CN108089068A - 基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，括上电极和下电极，上电极内设置有铝电极，在铝电极和下电极之间设置双层复合平板电介质试样，双层复合平板电介质试样的层间设置有针电极和板电极，下电极内设置有用于吸收声波的吸收层，吸收层上设置有压电传感器，压电传感器连接有放大器，放大器经过A\D转换器与计算机连接。本发明装置成功再现了在正交不均匀电场下复合平板试样内空间电荷的积聚、消散与迁移特性，更真实模拟试样在现实工况下的电场环境，充分利用了更多数量的压电薄膜并且使得所有压电薄膜均紧贴于下电极的下表面，突破了现有只能测量均匀电场下的一维空间电荷分布的局限，提高了空间电荷测量结果可靠性。
Description
技术领域
本发明属于复合绝缘材料内空间电荷分布测量技术领域，具体涉及一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置。
背景技术
电声脉冲法是目前国内外测量空间电荷分布应用较广的方法之一。通过注入高压直流电场及纳秒脉冲，经由放大器及后期的去卷积计算可得到绝缘材料中空间电荷行为。目前这一方法已经成功用于同轴电极和平板电极下绝缘材料的空间电荷测量。
现有技术记载了一种可拆卸式电声脉冲空间电荷测量装置，该装置由直流高压电源、纳秒脉冲发生器、上下电极、温梯电极单元、信号采集单元、示波器和计算机构成。只能在上下电极之间施加电压，无法对其施加界面方向(与竖直方向垂直)的电场，只能研究绝缘材料在均匀电场下的空间电荷行为，无法研究在正交电场下复合平板试样内空间电荷的注入、积聚和消散行为。且仅能够安装单个压电传感器，对于复合平板试样空间电荷测量区域有限，无法实现对于复合平板试样的三维空间电荷测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，能够测得在正交不均匀电场下复合平板试样内三维空间电荷输运过程，解决了现有技术中只能测量在均匀电场下的一维空间电荷分布。
本发明采用以下技术方案：
基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，括上电极和下电极，上电极内设置有铝电极，在铝电极和下电极之间设置有双层复合平板电介质试样，双层复合平板电介质试样的层间设置有针电极和板电极，下电极内设置有用于吸收声波的吸收层，吸收层上设置有压电传感器，压电传感器连接有放大器，放大器经过设置在下电极外部的A\D转换器与计算机连接。
具体的，上电极包括内部填充有环氧树脂的壳体，铝电极设置在壳体内，一端伸出与双层复合平板电介质试样连接，伸出端与双层复合平板电介质试样的连接处设置有半导电层。
进一步的，铝电极分两路，一路经过限流电阻与直流高压发生器连接，直流高压发生器与限流电阻之间通过高压电缆线连接；铝电极另一路经过耦合电容与脉冲发生器连接。
进一步的，脉冲发生器还连接一个直流高压电源，耦合电容还经过匹配电阻和壳体连接。
具体的，下电极包括下电极壳体，下电极壳体通过螺杆与上电极的壳体连接，吸收层设置在下电极壳体内靠近双层复合平板电介质试样处，吸收层外设置有屏蔽壳。
进一步的，吸收层的上表面、侧面和下表面均设置有长条状结构的铝箔，压电薄膜放置在吸收层的上表面，通过铝箔将压电薄膜采集的电信号传输到吸收层下表面的凹陷处，凹陷处设置有金属块，金属块通过屏蔽线连接放大器。
进一步的，压电传感器包括多个压电薄膜，每个压电薄膜分别通过一个屏蔽线对应连接一个放大器。
进一步的，压电薄膜呈5×5排列，每个压电薄膜的尺寸为3.5mm×3mm。
进一步的，屏蔽壳中心与上电极内的铝电极的中心在同一竖直线上，屏蔽壳为圆形结构，直径为36～40mm。
