一种电位测量装置、电位测量方法

本发明涉及绝缘材料表面电位测量，尤其涉及一种电位测量装置、电位测量方法。

背景技术：

1、电气设备不可避免存在不等电位的部件，需要采用绝缘材料将不等电位部件隔绝开，因此绝缘材料广泛应用于电气电子、脉冲功率及航空航天设备当中。在强电场或高能带电粒子作用下，绝缘材料容易发生表面电荷积聚现象，积聚的表面电荷引起电场分布畸变，进而引发沿面放电故障，严重威胁相关设备的安全可靠运行。例如气体绝缘输电管道(gil)中绝缘子表面电荷积聚现象是引起沿面闪络故障的重要原因，航天器在空间等离子体环境和高能带电粒子辐射环境中容易发生电荷积聚及放电故障。测量绝缘材料的表面电荷分布对认识沿面放电现象具有重要意义。

2、常用表面电荷测量方法包括粉尘图法、静电探头法和pockels效应法。静电探头法是目前国际上表面电荷测量领域中使用较广泛的方法。静电探头主要由内部感应导体和外部接地屏蔽保护层组成。测量时，将探头靠近待测介质表面并保持距离不变，介质表面的电荷会在感应导体上激发感应电压，通过测取该电压值即可获得表面电荷的相关信息。

3、但是静电探头法的空间分辨率仅为mm级，难以用于微小尺度及复合材料表面电位的测量。研制高空间分辨率的表面电荷测量装置对分析微小缺陷产生的表面电荷分布及复合材料的电荷迁移特性具有重要意义。

技术实现思路

1、基于上述问题，本技术实施例提供了一种电位测量装置、电位测量方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

2、本技术实施例公开了如下技术方案：一种电位测量装置，包括：指令模块，用于向驱动模块2、探测模块3和测量模块4发送控制数字信号指令，并对测量模块4测得回路电流信号进行分析；驱动模块2，用于基于所述控制数字信号指令驱动所述探测模块3对待测样品进行探测；探测模块3，用于与所述待测样品之间形成时变电容；测量模块4，用于在所述探测模块3上施加测量电压，基于所述时变电容形成回路电流，以分析所述待测样品的表面电位。

3、可选的，所述驱动模块2，包括：信号发生器21、功率放大器22和音圈电机23；信号发生器21，用于基于所述控制数字信号指令输出电压信号；功率放大器22，输入端与所述信号发生器21连接，用于放大所述电压信号的功率，获得功率放大的电压信号；音圈电机23，与所述功率放大器22的输出端连接，用于基于所述功率放大的电压信号，产生平行于音圈电机23轴线方向的振动，以驱动所述探测模块3。

4、可选的，所述探测模块3，包括：支撑部件31、位移平台组件32、屏蔽组件33、探针34；所述支撑部件31用于固定所述音圈电机23和放置所述位移平台组件32；所述位移平台组件32用于放置所述待测样品，以基于所述指令模块1调整所述待测样品的位置；所述屏蔽组件33固定在所述音圈电机23上，以屏蔽市电和驱动模块2产生的噪声信号；所述探针34一端固定在所述屏蔽组件33内，另一端伸出所述屏蔽组件33，以通过所述测量电压，基于所述时变电容形成所述回路电流。

5、可选的，所述屏蔽组件33，包括：屏蔽盒331、绝缘支撑杆332、锁紧螺母333、bnc接头334、探针自紧夹头335；所述屏蔽盒331固定在所述音圈电机23上，且所述屏蔽盒331外侧设置接地极，用于屏蔽市电干扰；所述绝缘支撑杆332一端穿过所述屏蔽盒331固定在所述音圈电机23的线圈动子上，另一端上固定有所述探针自紧夹头335，且所述绝缘支撑杆332通过所述锁紧螺母333与所述屏蔽盒331固定，以隔离所述驱动模块2产生的噪声信号传递到所述探针34上；所述bnc接头334设置在所述屏蔽盒331上，且通过导线与所述探针自紧夹头335连接，用于将所述测量模块4产生的电压传输至所述探针34顶端；所述探针自紧夹头335用于固定所述探针34。

6、可选的，探针34末端直径在0.5μm以内，探针34与样品表面距离在100nm以内。

7、可选的，所述位移平台组件32，包括：位移平台控制器321、三轴位移平台322；所述位移平台控制器321，用于基于所述控制数字信号，控制所述三轴位移平台322移动；所述三轴位移平台322，用于放置所述待测样品，以基于所述位移平台控制器321的控制，移动所述待测样品。

8、可选的，所述测量模块4，包括：数据采集卡41、隔离型高压模块42和i/v跨阻放大器43；数据采集卡41，用于将所述控制数字信号指令转换为控制模拟信号，输出所述控制模拟信号，且用于将所述回路电流转换为测量数字信号；隔离型高压模块42，用于基于所述控制模拟信号，在所述探测模块3上施加测量电压；所述隔离型高压模块42采用悬浮型接线方式，所述隔离型高压模块42的高压端连接在所述i/v跨阻放大器43和所述探针34中间，所述i/v跨阻放大器43末端及所述位移平台接地；i/v跨阻放大器43，用于测量所述回路电流并传输给所述数据采集卡41，以分析所述待测样品的表面电位。

9、可选的，所述隔离型高压模块42，包括：电源输入端、控制信号输入端与高电压输出端子；所述电源输入端与24v直流开关电源连接，用于基于所述直流开关电源提供电压输入；所述控制信号输入端基于所述控制模拟信号，用于控制所述高电压输出端子施加的测量电压；所述高电压输出端子用于将所述输出电压施加到所述探测模块3上。

10、可选的，所述i/v跨阻放大器43基于如下公式，计算所述输出电压：

11、v_out＝v_cc/2+i*r

12、其中，v_out为所述输出电压，vcc为模块供电电压，r为跨接电阻，i为输入电流。

13、本发明还提供了一种电位测量方法，包括：基于指令模块1向驱动模块2、探测模块3和测量模块4发送控制数字信号指令；基于驱动模块2根据所述控制数字信号指令驱动探测模块3对待测样品探测；基于探测模块3与所述待测样品之间形成的时变电容；基于测量模块4在所述探测模块3上施加测量电压，以使所述时变电容形成回路电流，以分析所述待测样品的表面电位。

14、本发明提供了一种电位测量装置、电位测量方法，其中，一种电位测量装置，包括：指令模块1，用于向驱动模块2、探测模块3和测量模块4发送控制数字信号指令，并对测量模块4测得回路电流信号进行分析；驱动模块2，用于基于所述控制数字信号指令驱动所述探测模块3对待测样品进行探测；探测模块3，用于与所述待测样品之间形成时变电容；测量模块4，用于在所述探测模块3上施加测量电压，基于所述时变电容形成回路电流，以分析所述待测样品的表面电位。通过探测模块3与待测样品之间形成的时变电容，以及测量模块4在探测模块3上施加的测量电压来形成回路电流，能够精确地分析待测样品的表面电位。且，驱动模块2能够基于指令模块1的控制数字信号指令，精确地驱动探测模块3对待测样品进行探测，使得装置能够捕获样品表面电位的微小变化，实现高空间分辨率的测量，有助于更详细地了解样品表面的电位分布情况。另外，探测模块3与待测样品之间通过时变电容进行交互，无需直接接触样品表面。另外，测量模块基于有源测试原理，测试结果不受探针及样品结构的影响，无需标定。最后，整个测量过程由指令模块1控制，实现了自动化操作，减少了人工干预和潜在误差。综上所述，本发明具有分辨率高，能够用于微小尺度及复合材料表面电位的测量的优点。