CN208506142U - 一种薄膜材料表面电位的测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种薄膜材料表面电位的测量设备，包括：试验箱，用于为测量提供真空条件并通入测量所需的各种气体；设置在所述试验箱内的加热台，用于为测量提供所需的温度条件；位于所述加热台之上且与所述加热台紧密接触的地电极；设置在所述试验箱内的针电极和栅网电极，所述栅网电极位于所述针电极与所述地电极之间，所述针电极与第一高压电源相连，所述栅网电极与第二高压电源相连；设置在所述试验箱内的静电探头，用于对置于所述地电极之上、经充电后的待测薄膜材料进行表面电位测量。本实用新型设计合理，易制作，使用方便，原理简单，可以实现不同温度以及不同气氛下的测量实验，并保证测量结果的可靠性。

Description

一种薄膜材料表面电位的测量设备

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种薄膜材料表面电位的测量设备。

背景技术

聚合物材料内的空间电荷一般是指陷阱电荷，即被陷阱捕获后停留于介质内的电荷，也可指由于不均匀极化引起的极化电荷。空间电荷的存在会对聚合物绝缘产生重要影响，空间电荷积聚会导致电场畸变，引起绝缘介质的早起击穿，对电网安全运行造成巨大的安全问题。因此，研究聚合物内部空间电荷特性具有重要意义。

许多聚合物的工作温度并非恒定不变的，例如：电缆绝缘材料交联聚乙烯（XLPE）及附件材料硅橡胶，随着导体电流的变化，其所承受的温度是变化的，而已有相关研究表明，温度对于聚合物材料空间电荷特性具有十分明显的影响。同时，有些聚合物的工作环境并非空气，例如：太空中的线缆绝缘，其所处的气氛环境为真空，而盆式绝缘子硅橡胶材料所处的气氛环境为六氟化硫（SF6）。因此，不同气氛条件下的空间电荷特性同样是一个具有实际意义的研究内容。

目前，用于表征聚合物材料内空间电荷分布特性的手段和方法较多，主要有电声脉冲法（PEA）、光感应压力脉冲法（LIPP）、热刺激电流法（TSC）等。PEA可以在界面电荷应力波与体空间电荷应力波重叠的情况下，测量待测薄膜材料内的空间电荷分布。但是PEA技术测试得到的空间电荷难以区分是由于电极注入还是杂质电离产生的，且难以给出电子/空穴的陷阱能级等参数。LIPP主要是需要产生激光来诱导压力脉冲的产生，通常激光源的要求比较高且造价昂贵。TSC在计算陷阱电荷及其能级分布时，假定材料内陷阱能级为单一的能级形式，虽然TSC表征偶极子极化的灵敏度很高，但对陷阱电荷表征的灵敏度较低。表面电位衰减（SPD）也是可以表征空间电荷和陷阱分布的一种技术手段。SPD是一种采用直流充电的方式在材料表面沉积一定量的电荷，通过测量电荷随着时间的变化规律来研究内部电荷输运特性和陷阱分布特性的方法。在这些相关测量手段中，SPD是一种方便的、低费用的测量空间电荷和电荷陷阱的手段。SPD可以提供高场下电荷注入、迁移、松弛过程、电荷陷阱等相关物理信息。可目前尚未有关于不同温度以及不同气氛下的SPD测量技术。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，本实用新型提供提供一种薄膜材料表面电位的测量设备，以实现不同温度以及不同气氛下的测试条件，并保证测试结果的可靠性。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种薄膜材料表面电位的测量设备，包括：

试验箱，其具有两开孔，其中一个连接真空泵，用于为测量提供真空条件，另一个为透气孔，用于通入测量所需的各种气体；

设置在所述试验箱内的加热台，用于为测量提供所需的温度条件；

位于所述加热台之上且与所述加热台紧密接触的地电极；

设置在所述试验箱内的针电极和栅网电极，所述栅网电极位于所述针电极与所述地电极之间，所述栅网电极与第一高压电源相连，所述针电极与第二高压电源相连；

设置在所述试验箱内的静电探头，用于对置于所述地电极之上、经充电后的待测薄膜材料进行表面电位测量。

其中，所述栅网电极为具有均匀分布的多个网孔的金属丝网。

其中，所述网孔为边长为1mm的正方形网孔。

其中，所述针电极的针尖正对所述栅网电极的中心，所述针电极与所述栅网电极的距离为5 mm，所述栅网电极与所述地电极的距离为5 mm。

其中，所述针电极的针尖的曲率半径为10μm。

其中，所述地电极一端分别与所述第一高压电源和所述第二高压电源的接地端相连，另一端与拉杆相连，所述拉杆用于在待测薄膜材料充电完成后，移动所述地电极，将待测薄膜材料移动至所述静电探头下方进行表面电位测量。

