CN117590100A - 一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法及系统，该方法步骤包括：设置标定测量参数，对第一介质材料进行标定，得到第一介质材料下的第一振动信号；第一介质材料为无空间电荷积聚介质材料；根据第一振动信号计算得到分布标定信号；设置实际测量参数，并获取第二介质材料下的第二振动信号，并根据标定信号和第二振动信号计算空间电荷密度分布；第一振动信号和第二振动信号通过非接触式振动测量仪测得；本发明通过非接触式的振动测量实现空间电荷分布的检测，可消除PVDF压电薄膜传感器因高温使得其压电特性迅速下降甚至丧失这一影响因素，拓宽了空间电荷测量技术的测量温度范围。
Description
技术领域
本发明涉及电荷测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法及系统。
背景技术
目前，交直流输电设备中绝缘器件的绝缘特性是制约输电设备向更高的输电等级和更大的输电容量发展的关键因素之一。介质内部会由于电极注入、杂质电离等原因积聚空间电荷，影响介质的老化和击穿过程，从而影响绝缘材料的绝缘特性。而对于空间电荷积聚行为的研究，目前常用的测试方法是电声脉冲法(Pulsed Electro-Acoustic,PEA)。常规电声脉冲法由于压电薄膜传感器90℃温度以上时压电特性会迅速下降甚至丧失，空间电荷测量系统所获取的信号会受到严重影响，导致在使用电声脉冲法设备测量空间电荷分布的过程中试样的温度不能超过压电薄膜的最高工作温度，无法获得高温下试样空间电荷分布。
因此，如何获得试样在高温空间的电荷分布是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法及系统，可消除PVDF压电薄膜传感器因高温使得其压电特性迅速下降甚至丧失这一影响因素，拓宽了空间电荷测量技术的测量温度范围。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法，包括以下步骤：
设置标定参数，第一介质材料进行标定，得到第一介质材料下的第一振动信号；所述第一介质材料为无空间电荷积聚介质材料；
根据所述第一振动信号计算得到分布标定信号；
设置实际测量参数，并获取第二介质材料下的第二振动信号，并根据所述标定信号和所述第二振动信号计算空间电荷密度分布；
所述第一振动信号和所述第二振动信号通过非接触式振动测量仪测得。
进一步的，在所述第一介质材料双侧表面附着电极，在所述第一介质材料内部形成场强，用于阻止电荷注入。
进一步的，所述第一介质材料两侧的电极同心且直径相同。
进一步的，根据所述标定信号和所述第二振动信号计算空间电荷密度分布，计算式包括：
其中，A0'(f)为振幅信号的傅里叶变换；vsa′为标定试样的声速；Vdc为施加在标定试样上的高压幅值；εr'为标定试样的相对介电常数；ε0为真空介电常数；d'为标定试样厚度；R(f)为试样内空间电荷分布的傅里叶变换；σ(0)、σ(d)为试样两端电荷面密度；Δτ为示波器采样间隔时间。
通过傅里叶变换得到所述空间电荷密度分布。
进一步的，所述第一介质材料为环氧材料。
一种基于非接触振动测量的空间电荷测量系统，其特征在于，包括空间电荷信号发生装置、控制器、振动探测器和数据处理器；
所述空间电荷信号发生装置通过测试电极产生电场；
所述控制器与所述空间电荷信号发生装置通讯连接，用于控制所述空间电荷信号发生装置的工作参数；
所述振动探测器通过非接触式测量方法探测所述测试电极表面的振幅，用于生成标定样本振动信号和待测样本振动信号，
所述数据处理器用于获取所述标定样本振动信号和所述待测样本振动信号，并通过预设的算法计算空间电荷密度。
进一步的，所述工作参数包括电场强度和测量环境温度。
进一步的，所述振动探测器为多普勒激光振动测量仪。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法及系统，通过非接触的振动测量代替原有的由压电传感器、放大器和示波器组成的声波检测系统，可消除PVDF压电薄膜传感器因高温使得其压电特性迅速下降甚至丧失这一影响因素，拓宽了空间电荷测量技术的测量温度范围，使得测试试样可加温至90℃及以上而空间电荷测量结果不受影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法示意图；
