关键，整个测量系统的电荷泄漏途径主要有三个，电容探头自身的绝缘电阻、与直流运放管脚相连的绝缘材料的电阻和直流运放的输入电阻。

例如，申请号为CN202211194524.X的专利申请中，采用探头装置测量表面电荷。即金属屏蔽罩中设置金属探针，利用金属探针一端对被测物表面的电荷进行感应，金属探针另一端连接位于PCB电路板上的运算放大器芯片，即通过金属探针连接到PCB电路板上芯片的方式进行电荷信息都传输。申请人发现，利用上述装置进行测量时，尽管在PCB电路板加装有金属涂层保护，但是经过实验测得的实验结果，发现电荷泄漏的情况较为明显。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有技术中将运算放大器芯片安装在PCB电路板上容易出现电荷泄漏、导致测量不准确的问题，提供一种低电荷泄漏的表面电荷采集装置。

本发明提供一种低电荷泄漏的表面电荷采集装置，包括金属屏蔽罩，所述金属屏蔽罩内腔中设置有金属探针、运算放大器芯片，所述金属探针一端位于金属屏蔽罩开口、或从金属屏蔽罩开口伸出，所述金属探针另一端与运算放大器芯片一个输入引脚电连接，所述运算放大器芯片另一个输入引脚与输出引脚电连接，所述运算放大器芯片输出引脚与信号处理器电连接。

所述金属探针由第一绝缘支撑件支撑，从而与金属屏蔽罩内壁间隔、且固定设置。

与运算放大器芯片引脚连接的导线或运算放大器芯片由绝缘的芯片安装座支撑，从而使得运算放大器芯片悬空设置在金属屏蔽罩内。

所述第一绝缘支撑件、芯片安装座均设置在金属屏蔽罩内壁。

相对于芯片放置于电路板上而发生明显电荷泄漏的已有技术，本发明通过悬空设置运算放大器芯片，在一定程度上可以减小或抑制电荷泄漏的问题，另外还可以保证芯片有效散热。通过运算放大器两个输入引脚、输出引脚的连接关系，从而利用运算放大器芯片构成电压跟随器，即利用电压跟随的形式采集了传递到金属探针一端的电荷。

上述技术方案中，所述芯片安装座包括两个相对设置的立板；所述运算放大器芯片设置在两个立板之间。

一个立板上开设有K1个第一通孔，另一个立板上开设有K2个第二通孔，K1≥2，K2≥2；各个通孔位于同一高度位置。

所述运算放大器芯片悬空设置在金属屏蔽罩的形式为（A）、（B）中的一种。

（A）方案为：与运算放大器芯片的K1个引脚分别对应连接的K1根第一导线分别穿过K1个第一通孔后向芯片安装座外侧伸出；与运算放大器芯片的另外K2个引脚分别对应连接的K2根第二导线分别穿过K2个第二通孔后向芯片安装座外侧伸出；各根第一导线分别由对应的第一通孔壁面支撑，且各根第二导线分别由对应的第二通孔壁面支撑，从而令运算放大器芯片悬空设置在金属屏蔽罩内；所述运算放大器芯片具有对称轴线，所述K1个引脚位于所述对称轴线一侧，且所述另外K2个引脚位于所述对称轴线另一侧。

（B）方案为：所述表面电荷采集装置还包括K个第二绝缘支撑件，每个第二绝缘支撑件两端分别穿过第一通孔、与第一通孔对应的第二通孔；每个第二绝缘支撑件均由第一通孔壁面、第二通孔壁面支撑；各个间隔设置的第二绝缘支撑件支撑所述运算放大器芯片，从而令所述运算放大器芯片悬空设置。

在（A）方案中，与运算放大器芯片一侧K1个引脚分别连接的K1根导线由对应的第一通孔壁面支撑，与运算放大器芯片的K2个引脚分别连接的K2根导线由对应的第一通孔壁面支撑，从而令芯片悬空。通过通孔壁面对对应导线的支撑，可以减少导线对相应芯片引脚的拉力。所述运算放大器芯片一个输入引脚、另一个输入引脚、输出引脚中的至少一个为所述K1个引脚和K2个引脚中的引脚，或均为所述K1个引脚和K2个引脚之外的引脚。

