一种测量厚试样空间电荷分布的高压电极装置及方法

技术领域

本发明涉及空间电荷测量技术领域，特别是涉及一种测量厚试样空间电荷分布的高压电极装置及方法。

背景技术

空间电荷是表征电介质材料电气性能的一个重要参数，空间电荷测量对于电介质介电性能的研究有着重要的意义。聚合物中存在大量的陷阱，在电场的作用下，陷阱会捕获载流子从而在介质内部形成空间电荷。空间电荷会对绝缘材料的内部电场造成严重畸变。其中，同极性空间电荷减小积聚区域的电场强度，而异极性空间电荷将增大积聚区域的电场强度，从而影响电极的电荷注入、载流子的迁移率和绝缘材料的击穿强度等。因此，通过对材料空间电荷分布的测量，不仅可以了解到绝缘材料中空间电荷的建立和衰减过程，而且还可以对电介质材料的电击穿和电老化过程有更深的了解。这对于绝缘材料的分析和优化具有重要的意义。

空间电荷的测量方法有很多种，目前比较常用的方法是电声脉冲(PulsedElectro-Acoustic，PEA)法。传统PEA装置通过电极对薄试样施加脉冲电压来测量空间电荷分布，需要施加的电压较小，所使用的电极的面积也比较小。但测量厚试样的空间电荷分布时，需要施加较高的电压才能保证电场达到测量的要求。电压增大会增加闪络发生的概率，因此需要增加试样的面积，为了保证试样中的电场均匀，电极面积也要相应增大。但是如果在较大面积的电极上施加脉冲电压，会使得电极的等效负载电容增加，难以将窄脉冲信号加到试样上去。因此，传统PEA装置难以测量厚试样空间电荷分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量厚试样空间电荷分布的高压电极装置及方法，以实现对厚试样空间电荷分布的测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种测量厚试样空间电荷分布的高压电极装置，所述高压电极装置包括：加压装置、绝缘管、内层平板电极和外层平板电极；

绝缘管为空心圆柱体结构，内层平板电极嵌套在所述绝缘管的空心部位；在外层平板电极上开设有与所述绝缘管相匹配的圆柱形通孔，所述绝缘管和所述内层平板电极均设置在所述圆柱形通孔内；所述外层平板电极、所述绝缘管和所述内层平板电极构成上平板电极；

在上平板电极中的内层平板电极上表面与所述加压装置连接；待测厚试样设置在下平板电极与上平板电极的下表面之间；

所述加压装置用于向所述内层平板电极通入第一直流高压和脉冲电压，并施加在所述待测厚试样上；所述外层平板电极用于通入第二直流高压并施加在所述待测厚试样上；所述第一直流高压与所述第二直流高压的幅值相等。

可选的，在上平板电极上表面中的内层平板电极和外层平板电极的高度相同；所述上平板电极上表面的绝缘管高于内层平板电极和外层平板电极，形成一个环形凸起结构；所述环形凸起结构用于增大绝缘距离，防止测量待测厚试样时施加高压产生的沿面放电的影响。

可选的，所述加压装置包括：均压球、高压导杆和隔直回路；

高压导杆的一端与均压球螺纹连接，高压导杆的另一端与内层平板电极连接；所述均压球用于接入高压直流，并通过高压导杆通入内层平板电极；

隔直回路与高压导杆连接；所述隔直回路用于接入脉冲电压，并通过高压导杆通入内层平板电极。

可选的，所述隔直回路包括：隔直电容和BNC接头；

所述隔直电容的一个引脚与高压导杆连接，所述隔直电容的另一个引脚与BNC接头连接；所述隔直电容用于隔绝直流高压与脉冲电压；所述BNC接头用于接入脉冲电压，并经所述隔直电容后引入高压导杆。

可选的，所述加压装置还包括：金属屏蔽外壳和环氧树脂绝缘层；

金属屏蔽外壳为套管结构；所述金属屏蔽外壳套设在高压导杆上，高压导杆位于所述金属屏蔽外壳的轴线位置，高压导杆与所述金属屏蔽外壳不接触；金属屏蔽外壳与高压导杆之间填充环氧树脂绝缘层；

