專利名稱：高精度可調間隙不接觸三電極的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電介質材料介電參數(shù)準確測量的精密儀器，特別涉及一種高精度可調間隙不接觸三電極。
現(xiàn)有技術目前，常用于薄膜材料介電參數(shù)測量的方法包括粘貼鋁箔電極法、噴涂或真空蒸發(fā)金屬電極法、元件法(又稱模型電容器法)、固定式不接觸電極法。這些方法各有其優(yōu)缺點。由于缺乏統(tǒng)一規(guī)定，各生產(chǎn)廠家及研究單位根據(jù)自己的需要采取某種方法，實驗條件各不相同，這也造成不同出處數(shù)據(jù)之間無法進行相互比較。
電容器用的聚丙烯薄膜厚度很薄，大約在4～20μm之間。受儀器固有精度的影響，對如此薄的材料測試其相對電容率(εr)和介質損耗角正切(tanδ)，很容易帶來測量誤差，通常εr偏小，tanδ偏大。為減小誤差，國際標準IEC 60674-3-11998(第一版)電氣用塑料薄膜第3部分單項材料規(guī)范第一篇電容器用雙軸定向聚丙烯(PP)薄膜中已明確規(guī)定εr和tanδ的測試用不接觸電極或蒸發(fā)金屬電極。在我國，不接觸電極基本上沒有推廣使用，尤其在工程上的應用更是空白。
下面，分別介紹各種常用方法。
粘貼鋁箔法用柔軟的金屬箔如鋁箔、錫箔等，涂以微量的粘合劑粘貼在試樣表面。
噴涂或真空蒸發(fā)金屬電極采用能很好粘附于試樣表面的低熔點金屬材料，如鋁、錫或其它合金，直接噴涂在按電極模型覆蓋好的試樣上，或把上述試樣放在真空蒸發(fā)器內，讓氣化的金屬沉積在試樣表面上。
元件法在薄膜間插入鋁箔，按照電容器元件的制法，做成試品元件，將其壓緊，進行測量的方法。
固定式不接觸電極法試樣表面不預先粘貼或涂敷任何導電電極，而直接將試樣放在電極兩端面之間，讓試樣與電極間留有一定的間隙，通過有無試樣兩次測量，獲得試樣相對電容率與介質損耗角的測量方法。固定式不接觸電極其電極間距固定。
對電介質材料來說，它的相對電容率(εr)和介質損耗角正切(tanδ)是其重要的性能參數(shù)。對于厚度大于100μm的薄膜，這些參數(shù)的測量按照原IEC pub 250-69提出的方法一般來說不會出現(xiàn)太大的誤差；對于厚度小于100μm，特別是小于30μm以下的薄膜，εr和tanδ的測量誤差可能達到10％～50％，這樣大的誤差無論是對材料性能研究，或是工程技術應用都是不能接受的。而今的薄膜材料，例如全膜結構的電力電容器用聚丙烯薄膜，其厚度已達到5μm以下。這樣一來，薄膜電性參數(shù)的測量方法和技術問題自然就成為各國電工標準化技術領域關注的問題。
粘貼鋁箔法產(chǎn)生誤差的來源主要為夾層媒質，為減小誤差，必須采用干凈、損耗小的粘合劑，并且涂層盡可能均勻。此方法簡單、方便，但對于tanδ小(10-5及以下)的試品，測試結果不準確，因為大多數(shù)粘合劑的tanδ在10-4數(shù)量級。另外，測量εr時為減小空氣影響，必須壓緊試品，這對較薄的試品很容易造成破壞，尤其對于厚度小于10μm的試樣已無法粘貼鋁箔。
噴涂或蒸發(fā)金屬電極能減小夾層在測試過程中產(chǎn)生的誤差，但在噴涂或蒸發(fā)過程中金屬離子的滲透、遷移會使得試品厚度相對偏小，從而使得εr偏大。對于很薄的薄膜，滲透還會導致試品破壞(穿透)。此外，金屬蒸發(fā)鍍膜設備成本高、效率低，難于普及推廣。