在（B）方案中，芯片由K个间隔设置的第二绝缘支撑件支撑，从而可悬空设置。

上述技术方案中，每根导线与对应的通孔均为过盈配合；或

与每根导线的远离所述运算放大器芯片一端连接的装置均固定设置、且通过对应导线对运算放大器芯片施加拉力，从而使得运算放大器芯片悬空设置在金属屏蔽罩内；或

每根导线伸出对应通孔的部分均形成限位部，所述限位部的尺寸大于对应通孔的尺寸；每个限位部抵接相应的立板外壁，从而使得运算放大器芯片悬空设置在金属屏蔽罩内。

上述技术方案中，K1=K2=2；K1个第一通孔、K2个第二通孔分别对应设置。

所述K1个引脚、另外K2个引脚均为所述运算放大器芯片的同相输入引脚、反相输入引脚、输出引脚、负电源供电引脚、正电源供电引脚中的引脚。

上述技术方案中：当运算放大器芯片的同相输入引脚、反相输入引脚、负电源供电引脚、正电源供电引脚均为所述K1个引脚和另外K2个引脚中的引脚时：与同相输入引脚对应连接的导线穿过对应的通孔后与所述金属探针另一端电连接；与反相输入引脚对应连接的导线依次穿过对应的通孔、金属屏蔽罩壁面开设的通孔后与位于金属屏蔽罩外的信号处理器电连接；与负电源供电引脚对应连接的导线穿过对应的通孔后与位于金属屏蔽罩内的供电电源负供电端电连接，或者与负电源供电引脚对应连接的导线依次穿过对应的通孔、金属屏蔽罩壁面开设的通孔后与位于金属屏蔽罩外的供电电源负供电端电连接。与正电源供电引脚对应连接的导线穿过对应的通孔后与位于金属屏蔽罩内的供电电源正供电端电连接，或者与正电源供电引脚对应连接的导线依次穿过对应的通孔、金属屏蔽罩壁面开设的通孔后与位于金属屏蔽罩外的供电电源正供电端电连接。

本发明中，金属探针固定在设置在金属屏蔽罩内，供电电源固定在设置在金属屏蔽罩内或金属屏蔽罩外，信号处理器固定设置在金属屏蔽罩外。

上述技术方案中，所述第二绝缘支撑件为硬质材料的杆件；或

所述第二绝缘支撑件与每个通孔为过盈配合；或

与每根导线的远离所述运算放大器芯片一端连接的装置均固定设置、且通过对应导线对运算放大器芯片施加拉力，从而使得运算放大器芯片悬空设置在金属屏蔽罩内；或

所述第二绝缘支撑件为软质材料，所述第二绝缘支撑件伸出对应通孔的部分均缠绕形成限位部，所述限位部的尺寸大于对应通孔的尺寸；每个限位部抵接相应的立板外壁，从而使得运算放大器芯片悬空设置在金属屏蔽罩内。

上述技术方案中，两个立板之间设置有干燥材料，所述干燥材料位于所述运算放大器芯片下方。通过设置干燥材料，从而可以保证运算放大器芯片所在区域的干燥，保证电路正常工作。

上述技术方案中，所述芯片安装座为上方开口的盒体，所述上方开口上盖合有密封盖；所述运算放大器芯片容纳在盒体内腔中；所述盒体的两个相对设置的侧壁构成所述两个相对设置的立板。

所述盒体中安装有绝缘隔板，所述绝缘隔板上开设有通气孔，所述绝缘隔板将盒体内腔分为第一腔体、第二腔体，所述第一腔体、第二腔体分别对应位于绝缘隔板下方、上方；所述干燥材料为容纳在第一腔体内的干燥剂，所述第二腔体内容纳有所述运算放大器芯片。

上述技术方案中，所述运算放大器芯片设置于金属探针的远离金属屏蔽罩开口一侧，所述金属探针沿金属屏蔽罩长度方向设置。

所述表面电荷采集装置还包括用于调整芯片安装座在金属屏蔽罩高度方向上位置的第一位置调节装置、用于调整芯片安装座在金属屏蔽罩内宽度方向上位置的第二位置调节装置，所述金属屏蔽罩宽度方向垂直于金属屏蔽罩高度方向、且垂直于金属屏蔽罩长度方向。

通过上述设置，当金属探针与运算放大器芯片偏移较多时，可通过第一位置调节装置调整芯片安装座在宽度方向上的位置，且可通过第二位置调节装置调整芯片安装座在高度方向上的位置，从而可令金属探针与运算放大器芯片在长度方向上可相对设置，从而便于导线将二者连接。

上述技术方案中，所述第一位置调节装置为在高度方向上伸缩的高度伸缩件，所述高度伸缩件的固定端与芯片安装座底面固定，所述高度伸缩件的伸缩端由金属屏蔽罩内壁底面支撑、且可沿金属屏蔽罩内壁底面滑动；所述第二位置调节装置包括在宽度方向上伸缩的两个水平伸缩件；两个水平伸缩件分别设置于芯片安装座两侧，每个水平伸缩件的固定端均与芯片安装座侧壁固定连接，两个水平伸缩件的伸缩端分别与金属屏蔽罩两个相对设置的内侧壁对应固定连接。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为对被测物的表面电荷进行测量时本发明实施例1的表面电荷采集装置的电路连接示意图。

