專利名稱：改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)改進(jìn)電聲脈沖法，實(shí)現(xiàn)交直流空間電荷測(cè)量的系統(tǒng)，同時(shí)還涉及ー種測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
聚合物材料在直流電壓下的空間電荷已經(jīng)有大量研究，但在交流電壓下的空間電荷特性卻受到限制，其中主要的技術(shù)原因由于交流電壓下變化的幅值，以及需要測(cè)量的吋間間隔更短從而需要更高的數(shù)據(jù)采集速率。近年來(lái)，隨著特高壓交直流輸電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)絕緣材料的絕緣性能提出了更高的要求，由于極性反轉(zhuǎn)形成的電荷注入/提取與絕緣材料老化降解之間的關(guān)系仍不清楚。因此，理解交流下空間電荷的動(dòng)力學(xué)對(duì)理解材料老化機(jī)理有重要意義。電聲脈沖法(PEA)作為ー種廣為應(yīng)用的空間電荷測(cè)量技術(shù)，它是利用高壓電脈沖和絕緣介質(zhì)中的電荷層的相互作用產(chǎn)生與材料中的電荷成正比的聲壓カ波。這些壓力波可以通過(guò)壓電傳感器并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并放大從而被數(shù)字示波器獲取。交流條件下空間電荷信號(hào)的獲取時(shí)間是影響其測(cè)量的ー個(gè)重要因素，這是因?yàn)榻涣麟妷悍惦S時(shí)間變化，只有通過(guò)數(shù)據(jù)的高速獲取才能更好表征其電荷動(dòng)力學(xué)。近年來(lái)，只有少量文獻(xiàn)對(duì)交流電壓下空間電荷進(jìn)行報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的之ー是提供ー種改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流或直流電壓下的空間電荷的實(shí)時(shí)測(cè)量。本發(fā)明的目的之ニ是提供一種改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量方法。本發(fā)明的目的之一是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的所述系統(tǒng)包括脈沖發(fā)生器、Eclipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器、PEA測(cè)量単元、信號(hào)發(fā)生裝置和處理主機(jī)；所述脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生TTL觸發(fā)信號(hào)至Ecl ipse信號(hào)平均控制器，所述Ecl ipse信號(hào)平均控制器接收TTL觸發(fā)信號(hào)后，觸發(fā)輸出啟動(dòng)信號(hào)至高壓脈沖發(fā)生器，所述高壓脈沖發(fā)生器輸出高壓脈沖至PEA測(cè)量單元；所述信號(hào)發(fā)生裝置用于輸出電壓信號(hào)至PEA測(cè)量單元，所述PEA測(cè)量單元輸出PEA信號(hào)至Eclipse信號(hào)平均控制器，PEA信號(hào)通過(guò)Eclipse信號(hào)平均控制器采集和數(shù)字化后輸出至處理主機(jī)；在Eclipse產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)以后，系統(tǒng)將會(huì)連續(xù)性地采樣被測(cè)試品的電壓信號(hào)，采樣間隔由時(shí)鐘與Eclipse產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)共同決定；采用連續(xù)采樣，不斷得到的新的采樣信號(hào)點(diǎn)將與先前掃描得到的已知點(diǎn)對(duì)比并合成為完整的被測(cè)試品的采樣記錄。進(jìn)ー步，所述信號(hào)發(fā)生裝置為直流電源和/或交流信號(hào)發(fā)生裝置，所述交流信號(hào) 發(fā)生裝置包括函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器，通過(guò)函數(shù)發(fā)生器對(duì)脈沖發(fā)生器和高壓放大器二者同時(shí)施加觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高壓脈沖和交流信號(hào)輸入，所述脈沖發(fā)生器、Eclipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器和放大后的高壓都施加于PEA系統(tǒng)的測(cè)量室中；進(jìn)ー步，所述脈沖發(fā)生器采用頻率低于3kHz、窄脈沖寬度在300ns和Ius之間、脈沖幅度在3V以上的HP8180脈沖發(fā)生器；進(jìn)ー步，所述高壓脈沖發(fā)生器采用固態(tài)開(kāi)關(guān)的超快速高壓晶體管，能產(chǎn)生最高為4kV、窄脈沖寬度為5ns的高壓，最高轉(zhuǎn)換頻率為3kHz ；本發(fā)明的目的之ニ是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
