本發(fā)明聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)與方法涉及電氣絕緣測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)電屏蔽料是由導(dǎo)電填料與聚合物通過(guò)物理或化學(xué)方法復(fù)合后形成的既具有一定導(dǎo)電能力，又具備優(yōu)異力學(xué)性能的多相復(fù)合材料，其導(dǎo)電性能主要受填料性質(zhì)和填料濃度的影響，半導(dǎo)電屏蔽料可廣泛應(yīng)用于電力電纜、靜電屏蔽、微波吸收等領(lǐng)域。

以交聯(lián)電力電纜為例，在電纜中設(shè)置半導(dǎo)電屏蔽層的主要作用是減少導(dǎo)體與絕緣層交界面上的氣隙和毛刺，使電場(chǎng)分布均勻，降低電場(chǎng)強(qiáng)度，減少局部放電，提高絕緣長(zhǎng)期穩(wěn)定性。半導(dǎo)電屏蔽層的特性直接關(guān)系到電纜的絕緣性能，其重要性不言而喻。目前電纜中對(duì)半導(dǎo)電屏蔽層的介電性能測(cè)試主要集中在直流條件下20℃和90℃時(shí)電阻率的測(cè)量方面，對(duì)其交流介電性能的研究則較少。而半導(dǎo)電層作為一種聚合物基復(fù)合材料，其導(dǎo)電機(jī)理尚未統(tǒng)一，其介電性能隨著電場(chǎng)的改變可能會(huì)發(fā)生變化，尤其在當(dāng)前交流電力電纜廣泛應(yīng)用的環(huán)境下，以及電纜受沖擊電壓等的非工頻情況下，電場(chǎng)頻率的改變可能會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)電層介電性能的變化，從而影響電纜的絕緣性能。因此，對(duì)聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料在交流電壓下的介電性能進(jìn)行研究就顯得意義重大。

測(cè)試是獲取材料特性的有效途徑，聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料介電性能的研究離不開(kāi)測(cè)試技術(shù)的支持，現(xiàn)有的介電性能測(cè)試裝置大多應(yīng)用于絕緣材料，對(duì)電阻率較低的半導(dǎo)電材料并不適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料介電性能測(cè)試系統(tǒng)與方法，能夠在不同頻率下對(duì)聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料的交流等效介電常數(shù)和交流等效電導(dǎo)率等交流介電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，包括功率放大器、限流電阻、電極系統(tǒng)、試樣、采樣電阻、濾波放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，所述的電極系統(tǒng)由不保護(hù)電極、保護(hù)電極和測(cè)量電極組成，試樣位于電極系統(tǒng)上，電極系統(tǒng)分別連接限流電阻、濾波放大電路和采樣電阻，功率放大器分別連接限流電阻和數(shù)據(jù)采集卡，濾波放大電路連接數(shù)據(jù)采集卡，采樣電阻連接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡連接計(jì)算機(jī)。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，所述的電極系統(tǒng)采用三電極系統(tǒng)，測(cè)量電極直徑為50mm，試樣放置于不保護(hù)電極和測(cè)量電極之間，與不保護(hù)電極和測(cè)量電極良好接觸。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，采樣電阻由四個(gè)阻值分別為1ω、10ω、100ω、1000ω的精密電阻構(gòu)成。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)采集卡的兩個(gè)通道同步采集試樣上的激勵(lì)電壓信號(hào)和流過(guò)試樣的響應(yīng)電流信號(hào)。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡d/a端口輸出的激勵(lì)電壓信號(hào)為正弦波，峰值電壓在1v～13v范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，頻率在0hz～4mhz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，功率放大器、限流電阻、電極系統(tǒng)、試樣、采樣電阻和濾波放大器外部設(shè)有金屬屏蔽。

所述聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試方法，包括以下步驟：

步驟a、啟動(dòng)軟件程序進(jìn)入用戶界面；

步驟b、在用戶界面輸入試樣的厚度參數(shù)；設(shè)置激勵(lì)信號(hào)參數(shù)，所述激勵(lì)信號(hào)參數(shù)包括物理通道、頻率和幅值；設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，所屬數(shù)據(jù)采集參數(shù)包括物理通道、采樣模式、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)；

步驟c、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡d/a端口輸出激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)a/d采集程序、數(shù)字信號(hào)處理程序和數(shù)據(jù)顯示程序；

步驟d、根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)調(diào)整采樣電阻的大小，使激勵(lì)電壓信號(hào)和響應(yīng)電流信號(hào)幅值最為接近，避免某一數(shù)據(jù)過(guò)小導(dǎo)致誤差增加；

步驟e、對(duì)采集到的激勵(lì)電壓信號(hào)和響應(yīng)電流信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；

