专利名称：一种多试样表面电荷测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多试样表面电荷测量装置，属于电学参数测量技术领域。
背景技术：
随着高压输电电压等级的提高，要求绝缘材料承受的场强越来越高。研究表明在外施电压的作用下绝缘介质内部及表面会出现空间电荷与表面电荷。特别是对于直流特高压输电系统，极高的电场强度会使电荷积聚变得更为严重。固体绝缘材料中空间电荷的存在使原有的Laplace电场发生畸变，导致局部电场加强，从而引起绝缘老化，甚至可能会导致固体绝缘材料击穿。绝缘子表面电荷的存在有可能使绝缘子沿面闪络电压降低，使整个沿面放电进程加快，这会对绝缘设备，尤其是气体绝缘开关装置(Gas Insulated Switchgear, GIS)的绝缘性能构成威胁。因此，对与绝缘材料有关的电荷积聚问题进行研究有着非常重要的理论与实际意义。表面电荷测量技术是表面电荷研究的基�。杂诘缃橹什牧系母髦值缣匦�、机理和改性研究都有着重要的意义。表面电荷测量方法是表面电荷测量的基础。表面电荷的测量容易受到湿度、温度等外界因素的影响，而且也受到传感器结构的制约，不同的测量方法往往差异比较大。目前的表面电荷测量方法包括粉尘图法，静电探头法和基于pockels效应的光学测量方法。1.粉尘图法粉尘图法由Lichtenberg于1778年提出，其原理为利用某些带电固体粉剂在静电荷作用下的吸附效应对表面进行观测。测量时，要将粉尘均勻喷洒在已积聚电荷的介质表面，通过观察表面粉尘的集聚程度及颜色来判断该表面电荷的极性和分布情况。该方法通常作为其他测量方法的补充。其优点是方便、直观，缺点是不能准确测量表面电荷值，而且喷洒的过程中，可能会改变介质表面的电荷分布，从而改变介质表面本身的表面电荷状况。2.基于 Pockels 效应Kawasaki等人于1991年提出了基于Pockels效应的表面电荷测量方法，该方法是将透明的绝缘薄膜贴附在具有Pockels效应的晶体表面，晶体的另一面通过透明电极接地，薄膜表面电荷与接地极之间产生的电场与表面电荷密度成正比。根据Pockels效应，当一束偏振光穿过具有Pockels效应的晶体时，产生双折射的偏光相位差，该相位差与电场强度成正比。因此，利用光学元件将相位变化转换为光强的变化，并将光强度分布输入计算机处理，即可得到薄膜表面电荷的分布。Kumada等人研制了基于Pockels效应的表面电荷探头，该探头由非金属元件组成，以避免测量过程中与介质表面发生放电，且具有较高的测量精度和空间分辨率。3.静电探头法静电探头法是目前国际上表面电荷测量领域中使用较为广泛的方法。静电探头主要由内部感应导体和外部接地屏蔽保护层组成。测量时，将探头靠近待测介质表面并保持距离不变。介质表面的电荷会在感应导体上激发感应电压，通过测取该电压值即可获得表面电荷的相关信息。
静电探头法的原理最早由Davies于1967年提出，认为经典探头输出电压U与表面电荷密度P有如下的线性关系-.U = Mp，其中M成为标度系数。1984年，Pedersen通过理论推到证明介质表面电荷密度与探头感应电压之间存在复杂的非线性关系，由此引入了对标度系数计算方法的探讨。Ootera等人采用基于表面电荷法的三位电场计算对500KV 高压直流GIS支撑绝缘子的表面电荷分布进行测量，该方法需要探头和支撑绝缘子表面区域进行划分，计算量大，使表面电荷测量时间延长。同时，待测介质厚度、带电区域的面积、 探头介质表面距离距离等因素均可能对测量结果造成严重影响。此后，由Pedersen于1987 年提出并由Rerup等人在1996年实现的λ函数法较好的解决了标度系数问题。该方法实质是具有边界条件的泊松常数值计算问题，但其边界条件错误的解释了测量空间内的场源，因此λ函数法在使用上仍存在一定的问题。2000年，Takuma等人考察了直接电场计算法和λ函数法测量精度，提出取二者计算结果平均值的方法。2003年，Allen等人发表了基于分函数的表面电荷密度计算方法。其中，分函数的物理意义为介质表面单位电荷在静电探头上感应电压值。通过模拟电荷法计算得到探头的分函数，即可推算相应的表面电荷密度。Allen和Faircloth采用分函数方法对冲击电压下聚四氟乙烯表面电荷分布情况进行测量，获得较好效果，2004年，Kumada等人采用傅里叶变换和维纳滤波技术进一步解决标度系数问题。