元件法實施過程中使用的試樣量大，且制樣不方便，試驗時還常遇樣品擊穿，帶來不安全因素。
固定式不接觸電極法可以用空氣為媒質，電極結構簡單，操作方便。但是它未解決引線帶來的附加損耗問題，雖然這一損耗在工頻下是可以忽略不計的。
另外，美國試驗與材料協(xié)會(ASTM)針對聚乙烯一類薄膜曾提出了一種用液體苯為媒質的排代法測量技術，它的準確度很高，但因為又輕又軟的薄膜在向電極間的媒質中插入時很難操作，且對液體媒質的純凈度要求很高，此方法未能得到推廣。
日本工業(yè)標準(JIS)也曾提出一種將薄膜堆疊成一定的厚度，壓緊，再按普通厚試樣測量方法處理的技術，但這種方法無法解決薄膜間氣隙帶來的測量誤差。國際標準IEC 60674-3-11998(第一版)電氣用塑料薄膜第3部分單項材料規(guī)范第一篇電容器用雙軸定向聚丙烯(PP)薄膜中已明確規(guī)定εr和tanδ的測試用不接觸電極或蒸發(fā)金屬電極。在我國，不接觸電極基本上沒有推廣使用，尤其在工程上的應用更是空白。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種高精度可調間隙不接觸三電極，能夠提高測量精度，尤其是對厚度在30μm以下的薄膜相對電容率和介質損耗角正切的測量，不但提高了測量精度，而且簡化了測量方法。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的包括立柱，立柱背面固定后蓋板；立柱底部固定底座，底座底部設置蓋板，底座上部設置有保護殼體，保護殼體內安裝高壓電極并與之絕緣，形成固定極；立柱端部固定頭架，頭架上固定千分桿，千分桿連接萬向軸，萬向軸上固定連接板，且萬向軸連接滑動軸承，滑動軸承連接測量電極和保護電極，測量電極和保護電極固定在一起，兩者之間形成空氣腔，形成移動極，測量電極置于高壓電極的上方，測量電極和高壓電極兩者的平面水平；連接板連接光讀尺，光讀尺與光柵通過槽齒咬合，兩者豎直平行，光柵固定在尺板上，尺板固定在立柱的內壁上；在頭架上固定滑輪，繞在滑輪上的輪繩的一端固定在連接板上，另一端與平衡塊連接，立柱內壁上固定支承板。
測量電極直徑為38mm±0.5mm，測量電極與保護電極之間的保護間隙寬度為0.2mm±0.05mm。
測量電極和高壓電極均突出保護電極和保護殼體平面0.02mm-0.04mm。
測量電極采用錐形結構。
高壓電極與測量電極連接屏蔽高壓連接線，由同軸端子引出，光柵由連接電纜引出。
高壓電極直徑為40mm-60mm。
保護電極上設置有除塵吹氣孔。
本發(fā)明可直接用來測量試樣的厚度，可測試樣的厚度范圍是0～1mm。應用本電極系統(tǒng)時無需在試樣上粘貼或噴涂其它電極，從而消除了因電極與試樣接觸不良帶來的誤差，配合精密測量電橋可方便準確地測量平板、薄膜類絕緣材料的相對電容率和介質損耗角正切，尤其是測量超薄的薄膜材料(＜30μm)時優(yōu)勢明顯，相對介電常數(shù)εr的測量值誤差可控制在5％以內，介質損耗角正切tanδ可測到10-5數(shù)量級。
測量電極和高壓電極均突出其外圍，保證電極之間有良好的接觸。
移動極上增加的除塵吹氣孔，可消除測量時保護間隙中殘留的灰塵，保持電極清潔，在測量小損耗試樣的介質損耗角正切時顯得至關重要。
測量電極為錐形，與保護電極之間形成空氣腔結構，與傳統(tǒng)的圓柱形結構相比，可以有效解決測量中的負損耗問題。
將光柵尺原來的移動部分—光柵作了位置固定，而將原需固定的部分——光讀尺變成了移動部件，消除了原移動部分—光柵因帶有連接電纜在測量時帶來的不穩(wěn)定現(xiàn)象，使讀數(shù)更加精確。