所述隔直电容设置在环氧树脂绝缘层中，所述BNC接头设置在金属屏蔽外壳上；

所述金属屏蔽外壳接地，所述金属屏蔽外壳用于屏蔽外部干扰信号；所述环氧树脂绝缘层用于防止高压导杆与金属屏蔽外壳之间发生绝缘击穿。

可选的，当所述待测厚试样为固体试样时，绝缘管的空心部位设置半导电层，内层平板电极通过半导电层与固体试样接触，半导电层、绝缘管和外层平板电极均与固体试样紧密接触无气隙；

当所述待测厚试样为液体试样时，绝缘管的空心部位设置倒角结构，内层平板电极与液体试样直接接触，绝缘管和外层平板电极均与液体试样紧密接触无气隙。

可选的，所述上平板电极的面积小于所述下平板电极。

可选的，所述内层平板电极、外层平板电极和下平板电极均为金属电极；

高压导杆和金属屏蔽外壳的材质均为金属铝。

一种基于前述的高压电极装置测量厚试样空间电荷分布的方法，所述方法包括：

将待测厚试样设置于下平板电极与上平板电极之间；

将加压装置与上平板电极中的内层平板电极相连；

在加压装置上通入第一直流高压，并在上平板电极中的外层平板电极上通入第二直流高压；所述第一直流高压与所述第二直流高压的幅值相等；

所述加压装置通入脉冲电压；

在下平板电极处测量所述待测厚试样的空间电荷分布。

可选的，所述将待测厚试样设置于下平板电极与上平板电极之间，具体包括：

当待测厚试样为固体试样时，将待测厚试样置于下平板电极上；

在所述待测厚试样的上表面滴入硅油后放置半导电层，并在半导电层的表面涂抹硅油；

将半导电层对准并卡紧在上平板电极的绝缘管空心部位，使得绝缘管、外层平板电极和半导电层均与待测厚试样紧密接触无气隙；

当待测厚试样为液体试样时，将下平板电极浸没在液体试样中；

将上平板电极浸没在液体试样中，通过真空干燥箱进行真空抽气，使得待测液体厚试样与上平板电极之间不存在气泡。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种测量厚试样空间电荷分布的高压电极装置及方法，外层平板电极、所述绝缘管和所述内层平板电极构成上平板电极，相当于在上平板电极上利用绝缘管分割出一块圆形区域，内层平板电极施加第一直流高压和脉冲电压，外层平板电极施加与第一直流高压幅值相等的第二直流高压，绝缘管将脉冲施加区域从电极整体区域隔开，防止因电极面积过大而导致的等效负载电容增大，实现了对厚试样空间电荷分布的测量。

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为本发明提供的测量厚试样空间电荷分布的高压电极装置的结构示意图；

图2为本发明提供的上平板电极结构图。

符号说明：1-均压球，2-高压导杆，3-金属屏蔽外壳，4-隔直回路，41-隔直电容，42-BNC接头，5-环氧树脂绝缘层，6-绝缘管，7-内层平板电极，8-外层平板电极，9-半导电层，10-待测厚试样，11-下平板电极。

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。

本发明的目的是提供一种测量厚试样空间电荷分布的高压电极装置及方法，以实现对厚试样空间电荷分布的测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为克服现有技术中PEA测量装置难以测量厚试样空间电荷分布的问题，本发明提供了一种测量厚试样空间电荷分布的高压电极装置，如图1所示，高压电极装置包括：加压装置、绝缘管6、内层平板电极7和外层平板电极8。

