專利名稱：一種空間電荷分布的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測量固體電介質(zhì)材料，特別是功能性電介質(zhì)材料和電氣絕緣材料中的空間電荷分布的裝置。
至今為止，國內(nèi)外對固體電介質(zhì)材料，如功能性電介質(zhì)材料和電氣絕緣材料中空間電荷分布的測量所使用的裝置一共有兩種一種是采用激光壓力波法(PWP)所使用的裝置，另一種是采用電聲脈沖法(PEA)所使用的裝置。第一種PWP(用大功率激光器的壓力波法，也稱LIPP法)的裝置是采用大功率激光器作用于與之專門匹配的激光靶上，就有一個(gè)寬度很窄的壓力脈沖作用于所測電介質(zhì)材料的試樣上，該壓力脈沖在該試樣中以聲速級傳播，或稱為聲脈沖傳播，此時(shí)，該試樣的兩端的電路上就能產(chǎn)生感應(yīng)電荷，同時(shí)測量外電路上的開路電壓或者短路電流，就可以得到該試樣的空間電荷的分布。第二種PEA(電聲脈沖法)是用一個(gè)高壓電脈沖，作用于所測電介質(zhì)材料試樣的兩端電路上，該試樣的空間電荷受到該外加的高壓電脈沖作用，會(huì)產(chǎn)生微小的位移，該微小的位移會(huì)產(chǎn)生向兩邊傳播的聲信號(hào)，測量這個(gè)聲信號(hào)，也能知道該電介質(zhì)試樣的空間電荷分布情況。
但是，上述兩種方法所采用的裝置均存在著難以克服的缺點(diǎn)第一種PWP所用的裝置，雖然對待測試樣的性質(zhì)沒有影響，但該裝置中的大功率激光器價(jià)格昂貴，激光靶在測試過程中易受到破壞，不能在過高的重復(fù)頻率下測量，而且該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作和維護(hù)較困難，因此只能在實(shí)驗(yàn)室中使用，不能普及，更不能用于工程測量。第二種PEA所用的裝置，雖然因其測量部分和電、聲脈沖的產(chǎn)生是分開的，所以即便試樣被擊穿，測量部分也不會(huì)受到損害，但其外加的高壓電脈沖對試樣本身的空間電荷可產(chǎn)生了不可忽視的影響。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉、抗外界干擾強(qiáng)、不對待測試樣性能產(chǎn)生影響、并能在一個(gè)裝置上實(shí)現(xiàn)兩種測量方法的空間電荷分布的測量裝置。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的。它是由試樣測試腔、聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器、高速電信號(hào)發(fā)生器、高壓電信號(hào)發(fā)生器、高壓直流電源、高阻輸入放大器、低阻輸入放大器、示波器和計(jì)算機(jī)組成。由鋁棒和壓電薄膜組成的、能將聲、電互相轉(zhuǎn)換的聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器插入試樣測試腔上面的開口處，該聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器的頂端與高速電信號(hào)發(fā)生器及其阻抗轉(zhuǎn)換器連接，其中心垂線與試樣測試腔內(nèi)設(shè)有的試樣臺(tái)中心線重合，試樣臺(tái)上可放置不同厚度的、正反兩面固有試樣電極的試樣，試樣臺(tái)下固有試樣臺(tái)電極，該試樣臺(tái)電極與設(shè)置在試樣測試腔底部的絕緣臺(tái)之間設(shè)有彈簧，從而保證了試樣電極與試樣臺(tái)的良好電接觸；試樣臺(tái)電極分別與電阻和電容、以及設(shè)置在試樣測試腔兩側(cè)的接頭相連接、接頭可分別與高壓直流電源和高壓電信號(hào)發(fā)生器及其低阻輸入放大器相接插；試樣測試過程在起屏蔽作用的試樣測試腔與聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器內(nèi)部進(jìn)行，杜絕了測試時(shí)的外界干擾。
當(dāng)在本實(shí)用新型上采用PEA法測量試樣的空間電荷分布時(shí)，啟動(dòng)高壓電信號(hào)發(fā)生器發(fā)出電脈沖信號(hào)，此高壓電脈沖信號(hào)外加到試樣上時(shí)，產(chǎn)生了能反映出空間電荷分布的聲信號(hào)，此聲信號(hào)通過鋁棒傳播到壓電薄膜上，壓電薄膜將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)，電流信號(hào)通過鋁棒傳播到阻抗轉(zhuǎn)換器，將測得的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，再與高阻輸入放大器和數(shù)字示波器相連接，示波器將電壓信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，從計(jì)算機(jī)的設(shè)定程序可讀出所測試樣的空間電荷分布。
