高精度可调间隙不接触三电极

摘要

本发明公开了一种高精度可调间隙不接触三电极，在立柱背面固定后盖板；底座上部设置有保护壳体，保护壳体内安装高压电极并与之绝缘，形成固定极；千分杆连接万向轴，万向轴上固定连接板，且万向轴连接滑动轴承，滑动轴承连接测量电极和保护电极，测量电极和保护电极固定在一起，两者之间形成空气腔，形成移动极，测量电极置于高压电极的上方，连接板连接光读尺，光栅固定在尺板上，在头架上固定滑轮，轮绳的一端固定在连接板上，另一端与平衡块连接，测量电极直径为38±0.5mm，测量电极与保护电极之间的保护间隙宽度为0.2±0.05mm。可有效消除测量时用力不均、间距调节上下轻重不一致的现象，达到平滑调距、稳定读数的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电介质材料介电参数准确测量的精密仪器，特别涉及一种高精度可调间隙不接触三电极。

现有技术

目前，常用于薄膜材料介电参数测量的方法包括粘贴铝箔电极法、喷涂或真空蒸发金属电极法、元件法(又称模型电容器法)、固定式不接触电极法。这些方法各有其优缺点。由于缺乏统一规定，各生产厂家及研究单位根据自己的需要采取某种方法，实验条件各不相同，这也造成不同出处数据之间无法进行相互比较。

电容器用的聚丙烯薄膜厚度很薄，大约在4～20μm之间。受仪器固有精度的影响，对如此薄的材料测试其相对电容率(ε_r)和介质损耗角正切(tanδ)，很容易带来测量误差，通常ε_r偏小，tanδ偏大。为减小误差，国际标准IEC 60674-3-1：1998(第一版)电气用塑料薄膜第3部分单项材料规范第一篇：电容器用双轴定向聚丙烯(PP)薄膜中已明确规定ε_r和tanδ的测试用不接触电极或蒸发金属电极。在我国，不接触电极基本上没有推广使用，尤其在工程上的应用更是空白。

下面，分别介绍各种常用方法。

粘贴铝箔法：用柔软的金属箔如铝箔、锡箔等，涂以微量的粘合剂粘贴在试样表面。

喷涂或真空蒸发金属电极：采用能很好粘附于试样表面的低熔点金属材料，如铝、锡或其它合金，直接喷涂在按电极模型覆盖好的试样上，或把上述试样放在真空蒸发器内，让气化的金属沉积在试样表面上。

元件法：在薄膜间插入铝箔，按照电容器元件的制法，做成试品元件，将其压紧，进行测量的方法。

固定式不接触电极法：试样表面不预先粘贴或涂敷任何导电电极，而直接将试样放在电极两端面之间，让试样与电极间留有一定的间隙，通过有无试样两次测量，获得试样相对电容率与介质损耗角的测量方法。固定式不接触电极其电极间距固定。

对电介质材料来说，它的相对电容率(ε_r)和介质损耗角正切(tanδ)是其重要的性能参数。对于厚度大于100μm的薄膜，这些参数的测量按照原IEC pub 250-69提出的方法一般来说不会出现太大的误差；对于厚度小于100μm，特别是小于30μm以下的薄膜，ε_r和tanδ的测量误差可能达到10％～50％，这样大的误差无论是对材料性能研究，或是工程技术应用都是不能接受的。而今的薄膜材料，例如全膜结构的电力电容器用聚丙烯薄膜，其厚度已达到5μm以下。这样一来，薄膜电性参数的测量方法和技术问题自然就成为各国电工标准化技术领域关注的问题。

粘贴铝箔法产生误差的来源主要为夹层媒质，为减小误差，必须采用干净、损耗小的粘合剂，并且涂层尽可能均匀。此方法简单、方便，但对于tanδ小(10^-5及以下)的试品，测试结果不准确，因为大多数粘合剂的tanδ在10^-4数量级。另外，测量ε_r时为减小空气影响，必须压紧试品，这对较薄的试品很容易造成破坏，尤其对于厚度小于10μm的试样已无法粘贴铝箔。