步驟f、等待完成步驟b中設(shè)置的采樣點(diǎn)數(shù)，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集卡d/a端口輸出，停止數(shù)據(jù)采集，對(duì)步驟e存儲(chǔ)的激勵(lì)電壓信號(hào)和響應(yīng)電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到交流介電參數(shù)并顯示；

步驟g、生成excel格式的測(cè)試報(bào)表，內(nèi)容包括測(cè)試時(shí)間、相關(guān)參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果。

有益效果：

本發(fā)明聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡具有ad采集、da輸出、數(shù)字i/o口功能，是計(jì)算機(jī)獲取和輸出信號(hào)的通道，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡da端口輸出0hz～4mhz頻率范圍的正弦波激勵(lì)信號(hào)，其驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較差，因此采用功率放大器對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，包括提升電壓和增大輸出電流，經(jīng)功率放大器輸出的激勵(lì)信號(hào)由電極系統(tǒng)施加于被測(cè)試樣上，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡ad端口同步采集被測(cè)試樣上電壓和流過(guò)試樣電流的時(shí)域數(shù)字信號(hào)，并由軟件部分進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，從而獲取被測(cè)試樣的交流介電參數(shù)，數(shù)據(jù)采集卡前端設(shè)置有濾波和放大電路，起到減少噪聲干擾和放大信號(hào)的作用，因此對(duì)于電阻率較低的半導(dǎo)電材料能夠進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了能夠在不同頻率下對(duì)聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料的交流等效介電常數(shù)和交流等效電導(dǎo)率等交流介電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，此系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的以模擬電路為主的測(cè)量方法，利用計(jì)算機(jī)加虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的數(shù)字化、可視化、智能化，增強(qiáng)人機(jī)交互性能，同時(shí)這種檢測(cè)方法可以減少硬件設(shè)備的使用，降低成本，所測(cè)量的波形數(shù)據(jù)也可以長(zhǎng)期保存，有助于后續(xù)研究。

附圖說(shuō)明

圖1是聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是功率放大器電路圖。

圖3是聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)的流程圖。

圖中：1功率放大器、2限流電阻、3電極系統(tǒng)、31不保護(hù)電極、32保護(hù)電極、33測(cè)量電極、4試樣、5采樣電阻、6濾波放大器、7金屬屏蔽、8數(shù)據(jù)采集卡、9計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

具體實(shí)施例一

本實(shí)施例是聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)與方法的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)。

本實(shí)施例的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，包括功率放大器1、限流電阻2、電極系統(tǒng)3、試樣4、采樣電阻5、濾波放大電路6、數(shù)據(jù)采集卡8和計(jì)算機(jī)9，所述的電極系統(tǒng)3由不保護(hù)電極31、保護(hù)電極32和測(cè)量電極33組成，試樣4位于電極系統(tǒng)3上，電極系統(tǒng)3分別連接限流電阻2、濾波放大電路6和采樣電阻5，功率放大器1分別連接限流電阻2和數(shù)據(jù)采集卡8，濾波放大電路6連接數(shù)據(jù)采集卡8，采樣電阻5連接數(shù)據(jù)采集卡8，數(shù)據(jù)采集卡8連接計(jì)算機(jī)9。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，所述的電極系統(tǒng)3采用三電極系統(tǒng)，測(cè)量電極33直徑為50mm，試樣4放置于不保護(hù)電極31和測(cè)量電極33之間，與不保護(hù)電極31和測(cè)量電極33良好接觸。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，采樣電阻5由四個(gè)阻值分別為1ω、10ω、100ω、1000ω的精密電阻構(gòu)成。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)采集卡8的兩個(gè)通道同步采集試樣4上的激勵(lì)電壓信號(hào)和流過(guò)試樣4的響應(yīng)電流信號(hào)。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集卡8d/a端口輸出的激勵(lì)電壓信號(hào)為正弦波，峰值電壓在1v～13v范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，頻率在0hz～4mhz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

所述的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，功率放大器1、限流電阻2、電極系統(tǒng)3、試樣4、采樣電阻5和濾波放大器6外部設(shè)有金屬屏蔽7。