該改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量方法，采用現(xiàn)有的PEA測(cè)量單元作為基本部件，通過(guò)Ecl ipse信號(hào)平均控制器觸發(fā)啟動(dòng)高壓脈沖發(fā)生器，提供高壓脈沖至PEA測(cè)量単元，同時(shí)還通過(guò)信號(hào)發(fā)生裝置輸出電壓信號(hào)至PEA測(cè)量單元，在兩者的共同作用下，所述PEA測(cè)量單元輸出PEA信號(hào)至Eclipse信號(hào)平均控制器，PEA信號(hào)通過(guò)Eclipse信號(hào)平均控制器采集和數(shù)字化后輸出至處理主機(jī)。進(jìn)ー步，在Eclipse觸發(fā)產(chǎn)生以后，一系列的數(shù)字電壓采樣用于組成連續(xù)的掃描，采樣時(shí)鐘與觸發(fā)輸出信號(hào)之間的時(shí)間為采樣間隔，不斷送來(lái)掃描信號(hào)的結(jié)果樣本點(diǎn)與先前掃描得到的已知點(diǎn)交織在一起產(chǎn)生完整記錄；進(jìn)ー步，所述信號(hào)發(fā)生裝置為直流電源和/或交流信號(hào)發(fā)生裝置，所述交流信號(hào)發(fā)生裝置包括函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器，通過(guò)函數(shù)發(fā)生器對(duì)脈沖發(fā)生器和高壓放大器二者同時(shí)施加觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高壓脈沖和交流信號(hào)輸入，所述脈沖發(fā)生器、Eclipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器和放大后的高壓都施加于PEA系統(tǒng)的測(cè)量室中；進(jìn)ー步，所述脈沖發(fā)生器采用頻率低于3kHz、窄脈沖寬度在300ns和Ius之間、脈沖幅度在3V以上的HP8180脈沖發(fā)生器；進(jìn)ー步，所述高壓脈沖發(fā)生器采用固態(tài)開(kāi)關(guān)的超快速高壓晶體管，能產(chǎn)生最高為4kV、窄脈沖寬度為5ns的高壓，最高轉(zhuǎn)換頻率為3kHz。本發(fā)明的有益效果是I.本發(fā)明主要對(duì)PEA測(cè)量方法進(jìn)行了創(chuàng)造性的改進(jìn)，使PEA測(cè)量設(shè)備信號(hào)處理能カ加強(qiáng)，捕捉快速運(yùn)動(dòng)電荷能力增強(qiáng)(部分快速運(yùn)動(dòng)電荷，以前很難捕捉其信息，這樣喪失掉很多信息)，從而更為真實(shí)地反映被測(cè)介質(zhì)內(nèi)部空間電荷的變化規(guī)律；2.本發(fā)明的系統(tǒng)采用了高達(dá)3kHz的脈沖發(fā)生器并采取Eclipse高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)信號(hào)，測(cè)量時(shí)間明顯縮短，并在高頻和低頻電壓下都能獲得很好的相位分辨率，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電壓作用下的空間電荷進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。同時(shí)空間電荷衰減圖形更能逼真的反應(yīng)電荷動(dòng)態(tài)變化；本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書和權(quán)利要求書來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖I為電聲脈沖法測(cè)量空間電荷的基本原通不意圖；圖2為常用的PEA測(cè)量單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有的舊式交流PEA測(cè)量系統(tǒng)模塊連接示意圖；圖4為波形特征點(diǎn)方法和脈沖序列演示圖；圖5為基于Eclipse的直流PEA測(cè)量系統(tǒng)的模塊連接示意圖；圖6為基于Eclipse的交流PEA測(cè)量系統(tǒng)模塊連接示意圖；圖7為新交流PEA系統(tǒng)的脈沖控制示意圖；圖8為交流電壓下的LDPE樣品的空間電荷分布示意圖；圖9為新系統(tǒng)短路下12s內(nèi)的空間電荷分布示意圖；圖10為交流IHz下空間電荷分布示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說(shuō)明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。