具体的，针电极为铝箔剪裁成针尖状，沿双层复合平板电介质试样的外侧同上电极相连；板电极为铝箔剪裁成矩形状，夹在双层复合平板电介质试样之间，同下电极相连，针电极和板电极位于双层复合平板电介质试样的中间界面处，针电极和板电极的单元距离为25～28mm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明公开的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，在上电极和下电极之间设置双层复合平板电介质试样，在双层复合平板电介质试样中引入针电极和板电极，在针电极处施加正压，在板电极处接地，从而更真实模拟试样在现实工况下的电场环境，实现对正交不均匀电场下复合平板试样内空间电荷的积聚、消散与迁移的研究。下电极下设置有吸收层，吸收层的声阻抗与压电传感器相同，从而可以避免声波在界面处的反射对测量信号产生干扰。吸收层上设置有压电传感器，压电传感器与放大器相连接，放大器将微弱的信号放大，从而可以被A\D转换器转换，A\D转换器与计算机连接，将模拟信号转化为数字信号，从而可以被计算机识别、接受。计算机将的数字信号进行处理、分析、计算，最终还原成双层复合平板电介质试样内部空间电荷的波形。
进一步的，上电极壳体内填充环氧树脂确保器件之间相互绝缘，铝电极通过半导电层与双层复合平板电介质试样连接起均衡电场的作用，铝电极连接耦合电容可以避免高压直接作用在脉冲上损坏脉冲，并通过匹配电阻和壳体连接用于接地。
进一步的，下电极壳体通过螺杆与上电极壳体连接，从而固定上电极和下电极，使双层复合平板电介质试样被压紧在上电极和下电极之间，吸收层设置在下电极壳体内的圆形屏蔽壳内，有效提高测量精度，上电极的重量使得上下电极之间的双层复合平板电介质试样界面处的空气挤出，使得双层试样更紧密贴合，提高了空间电荷测量结果可靠性。另，将压电传感器及吸收层内置于屏蔽壳内，可有效屏蔽壳外无关信号对由声信号经压电薄膜转化为电信号的干扰，进一步提高空间电荷测量结果精度。
进一步的，吸收层的上表面、侧面和下表面均设置有长条状结构的铝箔，压电薄膜放置在吸收层的上表面，通过铝箔将压电薄膜采集的电信号传输到吸收层下表面的凹陷处，凹陷处设置有金属块，金属块通过屏蔽线连接放大器，该结构有效实现在屏蔽壳内阵列排布压电薄膜，增加了空间电荷测量维度。另，通过设计吸收层的结构，不仅使得微小的压电薄膜与屏蔽线成功连接，还保留了吸收层自身实现声阻抗匹配作用的功能，避免了压力波通过压电薄膜后由于声阻抗不匹配对输出波形的影响。
进一步地，应用3D打印技术设计了用于导电金属块及5×5阵列压电薄膜嵌套的声波吸收层结构，实现了25个压电薄膜成功安装在下电极的下表面处的屏蔽壳内，相比于以往空间电荷测量装置仅能够测量一维下的空间电荷，该创新点实现了对于复合平板试样三维空间电荷测量。
进一步的，屏蔽壳中心与铝电极中心位于同一竖直线上，目的在于当铝电极作用于双层复合平板电介质试样时，铝电极作用处圆周外的双层试样会因为上电极的重力作用略微上翘，造成双层试样界面处的空气进入。而铝电极作用处的双层复合平板电介质试样，由于上电极重力作用，仍保持紧密贴合，屏蔽壳在该部分的正下方，保证了屏蔽壳内压电薄膜所测声信号来自于紧密贴合的双层复合平板电介质试样，提高了测量结果的可靠性。另，屏蔽壳为圆形结构有利于放置更多压电薄膜，且易于加工。
进一步的，针电极和板电极位于两层复合平板试样中间界面处，待测复合平板试样位于上电极腔体内的铝电极和下电极的上表面之间，针电极和板电极的距离为25～28mm，确保屏蔽壳内的压电薄膜所测点不仅处于竖直方向的上下电极之间，还处于水平方向的针-板电极之间，保证了所测试样来自于正交电场作用的结果，针电极和板电极采用铝箔制成，能够有效避免针电极和板电极厚度对复合平板试样内空间电荷的影响。
综上所述，本发明装置成功再现了在正交不均匀电场下复合平板试样内空间电荷的积聚、消散与迁移特性，更真实模拟试样在现实工况下的电场环境。同时，本发明通过3D打印技术改进了吸收层结构，从而充分地利用了更多数量的压电薄膜并且使得所有压电薄膜均紧贴于下电极的下表面，不仅突破了现有技术中只能测量在均匀电场下的一维空间电荷分布的局限，还提高了空间电荷测量结果的可靠性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明测量装置结构框图；
图2为本发明通过3D打印技术设计的用于内嵌导电金属块及5×5阵列压电薄膜的声波吸收层结构三视图，其中，(a)为主视图，(b)为左视图，(c)为仰视图；
图3为本发明针板电极单元俯视图。