當(dāng)在本實(shí)用新型上采用PWP測量空間電荷分布時(shí)，啟動(dòng)高速電信號(hào)發(fā)生器，高速電信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的寬度很窄的壓力脈沖，該壓力脈沖通過聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器的鋁棒傳遞到壓電薄膜上，產(chǎn)生了脈寬很窄的聲脈沖，并在試樣中以聲脈沖形式傳播，此時(shí)試樣兩面的電極上就能產(chǎn)生感應(yīng)電荷(即電信號(hào))，這些電信號(hào)通過低阻輸入放大器，示波器輸入計(jì)算機(jī)，從計(jì)算機(jī)的設(shè)定程序中就能讀出所測試樣的空間電荷分布。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1．由于用高壓電信號(hào)發(fā)生器和聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器替代了大功率激光器和激光靶，所以在保證所測試樣的測量精度的前提下，該裝置的制造成本大大地降低。
2．由于本實(shí)用新型的裝置中用高速電信號(hào)發(fā)生器和聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器替代了大功率激光器和激光靶產(chǎn)生壓力波，所以對測試環(huán)境要求很低，從而使本實(shí)用新型既可用于電介質(zhì)空間電荷分布的實(shí)際工程測量，也可用于對它們的實(shí)驗(yàn)室研究。
3．由于試樣測試腔與聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的整個(gè)測試部分對外界是電屏蔽的，所以避免了測量時(shí)外界對它的干擾。
4．由于本實(shí)用新型能在同一個(gè)裝置上實(shí)現(xiàn)兩種(PWP和PEA)方法測量試樣的空間電荷分布，所以減少或避免了測量時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)性，提高了測試所得數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。
附圖為本實(shí)用新型的實(shí)施例，其中

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實(shí)用新型的工作原理圖。
結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。
本實(shí)用新型由左接頭1、試樣測試腔2、試樣電極3、下鋁棒4、聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器5、高速電信號(hào)發(fā)生器6、阻抗轉(zhuǎn)換器7、絕緣圈8、上鋁棒9、壓電薄膜10、試樣11、試樣臺(tái)12、高壓電信號(hào)發(fā)生器13、右接頭14、電容15、試樣臺(tái)電極16、彈簧17、絕緣臺(tái)18、電阻19、高壓直流電源20、高阻輸入放大器21、低阻輸入放大器22、示波器23和計(jì)算機(jī)24組成。
由下鋁棒4、上鋁棒9和壓電薄膜10組成的、能將聲、電互相轉(zhuǎn)換的聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器5插入試樣測試腔2上面的開口處，該聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器5的頂端通過絕緣圈8密封后，分別與高速電信號(hào)發(fā)生器6及其阻抗轉(zhuǎn)換器7連接，其中心垂線與試樣測試腔2內(nèi)設(shè)有的試樣臺(tái)12的中心線重合，試樣臺(tái)12上面可放置厚度在0．1～10mm、形狀是平板式的、正反兩面預(yù)先涂好或壓好半導(dǎo)體電極3的試樣11，為避免試樣電極3在直流高壓下的邊緣觸電，試樣11的尺寸應(yīng)大于試樣臺(tái)12的尺寸，試樣臺(tái)12下面固有試樣臺(tái)電極16，該電極16與設(shè)置在試樣測試腔2底部的絕緣臺(tái)18之間設(shè)有彈簧17，通過彈簧17調(diào)節(jié)，保證了試樣11的良好電接觸；試樣臺(tái)電極16分別與電阻19和電容15、以及設(shè)置在試樣測試腔2兩側(cè)的左接頭1和右接頭14相連接；左接頭1可與高壓直流電源20相接插，右接頭14和高壓電信號(hào)發(fā)生器13以及低阻輸入放大器22相接插；試樣測試腔2與聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器5構(gòu)成起屏蔽作用的空間，杜絕了測試時(shí)的外界干擾。
本實(shí)用新型的工作原理如下所述當(dāng)在本實(shí)用新型上采用PEA測量試樣的空間電荷分布時(shí)，預(yù)先在試樣11的正反兩個(gè)面上涂上或壓上試樣電極3，然后將他們放置在試樣臺(tái)12上就位。啟動(dòng)高壓直流電源20和高壓電信號(hào)發(fā)生器13，高壓直流電源20通過電阻19限流保護(hù)后，從試樣臺(tái)電極16和試樣臺(tái)12到達(dá)下面的試樣電極3，將高壓電場加到試樣11底端，與上面的試樣電極3、下鋁棒4、聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器5的外殼以及試樣測試腔2的接地外殼相連接，形成一個(gè)通電回路；將高壓電信號(hào)發(fā)生器13插入右接頭14，高壓電信號(hào)發(fā)生器13發(fā)出高壓電脈沖信號(hào)，脈沖幅度為—2KV～—8KV，脈沖的寬度為數(shù)10納秒，電脈沖信號(hào)從右接頭14進(jìn)入試樣測試腔2內(nèi)的電容15，隔離掉多余的雜散信號(hào)加到試樣11的底端，在同樣的通電回路作用下，試樣11中的空