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脈沖電聲法(PEA)直流或交流場下的空間電荷測量系統(tǒng)的工作原理是什么？

閱讀：732 發(fā)布時(shí)間：2024/10/16

脈沖電聲法(PEA)直流或交流場下的空間電荷測量系統(tǒng)的工作原理是什么？

產(chǎn)品介紹：

電聲脈沖法是一種無損的空間電荷測量技術(shù)。它用于描述聚合物絕緣材料內(nèi)部的空間電荷分布、積累及其整體行為。空間電荷觀測正在成為評估直流絕緣應(yīng)用(尤其是高壓電纜)中的聚合物材料測試時(shí)，使用較廣泛的技術(shù)。實(shí)際上，經(jīng)過充分的評估，空間電荷的存在是導(dǎo)致高壓直流聚合物電纜過早失效的主要原因，而且也是防止此類電纜快速劣化的主要原因。而且，已經(jīng)表明可以通過空間電荷測量來診斷在使用應(yīng)力下的絕緣劣化。但是，仍然缺少由空間電荷測量并且也與絕緣體的電氣性能有關(guān)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，來幫助總結(jié)和解釋。

工作原理：

在絕緣材料樣品的電極之間施加周期性的高壓脈沖。這種脈沖的特點(diǎn)是上升時(shí)間很快，持續(xù)時(shí)間很短。絕緣材料的試樣也要經(jīng)受高壓直流電(等級取決于試樣的厚度和形狀)，這會(huì)導(dǎo)致絕緣材料層中的空間電荷積聚。每個(gè)脈沖產(chǎn)生的電場擾動(dòng)絕緣材料中的內(nèi)部電荷。這些電荷在每一層都產(chǎn)生相應(yīng)的聲壓波。壓電傳感器器檢測聲波，利用傳感器信號(hào)獲得空間電荷分布。為了描述空間電荷分布及其時(shí)間特性，可以對施加每個(gè)高壓脈沖后檢測到的此類信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)分析。目前，絕大多數(shù)的電聲脈沖法(pulsed electro- acoustic method，PEA)空間電荷測量裝置均使用β相的聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)有機(jī)聚合物薄膜作為壓電傳感器。在溫度低于 90℃時(shí)，PVDF才能保持其壓電性能穩(wěn)定。在 70℃~90℃范圍內(nèi)，其壓電應(yīng)變常數(shù)(d33)隨溫度升高反而減小。因此，現(xiàn)有的絕大多數(shù)空間電荷測量只在 70℃以內(nèi)進(jìn)行。日本武藏工業(yè)大學(xué)Tatsuo Takada教授的課題組采用過鈮酸鋰(LiNbO3)壓電元件，開發(fā)了適用于高溫(可高達(dá)150℃)時(shí) PEA 法空間電荷測量裝置。由于加工工藝和成本的限制，很難獲得厚度小于50μm的LiNbO3 壓電晶片。與 PVDF等有機(jī)聚合物傳感器相比，雖然無機(jī)晶體LiNbO3適用溫度高，并且聲波透射系數(shù)大(以鋁板作為下電極時(shí))，但是壓電電壓常數(shù)小、性能綜合評價(jià)系數(shù)低、難加工成很薄的壓電晶片。本文選擇新型耐高溫共聚物壓電傳感器、重新設(shè)計(jì)電極系統(tǒng)，開發(fā)了適用于高溫下(≤110℃)的PEA 法空間電荷測量系統(tǒng)，分析了溫度對壓電傳感器性能、聲信號(hào)的傳播特性和穿過介質(zhì)特性的影響，得出了對放大器輸出的電壓信號(hào)和空間電荷密度值的影響因素，進(jìn)而校正了溫度對 PEA 測量系統(tǒng)的影響。利用建立的高溫 PEA 法空間電荷測量系統(tǒng)，測量了純環(huán)氧試樣在不同溫度下空間電荷產(chǎn)生、積聚及消散的特性。

主要技術(shù)指標(biāo)：

指標(biāo)	參數(shù)	指標(biāo)	參數(shù)
空間分辨率（縱向）	小于10μm	直流源	輸出電壓0~±20 kV 輸出電流3 mA 可編程控制
測量靈敏度（最小檢測量）	0.2 uC/cm3	直流源	輸出電壓0~±20 kV 輸出電流3 mA 可編程控制
輸入電壓	DC 30 kV	PEA信號(hào)測量單元	放大單元帶寬達(dá)1 GHz
脈沖電源	輸出電壓0~1 kV 脈寬5 ns~200 ns階梯可調(diào) 脈沖重復(fù)頻率最高可達(dá)30 kHz	增益	40 dB
脈沖電源	輸出電壓0~1 kV 脈寬5 ns~200 ns階梯可調(diào) 脈沖重復(fù)頻率最高可達(dá)30 kHz	響應(yīng)時(shí)間	20 us