其中：1.直流高压发生器；2.脉冲发生器；3.直流高压电源；4.高压电缆线；5.第一螺母；6.环氧树脂；7.限流电阻；8.螺杆；9.匹配电阻；10.铝电极；11.耦合电容；12.第二螺母；13.下电极壳体；14.针电极；15.半导电层；16.双层复合平板电介质试样；17.屏蔽线；18.板电极；19.压电薄膜；20.吸收层；21.屏蔽壳；22.放大器；23.A/D转换器；24.计算机。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，包括直流高压发生器1、纳秒级高压脉冲发生器2、上电极、下电极、针电极14、板电极18、压电传感器、声波吸收层20、屏蔽壳21、A\D转换器23、计算机24。
直流高压发生器1和高压脉冲发生器2分别与上电极连接，上电极和下电极之间设置有双层复合平板电介质试样16，双层复合平板电介质试样16上设置有针电极14和板电极18，压电传感器和声波吸收层20设置在下电极内的屏蔽壳21内，通过放大器22与设置在下电极外部的计算机24连接，A/D转换器23设置在放大器22与计算机24之间。
上电极包括上电极壳体及上电极腔体，上电极腔体内设有限流电阻7、耦合电容11、匹配电阻9、铝电极10，并且通过在上电极壳体内浇筑环氧树脂6确保器件之间相互绝缘。
上电极壳体顶部开设有高压电压接口，直流高压发生器1的高压电缆线4通过上电极壳体顶部开设的高压电压接口伸入上电极腔体内，并通过限流电阻7与铝电极10相连接，直流高压发生器1通过高压电缆线4和限流电阻7将高压作用于上电极；
脉冲发生器2一端连接直流高压电源3，另一端通过上电极壳体顶部开设的BNC接头伸入上电极腔体内，并通过耦合电容11与铝电极10相连接，脉冲发生器2的脉冲经耦合电容11注入上电极，耦合电容11可以避免高压直接作用在脉冲上损坏脉冲；
脉冲发生器2通过匹配电阻9和上电极壳体的金属外壳相连。
上电极壳体采用铝制外壳制成，包括圆柱筒和圆盘，下电极壳体的上表面设有两螺纹孔，两个螺纹孔分别与螺杆8相连，两个螺杆8分别穿过上电极两翼的通孔，并加固第一螺母5和第二螺母12，从而固定上电极和下电极，使双层复合平板电介质试样16被压紧在上电极和下电极之间。
两螺纹孔的间隔距离为270mm。
下电极包括下电极壳体13和下电极腔体，下电极壳体13的内表面由四个螺纹孔固定一个圆形屏蔽壳21，屏蔽壳21直径为36mm，屏蔽壳21中心与上电极腔体内的铝电极10的中心在同一竖直线上。
屏蔽壳21内置有声波吸收层20及压电薄膜19，压电薄膜19所测电信号经由屏蔽线17与下电极腔体内的放大器22连接，电信号经过放大器22放大输出后通过A\D转换器23与计算机24连接。
请参阅图2，吸收层20采用3D打印技术设计而成，嵌在屏蔽壳21内，屏蔽壳21和吸收层20将压电薄膜19固定在下电极的下表面，压电薄膜19呈5×5排列，每个压电薄膜19的尺寸为3.5mm×3mm，每个压电薄膜19均通过一个放大器22经过A\D转换器23与计算机24连接。
吸收层20的结构如图2所示，使用长条状铝箔贴在吸收层20的上表面、侧面、下表面，压电薄膜19放置在吸收层20的上表面，从而使铝箔可以将电信号从吸收层20上表面的压电薄膜19传输到吸收层20下表面凹陷处；吸收层20下表面凹陷处嵌入金属块，金属块与上表面与铝箔紧密接触，下表面焊接用于信号传输的屏蔽线17。
通过该结构设计，可以使用铝箔将压电薄膜19产生的电信号向下传输，并通过屏蔽线17传输到放大器22。
请参阅图3，针电极14由铝箔剪裁成针尖状，夹在双层复合平板电介质试样16之间，沿双层复合平板电介质试样16的外侧同上电极相连；
板电极18由铝箔剪裁成矩形状，夹在双层复合平板电介质试样16之间，同下电极相连。
针电极14和板电极18位于双层复合平板电介质试样16的中间界面处，针电极14和板电极18的间距为25mm。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
本发明一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，首先将针电极14和板电极18夹在双层复合平板电介质试样16中间，通过双层复合平板电介质试样16分别与上电极和下电极相连，在双层复合平板电介质试样16之间以及下电极的上表面均匀涂抹少量硅油，使不同界面充分接触，减小声波在不同界面之间的反射。
双层复合平板电介质试样16上方放置半导电层15，半导电层15与铝电极10连接，通过拧紧第一螺母5和第二螺母12使双层复合平板电介质试样16稳定在上下电极之间。