喷涂或蒸发金属电极能减小夹层在测试过程中产生的误差，但在喷涂或蒸发过程中金属离子的渗透、迁移会使得试品厚度相对偏小，从而使得ε_r偏大。对于很薄的薄膜，渗透还会导致试品破坏(穿透)。此外，金属蒸发镀膜设备成本高、效率低，难于普及推广。

元件法实施过程中使用的试样量大，且制样不方便，试验时还常遇样品击穿，带来不安全因素。

固定式不接触电极法可以用空气为媒质，电极结构简单，操作方便。但是它未解决引线带来的附加损耗问题，虽然这一损耗在工频下是可以忽略不计的。

另外，美国试验与材料协会(ASTM)针对聚乙烯一类薄膜曾提出了一种用液体苯为媒质的排代法测量技术，它的准确度很高，但因为又轻又软的薄膜在向电极间的媒质中插入时很难操作，且对液体媒质的纯净度要求很高，此方法未能得到推广。

日本工业标准(JIS)也曾提出一种将薄膜堆叠成一定的厚度，压紧，再按普通厚试样测量方法处理的技术，但这种方法无法解决薄膜间气隙带来的测量误差。国际标准IEC 60674-3-1：1998(第一版)电气用塑料薄膜第3部分单项材料规范第一篇：电容器用双轴定向聚丙烯(PP)薄膜中已明确规定ε_r和tanδ的测试用不接触电极或蒸发金属电极。在我国，不接触电极基本上没有推广使用，尤其在工程上的应用更是空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度可调间隙不接触三电极，能够提高测量精度，尤其是对厚度在30μm以下的薄膜相对电容率和介质损耗角正切的测量，不但提高了测量精度，而且简化了测量方法。

本发明的技术方案是这样实现的：包括立柱，立柱背面固定后盖板；立柱底部固定底座，底座底部设置盖板，底座上部设置有保护壳体，保护壳体内安装高压电极并与之绝缘，形成固定极；立柱端部固定头架，头架上固定千分杆，千分杆连接万向轴，万向轴上固定连接板，且万向轴连接滑动轴承，滑动轴承连接测量电极和保护电极，测量电极和保护电极固定在一起，两者之间形成空气腔，形成移动极，测量电极置于高压电极的上方，测量电极和高压电极两者的平面水平；连接板连接光读尺，光读尺与光栅通过槽齿咬合，两者竖直平行，光栅固定在尺板上，尺板固定在立柱的内壁上；在头架上固定滑轮，绕在滑轮上的轮绳的一端固定在连接板上，另一端与平衡块连接，立柱内壁上固定支承板。

测量电极直径为38mm±0.5mm，测量电极与保护电极之间的保护间隙宽度为0.2mm±0.05mm。

测量电极和高压电极均突出保护电极和保护壳体平面0.02mm-0.04mm。

测量电极采用锥形结构。

高压电极与测量电极连接屏蔽高压连接线，由同轴端子引出，光栅由连接电缆引出。

高压电极直径为40mm-60mm。

保护电极上设置有除尘吹气孔。

本发明可直接用来测量试样的厚度，可测试样的厚度范围是0～1mm。应用本电极系统时无需在试样上粘贴或喷涂其它电极，从而消除了因电极与试样接触不良带来的误差，配合精密测量电桥可方便准确地测量平板、薄膜类绝缘材料的相对电容率和介质损耗角正切，尤其是测量超薄的薄膜材料(＜30μm)时优势明显，相对介电常数ε_r的测量值误差可控制在5％以内，介质损耗角正切tanδ可测到10^-5数量级。

测量电极和高压电极均突出其外围，保证电极之间有良好的接触。

移动极上增加的除尘吹气孔，可消除测量时保护间隙中残留的灰尘，保持电极清洁，在测量小损耗试样的介质损耗角正切时显得至关重要。

测量电极为锥形，与保护电极之间形成空气腔结构，与传统的圆柱形结构相比，可以有效解决测量中的负损耗问题。

将光栅尺原来的移动部分—光栅作了位置固定，而将原需固定的部分——光读尺变成了移动部件，消除了原移动部分—光栅因带有连接电缆在测量时带来的不稳定现象，使读数更加精确。

