本发明涉及空间电荷测量，具体是一种基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统。
背景技术：
1、聚合物电介质材料由于具有较高的击穿电场，损耗低、质量轻、价格相对便宜，因此在电气工程领域作为高压设备的绝缘材料和储能介质都有广泛的应用。空间电荷是指在电场作用下聚合物电介质材料内部产生的正负极性电荷不能完全抵消而存在的净电荷，空间电荷的注入、积聚和运输是导致聚合物绝缘劣化的根本原因之一。
2、碳化硅模块在超高温和强电场环境下工作时，其封装绝缘材料容易注入和积聚空间电荷。这些空间电荷的积聚会导致电场畸变和放电破坏，进而引起绝缘劣化甚至模块击穿。这种现象对碳化硅模块的封装绝缘可靠性产生了严重影响，需要一种有效的方法来测量和分析封装绝缘内部的空间电荷分布及其动态行为，以便更好地理解和控制封装绝缘内部的空间电荷积聚现象。脉冲电声(pulsed electro acoustic，pea)法是测量空间电荷的重要方法之一。该方法通过向试样加载脉冲电信号，产生压力波(声波)，并利用压电元件将压力波转换为电压信号。通过测量压力波到达压电元件的时间差，可以获取电荷位置分布的信息。
技术实现思路
1、本发明的目的在于，提供一种基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统。本发明可以在超高温强电场的条件下实现绝缘材料空间电荷分布的测量，具有测量精度高、可靠性强的优点。
2、本发明的技术方案：一种基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，包括脉冲发生模块：用于生成可调的高频率高电压脉冲信号，进而对试样内的空间电荷进行扫描；
3、电极模块：用于向试样加载脉冲信号，从而产生压力波信号，并将压力波信号转换为电信号；
4、温控模块：用于精确控制温度，满足试样的测试条件；
5、信号采集模块：用于放大并收集电极模块产生的电信号，从而完成试样空间电荷的测量；
6、所述电极模块分别与脉冲发生模块、温控模块和信号采集模块相连。
7、上述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述电极模块包括上电极模块，所述上电极模块的下部设有下电极模块；所述上电极模块与脉冲发生模块相连；所述下电极模块分别与温控模块和信号采集模块相连；
8、所述上电极模块包括壳体，所述壳体上设有盖体，所述壳体内的下部设有上铝电极，所述上铝电极的下部贴合设有半导电层；所述上铝电极连接有保护电阻r6和高压电容c19；所述保护电阻r6的另一端连接有直流高压电源；所述高压电容c19的另一端与脉冲发生模块连接以及连接有匹配电阻r7，匹配电阻r7的另一端接地；所述壳体与上铝电极之间填充有有机硅弹性材料，所述保护电阻r6与上铝电极的连接端、高压电容c19、高压电容c19与匹配电阻r7的连接端均位于在有机硅弹性材料内；
9、所述下电极模块包括设置在壳体下部的下铝电极，所述下铝电极的下部贴合设有隔热石英玻璃，所述隔热石英玻璃的上下表面分别镀设有镍铬合金层；所述隔热石英玻璃的下部贴合设有压电元件，所述压电元件与信号采集模块相连；所述镍铬合金层接地。
10、前述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述脉冲发生模块包括高压直流电路、低压供电电路、内部触发电路、外部触发电路和控制电路；所述控制电路分别与高压直流电路、外部触发电路和内部触发电路相连；所述内部触发电路与低压供电电路相连。
11、前述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述高压直流电路包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c1、电容c2、电阻r1、可调电阻rp1、可调电阻rp2、可调电阻rp3、可调电阻rp4、可调电阻rp5、稳压芯片u1、调节引脚和高电压放大模块；所述二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4依次首尾相连组成第一整流桥；所述第一整流桥的输入端连接电压源，所述第一整流桥的输出端与电容c1相并联；所述电容c1的一端与稳压芯片u1的in引脚相连，所述电容c1的另一端接地；所述稳压芯片u1的out引脚分别与高电压放大模块的1号端、可调电阻rp1的一端和电容c2的一端相连；所述稳压芯片u1的adj引脚分别与可调电阻rp1的另一端和调节引脚的1号端相连；所述调节引脚的2号端与可调电阻rp2的一端相连，所述调节引脚的3号端与可调电阻rp3的一端相连，所述调节引脚的4号端与电阻r1的一端相连，所述调节引脚的5号端与可调电阻rp4的一端相连，所述调节引脚的6号端与可调电阻rp5的一端相连；所述电容c2的另一端分别与高电压放大模块的2号端、电阻r1的另一端、可调电阻rp2的另一端、可调电阻rp3的另一端、可调电阻rp4的另一端和可调电阻rp5的另一端相连，并接地；所述高电压放大模块的3号端与控制电路的输入端相连。