其中，所述静电探头与移动至其下方的所述地电极的距离为6 mm。

其中，所述静电探头通过信号线与所述试验箱外部的静电电位计相连。

其中，所述静电电位计与计算机相连，用于将所述静电探头测量的数据传输至所述计算机进行记录。

其中，所述试验箱内还具有气压测量仪，用于实时测量并显示所述试验箱内的气压值。

本实用新型实施例的有益效果在于：搭建了一种用于测量不同温度及气氛下薄膜材料表面电位的测量设备，采用密闭试验箱与加热台实现不同气氛与不同温度下的测量实验；气压测量仪可以保证每次测量的气压保持一致；静电探头的高分辨率，保证测量数据的准确可靠；该测量设备设计合理，易制作，使用方便，原理简单，可以实现不同温度以及不同气氛下的测量实验，并保证测量结果的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一种薄膜材料表面电位的测量设备的结构示意图。

图2为本实用新型实施例中针电极、栅网电极以及地电极的位置关系示意图。

图3为本实用新型实施例中栅网电极的俯视结构示意图。

图4为本实用新型实施例中静电探头与地电极的位置关系示意图。

具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本实用新型可以用以实施的特定实施例。

请参照图1所示，本实用新型实施例提供一种薄膜材料表面电位的测量设备，包括：

试验箱，其具有两开孔，其中一个连接真空泵，用于为测量提供真空条件，另一个为透气孔，用于通入测量所需的各种气体；

设置在所述试验箱内的加热台，用于为测量提供所需的温度条件；

位于所述加热台之上且与所述加热台紧密接触的地电极；

设置在所述试验箱内的针电极和栅网电极，所述栅网电极位于所述针电极与所述地电极之间，所述栅网电极与第一高压电源相连，所述针电极与第二高压电源相连，所述第一高压电源用于输出正极性高压，所述第二高压电源用于输出负极性高压；

设置在所述试验箱内的静电探头，用于对置于所述地电极之上、经充电后的待测薄膜材料进行表面电位测量。

具体地，本实施例中，试验箱1上有两个开孔，一个连接真空泵2，另一个为进气孔3，通过真空泵2预抽真空，后通过进气孔3通入不同种类的气体，可实现真空以及不同气氛下的测量实验。试验箱1内还具有气压测量仪4，可以实时测量并显示试验箱1内的气压值。气压测量仪4的测量范围为0-100hpa，分辨率为0.01hpa，精度为±0.05hpa。加热台10可实现变温测量，温控范围为20-300℃，分辨率为1℃，温控精度为±1℃。试验箱1的外部分别设有两路高压电源，其中，第一高压电源5通过高压导线与试验箱1内的栅网电极8相连，第二高压电源6通过高压导线与试验箱1内的针电极7相连，第一高压电源5用于为栅网电极8输出偏压，第二高压电源6用于为针电极7输出充电高压。针电极7与栅网电极8的材质均为导电金属，优选不锈钢，针电极7的曲率半径为10μm。

地电极9的材质也为导电金属，优选铝。加热台10与地电极9紧密接触，可实现温度的精确控制，温控范围为20-300℃，分辨率为1℃，温控精度为±1℃。静电探头11可对待测薄膜材料表面电位进行实时测量，分辨率为1V。试验箱1外部静电电位计12与计算机13相连，将采集到的数据传输至计算机进行记录。

针电极7、栅网电极8以及地电极9的位置关系示意图如图2所示，针电极7与栅网电极8的距离为5 mm，栅网电极8与地电极9的距离为5 mm，针电极7针尖正对着栅网电极8中心。在同一批待测薄膜材料的对比实验的测量过程中，需保证针电极7与栅网电极8的距离不变，栅网电极8与地电极9的距离不变。本实施例中，栅网电极8为具有均匀分布的多个网孔的金属丝网，优选为绷紧的不锈钢丝网，外形为圆形，网孔优选为边长为1mm的正方形网孔，如图3所示。需要说明的是，网孔如果过大，会导致待测薄膜材料表面的电位分布不均匀，而网孔过小会导致电荷不能很好的沉积到待测薄膜材料表面，因此，本实施例设置1mm×1mm的正方形网孔是合适的。

