沖電聲法(PEA)直流或交流場(chǎng)下的空間電荷測(cè)量系統(tǒng)

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(jí)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(chǎng)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。壓電傳感器檢測(cè)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(duì)施加每個(gè)高壓脈沖后檢測(cè)到的此類(lèi)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(cè)量裝置均使用 β相的聚偏 氟乙烯(polyvinylidene ?uoride，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(cè)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(guò)鈮酸鋰(LiNbO3)壓電元件，開(kāi)發(fā)了適用于高溫(可高達(dá)150℃)時(shí) PEA 法空間電荷測(cè)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(wú)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(píng)價(jià)系數(shù)低、難加工成很薄的壓電晶片。華測(cè)儀器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(kāi)發(fā)了適用于高溫下(≤110℃)的PEA 法空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，分析了溫度對(duì)壓電傳感器性能、聲信號(hào)的傳播特 性和穿過(guò)介質(zhì)特性的影響，得出了對(duì)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(duì) PEA 測(cè)量系統(tǒng)的影響。利用建立的高溫 PEA 法空間電荷測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)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。

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