本發(fā)明中采用了帶有平衡塊的滑輪作為平衡系統(tǒng)。該平衡系統(tǒng)和千分桿相結合，可有效消除測量時用力不均、間距調節(jié)上下輕重不一致的現(xiàn)象，達到平滑調距、穩(wěn)定讀數(shù)的目的。
本發(fā)明中所有連接線全部采用耐高壓屏蔽線或同軸電纜線，連接接頭均采用同軸端子，這樣可以達到完善的屏蔽效果，保證精確測量。


圖1是本發(fā)明側視剖面示意圖；圖2是本發(fā)明后視剖面示意圖。
以下結合附圖對本發(fā)明的內容作進一步詳細說明。
具體實施例方式
參照圖1、圖2所示，本發(fā)明包括立柱14，立柱14背面固定后蓋板24；立柱14底部固定底座11，底座11底部設置蓋板12，底座11上部設置有保護殼體10，保護殼體10內安裝高壓電極15并與之絕緣，形成固定極；立柱14端部固定頭架2，頭架2上固定千分桿1，千分桿1連接萬向軸3，萬向軸3上固定連接板4，且萬向軸3連接滑動軸承6，滑動軸承6連接測量電極9和保護電極16，測量電極9和保護電極16固定在一起，兩者之間形成空氣腔7，形成移動極，測量電極9置于高壓電極15的上方，測量電極9和高壓電極15兩者平面水平。測量電極9采用錐形結構，直徑為38mm±0.5mm，測量電極9與保護電極16之間的保護間隙寬度為0.2mm±0.05mm。測量電極9和高壓電極15均突出保護電極16和保護殼體10平面0.02mm-0.04mm。保護電極16上設置有除塵吹氣孔8，連接板4連接光讀尺17，光讀尺17與光柵25通過槽齒咬合，兩者豎直平行，光柵25通過尺板19固定在立柱14的內壁上，立柱14內壁上固定支承板18；在頭架2上固定滑輪21，繞在滑輪21上的輪繩20的一端固定在連接板4上，另一端與平衡塊5連接。
高壓電極15與測量電極9均由耐高壓的屏蔽線13引出，與兩個固定在立柱14側面的同軸端子22連接，此同軸端子22作為與外部測試系統(tǒng)如電橋的連接通道。光柵25的連接電纜23在立柱另一側面引出，并帶有連接好的數(shù)據(jù)接頭，使用時直接插入數(shù)顯屏對應接口即可。
千分桿1帶有棘輪裝置，測量時，無論用力大小，旋轉的力保持一致。到了死點后因千分桿的棘輪產(chǎn)生作用，在旋轉測量頭時，手的感覺是一樣的。
測量電極9采用經(jīng)氮化、精密研磨處理過的不銹鋼材料，其不導磁性能保證電氣測量的精確性，它和保護殼體經(jīng)聚四氟乙烯塑料固化在一起，并與滑動軸承6連接，形成移動極，與高壓電極15之間的間距通過旋轉千分桿1的測量頭調節(jié)，該間距經(jīng)高精度光柵尺精確讀取后，顯示在數(shù)顯屏上。高壓電極15安裝在保護殼體10內并與之絕緣，整個固定于底座11上，形成固定極。移動極上加裝除塵吹氣孔8，可將進入保護間隙的灰塵清除，消除由此帶來的附加損耗。同時，測量電極9采用錐形結構，與保護電極16之間形成空氣腔7，與傳統(tǒng)的柱形結構相比，可有效解決測量中的負損耗問題。測量電極9直徑為38±0.5mm，測量電極9與保護電極16之間的保護間隙寬度為0.2±0.5mm，高壓電極15直徑為50mm。為保證電極之間的良好接觸，測量電極9和高壓電極15均突出其保護殼體平面0.02mm-0.04mm，最好為0.03mm。