图2为本发明实施例1的低电荷泄漏的表面电荷采集装置中的芯片安装座的立体结构示意图（未盖合密封盖，且未安装芯片）。

图3为将芯片安装座的设置有第一通孔的外壳去掉后芯片安装座的内部结构示意图。

图4为将芯片安装座的未设置有通孔的外壳去掉后芯片安装座的内部结构示意图，其中安装有芯片（其中连接反相输入引脚与输出引脚的导线未示出）。

图5为本发明实施例1的表面电荷采集装置中芯片安装座与第一位置调节装置、第二位置调节装置构成结构的俯视示意图。

图6为本发明实施例1的表面电荷采集装置中芯片安装座与第一位置调节装置、第二位置调节装置构成结构的侧视示意图。

图7为本发明实施例1的ADA4530-1飞安级芯片的内部电路图，其中L1为对称轴线。

图8为本发明实施例1的利用ADA4530-1飞安级芯片搭建电压跟随器的电路示意图。

图9（a）、图9（b）分别为本发明实施例1的第一位置调节装置、第二位置调节装置的举例示意图。

图10（a）为展示本发明实施例1的表面电荷采集装置与被测物相对位置的系统结构示意图，图10（b）为本发明实施例1的表面电荷采集装置对被测物测量的等效电路示意图。

图11为本发明实施例1的表面电荷采集装置标定输出特性曲线图。

图12为本发明实施例1的表面电荷采集装置（芯片悬空安装在金属屏蔽罩内的芯片安装座上）与已有技术中芯片安装在电路板的测量结果对比图。

图13为本发明实施例2的芯片安装座的立体结构示意图，其中未安装有芯片。

图14为本发明实施例3的AD549的芯片引脚示意图，其中L1为对称轴线。

上述附图中：1、运算放大器芯片，21、第一导线，22、第二导线，3、芯片安装座，301、第一通孔，302、第二通孔，33、绝缘隔板，32、通气孔，34、绝缘隔板支架，35、第一腔体，36、第二腔体，37、密封盖，38、立板，39、第二绝缘支撑件，4、高度伸缩件，41、高度位置调节旋钮，5、水平伸缩件，51、水平位置调节旋钮，6、金属探针，7、金属屏蔽罩，71、第一绝缘支撑件，72、绝缘件，73、开口，74、内腔，8、信号处理器，9、被测物。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

如图1-6、图9（a）、图9（b）所示，本发明提供一种低电荷泄漏的表面电荷采集装置，包括金属屏蔽罩7，所述金属屏蔽罩7内腔74中设置有金属探针6、运算放大器芯片1，所述金属探针6一端位于金属屏蔽罩7开口73、或从金属屏蔽罩7开口73伸出，所述金属探针6另一端与运算放大器芯片1同相输入引脚电连接，所述运算放大器芯片1反相输入引脚与输出引脚电连接，所述运算放大器芯片1输出引脚与信号处理器8电连接；所述金属探针6由第一绝缘支撑件71支撑，从而与金属屏蔽罩7内壁间隔、且固定设置。本申请中，静电计放大器即指的是运算放大器。

本实施例1中，运算放大器芯片1为亚德诺半导体技术有限公司的ADA4530-1型号芯片。芯片引脚如图7所示。其测量电路采用同相输入电压跟随器的形式，测量线路的输入阻抗要比运放本身的输入阻抗高，从而降低由运放本身造成的电荷泄漏。信号处理器8可为电压测量装置（例如高精度数字万用表）。

ADA4530-1引脚功能描述如表1所示。

表1 ADA4530-1引脚功能描述

ADA4530-1是一款飞安级(10−15fA)输入偏置电流运算放大器。飞安数量级的芯片可以更精确捕捉到电流电压，测量更精确。

本申请中，优选采用输入偏置电流小于阈值电流的运算放大器芯片。本实施例中，阈值电流设定为飞安级，即运算放大器芯片的输入偏置电流为飞安级。本领域技术人员也可根据需求设定阈值电流。输入偏置电流越小，芯片测量的电压偏移就越小，使得采集电压的精度更高。

与运算放大器芯片1引脚连接的第一导线21、第二导线22由绝缘的芯片安装座3支撑，或者运算放大器芯片1由绝缘的芯片安装座3支撑，从而使得运算放大器芯片1悬空设置在金属屏蔽罩7内。

所述第一绝缘支撑件71、芯片安装座3均设置在金属屏蔽罩7内壁。第一绝缘支撑件71可为套筒结构，例如可设置两个同轴的第一绝缘支撑件71，即金属探针6依次穿过两个第一绝缘支撑件71的中心通孔，从而实现固定，且与金属屏蔽罩保持绝缘。

所述芯片安装座3包括两个相对设置的立板38；所述运算放大器芯片1设置在两个立板38之间。

本实施例1中一个立板38上开设有K1个第一通孔301，另一个立板38上开设有K2个第二通孔302，K1=K2=2；各个第一通孔301、第二通孔302位于同一高度位置。

本领域技术人员也可理解，可在两个立板38上开设不同数量的通孔，只要将芯片悬空，且尽量使得芯片平行于水平面即可。

如图1-图4所示，所述运算放大器芯片1悬空设置在金属屏蔽罩7的形式为：与运算放大器芯片1的2个引脚（同相输入引脚+IN、负电源供电引脚V-）分别对应连接的K1根第一导线21分别穿过K1个第一通孔301后向芯片安装座3外侧伸出。与运算放大器芯片1的另外2个引脚（反相输入引脚-IN、正电源供电引脚V+）分别对应连接的K2根第二导线22分别穿过K2个第二通孔301后向芯片安装座3外侧伸出。其中，图中未示出连接反相输入引脚与输出引脚的导线。

各根第一导线21分别由对应的第一通孔301壁面支撑，且各根第二导线22分别由对应的第二通孔302壁面支撑，从而令运算放大器芯片1悬空设置在金属屏蔽罩7内。

本领域技术人员也可理解，也可令运算放大器芯片1未使用的引脚（即同相、反相输入引脚、输出引脚、正负电源供电引脚之外的引脚）穿过通孔且由通孔壁面支撑，再将需使用的引脚与相应的装置连接。

运算放大器芯片悬空的方式为如下中的至少一种：

（1）由于运算放大器芯片重量较小，仅需每根第一导线21与对应的第一通孔301过盈配合、每根第二导线22与对应的第二通孔302过盈配合，即通孔将相应的导线夹持，可令运算放大器芯片悬空。