電聲脈沖法測(cè)量空間電荷的基本原理如圖I所示，圖中，Ud。為極化電壓；R為限流電阻；C為隔離電容，在聚集有空間電荷P (z)的戒指上外加一高壓窄脈沖電場(chǎng)ep (t)，高壓脈沖電場(chǎng)與界面電場(chǎng)及空間電荷相互作用，產(chǎn)生瞬態(tài)電機(jī)械應(yīng)カ，發(fā)出應(yīng)力波P (t)，傳遞函數(shù)為h(z)的壓電傳感器接收應(yīng)カ波信號(hào)感應(yīng)處電荷q(t)并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)Us (t)，通過(guò)對(duì)該電壓信號(hào)分析可得出空間電荷密度分布。根據(jù)電聲脈沖法原理，常用的PEA測(cè)量單元如圖2所示，圖中，匹配電阻Rl等于同軸電纜的波阻抗；限流電阻R2約為1ΜΩ ;電容Cl用于隔離高壓直流偏壓和陡脈沖發(fā)生器，電容值為250pF。電極材料為金屬鋁，式樣兩側(cè)涂有半導(dǎo)體硅油，為防止試樣高壓化時(shí)出現(xiàn)表面放電及電暈放電，使用環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄填充上電扱，放大電路板將聲吸收橡膠及PVDF壓電傳感器固定于屏蔽殼內(nèi)。圖3為老式的交流電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)的原理圖。交流(AC)條件下的空間電荷測(cè)量需要仔細(xì)考慮所加電壓與所測(cè)量到的空間電荷密度之間的關(guān)系。在函數(shù)發(fā)生器的控制下，該系統(tǒng)可以測(cè)量頻率1Ηζ-50Ηζ交流電壓下低密度聚こ烯(LDPE)和交流聚こ烯(XLPE)薄膜的空間電荷分布。脈沖發(fā)生器是決定系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)快慢的關(guān)鍵因素。脈沖發(fā)生器脈沖寬度為2ns，幅值為600V，給系統(tǒng)提供了非常好的空間分辨率，脈沖發(fā)生器使用的是工作頻率為500Hz的機(jī)械繼電開(kāi)關(guān)?？臻g電荷密度信號(hào)傳輸至電子示波器求均值獲得信噪比較高的空間電荷信號(hào)。在該老式系統(tǒng)中，施加的AC電壓與觸發(fā)高壓脈沖的測(cè)量控制是通過(guò)在波形特征點(diǎn)(P.o.w)的方法實(shí)現(xiàn)的，如圖4(a)所示。對(duì)波形已確定點(diǎn)施加脈沖，就會(huì)產(chǎn)生與AC波形要求相位下幅值和極性一致的空間電荷密度。ー個(gè)周期內(nèi)可選擇點(diǎn)的個(gè)數(shù)是由脈沖發(fā)生器的轉(zhuǎn)換頻率和AC波形的頻率決定的。由于示波器和GPIB卡之間的數(shù)據(jù)傳輸速度很慢，定點(diǎn)波的ー個(gè)周期內(nèi)只能記錄一次數(shù)據(jù)集。在圖3中，m定義為測(cè)量ー個(gè)周期定點(diǎn)的數(shù)目，為使獲較的空間電荷信號(hào)的信噪比較好所需的平均數(shù)目。在對(duì)第一個(gè)定點(diǎn)完成N次(預(yù)期的平均值)測(cè)量后，將脈沖波的陡、波觸發(fā)相位移至下一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行N個(gè)周期的測(cè)量，直至最后ー個(gè)定點(diǎn)m。以上傳輸模式所描述的數(shù)據(jù)限制了ー個(gè)周期內(nèi)m的數(shù)目，因?yàn)槊}沖頻率和交流波頻率應(yīng)該滿足fpUlse<mfac。老系統(tǒng)的脈沖發(fā)生器頻率是500Hz。如果選擇50Hz的正弦波，最大定點(diǎn)數(shù)只能選10。例如兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)間的相位是36°。為了獲得較高的信噪比，平均需要100-500個(gè)數(shù)據(jù)。完成整個(gè)測(cè)量需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。例如對(duì)于5個(gè)定點(diǎn)的50Hz的交流波，完成500次測(cè)量需要20msX8X500 = 80s。由于獲得的空間電荷波形準(zhǔn)確度有限，所以長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量并不理想。這個(gè)問(wèn)題在高場(chǎng)強(qiáng)下更加明顯，因?yàn)樵嚻分械碾姾勺兓涌?。