通过直流高压发生器1给上电极施加高压，同时打开脉冲发生器2，向上电极施加高压纳秒脉冲。
在高压纳秒脉冲的作用下，双层复合平板电介质试样16内部的空间电荷发生微小的振动，以声波的形式传递到铝制下电极。
紧贴在下电极下表面的压电薄膜19将声信号转化为电信号，电信号经放大器22放大并由A/D转换器23转换为数字信号传输到计算机24。
计算机24将采集到的数字信号进行处理、分析、计算，最终还原成试样内部空间电荷的波形。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，包括上电极和下电极，上电极内设置有铝电极(10)，在铝电极(10)和下电极之间设置有双层复合平板电介质试样(16)，双层复合平板电介质试样(16)的层间设置有针电极(14)和板电极(18)，下电极内设置有用于吸收声波的吸收层(20)，吸收层(20)上设置有压电传感器，压电传感器连接有放大器(22)，放大器(22)经过设置在下电极外部的A\D转换器(23)与计算机(24)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，上电极包括内部填充有环氧树脂(6)的壳体，铝电极(10)设置在壳体内，一端伸出与双层复合平板电介质试样(16)连接，伸出端与双层复合平板电介质试样(16)的连接处设置有半导电层(15)。
3.根据权利要求2所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，铝电极(10)分两路，一路经过限流电阻(7)与直流高压发生器(1)连接，直流高压发生器(1)与限流电阻(7)之间通过高压电缆线(4)连接；铝电极(10)另一路经过耦合电容(11)与脉冲发生器(2)连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，脉冲发生器(2)还连接一个直流高压电源(3)，耦合电容(11)还经过匹配电阻(9)和壳体连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，下电极包括下电极壳体(13)，下电极壳体(13)通过螺杆(8)与上电极的壳体连接，吸收层(20)设置在下电极壳体(13)内靠近双层复合平板电介质试样(16)处，吸收层(20)外设置有屏蔽壳(21)。
6.根据权利要求5所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，吸收层(20)的上表面、侧面和下表面均设置有长条状结构的铝箔，压电薄膜(19)放置在吸收层(20)的上表面，通过铝箔将压电薄膜(19)采集的电信号传输到吸收层(20)下表面的凹陷处，凹陷处设置有金属块，金属块通过屏蔽线(17)连接放大器(22)。
7.根据权利要求6所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，压电传感器包括多个压电薄膜(19)，每个压电薄膜(19)分别通过一个屏蔽线(17)对应连接一个放大器(22)。
8.根据权利要求7所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，压电薄膜(19)呈5×5排列，每个压电薄膜(19)的尺寸为3.5mm×3mm。
9.根据权利要求5所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，屏蔽壳(21)中心与上电极内的铝电极(10)的中心在同一竖直线上，屏蔽壳(21)为圆形结构，直径为36～40mm。
10.根据权利要求1所述的一种基于电声脉冲法的复合平板试样三维空间电荷测量装置，其特征在于，针电极(14)为铝箔剪裁成针尖状，沿双层复合平板电介质试样(16)的外侧同上电极相连；板电极(18)为铝箔剪裁成矩形状，夹在双层复合平板电介质试样(16)之间，同下电极相连，针电极(14)和板电极(18)位于双层复合平板电介质试样(16)的中间界面处，针电极(14)和板电极(18)的单元距离为25～28mm。
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