待测薄膜材料背部紧贴地电极9，放在针电极7与栅网电极8正下方进行充电，充电一定时间后，将待测薄膜材料快速移至静电探头11正下方进行表面电位的测量，静电探头11通过信号线与试验箱1外部的静电电位计12相连，将采集到的信号通过静电电位计12传输至计算机13上进行记录。地电极9一端分别与第一高压电源5和第二高压电源6的接地端相连，另一端与拉杆14相连，拉杆14用于在待测薄膜材料充电完成后，移动地电极9，将待测薄膜材料移动至静电探头11下方进行表面电位测量。静电探头11与移动至其下方的地电极9的距离为6 mm，如图4所示。静电探头11需要在一定的距离范围内才可以对待测薄膜材料表面电位进行测量，距离太大无法实现精确测量，而距离过近，在移动待测薄膜材料的过程中容易发生碰撞，因此本实施例选择6mm这个较为合适的距离。并且，在同一批待测薄膜材料的对比实验的测量过程中，需保证静电探头11与地电极9的距离不变。

此外，第一高压电源5与第二高压电源6各自均有两路输出，分别为正极性输出与负极性输出，可对待测薄膜材料进行不同极性的充电。

本实施例薄膜材料表面电位的测量设备的测量过程及原理如下：

测量前可通过真空泵2预抽真空，后通过进气孔3通入不同种类的气体，实现真空以及不同气氛下的测量实验。通过加热台10对地电极9以及待测薄膜材料进行加热，实现不同温度下的实验测量。设置好温度以及气氛后，将待测薄膜材料背部紧贴地电极9放在栅网电极8下方，分别对针电极7与栅网电极8施加充电高压和偏压，针电极7的针尖位置处发生电晕放电而产生大量的带电粒子，由于栅网电极8的存在使得针电极7和地电极9之间电场比较均匀，带电粒子在较均匀的电场下运动到待测薄膜材料的表面，对待测薄膜材料的表面进行充电。充电一定时间后，关闭两路高压电源，结束充电。充电完成后，需要将待测薄膜材料移动到静电探头11下方进行表面电位测量，但由于试验箱1整体是密封的，不能打开试验箱1人为移动，为此，本实施例设置有专门的移动机构，即拉杆14，拉杆14的材质为环氧树脂。通过拉杆14对地电极9进行移动，将承载有待测薄膜材料的地电极9迅速移至静电探头11下方进行表面电位的实时测量，设定测量时间，通过计算机13自动记录实验数据。前述充电时间的长短根据具体的待测薄膜材料来选择，对于要进行比较的同一批待测薄膜材料，测量时应该保证充电时间一致。

通过上述说明可知，本实用新型实施例带来的有益效果在于：搭建了一种用于测量不同温度及气氛下薄膜材料表面电位的测量设备，采用密闭试验箱与加热台实现不同气氛与不同温度下的测量实验；气压测量仪可以保证每次测量的气压保持一致；静电探头的高分辨率，保证测量数据的准确可靠；该测量设备设计合理，易制作，使用方便，原理简单，可以实现不同温度以及不同气氛下的测量实验，并保证测量结果的可靠性。

以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种薄膜材料表面电位的测量设备，其特征在于，包括：

试验箱，其具有两开孔，其中一个连接真空泵，用于为测量提供真空条件，另一个为透气孔，用于通入测量所需的各种气体；

设置在所述试验箱内的加热台，用于为测量提供所需的温度条件；

位于所述加热台之上且与所述加热台紧密接触的地电极；

设置在所述试验箱内的针电极和栅网电极，所述栅网电极位于所述针电极与所述地电极之间，所述栅网电极与第一高压电源相连，所述针电极与第二高压电源相连；

设置在所述试验箱内的静电探头，用于对置于所述地电极之上、经充电后的待测薄膜材料进行表面电位测量。

2.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述栅网电极为具有均匀分布的多个网孔的金属丝网。

3.根据权利要求2所述的测量设备，其特征在于，所述网孔为边长为1mm的正方形网孔。

4.根据权利要求2所述的测量设备，其特征在于，所述针电极的针尖正对所述栅网电极的中心，所述针电极与所述栅网电极的距离为5 mm，所述栅网电极与所述地电极的距离为5mm。

5.根据权利要求4所述的测量设备，其特征在于，所述针电极的针尖的曲率半径为10μm。

6.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述地电极一端分别与所述第一高压电源和所述第二高压电源的接地端相连，另一端与拉杆相连，所述拉杆用于在待测薄膜材料充电完成后，移动所述地电极，将待测薄膜材料移动至所述静电探头下方进行表面电位测量。

7.根据权利要求6所述的测量设备，其特征在于，所述静电探头与移动至其下方的所述地电极的距离为6 mm。

8.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述静电探头通过信号线与所述试验箱外部的静电电位计相连。

9.根据权利要求8所述的测量设备，其特征在于，所述静电电位计与计算机相连，用于将所述静电探头测量的数据传输至所述计算机进行记录。

10.根据权利要求1所述的测量设备，其特征在于，所述试验箱内还具有气压测量仪，用于实时测量并显示所述试验箱内的气压值。