間電荷在外加電脈沖作用下，產(chǎn)生聲信號(hào)，聲信號(hào)通過聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器5下端的下鋁棒4傳到壓電薄膜10上，壓電薄膜10將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)通過上鋁棒9傳到阻抗轉(zhuǎn)換器7，將測得的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后再輸?shù)礁咦栎斎敕糯笃?1把電壓信號(hào)放大，由數(shù)字示波器23記錄下來，將該電壓信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)24，從計(jì)算機(jī)24的設(shè)定程序中能直接讀出試樣11的空間電荷分布。
當(dāng)在本實(shí)用新型上采用PWP測量空間電荷分布時(shí)，預(yù)先在兩面做好試樣電極3的試樣11在試樣臺(tái)12上就位，啟動(dòng)高壓直流電源20和高速電信號(hào)發(fā)生器6，高壓直流電源20通過電阻19到達(dá)試樣電極3，將高壓電場加到試樣11兩端；電阻19起到限流保護(hù)作用，高速電信號(hào)發(fā)生器6發(fā)出的寬度很窄的壓力脈沖0～300V，下降沿為10納秒，上升沿較緩，脈沖寬度為數(shù)納秒，周期為數(shù)百微米的驅(qū)動(dòng)電脈沖，該電脈沖通過上鋁棒9加到壓電薄膜10兩端上，在壓電薄膜10的負(fù)載端產(chǎn)生脈寬很窄的聲脈沖，在試樣11中以聲脈沖形式傳播，試樣11兩面的試樣電極3上就能產(chǎn)生電信號(hào)，通過試樣臺(tái)12傳到試樣臺(tái)電極16，再到電容15到右接頭14和低阻輸入放大器22，這些電信號(hào)通過低阻輸入放大器22，示波器23輸入計(jì)算機(jī)24，從計(jì)算機(jī)24的設(shè)定程序中就能讀出對所測試樣的空間電荷分布。
權(quán)利要求1．一種空間電荷分布的測量裝置，其特征在于它是由左接頭(1)、試樣測試腔(2)、試樣電極(3)、下鋁棒(4)、聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器(5)、高速電信號(hào)發(fā)生器(6)、阻抗轉(zhuǎn)換器(7)、絕緣圈(8)、上鋁棒(9)、壓電薄膜(10)、試樣(11)、試樣臺(tái)(12)、高壓電信號(hào)發(fā)生器(13)、右接頭(14)、電容(15)、試樣臺(tái)電極(16)、彈簧(17)、絕緣臺(tái)(18)、電阻(19)、高壓直流電源(20)、高阻輸入放大器(21)、低阻輸入放大器(22)、示波器(23)和計(jì)算機(jī)(24)組成；由下鋁棒(4)、上鋁棒(9)和壓電薄膜(10)組成的聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器(5)插入試樣測試腔(2)上面的開口處；該聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器(5)的頂端通過絕緣圈(8)密封后，分別與高速電信號(hào)發(fā)生器(6)和阻抗轉(zhuǎn)換器(7)連接，阻抗轉(zhuǎn)換器(7)與高阻輸入放大器(21)、示波器(23)和計(jì)算機(jī)(24)連接；聲電＼電聲轉(zhuǎn)換器(5)的中心垂線與試樣測試腔(2)內(nèi)設(shè)有的試樣臺(tái)(12)的中心線重合，試樣臺(tái)(12)上面可放置正反兩面預(yù)先固有試樣電極(3)的試樣(11)，試樣臺(tái)(12)下面固有試樣臺(tái)電極(16)，該電極(16)與固結(jié)在試樣測試腔(2)底部的絕緣臺(tái)(18)之間設(shè)有彈簧(17)；試樣臺(tái)電極(16)還分別與電阻(19)和電容(15)、以及設(shè)置在試樣測試腔(2)兩側(cè)的左接頭(1)和右接頭(14)相連接；左接頭(1)與高壓直流電源(20)相接插，右接頭(14)和高壓電信號(hào)發(fā)生器(13)、低阻輸入放大器(22)、示波器(23)和計(jì)算機(jī)(24)相接插。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種固體電介質(zhì)材料中空間電荷分布的測量裝置,由試樣測試腔、聲電/電聲轉(zhuǎn)換器,高速電信號(hào)發(fā)生器、高壓電信號(hào)發(fā)生器、高壓直流電源、高阻輸入放大器、低阻輸入放大器、示波器和計(jì)算機(jī)組成。該裝置測量精度高,制造成本很低;測試環(huán)境的良好電屏蔽避免了外界的干擾;在本實(shí)用新型上能實(shí)現(xiàn)兩種(PWP和PEA)方法測量,從而減少或避免了測量時(shí)的隨機(jī)性,提高了測試數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。本實(shí)用新型用途廣泛,既可對固體電介質(zhì)材料中的空間電荷分布進(jìn)行實(shí)際工程測量,也可用于對它們的實(shí)驗(yàn)室研究。
文檔編號(hào)G01N27/60GK2413294SQ00216109
公開日2001年1月3日 申請日期2000年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月11日
發(fā)明者張冶文, 李吉曉, 夏鐘福 申請人:同濟(jì)大學(xué)