（2）运算放大器芯片1的同相输入引脚通过第一导线21与金属探针6连接，负电源供电引脚V-通过第一导线与供电电源负供电端连接，反相输入引脚通过第二导线22与信号处理器8连接，正电源供电引脚通过第二导线22与供电电源正供电端连接。金属探针6、信号处理器8、供电电源（图中未示出）均固定设置、且通过对应的第一导线21或第二导线22对运算放大器芯片1施加拉力，从而使得运算放大器芯片1悬空设置在金属屏蔽罩7内，且各个第一导线21、第二导线22均可由对应的通孔内壁支撑。

（3）第一导线21伸出第一通孔301的部分、第二导线22伸出第二通孔302的部分均形成限位部（例如导线打结形成限位部），所述限位部的尺寸大于对应通孔的尺寸。每个限位部抵接相应的立板38外壁（即该立板38的背向与其相对的立板38的壁面），从而使得运算放大器芯片1悬空设置在金属屏蔽罩7内。

所述运算放大器芯片的同相输入引脚通过导线与所述金属探针6另一端连接，所述运算放大器芯片1输出引脚通过导线与反相输入引脚连接，所述运算放大器芯片1输出引脚通过导线与信号处理器8电连接。

本实施例中，K1=K2=2；K1个第一通孔301、K2个第二通孔302分别对应设置。

本领域技术人员也可理解，可设置K2≥K1。例如K1为3，K2为2，即与对称轴线一侧的3个引脚分别连接的3根第一导线分别穿过3个第一通孔，与对称轴线另一侧的2个引脚分别连接的2根导线分别穿过2个第二通孔；或者可设置K1为3，K2为1。

所述K1个引脚分别为运算放大器芯片的同相输入引脚、负电源供电引脚。

所述K2个引脚分别为运算放大器芯片的反相输入引脚、正电源供电引脚。

与同相输入引脚对应连接的第一导线21穿过对应的第一通孔301、且与所述金属探针6另一端电连接。与负电源供电引脚对应连接的第一导线21穿过对应的第一通孔301、且与供电电源负供电端电连接。与反相输入引脚对应连接的第二导线22穿过对应的第二通孔302、且与信号处理器8电连接。与正电源供电引脚对应连接的第二导线22穿过对应的第二通孔302、且与供电电源正供电端电连接。

与反相输入引脚对应连接的第二导线22通过穿过金属屏蔽罩7壁面的导线与位于金属屏蔽罩7外的信号处理器8电连接；与负电源供电引脚对应连接的第一导线21穿过金属屏蔽罩7壁面后与位于金属屏蔽罩7外的供电电源负供电端电连接，或者所述供电电源负供电端位于金属屏蔽罩7内腔中；与正电源供电引脚对应连接的第二导线22穿过金属屏蔽罩7壁面后与位于金属屏蔽罩7外的供电电源正供电端电连接，或者所述供电电源正供电端位于金属屏蔽罩7内腔中。

所述芯片安装座3为上方开口的盒体，所述上方开口上盖合有密封盖37；所述运算放大器芯片1容纳在盒体内腔中；所述盒体的两个相对设置的侧壁构成所述两个相对设置的立板38。

所述盒体中安装有绝缘隔板33，所述绝缘隔板33上开设有通气孔32所述绝缘隔板33将盒体内腔分为第一腔体35、第二腔体36，所述第一腔体35、第二腔体36分别对应位于绝缘隔板33下方、上方；所述第一腔体35内容纳有干燥剂，所述第二腔体36内容纳有所述运算放大器芯片1。

所述运算放大器芯片1设置于金属探针6的远离金属屏蔽罩7开口73一侧，所述金属探针6沿金属屏蔽罩7长度方向设置。

所述表面电荷采集装置还包括用于调整芯片安装座3在金属屏蔽罩7高度方向上位置的第一位置调节装置、用于调整芯片安装座3在金属屏蔽罩7内宽度方向上位置的第二位置调节装置，所述金属屏蔽罩7宽度方向垂直于金属屏蔽罩7高度方向、且垂直于金属屏蔽罩7长度方向。

如图9（a）、图9（b）所示：所述第一位置调节装置为在高度方向上伸缩的高度伸缩件4，所述高度伸缩件4的固定端与芯片安装座3底面固定，所述高度伸缩件4的伸缩端由金属屏蔽罩7内壁底面支撑、且可沿金属屏蔽罩7内壁底面滑动。即当两个水平伸缩件的尺寸变化时，高度伸缩件4与金属屏蔽罩7一起移动位置，调整高度伸缩件4与金属屏蔽罩7在宽度方向上所在位置。

所述第二位置调节装置包括在宽度方向上伸缩的两个水平伸缩件5；两个水平伸缩件5分别设置于芯片安装座3两侧，每个水平伸缩件5的固定端均与芯片安装座3侧壁固定连接，两个水平伸缩件5的伸缩端分别与金属屏蔽罩7两个相对设置的内侧壁对应固定连接。