下面以本發(fā)明結合電橋法為例說明其應用過程測量步驟a.旋動千分桿1，帶動萬向軸3、滑動軸承6以及保護電極16、測量電極9向上運動，將測量電極9和高壓電極15的間距調開，再將待檢測的試樣放入測量電極9和高壓電極15之間，旋動千分桿1尾部的旋紐，直至旋紐內棘輪有4～5聲“塔、塔”聲。千分桿1的運動帶動萬向軸3、滑動軸承6以及保護電極16、測量電極9的相對運動，萬向軸3的運動引起固定在其上的連接板4的運動，連接板4的運動一是通過固定于其上的輪繩20的一端引起滑輪21的轉動，輪繩20的另一端固定平衡塊5，使連接板4的運動平穩(wěn)無振蕩；連接板4的運動同時引起與之連接的光讀尺17的移動，光柵25通過尺板19固定在立柱14上，光讀尺17相對于光柵25的相對位移通過連接電纜23傳輸并顯示在外部數(shù)顯屏上。因為測量電極相對于高壓電極位置的移動對應于試樣厚度，故可讀取數(shù)顯屏讀數(shù)，即為試樣厚度值；旋動千分桿1，重新調整測量電極9和高壓電極15的間距，移動試樣，重復以上過程，測量試樣上不同位置的厚度(可以按相應標準要求測試)取其平均值，即為試樣的平均厚度t；b.旋動千分桿1，調整測量電極9和高壓電極15的間距，使試樣可從極間無阻力抽出即可。記錄此時測量電極9和高壓電極15間距t1；c.測量電極9和高壓電極15均連接有屏蔽高壓連接線13，屏蔽高壓連接線13與同軸端子22連接，同軸端子22通過外部的同軸連接線與高壓電橋的對應測量端口連接。將電橋測試電壓調節(jié)到要求值，平衡電橋，記錄在t1間距下有試樣插入時的介質損耗因素tanδ1，讀出電橋平衡時的電容讀數(shù)；d.緩慢抽出試樣，旋轉千分桿1，減小的間距，直到電橋在步驟c時的電容值恢復平衡為止。記錄沒有試樣時的測量電極9和高壓電極15間距t2和介質損耗因素tanδ2(潔凈的電極在空氣中時，此值一般小于1×10-4)；εr和tanδ計算試樣相對電容率εr和介質損耗因數(shù)tanδ分別按下式計算ϵr=tt-Δt]]>tanδ=Δtanδt2t-Δt]]>式中t——試樣平均厚度，mmΔt＝t1-t2；t1——有試樣時的測量電極和高壓電極間距讀數(shù)，mmt2——無試樣時的測量電極和高壓電極間距讀數(shù)，mmΔtanδ＝tanδ1-tanδ2tanδ1——有試樣時測量電極和高壓電極系統(tǒng)的介質損耗因數(shù)tanδ2——無試樣時測量電極和高壓電極系統(tǒng)的介質損耗因數(shù)對一些常見材料的板材及薄膜樣品進行了測量，結果如下表所示。
表1常見材料測量結果

注*表示試樣經(jīng)除靜電處理由測量結果可以看出，使用不接觸電極方法可以準確測得材料的εr和tanδ值及其變化。并且通過比較可以看出，對于聚丙烯薄膜，當單層試樣的厚度很薄時，采用多層測量更為合理，一方面可提高試樣厚度測量的準確度，從而提高測量結果的準確度；另外，也可減小由于靜電、薄膜表面污染帶來的誤差。
固定間隙與可調間隙兩種不接觸電極應用于聚丙烯薄膜時測量結果的比較見下表所示。
表2兩種不接觸方法測量結果比較

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，兩種不接觸電極方法測量出來的薄膜εr和tanδ值都在合格范圍內。兩者比較，利用可調間隙方法得到的結果更為穩(wěn)定，而且tanδ值更小，由于這種方法消除了引線帶來的附加損耗，使得測試結果更加準確。同時，可調間隙方法的應用過程也相對簡單。
權利要求