该方法将空间中的电场方程矩阵通过傅里叶变换转化至频域中，将原来的矩阵逆运算转化成频域中的除法运算和傅里叶逆变换，从而避免了繁杂的矩阵运算，提高了计算速度。Kumada等人基于该法对冲击电压下针板电极结构中介质表面的点和分布进行测量，获得了较好的电荷分辨率。 尽管电场数值计算可以在一定程度上解决标度问题，但对于新的待测电极绝缘子系统，必须重新划分计算区域，降低了上述算法的普适性。此外，探头结构对精确电场计算结果有较大影响，限制了上述方法在电荷测量中的应用。Yashima等人研究指出，对于表面平坦的薄片状绝缘介质，若其厚度较小(小于5mm)，则采用线性标度方法和采用电场计算标度方法获得的电荷分部信息具有较好的一致性。因此，当考察表面电荷的分布规律及影响因素，对不同条件下的实验结果进行横向比较时，采用线性标度方法比较适用。许多文献分别基于线性标度方法考察了真空中聚合物材料表面电荷分布和六氟化硫气体中冲击电压下介质表面电荷的积累特性，验证了线性标度方法的有效性。综上所述，目前常见的表面电荷的测量方法主要有粉尘图法，静电探头法和基于 pockels效应的光学测量方法等多种测量方法。以上测量手段均无法较为方便地对多块绝缘体表面电荷同时进行观察和研究，因此很难在相同温湿度等条件下同时对多块绝缘体表面电荷的生成和行为特性进行解释。静电探头法虽具有显著的优点，但精度高探头的价格较高，因此用一个探头同时测量多块试样的方法是一种比较实用的方法。本发明基于静电探头法，以圆板型试样为例设计了一套可以同时对多块绝缘体表面电荷进行观察的系统， 为多块电介质表面电荷的准确测量提供了一种新的测量手段。
发明内容
为了克服现有表面电荷的测量方法对于多块试样必须逐一测量，耗费时间周期较长，期间的温湿度容易发生变化，从而对于测量结果无法进行准确比对的缺陷，本发明提供一种能够实现在相同的温湿度条件下进行多试样表面电荷快速测量的装置。本发明的技术
4方案如下一种多试样表面电荷测量装置，包括绝缘支架(9)，放置在绝缘支架(9)上的绝缘板0)，绝缘板( 用于放置多个试样，静电电位计(10)及与其相连的静电探头(5)，其特征在于，所述的装置还包括静电探头绝缘支撑架、轮带(3)、步进电机以及及受步进电机驱动并带动轮带C3)转动的轮轴(7)，静电探头(5)固定在静电探头绝缘支撑架(4)上， 用于测量放置在绝缘板( 上的待测试样的表面电荷，静电探头绝缘支撑架(4)与绝缘支架(9)之间相接触的部位分别开设有相互配合的滑槽和棱边，静电探头绝缘支撑架(4)通过轮带连接头(8)与轮带相连接，能够随着轮带的转动而沿着绝缘支架(9)滑动。本发明的优点和有益效果①采用多试样自动测量系统可以节约时间，便于节省人力物力；②采用轮带定点测量，精准无误差，提高测量的可靠性和准确性；③试样的个数可以随意设置，试样的厚度可以任意调节，方便快捷；④实验装置简便耐用，测量结果更可靠、简洁。
图1是本发明的试样放置位置与装置俯视图。图1中的符号表示被测绝缘试样 1 ；绝缘板2 ；轮带3 ；静电探头绝缘支撑架4 ；静电探头5。图2是本发明的装置侧面结构图。图2中的符号表示被测绝缘试样1 ；绝缘板2 ； 轮带3 ；静电探头绝缘支撑架4 ；静电探头5 ；探头测量标记点6 ；轮轴7 ；静电探头绝缘支撑架与轮带连接头8 ；绝缘支架9 ；静电电位计10 ；PC机11。
图3测量4种不同类型的环氧树脂材料得到的表面电荷密度实验数据。 图4测量8种不同类型的聚乙烯材料得到的表面电荷密度实验数据。
具体实施例方式如图1、2所示，本发明的主要目的在于实现多试样全自动测量表面电荷的功能， 实现对表面电荷的短时间同时的测量，并能实现温湿度条件相一致的作用。本发明的目的可以通过以下措施来达到本发明的多试样表面电荷测量装置，其主要包含有静电电位计10、静电探头5、静电探头支撑架4、轮带3、绝缘支架9和PC机11等。本发明通过静电探头采集对应标记点表面电荷值，并将采集到的信号输入静电电位计，然后转换成数字信号， 再经过PC机读取并记录数据，从而实现对多试样表面电荷全自动测量的目的。本发明的表面电荷测量装置，绝缘支架9的两侧开设有滑槽(图中未画出)，静电探头绝缘支撑架4与绝缘支架9相接触的部位设置有与滑槽相互配合的棱边(图中未画出)，静电探头绝缘支撑架4能够沿着滑槽在绝缘支架9上滑动。静电探头绝缘支撑架4与轮带连接头8的连接方式为静电探头绝缘支撑架4与轮带的上层轮带直接紧密连接，与轮带的下层轮带配合并滑动配合(并未直接相连)。