高度伸缩件4可为垂直伸缩臂，水平伸缩件5可为水平伸缩臂。通过安装垂直伸缩臂和水平伸缩臂，能够精确控制盒体的相对位置，可以根据不同尺寸的金属屏蔽罩调节伸缩臂对应的旋钮（即高度位置调节旋钮41、水平位置调节旋钮51），保证盒体在金属屏蔽罩能够保持平稳放置，可以适用于不同大小尺寸的用于安放飞线盒（即本发明的盒体）的表面电荷采集装置的金属屏蔽罩。本发明的盒体左右分别安装有两个水平伸缩臂，盒体的底面安装有一个垂直伸缩臂，在伸缩臂上都加装了调节伸缩臂长度的旋钮。通过转动旋钮，可以调节伸缩臂的伸展和收缩距离，用来调节盒体和金属屏蔽罩之间的间距和位置。飞线盒（即本发明的盒体）下方的垂直伸缩臂处于完全收缩状态时，高度可为40mm，完全伸展状态时，高度可为80mm。飞线盒两侧的水平伸缩臂处于完全收缩状态时，宽度可为30mm，完全伸展状态时，宽度可为60mm。可以完美贴合金属屏蔽罩内壁，固定好飞线盒的位置，起到绝缘支撑的作用。

本发明的盒体用来放置运算放大器芯片1。运算放大器芯片1优选为飞安级输入偏置电流芯片。将运算放大器芯片1的输入管脚悬空，且连接输入管脚的导线穿入盒体侧壁开设的通孔中，输入管脚与盒体外面的探针相连接，通过这种方式，可以在很大程度上减小或抑制电荷泄漏的问题，可以实现电荷电压信号的采集。在不进行电荷采集时，直流运算放大器芯片的输入端可接地，而在采集电荷时直流运算放大器芯片的接地端与金属屏蔽罩相连并接地，可以有效抑制外界高压对测量的干扰。

盒体的密封盖37加装了密封线圈，可以有效的保证盒体中运算放大器芯片防尘防潮。在盒体的内部设置绝缘隔板33。绝缘隔板33可由绝缘隔板支架34支撑。绝缘隔板可为带孔的PVC透明绝缘隔板。绝缘隔板将盒体内部空间分隔成干燥室，干燥室里铺上干燥剂后，可以保证运算放大器芯片在盒体中保持干燥，干燥的环境可以保证芯片能够正常运行，不受空气中水分子的影响。

如图1-6所示，盒体（即飞线盒）尺寸可为：边长30mm，高40mm。距离盒体底部15mm的位置可设置小型的两个绝缘隔板支架34。绝缘隔板支架长4mm，宽3mm，厚2mm。绝缘隔板支架的上方用于铺放PVC透明带孔的绝缘隔板33。由绝缘隔板和方盒底部组成的空间区域作为干燥室，在干燥室中可放置一些干燥剂。飞线盒的上方部位有一个方形的密封盖37，密封盖37上设置一圈密封胶垫，贴合飞线盒的尺寸，可以保证芯片在飞线盒中避免受潮和积污。

由于水流重力，盒体底部易受潮。运算放大器芯片是装置核心，放在易观察更换的位置（干燥室的上方）更方便实验的操作和进行。带孔的绝缘隔板作用是分隔出单独的干燥室，既能起到干燥飞线盒内部空气的作用，也避免在安装芯片的过程中芯片不慎掉落与干燥剂的直接接触。

水平伸缩臂的可伸缩端伸展后与金属屏蔽罩内壁贴合，固定端可焊接固定到盒体外壁上。垂直伸缩臂的可伸缩端伸展后与金属屏蔽罩底部内壁贴合，固定端可焊接固定到飞线盒底板底面。转动旋钮就可以调节伸缩臂的伸缩距离。

盒体可为铝合金与聚四氟乙烯、PVC绝缘隔板相结合的结构，整体易拆卸，在更换干燥剂和清理内壁时也较传统设备更加便捷。此外，本装置重量轻，体积小，伸缩臂可以通过调节旋钮调节伸缩臂距离，在不使用时缩回垂直和水平伸缩臂能够大幅度减少装置占用的地方空间。

固体介质表面电荷的消散过程比较漫长，消散时间常数为10⁴s数量级，真空中电荷泄漏时间甚至可达10⁷s以上。但由于受气体种类、气压、电荷积聚位置等因素的影响，不同环境中介质表面电荷消散速度也各不相同，因此可以保证后续测量都在电荷大幅消散前完成。实验时需要给待测表面长时间加高压，加完压后撤掉电压再进行表面电荷的测量，而中间的撤压过程约在5s内。等到测量时表面电荷情况不是加压时刻的，但是因为表面电荷消散的很慢（>>5s），对于测量结果的影响不是很大，因此说明测量表面电荷的方案是可行的。

本方案中，被测物9采用绝缘子。表面电荷采集装置作为静电电容探头测量装置，仅能直接测量表面电势或表面电荷采集装置的感生电荷，可通过反演算法得到绝缘子表面电荷分布。针对表面电荷的计算，可采用以线性标度法为核心的反演算法，即基于表面电荷采集装置测量等效电路建立表面电荷与表面电荷采集装置感应电压之间的线性关系，如图10（a）、图10（b）所示。图10（a）中，探头本体包括金属探针6、运算放大器芯片1、信号处理器8。表面电荷采集装置对被测物测量的等效电路由两条并联支路组成。其中，C_d为电介质板（即被测物9）本身的电容，C_g为地电极与电介质板之间的间隙构成的电容，C_p为表面电荷采集装置与被测表面之间的间隙构成的电容，C_m为表面电荷采集装置自身的对地电容。A为表面电荷采集装置测量的有效面积，Q为表面电荷采集装置感生的电荷。根据测量得到的电压计算得到表面电荷为已有技术，可参考申请号为CN202211194524.X的专利申请。