本发明中采用了带有平衡块的滑轮作为平衡系统。该平衡系统和千分杆相结合，可有效消除测量时用力不均、间距调节上下轻重不一致的现象，达到平滑调距、稳定读数的目的。

本发明中所有连接线全部采用耐高压屏蔽线或同轴电缆线，连接接头均采用同轴端子，这样可以达到完善的屏蔽效果，保证精确测量。

附图说明

图1是本发明侧视剖面示意图；

图2是本发明后视剖面示意图。

以下结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1、图2所示，本发明包括立柱14，立柱14背面固定后盖板24；立柱14底部固定底座11，底座11底部设置盖板12，底座11上部设置有保护壳体10，保护壳体10内安装高压电极15并与之绝缘，形成固定极；立柱14端部固定头架2，头架2上固定千分杆1，千分杆1连接万向轴3，万向轴3上固定连接板4，且万向轴3连接滑动轴承6，滑动轴承6连接测量电极9和保护电极16，测量电极9和保护电极16固定在一起，两者之间形成空气腔7，形成移动极，测量电极9置于高压电极15的上方，测量电极9和高压电极15两者平面水平。测量电极9采用锥形结构，直径为38mm±0.5mm，测量电极9与保护电极16之间的保护间隙宽度为0.2mm±0.05mm。测量电极9和高压电极15均突出保护电极16和保护壳体10平面0.02mm-0.04mm。保护电极16上设置有除尘吹气孔8，连接板4连接光读尺17，光读尺17与光栅25通过槽齿咬合，两者竖直平行，光栅25通过尺板19固定在立柱14的内壁上，立柱14内壁上固定支承板18；在头架2上固定滑轮21，绕在滑轮21上的轮绳20的一端固定在连接板4上，另一端与平衡块5连接。

高压电极15与测量电极9均由耐高压的屏蔽线13引出，与两个固定在立柱14侧面的同轴端子22连接，此同轴端子22作为与外部测试系统如电桥的连接通道。光栅25的连接电缆23在立柱另一侧面引出，并带有连接好的数据接头，使用时直接插入数显屏对应接口即可。

千分杆1带有棘轮装置，测量时，无论用力大小，旋转的力保持一致。到了死点后因千分杆的棘轮产生作用，在旋转测量头时，手的感觉是一样的。

测量电极9采用经氮化、精密研磨处理过的不锈钢材料，其不导磁性能保证电气测量的精确性，它和保护壳体经聚四氟乙烯塑料固化在一起，并与滑动轴承6连接，形成移动极，与高压电极15之间的间距通过旋转千分杆1的测量头调节，该间距经高精度光栅尺精确读取后，显示在数显屏上。高压电极15安装在保护壳体10内并与之绝缘，整个固定于底座11上，形成固定极。移动极上加装除尘吹气孔8，可将进入保护间隙的灰尘清除，消除由此带来的附加损耗。同时，测量电极9采用锥形结构，与保护电极16之间形成空气腔7，与传统的柱形结构相比，可有效解决测量中的负损耗问题。测量电极9直径为38±0.5mm，测量电极9与保护电极16之间的保护间隙宽度为0.2±0.5mm，高压电极15直径为50mm。为保证电极之间的良好接触，测量电极9和高压电极15均突出其保护壳体平面0.02mm-0.04mm，最好为0.03mm。

下面以本发明结合电桥法为例说明其应用过程：

测量步骤：

a.旋动千分杆1，带动万向轴3、滑动轴承6以及保护电极16、测量电极9向上运动，将测量电极9和高压电极15的间距调开，再将待检测的试样放入测量电极9和高压电极15之间，旋动千分杆1尾部的旋纽，直至旋纽内棘轮有4～5声“塔、塔”声。千分杆1的运动带动万向轴3、滑动轴承6以及保护电极16、测量电极9的相对运动，万向轴3的运动引起固定在其上的连接板4的运动，连接板4的运动一是通过固定于其上的轮绳20的一端引起滑轮21的转动，轮绳20的另一端固定平衡块5，使连接板4的运动平稳无振荡；连接板4的运动同时引起与之连接的光读尺17的移动，光栅25通过尺板19固定在立柱14上，光读尺17相对于光栅25的相对位移通过连接电缆23传输并显示在外部数显屏上。因为测量电极相对于高压电极位置的移动对应于试样厚度，故可读取数显屏读数，即为试样厚度值；旋动千分杆1，重新调整测量电极9和高压电极15的间距，移动试样，重复以上过程，测量试样上不同位置的厚度(可以按相应标准要求测试)取其平均值，即为试样的平均厚度t；