本發(fā)明提供了ー種新型的改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)不同的配置，該測(cè)量系統(tǒng)能夠完成交直流空間電荷測(cè)量。一、直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示，本實(shí)施例是用于直流空間電荷的測(cè)量，系統(tǒng)包括脈沖發(fā)生器、Eclipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器、PEA測(cè)量單元、信號(hào)發(fā)生裝置和處理主機(jī)；脈沖 發(fā)生器用于產(chǎn)生TTL觸發(fā)信號(hào)至Eclipse信號(hào)平均控制器，Eclipse信號(hào)平均控制器是用來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理的，用以產(chǎn)生更為穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，提高信號(hào)的處理能力，而穩(wěn)定的脈沖信號(hào)對(duì)于PEA的測(cè)試過(guò)程及其獲取更為準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果至關(guān)重要，直接影響最后結(jié)果。Eclipse信號(hào)平均控制器接收TTL觸發(fā)信號(hào)后，觸發(fā)輸出啟動(dòng)信號(hào)至高壓脈沖發(fā)生器，所述高壓脈沖發(fā)生器輸出高壓脈沖至PEA測(cè)量單元；信號(hào)發(fā)生裝置用于輸出電壓信號(hào)至PEA測(cè)量單元，所述PEA測(cè)量單元輸出PEA信號(hào)至Eclipse信號(hào)平均控制器，PEA信號(hào)通過(guò)Eclipse信號(hào)平均控制器采集和數(shù)字化后輸出至處理主機(jī)。與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，本裝置使用了特制的脈沖發(fā)生器，高壓脈沖發(fā)生器使用的是Behlke公司的固態(tài)開(kāi)關(guān)的超快速高壓晶體管，能產(chǎn)生最高為4kV、窄脈沖寬度為5ns的高壓，可用于高分辨率信號(hào)的PEA系統(tǒng)，其最高轉(zhuǎn)換頻率為3kHz。為了獲得短上升時(shí)間的脈沖(目前是I. 2ns)，開(kāi)關(guān)要置于負(fù)載附近以避免長(zhǎng)同軸電纜的寄生電感和寄生電容或阻抗不匹配。另外，新系統(tǒng)中使用的Eclipse信號(hào)平均控制器與用于觸發(fā)輸入和獲得合適的觸發(fā)脈沖的示波器不一樣。當(dāng)數(shù)據(jù)采集正在進(jìn)行吋，Eclipse的觸發(fā)輸出必須用于觸發(fā)PEA系統(tǒng)的。圖6所示的是直流測(cè)量的框圖，來(lái)自PEA系統(tǒng)的波形由Eclipse控制器采集和數(shù)字化。信號(hào)輸入端接收帶寬從直流到450MHz的信號(hào)。模擬輸入信號(hào)在加法放大器中累加，在加8位的ADC之前需加上12位的DAC，Eclipse觸發(fā)器用于PEA系統(tǒng)的高壓脈沖器的啟動(dòng)，之后將來(lái)自PEA測(cè)量室的重復(fù)輸出波形加到Eclipse輸入連接ロ。Eclipse允許2GHz的有效采樣率和500MHz (每個(gè)點(diǎn)2ns)的實(shí)時(shí)采樣時(shí)鐘，通過(guò)選取采樣間隔為O. 5ns、Ins和2ns的多次來(lái)組成ー個(gè)完整的掃描記錄。在Eclipse觸發(fā)產(chǎn)生以后，一系列的數(shù)字電壓米樣用于組成連續(xù)的掃描，采樣時(shí)鐘與觸發(fā)輸出信號(hào)之間的時(shí)間為采樣間隔。不斷送來(lái)掃描信號(hào)的結(jié)果樣本點(diǎn)與先前掃描得到的已知點(diǎn)交織在一起產(chǎn)生有效采樣率為IGHz(Ins)或2GHz (O. 5ns)的完整記錄。Eclipse觸發(fā)輸出用于觸發(fā)由FET開(kāi)關(guān)制成的高壓脈沖發(fā)生器。Eclipse產(chǎn)生的觸發(fā)速率太快(寬度60ns、幅值2. 5V、周期上限是I. 5us)，TTL突發(fā)的頻率應(yīng)和轉(zhuǎn)換頻率(對(duì)于HTS 50-08-UF是3kHz)的最大值匹配。在這種情況下，輸入到Eclipse控制器輸入端的信號(hào)需要能夠成功觸發(fā)Eclipse和控制用于觸發(fā)高壓脈沖發(fā)生器觸發(fā)輸出。本實(shí)施例中，TTL脈沖觸發(fā)到Eclipse是通過(guò)ー個(gè)頻率低于3kHz、窄脈沖寬度在300ns和Ius之間、脈沖幅度在3V以上的HP8180脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的。