图2附图为本发明实施例提供的一种基于非接触震动策略的空间电荷测量系统示意图；
图3附图为本发明实施例中多普勒频移的原理图；
图4附图为本发明实施例中在振动作用下多普勒频移原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
空间电荷测量系统以电声脉冲法为理论基础进行测量，但测量时如果将试样加温至90℃及更高温度时，以PVDF为材料的压电薄膜传感器的压电性能会迅速下降甚至丧失，从而严重影响到最终的测量结果。因此，现今大多数空间电荷测量系统通常只在70℃之下进行。
本发明实施例公开了一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法，基于非接触方式测量到的振动信号实现对空间电荷分布的检测，可消除PVDF压电薄膜传感器因高温使得其压电特性迅速下降甚至丧失这一影响因素，拓宽了空间电荷测量技术的测量温度范围，使得测试试样可加温至90℃及以上而空间电荷测量结果不受影响，包括以下步骤：
S1：设置标定参数，对第一介质材料进行第一次振动测量，得到第一介质材料下的第一振动信号；第一介质材料为无空间电荷聚介质材料。其中，标定参数包括电场强度和测量环境温度，不同测试温度下需要进行单独标定。
S2：根据第一振动信号计算得到分布标定信号。
S3：设置实际测量参数，并获取第二介质材料下的第二振动信号；其中，实际测量参数包括电场强度和测量环境温度；
S4：根据分布标定信号和第二振动信号计算空间电荷密度分布。
在本实施例中，第一振动信号和第二振动信号均是采用非接触式的测量方式得到的，如采用多普勒激光振动测量仪。
为了进一步实施上述技术方案，S1中，第一介质材料为环氧材料，在第一介质材料双侧表面附着电极，在第一介质材料内部形成场强，用于阻止电荷注入。第一介质材料两侧的电极同心且直径相同，且电极直径大于电荷测量系统最小电极的直径，有助于减小电场非均匀性引起的误差，从而提高测量的精确性。
为了进一步实施上述技术方案，根据标定信号和第三振动信号计算空间电荷密度分布，计算式包括：
通过傅里叶变换得到空间电荷密度分布。
实施例2
如图2，基于同一构思，本发明实施例公开一种基于非接触振动测量的空间电荷测量系统，包括空间电荷信号发生装置、控制器、振动探测器和数据处理器；
空间电荷信号发生装置通过测试电极产生电场；控制器与空间电荷信号发生装置通讯连接，用于控制空间电荷信号发生装置的工作参数；振动探测器通过非接触式测量方法探测测试电极表面的振幅，用于生成标定样本振动信号和待测样本振动信号，数据处理器用于获取标定样本振动信号和待测样本振动信号，并通过预设的算法计算空间电荷密度。
在本实施例中，空间电荷信号发生装置包括装置本体、纳秒脉冲信号源、RC电路以及设置于装置本体内部的电极组件，电极组件包括从上至下依次布置的上电极、半导电极和下电极；试样放置于半导电极与下电极之间，装置本体内部存有硅油。纳秒脉冲信号源输出冲激信号，使得试样在电场下获得激励并在试样内部产生声波信号，引起试样振动，将振动信号传递至下电极，使得激光测振仪可以在下电极采集到振动信号。
为了进一步实施上述技术方案，工作参数包括电场强度和环境温度，振动探测器为多普勒激光振动测量仪。多普勒光学测量头内有两束相同的光束，一束为参考光，一束为实验光。多普勒光学测量头发射实验光，实验光在遇到振动后光频率发生变化，测量后采集到的光频率信号与测量头中另一束和实验光相同的参考光的频率信号进行差拍信号处理，将得到的信号传输至激光多普勒测振箱，进行信号处理与解调，得到振动源的振动信号。
本发明的工作原理如下：
在相对介电常数为εr的介质中，时不变，非扩散的空间电荷流Poission方程为：
其中，ε0为真空介电常数，ρ为介质的电荷密度。
因此，在电荷测量系统中的电极对之间，如果电荷在各向同性的介质中行进，介电常数不随方向变化，电场也在各个方向上均匀分布，则上式可简化为
其中，z为试样厚度方向坐标。
忽略电容边缘效应，并且认为电极产生的电荷注入均匀一致。样品中的电场E(z)与施加电压V(z)有如下关系：