1.高精度可調間隙不接觸三電極，包括立柱(14)，立柱(14)背面固定后蓋板(24)；立柱(14)底部固定底座(11)，底座(11)底部設置蓋板(12)，其特征在于，底座(11)上部設置有保護殼體(10)，保護殼體(10)內安裝高壓電極(15)并與之絕緣，形成固定極；立柱(14)端部固定頭架(2)，頭架(2)上固定千分桿(1)，千分桿(1)連接萬向軸(3)，萬向軸(3)上固定連接板(4)，且萬向軸(3)連接滑動軸承(6)，滑動軸承(6)連接測量電極(9)和保護電極(16)，測量電極(9)和保護電極(16)固定在一起，兩者之間形成空氣腔(7)，形成移動極，測量電極(9)置于高壓電極(15)的上方，連接板(4)連接光讀尺(17)，光讀尺(17)與光柵(25)通過槽齒咬合，兩者豎直平行，光柵(25)通過尺板(19)固定在立柱(14)的內壁上；在頭架(2)上固定滑輪(21)，繞在滑輪(21)上的輪繩(20)的一端固定在連接板(4)上，另一端與平衡塊(5)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的高精度可調間隙不接觸三電極，其特征在于，立柱(14)內壁上固定支承板(18)。
3.根據(jù)權利要求1所述的高精度可調間隙不接觸三電極，其特征在于，測量電極(9)直徑為38mm±0.5mm，測量電極(9)與保護電極(16)之間的保護間隙寬度為0.2mm±0.05mm。
4.根據(jù)權利要求1所述的高精度可調間隙不接觸三電極，其特征在于，測量電極(9)和高壓電極(15)均突出保護電極(16)和保護殼體(10)平面0.02mm-0.04mm。
5.根據(jù)權利要求1所述的高精度可調間隙不接觸三電極，其特征在于，測量電極(9)采用錐形結構。
6.根據(jù)權利要求1所述的高精度可調間隙不接觸三電極，其特征在于，高壓電極(15)與測量電極(9)連接屏蔽高壓連接線(13)，由同軸端子(22)引出，光柵(25)由連接電纜(23)引出。
7.根據(jù)權利要求1所述的高精度可調間隙不接觸三電極，其特征在于，高壓電極(15)直徑為40mm-60mm。
8.根據(jù)權利要求1所述的高精度可調間隙不接觸三電極，其特征在于，保護電極(16)上設置有除塵吹氣孔(8)。
9.根據(jù)權利要求1所述的高精度可調間隙不接觸三電極，其特征在于，測量電極(9)和高壓電極(15)兩者的平面水平。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度可調間隙不接觸三電極，在立柱背面固定后蓋板；底座上部設置有保護殼體，保護殼體內安裝高壓電極并與之絕緣，形成固定極；千分桿連接萬向軸，萬向軸上固定連接板，且萬向軸連接滑動軸承，滑動軸承連接測量電極和保護電極，測量電極和保護電極固定在一起，兩者之間形成空氣腔，形成移動極，測量電極置于高壓電極的上方，連接板連接光讀尺，光柵固定在尺板上，在頭架上固定滑輪，輪繩的一端固定在連接板上，另一端與平衡塊連接，測量電極直徑為38±0.5mm，測量電極與保護電極之間的保護間隙寬度為0.2±0.05mm。可有效消除測量時用力不均、間距調節(jié)上下輕重不一致的現(xiàn)象，達到平滑調距、穩(wěn)定讀數(shù)的目的。
文檔編號G01R31/00GK1743863SQ20051009608
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權日2005年9月29日
發(fā)明者劉 英, 曹曉瓏, 徐陽, 劉軍, 田希術 申請人:西安交通大學, 西安浩普機電設備有限責任公司