聚合物基半導電屏蔽料DC/AC介電性能測試系統與方法與流程

2023-10-09 15:25:44 1

本發明聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統與方法涉及電氣絕緣測試技術領域。

背景技術：

半導電屏蔽料是由導電填料與聚合物通過物理或化學方法複合後形成的既具有一定導電能力，又具備優異力學性能的多相複合材料，其導電性能主要受填料性質和填料濃度的影響，半導電屏蔽料可廣泛應用於電力電纜、靜電屏蔽、微波吸收等領域。

以交聯電力電纜為例，在電纜中設置半導電屏蔽層的主要作用是減少導體與絕緣層交界面上的氣隙和毛刺，使電場分布均勻，降低電場強度，減少局部放電，提高絕緣長期穩定性。半導電屏蔽層的特性直接關係到電纜的絕緣性能，其重要性不言而喻。目前電纜中對半導電屏蔽層的介電性能測試主要集中在直流條件下20℃和90℃時電阻率的測量方面，對其交流介電性能的研究則較少。而半導電層作為一種聚合物基複合材料，其導電機理尚未統一，其介電性能隨著電場的改變可能會發生變化，尤其在當前交流電力電纜廣泛應用的環境下，以及電纜受衝擊電壓等的非工頻情況下，電場頻率的改變可能會導致半導電層介電性能的變化，從而影響電纜的絕緣性能。因此，對聚合物基半導電屏蔽料在交流電壓下的介電性能進行研究就顯得意義重大。

測試是獲取材料特性的有效途徑，聚合物基半導電屏蔽料介電性能的研究離不開測試技術的支持，現有的介電性能測試裝置大多應用於絕緣材料，對電阻率較低的半導電材料並不適用。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種聚合物基半導電屏蔽料介電性能測試系統與方法，能夠在不同頻率下對聚合物基半導電屏蔽料的交流等效介電常數和交流等效電導率等交流介電性能參數進行測量。

本發明的目的是這樣實現的：

聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，包括功率放大器、限流電阻、電極系統、試樣、採樣電阻、濾波放大電路、數據採集卡和計算機，所述的電極系統由不保護電極、保護電極和測量電極組成，試樣位於電極系統上，電極系統分別連接限流電阻、濾波放大電路和採樣電阻，功率放大器分別連接限流電阻和數據採集卡，濾波放大電路連接數據採集卡，採樣電阻連接數據採集卡，數據採集卡連接計算機。

所述的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，所述的電極系統採用三電極系統，測量電極直徑為50mm，試樣放置於不保護電極和測量電極之間，與不保護電極和測量電極良好接觸。

所述的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，採樣電阻由四個阻值分別為1ω、10ω、100ω、1000ω的精密電阻構成。

所述的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，利用數據採集卡的兩個通道同步採集試樣上的激勵電壓信號和流過試樣的響應電流信號。

所述的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，數據採集卡d/a埠輸出的激勵電壓信號為正弦波，峰值電壓在1v～13v範圍內調節，頻率在0hz～4mhz範圍內調節。

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

所述聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統上實現的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試方法，包括以下步驟：

步驟a、啟動軟體程序進入用戶界面；

步驟b、在用戶界面輸入試樣的厚度參數；設置激勵信號參數，所述激勵信號參數包括物理通道、頻率和幅值；設置數據採集參數，所屬數據採集參數包括物理通道、採樣模式、採樣頻率和採樣點數；

步驟c、啟動數據採集卡d/a埠輸出激勵信號，同時啟動a/d採集程序、數位訊號處理程序和數據顯示程序；

步驟d、根據採集到的數據調整採樣電阻的大小，使激勵電壓信號和響應電流信號幅值最為接近，避免某一數據過小導致誤差增加；

步驟e、對採集到的激勵電壓信號和響應電流信號進行存儲；

步驟f、等待完成步驟b中設置的採樣點數，關閉數據採集卡d/a埠輸出，停止數據採集，對步驟e存儲的激勵電壓信號和響應電流信號進行計算，得到交流介電參數並顯示；

步驟g、生成excel格式的測試報表，內容包括測試時間、相關參數、測量數據和測試結果。

有益效果：

本發明聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，數據採集卡具有ad採集、da輸出、數字i/o口功能，是計算機獲取和輸出信號的通道，計算機通過數據採集卡da埠輸出0hz～4mhz頻率範圍的正弦波激勵信號，其驅動負載能力較差，因此採用功率放大器對激勵信號進行調整，包括提升電壓和增大輸出電流，經功率放大器輸出的激勵信號由電極系統施加於被測試樣上，計算機通過數據採集卡ad埠同步採集被測試樣上電壓和流過試樣電流的時域數位訊號，並由軟體部分進行數位訊號處理，從而獲取被測試樣的交流介電參數，數據採集卡前端設置有濾波和放大電路，起到減少噪聲幹擾和放大信號的作用，因此對於電阻率較低的半導電材料能夠進行測試，實現了能夠在不同頻率下對聚合物基半導電屏蔽料的交流等效介電常數和交流等效電導率等交流介電性能參數進行測量，此系統改變傳統的以模擬電路為主的測量方法，利用計算機加虛擬儀器技術，實現測試過程的數位化、可視化、智能化，增強人機互動性能，同時這種檢測方法可以減少硬體設備的使用，降低成本，所測量的波形數據也可以長期保存，有助於後續研究。

附圖說明

圖1是聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統的系統結構圖。

圖2是功率放大器電路圖。

圖3是聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統的流程圖。

圖中：1功率放大器、2限流電阻、3電極系統、31不保護電極、32保護電極、33測量電極、4試樣、5採樣電阻、6濾波放大器、7金屬屏蔽、8數據採集卡、9計算機。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明具體實施方式作進一步詳細描述。