ニ、交流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)如圖6所示，直流PEA系統(tǒng)相比，脈沖的同步和交流波形是非常重要的。本實(shí)施例中，交流信號(hào)發(fā)生裝置包括函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器，通過(guò)函數(shù)發(fā)生器對(duì)脈沖發(fā)生器和高壓放大器二者同時(shí)施加觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高壓脈沖和交流信號(hào)輸入，脈沖發(fā)生器、Eclipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器和放大后的高壓都施加于PEA系統(tǒng)的測(cè)量室中。圖7所示的是PEA系統(tǒng)每?jī)蓚€(gè)組件之間的信號(hào)關(guān)系(為了便于理解，框圖中忽略了時(shí)延)，由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率為fac的信號(hào)在經(jīng)過(guò)高壓放大器之后加到PEA測(cè)量室中。高壓脈沖發(fā)生器的頻率為fpulse。m是每個(gè)周期用于測(cè)量所確定點(diǎn)的數(shù)目。N是施加到確定點(diǎn)的脈沖個(gè)數(shù)，也可以認(rèn)為是ー個(gè)交流波形周期的平均數(shù)集合。如圖8所述，兩者之間的關(guān)系是fpulse = NXmXfac,這與舊系統(tǒng)并不相同。N的平均數(shù)可由Eclipse的記錄 編號(hào)乘以采樣間隔(2ns，Ins和O. 5ns)來(lái)描述。例如O. 5ns間隔和10個(gè)記錄得到40個(gè)均值，因?yàn)檫@是Eclipse系統(tǒng)的交互條件。NXm的值取決于所選的fpulse和fac。例如，施加到PEA測(cè)量室的高壓脈沖頻率為2kHz，交流波形為10Hz，則每個(gè)周期四個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每ー個(gè)點(diǎn)取50個(gè)平均數(shù)。如果選取20個(gè)點(diǎn)，需要10個(gè)平均數(shù)，當(dāng)然，50個(gè)平均數(shù)不能夠得到較好的信噪比，所以需要更多個(gè)的周期。如果每個(gè)點(diǎn)選取20個(gè)周期來(lái)取均值，IOHz吋，完成20個(gè)測(cè)量點(diǎn)的200個(gè)均值需要2秒。這比使用P. O. W法完成IOHz下的200均值(200X0. 1X20 = 400s)快上很多。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)I.良好的相位分辨能力，能夠達(dá)到非常高的數(shù)據(jù)采集速率。對(duì)于低頻，如O. 5Hz，最大為3kHz的脈沖，ー個(gè)周期選20個(gè)點(diǎn)，200均值是可以完成的。這測(cè)量可在ー個(gè)周期內(nèi)完成。對(duì)于高頻，如50Hz，最大為3kHz的脈沖，ー個(gè)周期選20個(gè)點(diǎn)，3個(gè)平均值。為取到200個(gè)均值要測(cè)67個(gè)周期，需I. 34s。2.數(shù)據(jù)通過(guò)Eclipse控制器和PC之間的PCI連接速度得到大幅提升理論上最高可達(dá)25MBbytes/s, Eclipse記錄的長(zhǎng)度可以在512至262000點(diǎn)間選擇。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中厚度為50到200um的聚合物樣品，聲信號(hào)在兩極間的傳輸時(shí)間大約是25-lOOns。適合PEA輸出信號(hào)的捕獲。記錄長(zhǎng)度應(yīng)該少于1024點(diǎn)，這是由每個(gè)記錄的記錄時(shí)間和采樣間隔決定的，例如O. 512us的記錄、O. 5ns的間隔，則記錄點(diǎn)是1024或Ins得到512個(gè)點(diǎn)。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)包含3比持。由于高壓脈沖的最大頻率是3kHz，最大的PEA測(cè)量每秒取3000個(gè)數(shù)據(jù)。等效速率是3000X 1024X3 = 9. 3Mbytes/s，這比從PCI總線主控界面卡串行連接速率25Mbytes/s小得多。新、舊系統(tǒng)的測(cè)量及對(duì)比結(jié)果如下I.舊系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果在50Hz交流波上選取8個(gè)點(diǎn)(每個(gè)45° )，圖8所示的是多相位下LDPE樣品的空間電荷波形。取1000均值以獲得平滑的結(jié)果，總測(cè)量時(shí)間是160s。施加電壓的有效值是