采用本设计的飞线盒装置，放置运算放大器芯片1后，将芯片的输入管脚悬空通过导线穿入飞线盒的导线孔（即通孔）中，与飞线盒外面的金属探针相连接，设定表面电荷采集装置距离电介质板的间距为5mm，在电介质板上施加负极性电压，从0V开始加压，此后每隔5秒增加-200V电压，每隔1秒进行一次数据采样，对表面电荷采集装置标定得到的表面电荷采集装置的输出特性曲线，如图11所示。

将运算放大器芯片1分别安装在飞线盒和电路板上，利用表面电荷采集装置对电介质板进行表面电荷的测量，结果对比如图12所示。

对于已有技术中将电压测量信号安装到电路板的方式，直流运算放大器芯片管脚连接的绝缘材料也易引起电荷泄漏，而且由于一般电路板的绝缘电阻较运算放大器的输入阻抗小得多，若将作为运算放大器芯片直接插接在电路板上，那么金属探针感应到的电荷通过印刷电路板的绝缘电阻很快就泄漏掉，影响表面电荷的测量结果。

根据图12，采用本发明的装置输出后的感应电压并没有明显的电压波动和偏移现象发生，说明采用本装置和方法可以在很大程度上抑制了电荷泄漏的问题。

由于测试装置工作在高电压设备的附近，为抑制外界高压对测量的干扰，包含运算放大器芯片1的盒体放置在表面电荷采集装置的金属屏蔽罩内。在不进行测量时直流运算放大器芯片的输入引脚与金属屏蔽罩相连并接地。为防止放电产生的高频电磁波损坏昂贵的直流运放，在不进行测量时，直流运算放大器芯片的输入引脚接地。

伸缩臂采用的材料可为导电性较好的铝合金，也可以采用不锈钢或纯铝作为伸缩臂材料。安放的飞线盒的金属屏蔽罩的型号和所加的电压等级可以根据需要而改变。伸缩臂的端部可以通过双面胶带粘贴在金属屏蔽罩内壁上，可以更好的保证盒体平稳的设置在金属屏蔽罩内。

实际在进行表面电荷测量的过程中，本发明设计的装置操作步骤如下：

步骤1：拧开飞线盒的密封盖37，用99.9%（分析纯）的无水乙醇清洗飞线盒内壁腔体和PVC带孔透明的绝缘隔板33，待自然风干后，在飞线盒的底部铺放上干燥剂，盖上PVC带孔透明的绝缘隔板。本申请中，飞线盒指的是其中导线为悬空。

步骤2：用焊锡和导线将运算放大器芯片1的OUT引脚和-IN引脚连接起来，再用焊锡和4根导线分别与芯片的+IN引脚、V-引脚、V+引脚、-IN引脚连接。其中，+IN引脚、V-引脚、V+引脚、-IN引脚分别接导线，一是可以做到悬空，二是这样连接不与电路板接触，可以尽量避免电路板造成的电荷泄漏问题。与+IN引脚（即同相输入引脚）连接的第一导线21穿出飞线盒壁面的第一通孔301后连接探针，与V-引脚连接的第一导线21穿出飞线盒壁面的第一通孔301后连接负极性供电电源，与V+引脚连接的第二导线22穿出飞线盒壁面开设的第二通孔后连接正极性供电电源，OUT引脚（输出引脚）与-IN引脚（反相输入引脚）通过导线连接。与-IN引脚连接的第二导线22穿出飞线盒壁面上开设的第二通孔后连接信号处理器。

步骤3：将连接好之后的运算放大器芯片1放入飞线盒中，将导线穿过飞线盒侧壁的通孔，通过通孔壁面对导线的支撑力将运算放大器芯片1悬空。

步骤4：将飞线盒放入表面电荷采集装置的金属屏蔽罩内，调节垂直伸缩臂的高度位置调节旋钮41、水平伸缩臂的水平位置调节旋钮51，控制伸缩臂的伸缩长度，保证飞线盒可以平稳的安放在金属屏蔽罩内。

步骤5：将与运算放大器芯片1的V-引脚、V+引脚连接的导线分别连接到±5V供电的直流稳压电源的正极、负极，从而给芯片供电，将与运算放大器芯片1的+IN引脚连接的导线连接到用于测量表面电荷的金属探针上，将与-IN引脚连接的导线连接到信号处理器。

步骤6：将信号处理器输出接到电脑端，连接并打开信号处理器，然后将装置静置5分钟，观察电脑端电压示数有无变化，若无变化，则证明装置接触良好，已完成准备工作，可进行下一步表面电荷测量的实验操作。

实施例2

如图13所示，本实施例2与实施例1的区别在于：所述表面电荷采集装置还包括K个第二绝缘支撑件39，每个第二绝缘支撑件39两端分别穿过第一通孔301、与第一通孔301对应的第二通孔302；每个第二绝缘支撑件39均由第一通孔301壁面、第二通孔302壁面支撑；各个间隔设置的第二绝缘支撑件39支撑所述运算放大器芯片1，从而令所述运算放大器芯片1悬空设置。