具體實施例一

本實施例是聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統與方法的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統。

本實施例的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，結構示意圖如圖1所示，聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，包括功率放大器1、限流電阻2、電極系統3、試樣4、採樣電阻5、濾波放大電路6、數據採集卡8和計算機9，所述的電極系統3由不保護電極31、保護電極32和測量電極33組成，試樣4位於電極系統3上，電極系統3分別連接限流電阻2、濾波放大電路6和採樣電阻5，功率放大器1分別連接限流電阻2和數據採集卡8，濾波放大電路6連接數據採集卡8，採樣電阻5連接數據採集卡8，數據採集卡8連接計算機9。

所述的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，所述的電極系統3採用三電極系統，測量電極33直徑為50mm，試樣4放置於不保護電極31和測量電極33之間，與不保護電極31和測量電極33良好接觸。

所述的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，採樣電阻5由四個阻值分別為1ω、10ω、100ω、1000ω的精密電阻構成。

所述的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，利用數據採集卡8的兩個通道同步採集試樣4上的激勵電壓信號和流過試樣4的響應電流信號。

所述的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，數據採集卡8d/a埠輸出的激勵電壓信號為正弦波，峰值電壓在1v～13v範圍內調節，頻率在0hz～4mhz範圍內調節。

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

工作過程：計算機9安裝有數據採集卡8和虛擬儀器軟體labview，是整個系統的搭建平臺，該系統所有的信號輸入、輸出，數據採集、處理、顯示、存儲以及i/o口控制等功能均在labview軟體中實現，並通過編寫用戶界面程序實現人機互動。計算機9通過數據採集卡8的da埠輸出0hz～4mhz頻率範圍的激勵電壓信號，其驅動負載能力較差，因此由通道ch3送至功率放大器1進行調整，包括提升電壓和增大輸出電流，經功率放大器1輸出的激勵電壓信號經限流電阻2限流保護，再由電極系統3施加於被測試樣4上，金屬屏蔽7用於減少測試環境中的電磁幹擾，同時通過數據採集卡8的ad功能實現數據採集，其中通道ch1用於採集試樣4上的電壓信號，通道ch2用於採集採樣電阻5上的電壓信號，兩個電壓信號經比例、加減等運算後轉換成試樣上的激勵電壓信號和流過試樣的響應電流信號。為了使測量準確，應根據採集到的信號大小選取合適的採樣電阻5。計算機9利用獲取的激勵電壓信號和響應電流信號之間的相位、幅值關係，計算出被測試樣的交流等效介電常數和交流等效電導率等交流介電性能參數，一次測量完成後，改變激勵信號的頻率，測量不同頻率下的交流介電參數。

具體實施例二

本實施例的聚合物基半導電屏蔽料dc/ac介電性能測試系統，如圖2所示，如圖2所示，功率放大器電路由運算放大器一u1和運算放大器二u2構成。其中，運算放大器一u1用於構成反相比例電路，其放大倍數由電阻二r2和電阻一r1的比值決定；運算放大器二u2用於構成電壓跟隨器，起到隔離和驅動負載的作用。本實施例中，兩個運算放大器晶片均選取lm7171高速電壓反饋運算放大器，供電電壓為正負15v輸出峰值電壓13v，最大輸出電流100ma。

具體實施例三

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

步驟a、啟動軟體程序進入用戶界面；

步驟b、在用戶界面輸入試樣4的厚度參數；設置激勵信號參數，所述激勵信號參數包括物理通道、頻率和幅值；設置數據採集參數，所屬數據採集參數包括物理通道、採樣模式、採樣頻率和採樣點數；

步驟c、啟動數據採集卡8d/a埠輸出激勵信號，同時啟動a/d採集程序、數位訊號處理程序和數據顯示程序；

步驟d、根據採集到的數據調整採樣電阻5的大小，使激勵電壓信號和響應電流信號幅值最為接近，避免某一數據過小導致誤差增加；

步驟e、對採集到的激勵電壓信號和響應電流信號進行存儲；

步驟f、等待完成步驟b中設置的採樣點數，關閉數據採集卡8d/a埠輸出，停止數據採集，對步驟e存儲的激勵電壓信號和響應電流信號進行計算，得到交流介電參數並顯示；

步驟g、生成excel格式的測試報表，內容包括測試時間、相關參數、測量數據和測試結果。

操作步驟如下：

第一步、啟動labview軟體程序進入用戶界面；

第二步、在用戶界面中輸入試樣厚度參數，設置激勵信號參數(物理通道、頻率、幅值等)，設置數據採集參數(物理通道、採樣模式、採樣頻率、採樣點數等)；

第三步、點擊「開始測量」按鈕，啟動數據採集卡8da埠輸出激勵信號，同時啟動ad採集程序、數位訊號處理程序以及數據顯示程序；

第四步、根據採集到的數據調整採樣電阻5的大小(程序初始化默認接入1ω的採樣電阻5)，使電壓信號和電流信號幅值最為接近，避免某一數據過小導致誤差增加；

第五步、點擊「數據記錄」按鈕，對採集到的數位訊號進行存儲；

第六步、等待完成第二步中設置的採樣點數，程序關閉da輸出，停止數據採集，並根據算法對第五步中存儲的電壓、電流信號進行計算，得到交流介電參數並顯示；

第七步、點擊「輸出報表」按鈕，程序將生成excel格式的測試報表，內容包括測試時間、相關參數、測量數據和測試結果等；

第八步、若繼續測試則改變激勵信號頻率，重複上述步驟，若結束測試則退出程序。