绝缘管6为空心圆柱体结构，内层平板电极7嵌套在绝缘管6的空心部位；在外层平板电极8上开设有与绝缘管6相匹配的圆柱形通孔，绝缘管6和内层平板电极7均设置在圆柱形通孔内；外层平板电极8、绝缘管6和内层平板电极7构成上平板电极。在上平板电极中的内层平板电极7上表面与加压装置连接；待测厚试样10设置在下平板电极11与上平板电极的下表面之间。加压装置用于向内层平板电极7通入第一直流高压和脉冲电压，并施加在待测厚试样10上；外层平板电极8用于通入第二直流高压并施加在待测厚试样10上；第一直流高压与第二直流高压的幅值相等。对待测厚试样10施加第一直流高压、第二直流高压和脉冲电压后，在下平板电极11处测量待测厚试样10的空间电荷分布。

优选地，绝缘管6和外层平板电极8采用嵌套的方式连接在一起，连接处靠压力紧固。绝缘管6、内层平板电极7、外层平板电极8之间紧密接触无缝隙，绝缘管6的半径远小于上平板电极的宽度。

在平板电极中心区域用聚四氟乙烯材质的绝缘管6分割出一块圆形区域。直流电压施加在整个长方形电极上，而在长方形电极中心被绝缘管6分割的圆形区域中，除直流电压以外还施加脉冲电压，从而实现对空间电荷以及空间电场的测量。通过中心区域的绝缘管6将脉冲施加区域从电极整体区域隔开，防止因电极面积过大而导致等效负载电容增大，影响测量的效果。

示例性的，参照图2，在上平板电极上表面中的内层平板电极7和外层平板电极8的高度相同；上平板电极上表面的绝缘管6高于内层平板电极7和外层平板电极8，形成一个环形凸起结构；环形凸起结构用于增大绝缘距离，防止测量待测厚试样10时施加高压产生的沿面放电的影响。通过在绝缘管6在平板电极上表面的凸起结构来有效增加电极上表面脉冲电压施加区域的绝缘距离，以减弱脉冲电压沿面放电所带来的影响。

示例性的，加压装置包括：均压球1、高压导杆2和隔直回路4。高压导杆2的一端与均压球1螺纹连接，高压导杆2的另一端与内层平板电极7连接；均压球1用于接入高压直流，并通过高压导杆2通入内层平板电极7。隔直回路4与高压导杆2连接；隔直回路4用于接入脉冲电压，并通过高压导杆2通入内层平板电极7。高压导杆2的直径小于内层平板电极7的直径。

高压导杆2顶端通过螺纹结构与均压球1相连接，底端与上平板电极的内层平板电极7紧密相接。均压球1为打磨光滑的球形结构。高压直流接在均压球1上，相比于直接连接的情况，金属毛刺较少，当施加的直流电压较高时，能够有效减少局部放电的影响。加压装置通过高压导杆2插入绝缘管6环形凸起结构中心，与上平板电极的内层平板电极7之间靠压力作用贴紧，由绝缘管6固定高压导杆2的位置不移动，从而使电极形成一个整体。

示例性的，隔直回路4包括：隔直电容41和BNC接头42。隔直电容41的一个引脚与高压导杆2连接，隔直电容41的另一个引脚与BNC接头42连接；隔直电容41用于隔绝直流高压与脉冲电压；BNC接头42用于接入脉冲电压，并经隔直电容41后引入高压导杆2。隔直回路4的结构与工作原理如下：隔直电容41有两个引脚，为防止引脚连接处发生局部放电，用金属套管将电容原本的引脚加粗，将加粗后的引脚一端焊接在中间的高压导杆2上，一端焊接在金属屏蔽外壳3上的BNC接头42的金属芯上。隔直电容41起到隔绝直流高压与脉冲电源的作用，BNC接头42在金属屏蔽外壳3的外侧与脉冲电源相连，形成完整的隔直回路4。