静电探头5固定在静电探头绝缘支撑架 4的上表面中间的孔中，静电探头绝缘支撑架4随着轮带的转动而对应平动。绝缘支架9为整个装置的支撑支架。本实施例的静电探头5采用TREK-6000B-5C，测量时探头距离试样表面的距离为 3mm ；所述静电电位计10采用TREK-347-3HCE，可以提供士3V的测量精度和3mm空间分辨率；步进电机、轮带3与轮轴7为相互配合的高精度步进电机、同步轮带和同步带轮，该步进电机型号为57mm系列两相混合式步进电机(转矩为0. 6N/m)，轮带为聚氨酯同步轮带(传动效率高，适合于高负荷，高频率下使用)，轮轴是与同步轮带对应的同步轮轴(由钢，铝合金，铸铁，黄铜，塑料等材料制造)。其中步进电机的步进距离可以根据试样测量标记点位置的变化来对应设定。具体测量步骤如下1.将试样1的中心点对准标记点6依此摆放在绝缘板2上；2.轮轴7由电机控制，电机的开启由继电器控制，提前根据两块试样间距离和�？勘昙堑�6设置继电器的开启控制时间，并设定测量周期时间；3.连接好PC机11与静电探头电位计10以及探头7等装置，并准备由PC机11自动记录数据；4.启动电机带动轮轴7转动带动轮带3，并由PC机11顺序记录试样的表面电荷的数据；5.当轮轴7带动轮带3至始端/末端试样时，迅速反相转动并测量；6.重复以上步骤至试样的表面电荷为零或某设定值；7.根据测量时间的设置，定时关闭测量装置。本发明提供的绝缘材料表面电荷分布的自动测量系统，能够有效快速适时的测量多块绝缘材料的表面电荷。实施实例1 采用上述实验步骤，测量4种不同类型的环氧树脂材料得到的表面电荷密度实验数据如图3所示。其中，探头在每块试样上的停留时间是0.2s，一次循环所需时间0. 8s,总测试时间是60min。实验在室温、相对湿度40%的条件下进行。首先对材料表面进行充电。充电结束后，关闭高压电源，撤去针电极，将连接于静电电位计(Trek-347-3HCE) 的Kelvin型振动式探头放置于试样上方3mm处，测量其表面电位。表面电荷密度可根据如下式(1)计算，⑴其中，σ为表面电荷密度，％为表面电位，d为试样厚度，￡(1、、分别为真空介电常数和试样的相对介电常数。实施实例2 采用上述实验步骤，测量8种不同类型的聚乙烯材料得到的表面电荷密度实验数据如图4所示。其中，探头在每块试样上的停留时间是0. 5s，一次循环所需时间 4s，总测试时间是60min。实验在室温、相对湿度50%的条件下进行。首先对材料表面进行充电。充电结束后，关闭高压电源，撤去针电极，将连接于静电电位计(Trek-347-3HCE)的 Kelvin型振动式探头放置于试样上方3mm处，测量其表面电位。利用公式(1)可以得到图 4。
权利要求
1. 一种多试样表面电荷测量装置，包括绝缘支架(9)，放置在绝缘支架(9)上的绝缘板 0)，绝缘板( 用于放置多个试样，静电电位计(10)及与其相连的静电探头(5)，其特征在于，所述的装置还包括静电探头绝缘支撑架、轮带(3)、步进电机以及及受步进电机驱动并带动轮带C3)转动的轮轴(7)，静电探头(5)固定在静电探头绝缘支撑架(4)上，用于测量放置在绝缘板( 上的待测试样的表面电荷，静电探头绝缘支撑架(4)与绝缘支架(9) 之间相接触的部位分别开设有相互配合的滑槽和棱边，静电探头绝缘支撑架(4)通过轮带连接头(8)与轮带相连接，能够随着轮带的转动而沿着绝缘支架(9)滑动。
全文摘要
本发明属于电学参数测量技术领域，涉及一种多试样表面电荷测量装置，包括绝缘支架，绝缘板，静电电位计及与其相连的静电探头，其特征在于，所述的装置还包括静电探头绝缘支撑架、轮带、步进电机以及及受步进电机驱动并带动轮带转动的轮轴，静电探头固定在静电探头绝缘支撑架上，用于测量放置在绝缘板上的待测试样的表面电荷，静电探头绝缘支撑架与绝缘支架之间相接触的部位分别开设有相互配合的滑槽和棱边，静电探头绝缘支撑架通过轮带连接头与轮带相连接，能够随着轮带的转动而沿着绝缘支架滑动。本发明能够实现在相同的温湿度条件下进行多试样表面电荷快速测量。
文档编号G01R29/00GK102520259SQ20111040721
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者刘勇, 张纪伟, 杜伯学, 胡文佳, 高宇 申请人:天津大学
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