电导电流与空间电荷的同步测量装置的制作方法

本发明涉及固体电介质材料性能测试技术领域，特别涉及一种电导电流与空间电荷的同步测量装置。

背景技术：

目前，电声脉冲法空间电荷测量技术已成为国内外研究绝缘材料空间电荷特性的通用技术之一。该技术可应用于交流、直流电场条件下材料内部空间电荷分布特性的研究，包括空间电荷的注入、迁移、积聚和消散等动态演变过程，分析材料内部电荷的起源机制、迁移规律，以及空间电荷与材料电导、局部放电、击穿、老化等绝缘性能的相互影响规律和内在作用机制。

电导电流能够反映载流子输运过程的许多微观特性，如载流子注入、电荷入陷和脱陷、电导机制、陷阱载流子密度、电老化阈值等，被广泛用于研究半导体和电介质材料的电荷输运过程。相较于空间电荷理论，电导理论发展更早，理论体系更成熟，在半导体和聚合物绝缘材料等多领域已得到更为广泛的应用与发展。电导电流与空间电荷的联合测量，有助于阐明空间电荷研究中诸多尚不清楚的重要问题，如空间电荷包迁移对材料电导率的影响、陷阱特性与空间电荷的相互关联性、空间电荷抑制与电导率调控的相互平衡性等。

然而，现有电导电流—空间电荷联合测量技术存在的问题有：(1)非同步测量；(2)四电极结构使得电导电流和空间电荷测量区域不同，两种信号的等效性有待验证；(3)电导电流精度低，仅能实现μA量级或nA量级；(4)高压端提取电导电流信号存在操作安全问题，且电导电流过大或过小均会影响测量精度。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种电导电流与空间电荷的同步测量装置，该装置可以同步测量电导电流信号和空间电荷信号，提高测量的可靠性。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种电导电流与空间电荷的同步测量装置，包括：金属外电极，用于屏蔽被测试样上的表面电流；高压金属电极，用于向所述被测试样施加高压直流电压和高压脉冲；绝缘隔板，用于隔离所述被测试样的体电流和表面电流；中心金属电极，用于同时引出一根信号线传输电导电流信号；绝缘片，所述绝缘片的声阻抗与所述中心金属电极相匹配，用于对所述电导电流信号和空间电荷信号进行剥离，以同步测量所述电导电流信号和所述电荷信号；压电传感器，所述压电传感器为90°弯折的压电传感器结构，用于利用压电效应将所述高压脉冲对所述空间电荷信号作用产生的声波信号转换为电压信号，以使被测试样在同一区域同步提取所述电导电流信号和所述空间电荷信号。

本发明实施例的电导电流与空间电荷的同步测量装置，通过选用与中心金属电极的声阻抗相匹配的绝缘片，实现了电导电流信号和空间电荷信号的有效剥离，可同步开展电导电流信号和空间电荷信号的测量，并且电导电流信号和空间电荷信号均来源于试样同一区域(包括表面与体内)，并消除了表面电流的干扰，测试结果更可靠，不但提高了测量的可靠性，而且简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的电导电流与空间电荷的同步测量装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：接地金属屏蔽罩；绝缘树脂，所述绝缘树脂浇注并固定于所述接地金属屏蔽罩内，用于固定和封装多个元器件。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：绝缘支撑块，用于支撑所述高压金属电极，并且使所述高压金属电极和所述接地金属屏蔽罩相互绝缘；半导电层，用于减小声波在所述被测试样的上表面的反射，并模拟电力电缆内绝缘中半导电层结构。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：金属固定环，用于定位所述接地金属屏蔽罩；接地，用于为电导电流提供通路，且提供稳定的零电位。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：脉冲绝缘套管；脉冲导电杆，用于引入所述高压脉冲到所述高压金属电极；高压电容，用于隔离所述直流电压并通过所述高压脉冲；直流绝缘套管；直流导电杆，用于引入直流高电压到所述高压金属电极。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：还包括：接地金属板；声波吸收块，用于吸收从所述压电传感器穿过的声波，以防止所述声波反射而干扰所述空间电荷信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：绝缘护套；椭球型电极，用于输出所述空间电荷信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：金属电极，用于传输所述压电传感器产生的所述空间电荷信号；金属固定壳，用于屏蔽电磁干扰。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：信号线；信号接线端口；金属屏蔽壳，用于屏蔽环境中电磁干扰。