b.旋动千分杆1，调整测量电极9和高压电极15的间距，使试样可从极间无阻力抽出即可。记录此时测量电极9和高压电极15间距t₁；

c.测量电极9和高压电极15均连接有屏蔽高压连接线13，屏蔽高压连接线13与同轴端子22连接，同轴端子22通过外部的同轴连接线与高压电桥的对应测量端口连接。将电桥测试电压调节到要求值，平衡电桥，记录在t₁间距下有试样插入时的介质损耗因素tanδ₁，读出电桥平衡时的电容读数；

d.缓慢抽出试样，旋转千分杆1，减小的间距，直到电桥在步骤c时的电容值恢复平衡为止。记录没有试样时的测量电极9和高压电极15间距t₂和介质损耗因素tanδ₂(洁净的电极在空气中时，此值一般小于1×10^-4)；

ε_r和tanδ计算

试样相对电容率ε_r和介质损耗因数tanδ分别按下式计算

$>{}_{}$>

$>>tan>\delta >=>\Delta >tan>\delta >{}_{}$>

式中

t——试样平均厚度，mm

                  Δt＝t₁-t₂；

t₁——有试样时的测量电极和高压电极间距读数，mm

t₂——无试样时的测量电极和高压电极间距读数，mm

                  Δtanδ＝tanδ₁-tanδ₂

tanδ₁——有试样时测量电极和高压电极系统的介质损耗因数

tanδ₂——无试样时测量电极和高压电极系统的介质损耗因数对一些常见材料的板材及薄膜样品进行了测量，结果如下表所示。

                  表1常见材料测量结果

  试样  厚度/mm  ε_r  tanδ/(×10^-3)  聚丙烯  (PP)  0.005  0.020(4层)  0.011  0.048(4层)  1.70  2.00  2.75  2.40  4.93  0.48  1.83  1.28  聚丙烯^*  (PP)  0.240(20层)  0.360(30层)  2.02  2.04  0.17  0.19  聚酰亚胺  (PI)  0.075  0.158  4.05  4.27  1.53  1.07  环氧  1.135  1.850  6.75  5.87  3.76  3.71  聚酯  (PET)  0.125  0.250  3.57  3.38  1.18  1.75  橡胶  1.000  2.82  0

              注：^*表示试样经除静电处理

由测量结果可以看出，使用不接触电极方法可以准确测得材料的ε_r和tanδ值及其变化。并且通过比较可以看出，对于聚丙烯薄膜，当单层试样的厚度很薄时，采用多层测量更为合理，一方面可提高试样厚度测量的准确度，从而提高测量结果的准确度；另外，也可减小由于静电、薄膜表面污染带来的误差。

固定间隙与可调间隙两种不接触电极应用于聚丙烯薄膜时测量结果的比较见下表所示。

                     表2两种不接触方法测量结果比较

  试样  (不同产地或型  号)   参数  可调间距  法  固定间距  法  1#  2#  1#  2#   德国  ε_r   tanδ/(×10^-4)  2.11   1.70  2.10   2.10  2.20   1.90  2.47   1.80   美国GE  ε_r   tanδ/(×10^-4)  2.19   2.10  2.12   2.10  2.25   2.47  2.23   2.23  国产  (1#)  ε_r  tanδ/(×10^-4)  2.16  2.10  2.12  2.10  2.23  2.60  2.23  2.40  国产  (4#)  ε_r  tanδ/(×10^-4)  2.01  1.90  2.01  1.90  2.25  2.40  2.22  2.30  国产  (粗化膜)  ε_r  tanδ/(×10^-4)  2.30  2.20  2.23  1.90  2.26  2.20  2.30  2.40

从表中的数据可以看出，两种不接触电极方法测量出来的薄膜ε_r和tanδ值都在合格范围内。两者比较，利用可调间隙方法得到的结果更为稳定，而且tanδ值更小，由于这种方法消除了引线带来的附加损耗，使得测试结果更加准确。同时，可调间隙方法的应用过程也相对简单。