示例性的，加压装置还包括：金属屏蔽外壳3和环氧树脂绝缘层5。金属屏蔽外壳3为套管结构；金属屏蔽外壳3套设在高压导杆2上，高压导杆2位于金属屏蔽外壳3的轴线位置，高压导杆2与金属屏蔽外壳3不接触；金属屏蔽外壳3与高压导杆2之间填充环氧树脂绝缘层5。隔直电容41设置在环氧树脂绝缘层中，BNC接头42设置在金属屏蔽外壳3上。金属屏蔽外壳3接地，金属屏蔽外壳3用于屏蔽外部干扰信号；环氧树脂绝缘层5用于防止高压导杆2与金属屏蔽外壳3之间发生绝缘击穿。环氧树脂绝缘层5起到提高绝缘强度的作用。此加压装置最高能够施加30kV的电压。

示例性的，在电极接触试样的一侧，内层平板电极7底端略高于绝缘管6和外层平板电极8底端所在的平面。当待测厚试样10为固体试样时，绝缘管6的空心部位设置半导电层9，内层平板电极7通过半导电层9与固体试样接触，半导电层9、绝缘管6和外层平板电极8均与固体试样紧密接触无气隙。当待测厚试样10为液体试样时，绝缘管6的空心部位设置倒角结构，内层平板电极7直接与液体试样接触，绝缘管6和外层平板电极8均与液体试样紧密接触无气隙。

即，测量固体和液体试样需要对上平板电极结构进行微调，当测量固体试样时，内层平板电极7与绝缘管6接触面靠近试样的一侧不需要添加倒角结构而是调高内层平板电极7，防止产生气隙，方便放置半导电层9，半导电层9作为过渡层，能够保证声阻抗匹配。当测量液体试样时，不需要调高内层平板电极7，结构改为内层平板电极7与绝缘管6接触面靠近试样的一侧需要添加倒角结构，以改善内层平板电极7和外层平板电极8在绝缘管6上产生的放电，降低电场大小。

示例性的，上平板电极的面积小于下平板电极11。通过这种结构增加了从上平板电极到下平板电极11之间的爬电距离。

示例性的，内层平板电极7、外层平板电极8和下平板电极11均为金属电极。高压导杆2和金属屏蔽外壳3的材质均为金属铝。

高压导杆2插入绝缘管6限定的环形区域内，与内层平板电极7紧密相连，对绝缘管6中心的圆形区域施加脉冲电压和直流高压。外层平板电极8通过直接与直流电源连接的方式对待测试样施加直流高压，幅值与高压导杆2施加的直流高压一致。绝缘管6用于隔离施加脉冲电压的区域，降低上平板电极在测量过程中的负载电容。上平板电极不接触试样的一侧，绝缘管6的凸起部分用于增大绝缘距离，防止测量厚试样时施加较大的直流电压产生的沿面放电的影响。当待测厚试样为固体试样时，上平板电极与试样接触的一侧，内层平板电极7末端区域略高于电极与试样接触的平面，此区域在实际测量时放入高度略大于内层平板电极7和上平板电极下平面高度差的半导电层9并压实，保证半导电层9下表面，绝缘管6和外层平板电极8均与待测试样紧密接触无气隙。当待测厚试样为液体试样时，绝缘管底端的形状为倒角结构，上平板电极浸没在液体试样中，使得液体试样与上平板电极之间不存在气泡。上平板电极的宽度略低于下平板电极11，实际应用中通过这种结构可以增加从上平板电极到下平板电极11的爬电距离。

测量时，在均压球1上通入直流高压，通过隔直回路4施加脉冲电压，以满足测量空间电荷时在待测试样上施加均匀直流电场与脉冲电压的要求。在外层平板电极8上直接施加直流高压，幅值与均压球1上的直流电压一致，从而实现施加高压测量厚试样空间电荷的要求。

本发明的高压电极装置的优点如下：

(1)通过绝缘管将平板电极分割为两个区域，内层金属电极施加脉冲电压和直流高压，外层金属电极施加和中心圆形区域相同幅值的直流高压。绝缘管的分割减小了脉冲电压施加区域的电极面积，从而减小空间电荷测量过程中脉冲电源的等效负载电容。施加直流电压的电极面积较大，保证了施加高压测量厚试样时电场的均匀性。