3.5kv,600V的脈沖波寬度為2ns。在交流電壓下老化2小時(shí)后獲得結(jié)果，低電極區(qū)域出現(xiàn)了同極性電荷，能夠在高電極附近發(fā)現(xiàn)正電荷。2.新系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果
新系統(tǒng)最先用于測(cè)量直流電壓下的空間電荷分布。脈沖發(fā)生器的頻率選在2KHz。測(cè)量需要12s，60個(gè)系列的數(shù)據(jù)是和每個(gè)需要取400個(gè)均值的數(shù)據(jù)一起獲得的。圖9所示的曲線是從60數(shù)據(jù)中選取的。從電荷分布可以看出新的PEA系統(tǒng)像預(yù)期一祥工作。新PEA系統(tǒng)出色的性能可以看出電荷消散的平滑變化。新PEA系統(tǒng)能實(shí)時(shí)記錄空間電荷的動(dòng)態(tài)變化。圖10給出的是新系統(tǒng)下交流電壓試驗(yàn)的空間電荷圖形結(jié)果。施加到試品的交流電壓有效值是2. 8kV，頻率為1Hz。ー個(gè)周期(Is)內(nèi)選擇24個(gè)系列的數(shù)據(jù)。根據(jù)以下的表達(dá)式，姆個(gè)點(diǎn)的平均重復(fù)次數(shù)N大約是80。fac = 2kHz = NXmX fpulse ^ 80 X 24X IHz。為了便于區(qū)分，圖10所示的是從24個(gè)系列數(shù)據(jù)中選取了ー些典型的相位角。兩極的感生電荷說(shuō)明每一周期內(nèi)有非常好的相分辨率。極性反轉(zhuǎn)波形在低電極附近區(qū)域產(chǎn)生同極性電荷，該現(xiàn)象類似于圖8。
對(duì)比結(jié)果可知，由于新系統(tǒng)采用了高達(dá)3kHz的脈沖發(fā)生器并采取Eclipse高速數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)信號(hào)，測(cè)量時(shí)間明顯縮短，并在高頻和低頻電壓下都能獲得很好的相位分辨率，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電壓作用下的空間電荷進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗g和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括脈沖發(fā)生器、Eclipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器、PEA測(cè)量單元、信號(hào)發(fā)生裝置和處理主機(jī)； 所述脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生TTL觸發(fā)信號(hào)至Eclipse信號(hào)平均控制器，所述Eclipse信號(hào)平均控制器接收TTL觸發(fā)信號(hào)后，觸發(fā)輸出啟動(dòng)信號(hào)至高壓脈沖發(fā)生器，所述高壓脈沖發(fā)生器輸出高壓脈沖至PEA測(cè)量單元； 所述信號(hào)發(fā)生裝置用于輸出電壓信號(hào)至PEA測(cè)量單元，所述PEA測(cè)量單元輸出PEA信號(hào)至Eclipse信號(hào)平均控制器，PEA信號(hào)通過(guò)Eclipse信號(hào)平均控制器采集和數(shù)字化后輸出至處理主機(jī)； 在Eclipse產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)以后，系統(tǒng)將會(huì)連續(xù)性地采樣被測(cè)試品的電壓信號(hào)，采樣間隔由時(shí)鐘與Eclipse產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)共同決定；采用連續(xù)采樣，不斷得到的新的采樣信號(hào)點(diǎn)將與先前掃描得到的已知點(diǎn)對(duì)比并合成為完整的被測(cè)試品的采樣記錄。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)發(fā)生裝置為直流電源和/或交流信號(hào)發(fā)生裝置，所述交流信號(hào)發(fā)生裝置包括函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器，通過(guò)函數(shù)發(fā)生器對(duì)脈沖發(fā)生器和高壓放大器二者同時(shí)施加觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高壓脈沖和交流信號(hào)輸入，所述脈沖發(fā)生器、Eclipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器和放大后的高壓都施加于PEA系統(tǒng)的測(cè)量室中。