工作過(guò)程：計(jì)算機(jī)9安裝有數(shù)據(jù)采集卡8和虛擬儀器軟件labview，是整個(gè)系統(tǒng)的搭建平臺(tái)，該系統(tǒng)所有的信號(hào)輸入、輸出，數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)以及i/o口控制等功能均在labview軟件中實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)編寫(xiě)用戶界面程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互。計(jì)算機(jī)9通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡8的da端口輸出0hz～4mhz頻率范圍的激勵(lì)電壓信號(hào)，其驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較差，因此由通道ch3送至功率放大器1進(jìn)行調(diào)整，包括提升電壓和增大輸出電流，經(jīng)功率放大器1輸出的激勵(lì)電壓信號(hào)經(jīng)限流電阻2限流保護(hù)，再由電極系統(tǒng)3施加于被測(cè)試樣4上，金屬屏蔽7用于減少測(cè)試環(huán)境中的電磁干擾，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡8的ad功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，其中通道ch1用于采集試樣4上的電壓信號(hào)，通道ch2用于采集采樣電阻5上的電壓信號(hào)，兩個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)比例、加減等運(yùn)算后轉(zhuǎn)換成試樣上的激勵(lì)電壓信號(hào)和流過(guò)試樣的響應(yīng)電流信號(hào)。為了使測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)根據(jù)采集到的信號(hào)大小選取合適的采樣電阻5。計(jì)算機(jī)9利用獲取的激勵(lì)電壓信號(hào)和響應(yīng)電流信號(hào)之間的相位、幅值關(guān)系，計(jì)算出被測(cè)試樣的交流等效介電常數(shù)和交流等效電導(dǎo)率等交流介電性能參數(shù)，一次測(cè)量完成后，改變激勵(lì)信號(hào)的頻率，測(cè)量不同頻率下的交流介電參數(shù)。

具體實(shí)施例二

本實(shí)施例的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)，如圖2所示，如圖2所示，功率放大器電路由運(yùn)算放大器一u1和運(yùn)算放大器二u2構(gòu)成。其中，運(yùn)算放大器一u1用于構(gòu)成反相比例電路，其放大倍數(shù)由電阻二r2和電阻一r1的比值決定；運(yùn)算放大器二u2用于構(gòu)成電壓跟隨器，起到隔離和驅(qū)動(dòng)負(fù)載的作用。本實(shí)施例中，兩個(gè)運(yùn)算放大器芯片均選取lm7171高速電壓反饋運(yùn)算放大器，供電電壓為正負(fù)15v輸出峰值電壓13v，最大輸出電流100ma。

具體實(shí)施例三

本實(shí)施例是聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試系統(tǒng)與方法的聚合物基半導(dǎo)電屏蔽料dc/ac介電性能測(cè)試的方法，操作流程如圖3所示，包括以下步驟：

步驟a、啟動(dòng)軟件程序進(jìn)入用戶界面；

步驟b、在用戶界面輸入試樣4的厚度參數(shù)；設(shè)置激勵(lì)信號(hào)參數(shù)，所述激勵(lì)信號(hào)參數(shù)包括物理通道、頻率和幅值；設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，所屬數(shù)據(jù)采集參數(shù)包括物理通道、采樣模式、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)；

步驟c、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡8d/a端口輸出激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)a/d采集程序、數(shù)字信號(hào)處理程序和數(shù)據(jù)顯示程序；

步驟d、根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)調(diào)整采樣電阻5的大小，使激勵(lì)電壓信號(hào)和響應(yīng)電流信號(hào)幅值最為接近，避免某一數(shù)據(jù)過(guò)小導(dǎo)致誤差增加；

步驟e、對(duì)采集到的激勵(lì)電壓信號(hào)和響應(yīng)電流信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；

步驟f、等待完成步驟b中設(shè)置的采樣點(diǎn)數(shù)，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集卡8d/a端口輸出，停止數(shù)據(jù)采集，對(duì)步驟e存儲(chǔ)的激勵(lì)電壓信號(hào)和響應(yīng)電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到交流介電參數(shù)并顯示；

步驟g、生成excel格式的測(cè)試報(bào)表，內(nèi)容包括測(cè)試時(shí)間、相關(guān)參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果。

操作步驟如下：

第一步、啟動(dòng)labview軟件程序進(jìn)入用戶界面；

第二步、在用戶界面中輸入試樣厚度參數(shù)，設(shè)置激勵(lì)信號(hào)參數(shù)(物理通道、頻率、幅值等)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)(物理通道、采樣模式、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)等)；

第三步、點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)量”按鈕，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡8da端口輸出激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)ad采集程序、數(shù)字信號(hào)處理程序以及數(shù)據(jù)顯示程序；

第四步、根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)調(diào)整采樣電阻5的大小(程序初始化默認(rèn)接入1ω的采樣電阻5)，使電壓信號(hào)和電流信號(hào)幅值最為接近，避免某一數(shù)據(jù)過(guò)小導(dǎo)致誤差增加；

第五步、點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)記錄”按鈕，對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；

第六步、等待完成第二步中設(shè)置的采樣點(diǎn)數(shù)，程序關(guān)閉da輸出，停止數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)算法對(duì)第五步中存儲(chǔ)的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到交流介電參數(shù)并顯示；

第七步、點(diǎn)擊“輸出報(bào)表”按鈕，程序?qū)⑸蒭xcel格式的測(cè)試報(bào)表，內(nèi)容包括測(cè)試時(shí)間、相關(guān)參數(shù)、測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果等；

第八步、若繼續(xù)測(cè)試則改變激勵(lì)信號(hào)頻率，重復(fù)上述步驟，若結(jié)束測(cè)試則退出程序。