JPH06324099A - 誘電体中の空間電荷分布測定方法 - Google Patents

誘電体中の空間電荷分布測定方法

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JPH06324099A
JPH06324099A JP13276793A JP13276793A JPH06324099A JP H06324099 A JPH06324099 A JP H06324099A JP 13276793 A JP13276793 A JP 13276793A JP 13276793 A JP13276793 A JP 13276793A JP H06324099 A JPH06324099 A JP H06324099A
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Japan
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light
reflected
mirror
dielectric
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JP13276793A
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Yukio Sakuraba
幸雄 桜場
Masumi Fukuma
眞澄 福間
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Sumitomo Riko Co Ltd
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Sumitomo Riko Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 試料に直流パルス電圧を印加し、該試料に生
じる音波振動を検出することによって該試料内部の空間
電荷分布を測定する方法であって、該試料と一体の鏡面
を設け、該鏡面に光を照射して反射された反射光E2
と、同一光源から照射され固定鏡から反射された反射光
E1 との相互干渉による干渉光について、反射光E2 の
光路差に起因する干渉光の変調を検知し、この変調によ
り誘電体中の空間電荷分布を測定する方法。 【効果】 試料内部に発生する音波振動を光学的に検知
するので、内部に発生する電磁波に起因するノイズの影
響を受けず、感度が良く、精度の高い測定が可能であ
る。また距離分解能が光検知器の周波数特性で決定され
るため、従来は測定困難であった薄い試料についても内
部電荷の分布を測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電力ケーブルおよびコ
ンデンサフィルムなどの電力機器や絶縁材中の空間電荷
の測定などに利用される測定方法であって、空間電荷分
布を精度よく測定でき、しかも薄い誘電体試料に対して
も分解能の高い測定方法に関する。異種絶縁物の界面を
有する絶縁系に電圧が印加されると界面に空間電荷が蓄
積され易いことが知られている。この空間電荷は絶縁系
の電界分布を変歪させる虞があるため、例えば、絶縁電
力ケーブルの直流試験などではその影響を把握するた
め、蓄積される空間電荷を測定することが必要になる。
本発明は、このような異種絶縁体界面や誘電体内部など
に蓄積する空間電荷を精度よく測定できる測定方法を提
供するものである。
【0002】
【従来技術】異種絶縁物界面に蓄積される空間電荷分布
の測定方法として圧電素子をセンサーとして用いたパル
ス静電応力法に基づく測定系が最近提案されている。こ
の測定系の一例を図4に示す。同図において、低密度ポ
リエチレン(LDPE)とエチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)
を熱溶着した異種絶縁体試料50の両面に金電極51が
蒸着されており、該金電極51にはその表面に設けたア
ルミ板を介して試料50に直流パルス電圧を印加する電
圧回路52が接続している。片側のアルミ板表面にはポ
リビニルフッ化ビニリデン(PVDF)からなる圧電素子53
がポリメチルメタクリレート(PMMA)と共に貼着されてお
り、該圧電素子53には電圧増幅器54が接続されてい
る。電圧増幅器54によって増幅された電気信号の時間
変化が空間電荷分布に対応している。上記測定系におい
て、回路52によって試料50に直流電圧を印加すると
試料50の内部に電荷が蓄積される。この直流電圧に高
周波数(数十n-sec.)パルスを重畳させると、電圧の急
激な増減によって電荷が応力を受け振動して粗密波(音
波)が生じ、これがアルミ板を通じて圧電素子53に伝
達され、該粗密波に対応した電気的変化が生じる。この
電気的変化は試料内部に蓄積した電荷分布を反映してお
り、この電気的変化を測定することによって試料内部の
電荷分布を知ることができる。
【0003】
【発明の解決課題】従来知られている図4の測定系は、
試料内部の粗密波を圧電素子をセンサーとして電気的に
検知するものであるが、試料に直流電圧を印加すると内
部に変位電流が流れ、この直流電圧に高周波のパルスを
重ねると電磁波が発生する。この電磁波は圧電素子の電
気信号に重畳してノイズになるため、これを防止する必
要があるが現状ではこの電磁波のシールドは極めて困難
であり、感度の良い測定を行うことができない。また上
記圧電素子は、発生する電気信号の強度が膜厚に比例し
ており、厚いものほど強度の大きな電気信号を取出すこ