进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括：瞬态二极管，在所述被测试样发生击穿时，用于保护微电流计，以抑制击穿过程可能产生的瞬态过电压；信号放大器，用于放大所述压电传感器产生的电压信号。

本发明实施例的电导电流与空间电荷的同步测量装置，通过在电流支路上并联一对正反接的瞬态二极管，消除了试样击穿时微电流计受到的过电压威胁。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的电导电流与空间电荷的同步测量装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的压电传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的电导电流与空间电荷的同步测量装置。

该电导电流与空间电荷的同步测量装置包括：金属外电极、高压金属电极、绝缘隔板、中心金属电极、绝缘片和压电传感器。

其中，金属外电极用于屏蔽被测试样上的表面电流。高压金属电极用于向被测试样施加高压直流电压和高压脉冲。绝缘隔板用于隔离被测试样的体电流和表面电流。中心金属电极用于同时引出一根信号线传输电导电流信号。绝缘片的声阻抗与中心金属电极相匹配，绝缘片用于对电导电流信号和空间电荷信号进行剥离，以同步测量电导电流信号和电荷信号。压电传感器为90°弯折的压电传感器结构，压电传感器用于利用压电效应将高压脉冲对空间电荷信号作用产生的声波信号转换为电压信号，以使被测试样在同一区域同步提取电导电流信号和空间电荷信号。该装置可以实现电导电流信号和空间电荷信号的有效剥离，可同步开展电导电流信号和空间电荷信号的测量，提高了测量的可靠性。

可以理解的是，本发明实施例的电导电流与空间电荷的同步测量装置，通过选用与中心金属电极的声阻抗相匹配的绝缘片，实现了电导电流信号和空间电荷信号的有效剥离，可同步开展电导电流信号和空间电荷信号的测量，并且电导电流信号和空间电荷信号均来源于试样同一区域(包括表面与体内)，并消除了表面电流的干扰，测试结果更可靠，不但提高了测量的可靠性，而且简单易实现。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：接地金属屏蔽罩和绝缘树脂。其中，绝缘树脂浇注并固定于接地金属屏蔽罩内，用于固定和封装多个元器件。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：绝缘支撑块和半导电层。其中，绝缘支撑块用于支撑高压金属电极，并且使高压金属电极和接地金属屏蔽罩相互绝缘；半导电层用于减小声波在被测试样的上表面的反射，并模拟电力电缆内绝缘中半导电层结构。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：金属固定环和接地。其中，金属固定环用于定位接地金属屏蔽罩；接地用于为电导电流提供通路，且提供稳定的零电位。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：脉冲绝缘套管、脉冲导电杆、高压电容、直流绝缘套管和直流导电杆。其中脉冲导电杆用于引入高压脉冲到高压金属电极；高压电容用于隔离直流电压并通过高压脉冲；直流导电杆用于引入直流高电压到高压金属电极。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：接地金属板和声波吸收块。其中，声波吸收块用于吸收从压电传感器穿过的声波，以防止声波反射而干扰空间电荷信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：绝缘护套和椭球型电极。其中，椭球型电极用于输出空间电荷信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：金属电极和金属固定壳。其中，金属电极用于传输压电传感器产生的空间电荷信号；金属固定壳用于屏蔽电磁干扰。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：信号线、信号接线端口和金属屏蔽壳。其中，金属屏蔽壳用于屏蔽环境中电磁干扰。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置还包括：瞬态二极管和信号放大器。其中，在被测试样发生击穿时，瞬态二极管用于保护微电流计，以抑制击穿过程可能产生的瞬态过电压；信号放大器用于放大压电传感器产生的电压信号。

在本发明的实施例中，本发明实施例的装置，通过在电流支路上并联一对正反接的瞬态二极管，消除了试样击穿时微电流计受到的过电压威胁。

需要说明的是，本发明实施例的装置特别适用于高温、强电场等多物理场耦合工况下的空间电荷和电导电流暂态过程测量，并可集成快速动态、连续测量等功能，由于本发明实施例避免了异步测量中信号切换、信号稳定所必要的时间，大大拓展了电导电流—空间电荷联合测量装置的使用范围。简言之，本发明实施例适应了固体绝缘材料空间电荷和电导电流联合测量的发展趋势，为空间电荷测量技术的高性能化和多功能化的发展起到重要的推动作用。

