[發(fā)明專利]空間電荷?熱刺激電流的聯(lián)合分時測量裝置及其方法

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• 申請日: 2017-04-01
• 公開（公告）號: CN106908650A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王亞林;吳建東;尹毅
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R29/24;G01R31/00
• 代理公司: 上海交達專利事務(wù)所31201
• 代理人: 王毓理,王錫麟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種固體介質(zhì)物理測量領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種空間電荷-熱刺激電流的聯(lián)合分時測量裝置及其方法。

背景技術(shù)

固體電介質(zhì)材料在電力系統(tǒng)以及其他行業(yè)被廣泛使用，諸如聚乙烯絕緣電纜由于結(jié)構(gòu)輕便，運行溫度高及環(huán)境友好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于交直流系統(tǒng)的電力傳輸。然而在高壓直流電場下，聚合物非常容易積累空間電荷，從而造成電場畸變，伴隨著的熱電子發(fā)射和電機械能存貯與釋放等問題會加速絕緣劣化，大幅減少其使用壽命。因此對固體介質(zhì)的空間電荷測量一直是研究聚合物直流特性的有效手段。

熱刺激理論及其研究方法是在介質(zhì)物理與半導體物理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由于可以簡單有效的測量電介質(zhì)材料的微觀參數(shù)，逐漸引起了人們廣泛的重視，現(xiàn)已成為一種研究絕緣、半導體等材料的有效手段。引起熱刺激電流的電荷與介質(zhì)材料本身的電特性有密不可分的聯(lián)系。電介質(zhì)中自由電子很少，導電率很小。但在生產(chǎn)、加工制備過程中，電介質(zhì)中不可避免的存在著一定數(shù)量的陷阱。在一定的電場作用下，電極中的電子通過場致發(fā)射和場助熱發(fā)射注入到介質(zhì)導帶中。當注入的電子被介質(zhì)中的陷阱俘獲后就形成了空間電荷。這些空間電荷所形成的電場可使待測試樣內(nèi)的電場發(fā)生畸變，故空間電荷對介質(zhì)的電導和絕緣破壞都影響很大。而空間電荷與介質(zhì)材料內(nèi)部陷阱的深度和密度有密切的關(guān)系，因而熱刺激電流是評估電介質(zhì)內(nèi)部陷阱深度和密度的有效方法。

常見的空間電荷測量手段為電聲脈沖法(PEA)，其原理是對待測試樣施加脈沖電壓，待測試樣內(nèi)部如果有空間電荷會產(chǎn)生振動機械波，機械波傳遞到壓電傳感器時感應(yīng)出微電壓信號，再經(jīng)過寬頻放大器的放大就能夠被檢測記錄。一般待測試樣內(nèi)部的空間電荷是由施加在待測試樣上的高電壓產(chǎn)生的。

常見的熱刺激電流測試流程一般可以概括為三個階段，分別為極化階段、降溫階段和熱刺激階段：首先在等于或高于室溫的某一溫度下對被測待測試樣施加一定強度的高電壓一段時間；接著保持施加電壓不變，對待測試樣迅速降溫至零攝氏度以下某一溫度；最后將施加電壓降為零，按照一定的升溫速率對待測試樣進行線性升溫，同時記錄流過待測試樣的電流，該電流就被稱為熱刺激電流。由于空間電荷與熱刺激電流都并不隨著時間劇烈變化，因此可以采用分時測量的方法同步獲得兩者的特性而不造成有用信息的丟失。

空間電荷和陷阱能級密度是反映固體介質(zhì)電荷輸運特性的兩個相輔相成的參數(shù)。通過空間電荷和熱刺激電流的聯(lián)合測試，可以研究固體介質(zhì)中的各種缺陷的能態(tài)分布，分析局部電場以及各種松弛極化的機理。空間電荷和熱刺激電流譜的聯(lián)合測試能夠為聚合物納米復合介質(zhì)界面現(xiàn)象的研究提供支撐，支持直流輸電絕緣材料和關(guān)鍵裝備的研制，以及支持電工和電子領(lǐng)域多種功能電介質(zhì)材料和器件的研究與應(yīng)用。

而現(xiàn)今國內(nèi)外技術(shù)都是分別對空間電荷和熱刺激電流進行測量，由于兩次測量采用的是不同的待測試樣，測量結(jié)果之間數(shù)據(jù)相關(guān)性差，無法聯(lián)合共同分析。針對兩者的聯(lián)合測量根據(jù)可查資料，尚未有實現(xiàn)空間電荷與熱刺電流聯(lián)合測試技術(shù)的商業(yè)產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)由于壓電傳感器的電荷泄放造成的干擾以及由于溫度變化導致的測定結(jié)果不準確等缺陷，提出一種空間電荷-熱刺激電流的聯(lián)合分時測量裝置及其方法，采用上電極、下電極、保護極和電流測量極的四電極結(jié)構(gòu)和單刀雙擲開關(guān)對同一待測試樣的空間電荷和熱刺激電流進行分時測量，克服兩種測量之間的相互干擾及溫度控制，效果可靠。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種空間電荷-熱刺激電流的聯(lián)合分時測量裝置，包括：脈沖模塊、直流高壓模塊、電極模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，其中：脈沖模塊為電極模塊提供激勵源，用于將空間電荷信號轉(zhuǎn)化成振動信號；直流高壓模塊為電極模塊提供直流電場，用于極化待測試樣；電極模塊與脈沖模塊和直流高壓模塊分別相連，控制待測試樣的溫度并引出空間電荷信號與熱刺激電流；數(shù)據(jù)采集模塊接收電極模塊的空間電荷信號和熱刺激電流并儲存處理。

所述的脈沖模塊包括：串聯(lián)的納秒脈沖電壓源和耦合電容。

所述的直流高壓模塊包括：串聯(lián)的直流高壓源和限流電阻。