由公式(1.2)，可以得到电极上感应电荷为：
其中，E1和E2分别为电场E(z)在电极A、B上产生的电场。
电场E(z)在电极A和电极B上产生的力f1、为：
电场E(z)作用在介质内一个薄片厚度Δz上的空间电荷而产生的力Δf3(z)为：
Δf3(z)＝ρ(z)ΔzEz (1.6)
T＝0时，把脉宽ΔT、幅值为Vdc/d的电脉冲，加到厚度为d的试样两端，试样上叠加直流电压，试样中的电场为：
其中，u(t)为阶跃函数。
T＝0时，脉冲电场作用在电极B上的力为
忽略直流常压造成的分量，假定经过足够长的时间后，常压分量在系统内已经平衡，则时变分量为：
同理，作用在电极A上的力为：
脉冲电场在介质体内产生力的分量为：
Δf3(t,z)＝ρ(z)Δzep(t) (1.11)
脉冲电场在试样内产生的声波信号为：
其中，t为声波传播时间；ep为纳秒脉冲电压在试样内产生的电场；vsa为试样中的声速；为声波从试样内距下电极x处传播到下电极所需时间；ρ为试样内距下电极x处空间电荷密度。
试样内声波信号p1(t)穿过试样，经过下电极，到达压电传感器处的声波信号为：
式中K1T为试样与下电极的声波折射系数，Zsa、ZAl分别为试样和铝的声阻抗。
假设介质中声波为平面波，则声压表达式为：
其中s(t)为声压随时间变化的函数，A为声压振幅，f为声波频率，t为时间，为初始相位。
声波信号的正弦形式可以表示为：
其中Ai为声波振幅。
声压振幅和声源振动速度的关系为：
A＝ρcν (1.15)
其中，ρ为空气密度，c为声速，ν为振动速度的幅值。
由于所以同一声源在同一种介质中声压和声波除了相位相差之外，频率，振幅和初始相位都相同，所以求得声源振动速度后可计算得到声压振幅。由于声波振幅和声压振幅在数值上相等，可以得到声波振幅，进而求得试样的声波信号的正弦形式。
到达压电传感器处的声波信号可以利用傅里叶级数展开，则到达压电传感器处的声波信号可表示为：
由(1.16)可知，得到声波的正弦信号后，利用傅里叶级数的展开形式得到式(1.12)，即得到了传递到下电极的空间电荷分布的声波信号
如图3和图4，物体在P点处发生振动，S点为波源发生点，并且相对于观察者静止，P点以速度v进行运动，光波的波长为λ，传输速度为c。P点和S点之间的距离，远远大于波长λ时，P点处的波就可以被等效为二维的平面波来进行分析。
物体在P点处发生振动，S点为波源发生点，并且相对于观察者静止，P点以速度v进行运动，光波的波长为λ，传输速度为c。P点和S点之间的距离，远远大于波长λ时，P点处的波就可以被等效为二维的平面波来进行分析。
因此，根据上式可知，只要求出频率的相对变化即可求出声源振动速度，即可求出空间电荷密度分布。
激光器与光电探测器和振动物体分列两侧，激光光波在空间x，y，z中的传播形式为:
其中，A0是激光光波的幅值，为光波传播矢量，/>r是空间中的位置矢量。
当激光束照射在振动速度为的物体表面时，以照射点为原点，测量光束的空间坐标为x'，y'，z'，在新坐标中的位置矢量为/>则/>与/>通过伽利略变换可得二者关系：
代入可得：
上式即激光光波在振动探测的空间坐标系中传播方程。
由于照射点被定义为新的空间坐标系原点，所以位置矢量为零，则式上式可以修改为
在x'，y'，z'空间坐标系下，经过折射后散射光频率的波动方程为：
其中，为散射光传播矢量，A1为散射光幅值。
由于光电探测器与激光发生器在空间中的位置相对静止，且为x，y，z中一点，因此，振动物体与光电探测器也存在相对运动，探测器表面的激光也存在频移。新旧坐标中使用伽利略变换得：
光电探测器表面激光波动方程为：
以光电探测器表面激光照射点为原点，位置矢量为零，则上式可改为：
光电探测器表面散射光的角频率为：
由角频率公式可知散射光频率为：
由上式可知，激光在入射，在/>接收，且振动方向为/>时可以由散射光频率得到物体振动状态，采用光学混频技术对散射光频率与入射光频率之间的差拍信号进行处理，可以得到频率的变化值为：
通过上式得到频率的变化值，后根据式(1.12)、(1.14)、(1.16)及(1.17)即可得到空间电荷密度分布的声波信号。