下面以一个具体实施例对本发明实施例的装置进行详细描述。

在本发明的一个具体实施例中，本发明实施例的装置包括：接地金属屏蔽罩、绝缘树脂、绝缘支撑块、高压金属电极、半导电层、被测试样、金属固定环、接地、脉冲绝缘套管、脉冲导电杆、高压电容、直流导电杆、直流绝缘套管、接地金属板、中心金属电极、绝缘片、压电传感器、声波吸收块、椭球型电极、绝缘护套、金属外电极、绝缘隔板、金属电极、金属固定壳、信号线、信号接线端口、金属屏蔽壳、瞬态二极管和信号放大器。

其中，接地金属屏蔽罩为中空圆柱体，其下表面开口，上表面中心位置有一个未贯穿的半球形凹槽，用于固定接地金属屏蔽罩，侧面开有两孔分别供直流绝缘套管和脉冲绝缘套管穿过。

绝缘树脂浇注并固定于接地金属屏蔽罩内，其作用是固定和封装高压电容、高压金属电极等元器件，并使其相互绝缘。

绝缘支撑块位于高压金属电极正上方，在接地金属屏蔽罩倒置浇注绝缘树脂时，能够支撑高压金属电极，设备运行时使高压金属电极和接地金属屏蔽罩相互绝缘。

高压金属电极侧面分别与直流绝缘套管中的直流导电杆和脉冲绝缘套管中的脉冲导电杆相连，其上端与绝缘支撑块相连，下端表面包裹一层半导电层且与被测试样上表面接触，用于向被测试样施加高压直流电压和高压脉冲。

半导电层与高压金属电极紧密贴合，其作用是减小声波在被测试样上表面的反射并模拟电力电缆内绝缘中半导电层结构。

被测试样的上表面与半导电层接触，下表面与金属外电极及中心金属电极接触，被测试样的尺寸需大于金属外电极内径。

金属固定环固定在接地金属板上，用于定位接地金属屏蔽罩。

接地，其作用为电导电流提供通路、为压电传感器提供稳定的零电位以及防止人身伤害。

脉冲绝缘套管为圆柱中空长形结构，从接地金属屏蔽罩侧面穿过，一端没入绝缘树脂，其作用是将脉冲导电杆与接地金属屏蔽罩绝缘。

脉冲导电杆从脉冲绝缘套管中穿过，其作用是引入高压脉冲到高压金属电极。

高压电容封装于绝缘树脂中，连接脉冲导电杆与高压金属电极，用于隔离直流电压，并通过高压脉冲。

直流导电杆从直流绝缘套管中穿过，其作用是引入直流高电压到高压金属电极。

直流绝缘套管为圆柱中空长形结构，从屏蔽罩侧面穿过，一端没入绝缘树脂封装件中，其作用是将直流导电杆与接地金属屏蔽罩绝缘。

接地金属板上安装有金属固定环、金属外电极、绝缘隔板等元件。

中心金属电极上表面与被测试样表面紧密接触，下表面与绝缘片贴合，同时引出一根信号线传输电导电流信号。

绝缘片位于中心金属电极和压电传感器之间，其声阻抗与中心金属电极相匹配，用于剥离电导电流信号和空间电荷信号。

压电传感器一侧与绝缘片下表面以及金属外电极下表面相连，实现该侧接地以固定在零电位，另一侧与声波吸收块贴合，其作用是利用压电效应将高压脉冲对空间电荷作用产生的声波信号转换为电压信号。

声波吸收块紧贴在压电传感器下表面，用于吸收从压电传感器穿过的声波，防止声波反射而干扰空间电荷信号。

椭球型电极嵌于金属电极下端凹槽内，输出金属电极传来的空间电荷信号。

绝缘护套将金属电极与接地金属板隔离，保证金属电极上信号的传输。

金属外电极与中心金属电极、高压金属电极和绝缘隔板共同构成三电极法电导电流测量单元，其下端固定在接地金属板上，上表面与被测试样表面贴合，并环绕中心金属电极，用于屏蔽被测试样上的表面电流。