とができるが、他方、膜厚が厚いものは入力信号に対す
る応答性が低下する問題がある。このように従来の圧電
素子を用いた測定方法は検出感度の高い測定系を構成す
るうえで限界がある。本発明は、従来の測定方法におけ
る上記問題を解決した測定方法を提供することを目的と
するものであり、圧電素子を用いた電気的検出系に代え
て光学的検出系を採用することによって、従来のような
電磁波によるノイズの影響を受けず、しかも距離分解能
が高く、薄い試料についても精度の高い測定が可能な測
定方法を達成したものである。
【0004】
【発明の構成】本発明によれば、以下の測定方法が提供
される。 (1)試料に直流パルス電圧を印加し、該試料に生じる
音波振動を検出することによって該試料内部の空間電荷
分布を測定する方法であって、該試料と一体の鏡面を設
け、該鏡面に光を照射して反射された反射光E2 と、同
一光源から照射され固定鏡から反射された反射光E1 と
の相互干渉による干渉光について、反射光E2 の光路差
に起因する干渉光の変調を検知し、この変調により誘電
体中の空間電荷分布を測定する方法。 (2)誘電体試料に直流パルス電圧を印加する回路を接
続し、該試料と一体の鏡面を設け、半透明鏡を透過して
該鏡面に光を照射し、該鏡面からの反射光E2 を該半透
明鏡を経て受光する一方、同一光源から照射され該半透
明鏡によって反射された光を受ける固定鏡を設け、該固
定鏡からの反射光E1 を該半透明鏡を透過して受光し、
反射光E1 およびE2 の相互干渉による干渉光につい
て、試料中の音波振動によって生じる反射光E2 の光路
差に起因する干渉光の変調を検知し、この変調により誘
電体試料中の空間電荷分布を測定する上記(1) の測定方
法。 (3)誘電体の両面に設けた電極の一方の外面を鏡面に
形成し、該鏡面に伝達された誘電体中の音波振動を検知
する上記(1) の測定方法。 (4)電極面内に、光のビームを掃引し、電極面内の空
間電荷分布を部分的に計測する上記(1) の測定方法。
【0005】以下、本発明を図面に示す実施例に基づい
て詳細に説明する。なお図示するものは例示であり、本
発明はこれに限定されない。図1は本発明に係る測定系
の一例を示す概念図である。図示するように、誘電体試
料10の両面に電極11が設けられている。電極は金や
アルミなどの金属を真空蒸着法により設けるとより鏡面
状態にすることができる。電極金属には音波の減衰の小
さいアルミが好ましい。電極11には試料10に直流パ
ルス電圧を印加するための回路12が接続されている。
該回路12は、その一例として、1MΩと20KΩおよ
び電源を直列に接続し、その間にパルス発生部を並列に
接続したものである。また、一方の電極11の外面25
は鏡面仕上げされている。なお、試料10と電極11の
具体的な構成の一例としては、図2に示すように、アル
ミ製の容器30の内部に試料10を設置し、該試料10
の片面にアルミ板板31を設け、該アルミ板31を介
し、圧縮バネ32によって試料10を容器30の側壁3
3に押付けた構造とし、該アルミ板31と容器側壁33
を電極として上記直流パルス電圧を印加する回路12を
接続し、さらに該容器30の内部に絶縁オイルを満たし
て上記試料10と電極31を絶縁オイル中に浸漬した状
態にすると共に試料10が押圧されている容器側壁33
の外面を鏡面に形成するよい。このような構造とすれば
アルミ板の電極部分と試料表面の密着性が高くなり試料
内部の振動を検出するうえで都合がよい。
【0006】鏡面仕上げされたアルミ電極の側方には、
図1に示すように、鏡面25に伝達される試料内部の音
波振動を検出するための光学検出系20が形成されてい
る。該光学検出系20は、上記アルミ電極11の鏡面2
5に向かって光を照射する光源21、該光源21と該鏡
面25との間に位置し光源21から鏡面25に向かって
照射された光を透過すると共に鏡面25から反射された
光を光検出器22に向かって反射する半透明鏡23、お
よび光源21から照射され半透明鏡23によって反射さ
れた光を光検出器22に向かって反射する固定鏡24に
よって形成されている。光検出器22には集光レンズな
どの受光手段が内臓されており、オシロスコープなどの
モニター26が接続される。なお、図示する測定系で
は、電極11の外面を鏡面25として形成した例を示し
たが、鏡面は試料内部の振動を光学的に検知できる部分
であれば良く、電極の外面に限らない。因みに、上記光
学検出系の原理はマイケルソン干渉計として既知である
が、本発明はこれを空間電荷分布の測定方法に利用した
ことを特徴とする。
【0007】光源21としては、波長0.623 μm 、光度
10mWの He-Neレーザなどが好適であり、半透明鏡23と
しては光学ガラス表面に銀などを少量蒸着した光学ハー
フミラーを用いることができる。また試料10に印加す
る直流パルスとしては、試料の材質や光源の波長にもよ
るが、一例として上記波長のレーザ光源を用い、0.1mm
厚のPMMAを試料とする場合には、幅 50nsec 以下、高さ
0.5〜2kvのパルスが適当である。パルスの電圧変化は
急激に行われることが必要であり、圧力変化が緩慢であ
ると試料内部に蓄積した電荷の振動が不十分になり、検
出精度が低下する。
【0008】光源21から照射された光は半透明鏡23
を透過して試料部分の鏡面25に反射され、この反射光
E2 は半透明鏡23に向い、該半透明鏡23によって光
検出器22に向かって反射され、該光検出器22に受光
される。一方、同一光源21から照射され半透明鏡23
により固定鏡24に向かって反射された光は該固定鏡2