（1）所述第二绝缘支撑件39为硬质材料的杆件，运算放大器芯片由各个间隔设置的第二绝缘支撑件39支撑；或

（2）所述第二绝缘支撑件39与每个第一通孔301、第二通孔302为过盈配合；或

（3）与每根导线（第一导线21或第二导线22）的远离所述运算放大器芯片1一端连接的装置均固定设置、且通过对应导线（第一导线21或第二导线22）对运算放大器芯片1施加拉力，从而使得运算放大器芯片1悬空设置在金属屏蔽罩7内；或

（4）所述第二绝缘支撑件39为软质材料，所述第二绝缘支撑件39伸出每个第一通孔301的部分、第二绝缘支撑件39伸出每个第二通孔302的部分均缠绕形成限位部，所述限位部的尺寸大于对应第一通孔301、第二通孔302的尺寸；每个限位部抵接相应的立板38外壁，从而使得运算放大器芯片1悬空设置在金属屏蔽罩7内。

两个立板38之间设置有干燥材料。干燥材料可为铺设在两个立板之间38、且位于运算放大器芯片1下方的干燥纸（图中未示出）。

实施例3

如图14所示，本实施例3中，运算放大器芯片1为AD549。反相输入引脚、同相输入引脚、负电源供电引脚V-位于对称轴线L1一侧，正电源供电引脚V+、输出引脚位于对称轴线L1另一侧。

对于该运算放大器芯片，可有如下设置形式：一个立板上开设2个第一通孔，另一个立板上开设2个第二通孔。其中，与负电源供电引脚（即V-引脚）连接的第一导线、与同相输入引脚（即+IN引脚）连接的第一导线分别穿过两个第一通孔，与正电源供电引脚（即V+引脚）连接的第二导线、与输出引脚（即OUT引脚）连接的第二导线分别穿过两个第二通孔。反相输入引脚（即-IN引脚）通过另外的导线与输出引脚连接。同相输入引脚通过第一导线与金属探针连接，负电源供电引脚通过第一导线与供电电源负供电端连接。正电源供电引脚通过第二导线与供电电源正供电端连接，输出引脚通过第二导线与信号处理器连接。两个第一通孔可分别与两个第二通孔相对设置，从而便于令运算放大器芯片1悬空且水平设置。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种低电荷泄漏的表面电荷采集装置，包括金属屏蔽罩（7），所述金属屏蔽罩（7）内腔（74）中设置有金属探针（6）、运算放大器芯片（1），所述金属探针（6）一端位于金属屏蔽罩（7）开口（73）、或从金属屏蔽罩（7）开口（73）伸出，所述金属探针（6）另一端与运算放大器芯片（1）一个输入引脚电连接，所述运算放大器芯片（1）另一个输入引脚与输出引脚电连接，所述运算放大器芯片（1）输出引脚与信号处理器（8）电连接；所述金属探针（6）由第一绝缘支撑件（71）支撑，从而与金属屏蔽罩（7）内壁间隔、且固定设置；

其特征在于：与运算放大器芯片（1）引脚连接的导线（21，22）或运算放大器芯片（1）由绝缘的芯片安装座（3）支撑，从而使得运算放大器芯片（1）悬空设置在金属屏蔽罩（7）内；

所述第一绝缘支撑件（71）、芯片安装座（3）均设置在金属屏蔽罩（7）内壁；

所述芯片安装座（3）包括两个相对设置的立板（38）；所述运算放大器芯片（1）设置在两个立板（38）之间；

一个立板（38）上开设有K1个第一通孔（301），另一个立板（38）上开设有K2个第二通孔（302），K1≥2，K2≥2；各个通孔（301，302）位于同一高度位置；

所述运算放大器芯片（1）悬空设置在金属屏蔽罩（7）的形式为（A）、（B）中的一种：

（A）与运算放大器芯片（1）的K1个引脚分别对应连接的K1根第一导线（21）分别穿过K1个第一通孔（301）后向芯片安装座（3）外侧伸出；与运算放大器芯片（1）的另外K2个引脚分别对应连接的K2根第二导线（22）分别穿过K2个第二通孔（301）后向芯片安装座（3）外侧伸出；各根第一导线（21）分别由对应的第一通孔（301）壁面支撑，且各根第二导线（22）分别由对应的第二通孔（302）壁面支撑，从而令运算放大器芯片（1）悬空设置在金属屏蔽罩（7）内；所述运算放大器芯片（1）具有对称轴线，所述K1个引脚位于所述对称轴线一侧，且所述另外K2个引脚位于所述对称轴线另一侧；

（B）所述表面电荷采集装置还包括K个第二绝缘支撑件（39），每个第二绝缘支撑件（39）两端分别穿过第一通孔（301）、与第一通孔（301）对应的第二通孔（302）；每个第二绝缘支撑件（39）均由第一通孔（301）壁面、第二通孔（302）壁面支撑；各个间隔设置的第二绝缘支撑件（39）支撑所述运算放大器芯片（1），从而令所述运算放大器芯片（1）悬空设置。

2.根据权利要求1所述的表面电荷采集装置，其特征在于：每根导线（21，22）与对应的通孔（301，302）均为过盈配合；或

与每根导线（21，22）的远离所述运算放大器芯片（1）一端连接的装置均固定设置、且通过对应导线（21，22）对运算放大器芯片（1）施加拉力，从而使得运算放大器芯片（1）悬空设置在金属屏蔽罩（7）内；或