绝缘隔板位于中心金属电极与金属外电极之间，并与后两者紧密贴合，用于隔离被测试样的体电流和表面电流。

金属电极上端开口供声波吸收块嵌入，其侧面与90°弯折的压电传感器下表面相连接，上端右侧紧贴绝缘护套内表面，作用是传输压电传感器产生的空间电荷信号。

金属固定壳安装在接地金属板底部，用于屏蔽环境中的电磁干扰，防止电导电流及空间电荷信号测量过程引入干扰。

信号线用于电导电流信号和空间电荷信号的传输。

信号接线端口用于不同元件与信号线之间的连接与固定。

金属屏蔽壳安装于接地金属板下表面，作用是屏蔽环境中的电磁干扰。

瞬态二极管正反接且并联于电导电流支路，在被测试样发生击穿时保护微电流计，抑制击穿过程可能产生的瞬态过电压，而在正常测量过程中不动作。

信号放大器用于将压电传感器产生的电压信号放大，其输入端连接压电传感器信号输出端，输出端连接空间电荷信号接线端口。

在本发明的实施例中，分别采用三电极法与电声脉冲法测量电导电流与空间电荷信号，并通过立体的压电传感器安装方式实现电导电流信号与空间电荷信号在试样同一区域同步测量，因而测试结果能更有力地反映被测材料的电导电流特性与空间电荷特性之间联系。同时，瞬态二极管的引入提高了测量装置的安全性能。此外，本发明还可以在高温、强电场等工况下集成快速动态、连续测量等功能，具有很好的拓展性。

下面结合附图对本发明实施例的装置的工作原理进行详细描述。

如图1和图2所示，本发明实施例的装置包括：接地金属屏蔽罩1、绝缘树脂2、绝缘支撑块3、高压金属电极4、半导电层5、被测试样6、金属固定环7、接地8、脉冲绝缘套管9、脉冲导电杆10、高压电容11、直流导电杆12、直流绝缘套管13、接地金属板14、中心金属电极15、绝缘片16、压电传感器17、声波吸收块18、椭球型电极19、绝缘护套20、金属外电极21、绝缘隔板22、金属电极23、金属固定壳24、信号线25、信号接线端口26、金属屏蔽壳27、瞬态二极管28、信号放大器29。

工作时，图2中心金属电极15的中央位置滴适量硅油，将被测试样6置于滴有硅油的金属电极15表面。随后，将硅油滴于被测试样6表面的中央位置。然后安装高压电极装置，使高压金属电极4上的半导电层5与试样上表面紧密贴合。其中，硅油是为了消除接触面的气隙，改善声波传播效果。最后，施加所需的高压脉冲和高压直流电压，二者同时叠加在被测试样6上。

当试样内部存在空间电荷，其在高压脉冲作用下形成微小振动，从而产生声波。声波依次穿过被测试样6、中心金属电极15和绝缘片16作用在压电传感器17上。由于金属外电极21和接地金属板14相连，而接地金属板14通过接地8接地。因此，压电传感器17通过绝缘片16的隔离以及与金属外电极21的相连实现上表面电位固定为零电位，从而下表面的电位能够准确反映空间电荷振动引起的声波幅值和极性。随后，空间电荷信号经由压电传感器17弯折90°部分的下表面传输出去。与此同时，信号线25从中心金属电极15直接提取电导电流信号向外输出。

其中，通过将压电传感器17弯折90°的设计，配合绝缘片16，从而有效剥离两种信号，实现在被测试样6的同一区域同步提取空间电荷和电导电流信号。由于两者信号同步提取，其结果分析的等效性和准确性显著提升。同时，在电导电流信号线上并联正反接瞬态二极管以保护微电流计的设计，提高了测量装置的安全性能。此外，本发明实施例还可在高温、强电场环境下集成快速动态、连续测量等功能。

根据本发明实施例提出的电导电流与空间电荷的同步测量装置，用于固体电介质材料电导电流与空间电荷特性的研究，从而设计基于三电极结构，采用与中心金属电极声阻抗相匹配的绝缘片将电流信号和声波信号有效剥离，并利用90°弯折的压电传感器结构，实现在被测试样同一区域同步提取电导电流和空间电荷信号的目的，因而测量结果更精确，同时，电流信号支路上并联有正反接的瞬态二极管保护装置，避免微电流计在试样击穿时承受瞬态过电压，提高了测量装置的安全性能。此外，本发明实施例的测量装置的设计可拓展至高温、强电场等多物理场耦合工况下的测量，并可集成快速动态、连续测量等功能。本发明将为电导电流与空间电荷联合测量技术的发展提供重要的支持。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。