4により再び半透明鏡23に向かって反射され、この反
射光E1 は該半透明鏡23を透過して光検知器22に受
光される。固定鏡24によって反射され光検知器22に
至る反射光E1 と鏡面25によって反射され光検知器2
2に受光される反射光E2 とは光検知器22において相
互干渉を生じる。ここで、E1 =Aei(wt+kZ1) 、E2
=Aei(wt+kZ2) とすると、光検知器22における光の
強度Iは次式(1) で与えられる。
【式1】 I=|E1 +E2 |2 =2A2 {1+cos kΔl} (1) ただし、Aは振幅、wは光の角周波数 kは波数(2π/λ:λは波長)、Z は光路の長さ Δlは光路差(Z1 −Z2 )である。 式(1) に示されるように、鏡面25の変位に伴ってΔl
が変化し、光路差Δlがλ/2だけ変化するごとに強度
変化のピークが繰り返し現れる。このピークの分布から
既知の解析方法に基づいて試料内部の電荷分布を知るこ
とができる。
【0009】測定例1 測定試料(PMMAチップ:0.1mm ×15mm×15mm)の両面に
20mmφのアルミ電極を真空蒸着し、該電極にパルス印加
回路を接続すると共に片方の電極外面を鏡面に形成し
た。一方、光源として波長 0.623μm 、強度10mWの He-
Neレーザ光を用い、市販の半透明鏡を光源と電極鏡面と
の間に設けて図1に示す測定系を形成した。次に、 0〜
16kvの直流電圧に時間幅50nsec、電圧−2kv のパルスを
重畳して上記試料に印加し、試料内部に発生した音波振
動を上記光学測定系によって検出した。この結果を図3
に示した。図3のグラフに示されるように、3kvの電圧
下、v=2200m/sec 、d=0.1 ×10-3m (v:音波の
速度,d:試料の厚さ)の下で、反射光の強度は、0.5m
W haを基準として、45nsecの周期で、+0.1mW 、−0.
1mW 増減するのが確認された。この光変調を既知の方法
で解析することにより試料内部の電荷分布は電極に誘導
される誘導電荷を示していることが判明した。また、レ
ーザー光の広がりを電極面積に対し小さくし、電極面内
における照射位置を変えることで、空間電荷分布の面内
バラツキを計測することも可能である。
【0010】
【発明の効果】本発明の測定方法は、試料に直流電圧を
印加して誘発される内部電荷の分布を測定する際に、試
料内部に発生する音波振動を光学的に検知するので、内
部に発生する電磁波に起因するノイズの影響を受けず、
感度が良く、精度の高い測定が可能である。また距離分
解能が光検知器の周波数特性で決定されるため、従来は
測定困難であった薄い試料についても内部電荷の分布を
測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る測定系の概略構成図。
【図2】 本発明に係る試料の概略図。
【図3】 測定例1における光強度の測定結果を示すグ
ラフ。
【図4】 従来の圧電素子を用いた測定系の概略図。
【符号の説明】
10−試料 11−電極 12−パルス印加回路 20−光学検出系 21−光源 22−光検知器 23−半透明鏡 24−固定鏡 25−鏡面

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料に直流パルス電圧を印加し、該試料
    に生じる音波振動を検出することによって該試料内部の
    空間電荷分布を測定する方法であって、該試料と一体の
    鏡面を設け、該鏡面に光を照射して反射された反射光E
    2 と、同一光源から照射され固定鏡から反射された反射
    光E1 との相互干渉による干渉光について、反射光E2
    の光路差に起因する干渉光の変調を検知し、この変調に
    より誘電体中の空間電荷分布を測定する方法。
  2. 【請求項2】 誘電体試料に直流パルス電圧を印加する
    回路を接続し、該試料と一体の鏡面を設け、半透明鏡を
    透過して該鏡面に光を照射し、該鏡面からの反射光E2
    を該半透明鏡を経て受光する一方、同一光源から照射さ
    れ該半透明鏡によって反射された光を受ける固定鏡を設
    け、該固定鏡からの反射光E1 を該半透明鏡を透過して
    受光し、反射光E1 およびE2 の相互干渉による干渉光
    について、試料中の音波振動によって生じる反射光E2
    の光路差に起因する干渉光の変調を検知し、この変調に
    より誘電体試料中の空間電荷分布を測定する請求項1の
    測定方法。
  3. 【請求項3】 誘電体の両面に設けた電極の一方の外面
    を鏡面に形成し、該鏡面に伝達された誘電体中の音波振
    動を検知する請求項1の測定方法。
  4. 【請求項4】 電極面内に、光のビームを掃引し、電極
    面内の空間電荷分布を部分的に計測する請求項1の測定
    方法。
JP13276793A 1993-05-11 1993-05-11 誘電体中の空間電荷分布測定方法 Pending JPH06324099A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109142894A (zh) * 2018-07-05 2019-01-04 清华大学 基于耦合等势原理的直流导线电晕空间电荷分布的测试方法
CN110058093A (zh) * 2018-01-19 2019-07-26 上海交通大学 用于真空、变温环境下固体绝缘材料空间电荷检测系统

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