12、前述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述低压供电电路包括二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6和稳压芯片u2；所述二极管d5、二极管d6、二极管d7和二极管d8依次首尾相连组成第二整流桥；所述第二整流桥的输入端连接电压源，所述第二整流桥的输出端与电容c3相并联，所述电容c3的一端分别与电容c4的一端和稳压芯片u2的1号端相连，所述电容c3的另一端分别与电容c4的另一端、稳压芯片u2的2号端、电容c5的一端和电容c6的一端相连，并接地；所述稳压芯片u2的3号端分别连接电容c5的另一端、电容c6的另一端和内部触发电路的输入端相连。
13、前述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述内部触发电路包括芯片u3、电阻r2、电阻r3、可调电阻rp6和电容c7；所述芯片u3的1号引脚与电容c7的一端相连，并接地；所述芯片u3的2号引脚分别与电容c7的另一端、可调电阻rp6的一端和芯片u3的6号引脚相连；所述芯片u3的7号引脚分别与可调电阻rp6的另一端和电阻r2的一端相连；所述芯片u3的4号引脚分别与电阻r2的另一端、芯片u3的8号引脚、电阻r3的一端、电容c8的一端和低压供电电路的输出端相连，所述电容c8的另一端接地；所述芯片u3的3号引脚分别与电阻r3的另一端和控制电路的输入端相连。
14、前述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述外部触发电路连接有数据采集卡，所述数据采集卡连接有计算机；所述外部触发电路包括整流器、稳压芯片u4、稳压芯片u5、运算放大芯片q1、运算放大芯片q2、电容c9、电容c10、电容c11和电容c12；所述整流器的输入端连接交流电压源；所述整流器的输出端负极分别与电容c9的一端和稳压芯片u4的in引脚相连，所述电容c9的另一端接地；所述稳压芯片u4的out引脚分别与电容c11的一端、运算放大芯片q1的负电源端和运算放大芯片q2的正电源端相连，所述电容c11的另一端接地；所述稳压芯片u4的gnd引脚接地；所述整流器的输出端正极分别与稳压芯片u5的in引脚和电容c10的一端相连，所述电容c10的另一端接地；所述稳压芯片u5的gnd引脚接地；所述稳压芯片u5的out引脚分别与电容c12的一端、运算放大芯片q2的负电源端和运算放大芯片q1的正电源端相连；所述电容c12的另一端接地；所述数据采集卡分别与运算放大芯片q1的正相输入端和运算放大芯片q2的正相输入端相连；所述运算放大芯片q1的反相输入端分别与运算放大芯片q1的输出端和直流高压电源相连；所述运算放大芯片q2的反相输入端分别与运算放大芯片q2的输出端和控制电路的输入端相连。
15、前述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述控制电路包括高电压晶体管开关、稳压管d9、稳压管d10、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电容c13、电容c14、电容c15、电容c16、电容c17、电容c18、稳压管d9、稳压管d10和同轴电缆；所述电阻r4的一端与高压直流电路相连，所述电阻r4的另一端分别与电容c14的一端、电容c15的一端、电容c16的一端、电容c17的一端、电容c18的一端和高电压晶体管开关的8引脚相连；所述高电压晶体管开关的9引脚与电阻r5的一端相连，所述电阻r5的另一端分别与稳压管d10的负极和同轴电缆的一端相连；所述稳压管d10的正极与稳压管d9的正极相连，稳压管d9的负极分别与电容c14的另一端、电容c15的另一端、电容c16的另一端、电容c17的另一端、电容c18的另一端、电容c13的一端、电阻r6的一端、同轴电缆的屏蔽层、高电压晶体管开关的2引脚和高电压晶体管开关的4引脚相连，并接地；所述电阻r6的另一端分别与同轴电缆的另一端和电极模块相连；所述高电压晶体管开关的1引脚与外部触发电路的输出端相连；所述高电压晶体管开关的3引脚分别与电容c13的另一端和内部触发电路的输出端相连。
16、前述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述信号采集模块包括信号放大模块；所述压电元件与信号放大模块相连，所述信号放大模块分别连接有低压供电电源和示波器，所述示波器与计算机相连。