(2)通过绝缘管的凸起结构，有效地增加沿面放电绝缘距离，防止沿面放电的产生。当待测厚试样为固体试样时，内层金属电极底端略高于上平板电极下表面，方便测量时放入半导电层。半导电层高度大于内层金属电极底端略高于上平板电极下表面的高度差，保证测量时与试样之间紧密接触。当待测厚试样为液体试样时，绝缘管底端的形状设置为倒角结构，不需要放入半导电层。

(3)通过均压球结构，有效防止通入直流高压时可能产生的局部放电信号对测试的影响。

(4)通过接地金属屏蔽壳来有效减少外部信号干扰，利用环氧树脂绝缘层提高信号屏蔽区域的绝缘强度。

基于前述的高压电极装置，本发明还提供了一种测量厚试样空间电荷分布的方法，方法包括以下步骤：

步骤1，将待测厚试样设置于下平板电极与上平板电极之间。

示例性的，步骤1具体实现过程为：

当待测厚试样为固体试样时，将待测厚试样置于下平板电极上；在所述待测厚试样的上表面滴入硅油后放置半导电层，并在半导电层的表面涂抹硅油；将半导电层对准并卡紧在上平板电极的绝缘管空心部位，使得绝缘管、外层平板电极和半导电层均与待测厚试样紧密接触无气隙；

当待测厚试样为液体试样时，将下平板电极浸没在液体试样中；将上平板电极浸没在液体试样中，通过真空干燥箱进行真空抽气，使得待测液体厚试样与上平板电极之间不存在气泡。

步骤2，将加压装置与上平板电极中的内层平板电极相连。

步骤3，在加压装置上通入第一直流高压，并在上平板电极中的外层平板电极上通入第二直流高压；第一直流高压与第二直流高压的幅值相等。

步骤4，加压装置通入脉冲电压。

步骤5，在下平板电极处测量待测厚试样的空间电荷分布。

以绝缘纸试样为待测厚试样，采用高压电极装置分析纳米介质中电荷输运过程的方法如下：

步骤一：放置试样。将经过处理的待测绝缘纸试样放置在下电极上表面，在绝缘纸的上下表面涂抹硅油后，在绝缘纸的上方放置圆柱形的半导电层。半导电层的半径略大于内层金属电极半径，半导电层的高度略大于内层金属电极底端与上平板电极下表面之间的高度差。在半导电层上表面涂抹硅油后，上平板电极中心区域对准半导电层放置在待测试样上，压紧上平板电极和下电极，保证没有气泡出现在电极，待测试样和半导电层的接触面上。

步骤二：将高压导杆对准绝缘管的环形区域插入，与内层金属电极紧密相连，从而将整个高压电极装置形成一体。

步骤三：施加直流电压。在完成步骤二以后，将直流高压电源与均压球直接相连来通过高压导杆和内层金属电极施加直流电压，同时将直流高压施加到外层金属电极上，施加的直流高压的幅值与均压球的幅值相同，来为整个上平板电极施加直流电压。为外层金属电极施加直流高压的方式为：直流高压电源通过均压球+导杆的结构将高压直流施加到外层金属电极上，此处使用的均压球和导杆与给内层金属电极加压的均压球和导杆不是同一个。

步骤四：施加脉冲电压。将金属屏蔽外壳侧壁上的BNC接头与脉冲电源相连，通过隔直回路与高压导杆来为绝缘管中心区域施加脉冲电压。

步骤五：待步骤一到步骤四都完成以后，通过下电极的测量设备，进行厚试样空间电荷的测量。

本发明对现有的PEA测量装置中的电极结构进行了改进，使之能够同时测量大尺寸试样的空间电场和空间电荷。平板电极中心区域用聚四氟乙烯材质的绝缘管分割出一块圆形区域。直流电压施加在整个长方形电极上，而在长方形电极中心被绝缘管分割的圆形区域中，除直流电压以外还施加脉冲电压，从而实现对空间电荷以及空间电场的测量。

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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。