利用激光多普勒测量系统测量得到的振幅信号可通过公式推导出空间电荷密度分布的结果，但是在推导过程中，整个测量系统的传递函数未知。按照图4所示的示意图，为求得整个系统的传递函数，利用标定介质材料对系统进行标定，进而间接确定系统的传递函数。
对公式(1.12)进行傅里叶变换可得
式中E(f)为纳秒脉冲电压e(t)的傅里叶变换；R(f)为试样内空间电荷分布的傅里叶变换。
声波在下电极上产生的振幅信号为：
其中，S(f)为整个PEA系统的传递函数。
由公上式可得：
式中A(f)可由信号采集系统直接获得，若得到S(f)，则可求得上式中等式左侧部分，进而对其进行傅里叶逆变换即可求得试样中的空间电荷分布。
现选择一种在测试过程中无空间电荷注入的介质材料对系统进行标定。则振动参考信号由上式可得：
式中，A0'(f)为振幅信号的傅里叶变换；vsa'为标定试样的声速；ε0＝8.854×10- 12F/m，为真空介电常数；εr'为标定试样的相对介电常数；d'为标定试样厚度；Vdc为施加在标定试样上的高压幅值；S'(f)为PEA系统测量标定试样时的系统传递函数。
由于在试样测试过程中，声速、试样厚度、声阻抗的变化都会引起空间电荷分布的测量结果的变化，所以需对以上变量进行修正：
式中a为高斯分布幅度的参数，Z'sa为标定试样声阻抗。
结合上式可得：
因此，通过联立可得：
在选择标定材料时，选择环氧材料在较低场强作用下的测量信号为标定信号，上式可简化为：
对上式左侧进行傅里叶逆变换即可得到试样内部的空间电荷分布。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置标定测量参数，对第一介质材料进行标定，得到第一介质材料下的第一振动信号；所述第一介质材料为无空间电荷积聚介质材料；
根据所述第一振动信号计算得到分布标定信号；
设置实际测量参数，并获取第二介质材料下的第二振动信号，并根据所述分布标定信号和所述第二振动信号计算空间电荷密度分布；
所述第一振动信号和所述第二振动信号和通过非接触式振动测量仪测得。
2.根据权利要求1所述的一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法，其特征在于，在所述第一介质材料双侧表面附着电极，在所述第一介质材料内部形成场强，用于阻止电荷注入。
3.根据权利要求2所述的一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法，其特征在于，所述第一介质材料两侧的电极同心且直径相同。
4.根据权利要1所述的一种基于非接触振动测量的空间电荷测量方法，其特征在于，根据所述标定信号和所述第三振动信号计算空间电荷密度分布，计算式包括：
其中，A0'(f)为振幅信号的傅里叶变换；vsa′为标定试样的声速；Vdc为施加在标定试样上的高压幅值；εr'为标定试样的相对介电常数；ε0为真空介电常数；d'为标定试样厚度；R(f)为试样内空间电荷分布的傅里叶变换；σ(0)、σ(d)为试样两端电荷面密度；Δτ为示波器采样间隔时间；
通过对上式左侧进行傅里叶变换得到所述空间电荷密度分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于非接触振动测量的空间电荷测量系统，其特征在于，所述第一介质材料为环氧材料。
6.一种基于非接触振动测量的空间电荷测量系统，其特征在于，包括空间电荷信号发生装置、控制器、振动探测器和数据处理器；
所述空间电荷信号发生装置通过测试电极产生电场；
所述控制器与所述空间电荷信号发生装置通讯连接，用于控制所述空间电荷信号发生装置的工作参数；
所述振动探测器通过非接触式测量方法探测所述测试电极表面的振幅，用于生成标定样本振动信号和待测样本振动信号，
所述数据处理器用于获取所述标定样本振动信号和所述待测样本振动信号，并通过预设的算法计算空间电荷密度。
7.根据权利要求6所述的一种基于非接触振动测量的空间电荷测量系统，其特征在于，所述工作参数包括电场强度和测量环境温度。
8.根据权利要求6所述的一种基于非接触振动测量的空间电荷测量系统，其特征在于，所述振动探测器为多普勒激光振动测量仪。
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