17、前述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，所述温控模块包括加热模块和散热模块；
18、所述散热模块包括设置在下电极模块外侧的散热铜层，所述散热铜层内设有环腔，所述环腔的两侧分别设有开口，所述开口的外端连接有循环冷却装置；
19、所述加热模块包括陶瓷加热圈、热电偶和温度控制器；所述陶瓷加热圈和热电偶分别与温度控制器相连；所述陶瓷加热圈设置在壳体的外侧，所述热电偶嵌设在下铝电极内。
20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
21、1、本发明的脉冲发生模块用于生成可调的高频率高电压脉冲信号，进而对试样内的空间电荷进行扫描；电极模块用于向试样加载脉冲信号，从而产生压力波信号，并将压力波信号转换为电信号；温控模块用于精确控制温度，满足试样的测试条件；信号采集模块用于放大并收集电极模块产生的电信号，从而完成试样空间电荷的测量；电极模块分别与脉冲发生模块、温控模块和信号采集模块相连；本发明通过高频电脉冲扫描技术，研发了150℃超高温强电场空间电荷测量系统，而目前行业内空间电荷的最高测量温度仅为70℃，本发明将测试温度提升了80℃；本发明适用于各种高耐热性电气绝缘材料在更高温度下的空间电荷特性研究，有助于推动可耐受更高温度的新型电工材料的研发，提高电力设备的高温可靠性；本发明可以在超高温强电场的条件下实现绝缘材料空间电荷分布的测量，具有测量精度高、可靠性强的优点。
22、2、本发明可用于各种高耐热性绝缘材料在超高温强电场下的空间电荷特性研究，为电力设备绝缘材料的选择和改进提供重要依据。
23、3、本发明的成本较低，具备显著的价格竞争优势；本发明的设备进行了集成化设计，简化了设备结构，降低了维护成本，提高了设备的可靠性和使用寿命。
24、4、本发明的上电极模块采用聚四氟乙烯隔热层，可以提高散热效率，有效保护电极模块内部的元器件；下电极模块不仅采用耐高温的隔热石英玻璃在压电元件与下铝电极之间进行热阻断，还通过循环冷却装置进行散热设计，使本发明空间电荷的最高测试温度达到150℃。
1.一种基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：包括脉冲发生模块(1)：用于生成可调的高频率高电压脉冲信号，进而对试样(301)内的空间电荷进行扫描；
2.根据权利要求1所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述电极模块(2)包括上电极模块(5)和下电极模块(6)；所述上电极模块(5)与脉冲发生模块(1)相连；所述下电极模块(6)分别与温控模块(3)和信号采集模块(4)相连；
3.根据权利要求2所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述脉冲发生模块(1)包括高压直流电路、低压供电电路、内部触发电路、外部触发电路和控制电路；所述控制电路分别与高压直流电路、外部触发电路和内部触发电路相连；所述内部触发电路与低压供电电路相连。
4.根据权利要求3所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述高压直流电路包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c1、电容c2、电阻r1、可调电阻rp1、可调电阻rp2、可调电阻rp3、可调电阻rp4、可调电阻rp5、稳压芯片u1、调节引脚和高电压放大模块；所述二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4依次首尾相连组成第一整流桥；所述第一整流桥的输入端连接电压源，所述第一整流桥的输出端与电容c1相并联；所述电容c1的一端与稳压芯片u1的in引脚相连，所述电容c1的另一端接地；所述稳压芯片u1的out引脚分别与高电压放大模块的1号端、可调电阻rp1的一端和电容c2的一端相连；所述稳压芯片u1的adj引脚分别与可调电阻rp1的另一端和调节引脚的1号端相连；所述调节引脚的2号端与可调电阻rp2的一端相连，所述调节引脚的3号端与可调电阻rp3的一端相连，所述调节引脚的4号端与电阻r1的一端相连，所述调节引脚的5号端与可调电阻rp4的一端相连，所述调节引脚的6号端与可调电阻rp5的一端相连；所述电容c2的另一端分别与高电压放大模块的2号端、电阻r1的另一端、可调电阻rp2的另一端、可调电阻rp3的另一端、可调电阻rp4的另一端和可调电阻rp5的另一端相连，并接地；所述高电压放大模块的3号端与控制电路的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述低压供电电路包括二极管d5、二极管d6、二极管d7、二极管d8、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6和稳压芯片u2；所述二极管d5、二极管d6、二极管d7和二极管d8依次首尾相连组成第二整流桥；所述第二整流桥的输入端连接电压源，所述第二整流桥的输出端与电容c3相并联，所述电容c3的一端分别与电容c4的一端和稳压芯片u2的1号端相连，所述电容c3的另一端分别与电容c4的另一端、稳压芯片u2的2号端、电容c5的一端和电容c6的一端相连，并接地；所述稳压芯片u2的3号端分别连接电容c5的另一端、电容c6的另一端和内部触发电路的输入端相连。