每根导线（21，22）伸出对应通孔（301，302）的部分均形成限位部，所述限位部的尺寸大于对应通孔（301，302）的尺寸；每个限位部抵接相应的立板（38）外壁，从而使得运算放大器芯片（1）悬空设置在金属屏蔽罩（7）内。

3.根据权利要求1所述的表面电荷采集装置，其特征在于：K1=K2=2；K1个第一通孔（301）、K2个第二通孔（302）分别对应设置；

所述K1个引脚、另外K2个引脚均为所述运算放大器芯片（1）的同相输入引脚、反相输入引脚、输出引脚、负电源供电引脚、正电源供电引脚中的引脚。

4.根据权利要求3所述的表面电荷采集装置，其特征在于：当运算放大器芯片（1）的同相输入引脚、反相输入引脚、负电源供电引脚、正电源供电引脚均为所述K1个引脚和所述另外K2个引脚中的引脚时：

与同相输入引脚对应连接的导线（21，22）穿过对应的通孔（301，302）后与所述金属探针（6）另一端电连接；

与反相输入引脚对应连接的导线（21，22）依次穿过对应的通孔（301，302）、金属屏蔽罩（7）壁面开设的通孔后与位于金属屏蔽罩（7）外的信号处理器（8）电连接；

与负电源供电引脚对应连接的导线（21，22）穿过对应的通孔（301，302）后与位于金属屏蔽罩（7）内的供电电源负供电端电连接，或者与负电源供电引脚对应连接的导线（21，22）依次穿过对应的通孔（301，302）、金属屏蔽罩（7）壁面开设的通孔后与位于金属屏蔽罩（7）外的供电电源负供电端电连接；

与正电源供电引脚对应连接的导线（21，22）穿过对应的通孔（301，302）后与位于金属屏蔽罩（7）内的供电电源正供电端电连接，或者与正电源供电引脚对应连接的导线（21，22）依次穿过对应的通孔（301，302）、金属屏蔽罩（7）壁面开设的通孔后与位于金属屏蔽罩（7）外的供电电源正供电端电连接。

5.根据权利要求1所述的表面电荷采集装置，其特征在于：所述第二绝缘支撑件（39）为硬质材料的杆件；或

所述第二绝缘支撑件（39）与每个通孔（301，302）为过盈配合；或

与每根导线（21，22）的远离所述运算放大器芯片（1）一端连接的装置均固定设置、且通过对应导线（21，22）对运算放大器芯片（1）施加拉力，从而使得运算放大器芯片（1）悬空设置在金属屏蔽罩（7）内；或

所述第二绝缘支撑件（39）为软质材料，所述第二绝缘支撑件（39）伸出对应通孔（301，302）的部分均缠绕形成限位部，所述限位部的尺寸大于对应通孔（301，302）的尺寸；每个限位部抵接相应的立板（38）外壁，从而使得运算放大器芯片（1）悬空设置在金属屏蔽罩（7）内。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的表面电荷采集装置，其特征在于：两个立板（38）之间设置有干燥材料，所述干燥材料位于所述运算放大器芯片（1）下方。

7.根据权利要求6所述的表面电荷采集装置，其特征在于：所述芯片安装座（3）为上方开口的盒体，所述上方开口上盖合有密封盖（37）；所述盒体的两个相对设置的侧壁构成所述两个相对设置的立板（38）；

所述盒体中安装有绝缘隔板（33），所述绝缘隔板（33）上开设有通气孔（32），所述绝缘隔板（33）将盒体内腔分为第一腔体（35）、第二腔体（36），所述第一腔体（35）、第二腔体（36）分别对应位于绝缘隔板（33）下方、上方；所述干燥材料为容纳在第一腔体（35）内的干燥剂，所述第二腔体（36）内容纳有所述运算放大器芯片（1）。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的表面电荷采集装置，其特征在于：所述运算放大器芯片（1）设置于金属探针（6）的远离金属屏蔽罩（7）开口（73）一侧，所述金属探针（6）沿金属屏蔽罩（7）长度方向设置；

所述表面电荷采集装置还包括用于调整芯片安装座（3）在金属屏蔽罩（7）高度方向上位置的第一位置调节装置、用于调整芯片安装座（3）在金属屏蔽罩（7）内宽度方向上位置的第二位置调节装置，所述金属屏蔽罩（7）宽度方向垂直于金属屏蔽罩（7）高度方向、且垂直于金属屏蔽罩（7）长度方向。

9.根据权利要求8所述的表面电荷采集装置，其特征在于：所述第一位置调节装置为在高度方向上伸缩的高度伸缩件（4），所述高度伸缩件（4）的固定端与芯片安装座（3）底面固定，所述高度伸缩件（4）的伸缩端由金属屏蔽罩（7）内壁底面支撑、且可沿金属屏蔽罩（7）内壁底面滑动；所述第二位置调节装置包括在宽度方向上伸缩的两个水平伸缩件（5）；两个水平伸缩件（5）分别设置于芯片安装座（3）两侧，每个水平伸缩件（5）的固定端均与芯片安装座（3）侧壁固定连接，两个水平伸缩件（5）的伸缩端分别与金属屏蔽罩（7）两个相对设置的内侧壁对应固定连接。

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