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述脈沖發(fā)生器采用頻率低于3kHz、窄脈沖寬度在300ns和Ius之間、脈沖幅度在3V以上的HP8180脈沖發(fā)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述高壓脈沖發(fā)生器采用固態(tài)開(kāi)關(guān)的超快速高壓晶體管，能產(chǎn)生最高為4kV、窄脈沖寬度為5ns的高壓，最高轉(zhuǎn)換頻率為3kHz。
5.改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量方法，其特征在于所述方法采用現(xiàn)有的PEA測(cè)量單元作為基本部件，通過(guò)Eclipse信號(hào)平均控制器觸發(fā)啟動(dòng)高壓脈沖發(fā)生器，提供高壓脈沖至PEA測(cè)量單元，同時(shí)還通過(guò)信號(hào)發(fā)生裝置輸出電壓信號(hào)至PEA測(cè)量單元，在兩者的共同作用下，所述PEA測(cè)量單元輸出PEA信號(hào)至Eclipse信號(hào)平均控制器，PEA信號(hào)通過(guò)Eclipse信號(hào)平均控制器采集和數(shù)字化后輸出至處理主機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于在Eclipse觸發(fā)產(chǎn)生以后，一系列的數(shù)字電壓采樣用于組成連續(xù)的掃描，采樣時(shí)鐘與觸發(fā)輸出信號(hào)之間的時(shí)間為采樣間隔，不斷送來(lái)掃描信號(hào)的結(jié)果樣本點(diǎn)與先前掃描得到的已知點(diǎn)交織在一起產(chǎn)生完整記錄。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)發(fā)生裝置為直流電源和/或交流信號(hào)發(fā)生裝置，所述交流信號(hào)發(fā)生裝置包括函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器，通過(guò)函數(shù)發(fā)生器對(duì)脈沖發(fā)生器和高壓放大器二者同時(shí)施加觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)高壓脈沖和交流信號(hào)輸入，所述脈沖發(fā)生器、Eclipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器和放大后的高壓都施加于PEA系統(tǒng)的測(cè)量室中。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述脈沖發(fā)生器采用頻率低于3kHz、窄脈沖寬度在300ns和Ius之間、脈沖幅度在3V以上的HP8180脈沖發(fā)生器。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述高壓脈沖發(fā)生器采用固態(tài)開(kāi)關(guān)的超快速高壓晶體管，能產(chǎn)生最高為4kV、窄脈沖寬度為5ns的高壓,最高轉(zhuǎn)換頻率為3kHz。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改進(jìn)電聲脈沖法的交直流空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，包括脈沖發(fā)生器、Ecl ipse信號(hào)平均控制器、高壓脈沖發(fā)生器、PEA測(cè)量單元、信號(hào)發(fā)生裝置和處理主機(jī)；本發(fā)明的系統(tǒng)采用了高達(dá)3kHz的脈沖發(fā)生器并采取Eclipse高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)信號(hào)，測(cè)量時(shí)間明顯縮短，并在高頻和低頻電壓下都能獲得很好的相位分辨率，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流電壓作用下的空間電荷進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)空間電荷衰減圖形更能逼真的反應(yīng)電荷動(dòng)態(tài)變化。
文檔編號(hào)G01R29/24GK102654537SQ201210092690
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月31日
發(fā)明者周天春, 唐超, 徐志強(qiáng), 李嬌, 陳光輝 申請(qǐng)人:西南大學(xué)