6.根据权利要求5所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述内部触发电路包括芯片u3、电阻r2、电阻r3、可调电阻rp6和电容c7；所述芯片u3的1号引脚与电容c7的一端相连，并接地；所述芯片u3的2号引脚分别与电容c7的另一端、可调电阻rp6的一端和芯片u3的6号引脚相连；所述芯片u3的7号引脚分别与可调电阻rp6的另一端和电阻r2的一端相连；所述芯片u3的4号引脚分别与电阻r2的另一端、芯片u3的8号引脚、电阻r3的一端、电容c8的一端和低压供电电路的输出端相连，所述电容c8的另一端接地；所述芯片u3的3号引脚分别与电阻r3的另一端和控制电路的输入端相连。
7.根据权利要求6所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述外部触发电路连接有数据采集卡(102)，所述数据采集卡(102)连接有计算机(101)；所述外部触发电路包括整流器、稳压芯片u4、稳压芯片u5、运算放大芯片q1、运算放大芯片q2、电容c9、电容c10、电容c11和电容c12；所述整流器的输入端连接交流电压源；所述整流器的输出端负极分别与电容c9的一端和稳压芯片u4的in引脚相连，所述电容c9的另一端接地；所述稳压芯片u4的out引脚分别与电容c11的一端、运算放大芯片q1的负电源端和运算放大芯片q2的正电源端相连，所述电容c11的另一端接地；所述稳压芯片u4的gnd引脚接地；所述整流器的输出端正极分别与稳压芯片u5的in引脚和电容c10的一端相连，所述电容c10的另一端接地；所述稳压芯片u5的gnd引脚接地；所述稳压芯片u5的out引脚分别与电容c12的一端、运算放大芯片q2的负电源端和运算放大芯片q1的正电源端相连；所述电容c12的另一端接地；所述数据采集卡(102)分别与运算放大芯片q1的正相输入端和运算放大芯片q2的正相输入端相连；所述运算放大芯片q1的反相输入端分别与运算放大芯片q1的输出端和直流高压电源相连；所述运算放大芯片q2的反相输入端分别与运算放大芯片q2的输出端和控制电路的输入端相连。
8.根据权利要求7所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述控制电路包括高电压晶体管开关、稳压管d9、稳压管d10、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电容c13、电容c14、电容c15、电容c16、电容c17、电容c18、稳压管d9、稳压管d10和同轴电缆；所述电阻r4的一端与高压直流电路相连，所述电阻r4的另一端分别与电容c14的一端、电容c15的一端、电容c16的一端、电容c17的一端、电容c18的一端和高电压晶体管开关的8引脚相连；所述高电压晶体管开关的9引脚与电阻r5的一端相连，所述电阻r5的另一端分别与稳压管d10的负极和同轴电缆的一端相连；所述稳压管d10的正极与稳压管d9的正极相连，稳压管d9的负极分别与电容c14的另一端、电容c15的另一端、电容c16的另一端、电容c17的另一端、电容c18的另一端、电容c13的一端、电阻r6的一端、同轴电缆的屏蔽层、高电压晶体管开关的2引脚和高电压晶体管开关的4引脚相连，并接地；所述电阻r6的另一端分别与同轴电缆的另一端和电极模块相连；所述高电压晶体管开关的1引脚与外部触发电路的输出端相连；所述高电压晶体管开关的3引脚分别与电容c13的另一端和内部触发电路的输出端相连。
9.根据权利要求8所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述信号采集模块(4)包括信号放大模块(401)；所述压电元件(604)与信号放大模块(401)相连，所述信号放大模块(401)分别连接有低压供电电源(402)和示波器(403)，所述示波器(403)与计算机(101)相连。
10.根据权利要求2所述的基于高频电脉冲扫描的超高温空间电荷测量系统，其特征在于：所述温控模块(3)包括加热模块(9)和散热模块(8)；
