全文摘要
本申请公开了一种用于热刺激电流法的检测装置，包括真空室；真空泵，与真空室相连；上电极；下电极，位于上电极的正下方；加热丝，设置在下电极中，用于加热下电极；冷却机构，用于对下电极进行冷却，还包括：光纤连接器，固定在真空室的内侧壁上；传输光纤，一端与光纤连接器连接，另一端穿出真空室用于与光纤光栅解调系统连接；光纤光栅传感器，一端具有布拉格栅区，另一端用于与光纤连接器连接，光纤光栅传感器具有布拉格栅区的一端用于埋设在待测试样品中。本申请通过光纤光栅传感器能够直接检测待测试样品的温度，相对于现有的通过下电极温度来表征待测试样品温度，待测试样品的温度信息更准确。
主设计要求
1.一种用于热刺激电流法的检测装置，包括真空室；真空泵，与真空室相连，用于将真空室抽真空；上电极，设置在真空室内；下电极，设置在真空室内，位于上电极的正下方，下电极和上电极之间为试样空间；加热丝，设置在下电极中，用于加热下电极；冷却机构，用于对下电极进行冷却，其特征在于，还包括：光纤连接器，固定在真空室的内侧壁上；传输光纤，一端与光纤连接器连接，另一端穿出真空室用于与光纤光栅解调系统连接；光纤光栅传感器，一端具有布拉格栅区，另一端用于与光纤连接器连接，光纤光栅传感器具有布拉格栅区的一端用于埋设在待测试样品中。
设计方案
1.一种用于热刺激电流法的检测装置，包括真空室；真空泵，与真空室相连，用于将真空室抽真空；上电极，设置在真空室内；下电极，设置在真空室内，位于上电极的正下方，下电极和上电极之间为试样空间；加热丝，设置在下电极中，用于加热下电极；冷却机构，用于对下电极进行冷却，其特征在于，还包括：
光纤连接器，固定在真空室的内侧壁上；
传输光纤，一端与光纤连接器连接，另一端穿出真空室用于与光纤光栅解调系统连接；
光纤光栅传感器，一端具有布拉格栅区，另一端用于与光纤连接器连接，光纤光栅传感器具有布拉格栅区的一端用于埋设在待测试样品中。
2.如权利要求1所述的用于热刺激电流法的检测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器包括光纤本体，光纤本体的一端为检测端，检测端的端面为鱼眼球面镜结构，能够对输出激光束具有0-180°发散作用，所述布拉格栅区位于光纤本体邻近检测端处，且布拉格栅区距鱼眼球面镜结构的距离为0.5mm；检测装置还包括：
试样托板，设置在真空室内；
摄像机，设置在真空室内，位于试样托板的正上方；
旋转台，设置在真空室内，用于安装待测试样品，旋转台用于使待测试样品在试样托板和试样空间进行切换；
第一耦合器，传输光纤穿出真空室的一端与第一耦合器的第一端连接，所述光纤光栅调解系统与第一耦合器的第二端连接；
氦氖激光器，与第一耦合器的第二端连接。
3.如权利要求2所述的用于热刺激电流法的检测装置，其特征在于，所述布拉格栅区通过紫外光束雕刻，布拉格栅区的长度为8mm，布拉格栅区对1550nm光波反射率大于95％。
4.如权利要求2所述的用于热刺激电流法的检测装置，其特征在于，所述光纤光栅解调系统包括可调谐分布式反馈激光器。
5.如权利要求2所述的用于热刺激电流法的检测装置，其特征在于，所述旋转台上具有夹具，所述夹具用于夹持待测试样品。
6.如权利要求1所述的用于热刺激电流法的检测装置，其特征在于，所述冷却机构包括液氮容器以及液氮通道，所述液氮通道伸入真空室内，与所述下电极接触。
7.如权利要求1所述的用于热刺激电流法的检测装置，其特征在于，所述真空泵通过抽真空管与真空室连通，所述传输光纤的一端伸入抽真空管，并从抽真空管的侧壁穿出。
8.如权利要求1所述的用于热刺激电流法的检测装置，其特征在于，还包括计算机、皮安表以及高压发生器，所述光纤光栅解调系统和皮安表均与计算机电连接，所述下电极接地，所述上电极与高压发生器连接，下电极与皮安表连接。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及检测设备，具体涉及用于热刺激电流法的检测装置。
背景技术
热刺激电流法(TSC)是研究固体电介质中陷阱特性的有效手段。宏观的热刺激电流是介质内部荷电粒子微观迁移的结果，热刺激电流可由偶极子或陷阱电荷表现出来。因此该方法能较简单而又准确地测得电缆绝缘材料、半导体、驻极体等的陷阱参数，可用于建立材料的微观结构和宏观性能之间的关系。进行TSC测量时，一般先将试样升温到某一定温度，然后在对试样施加电压，保持电压作用一段时间以后再利用液氮将试样温度急速降低，使在电压作用时产生的空间电荷即陷阱电荷被“冻结”在陷阱中，然后去掉外施电压并将试样短路以防止表面电荷对测试结果的影响，最后再以一定的升温速率线性升高温度，试样温度直接影响对于材料结晶度，陷阱特性的判断。被测试样温度对材料的性能分析至关重要。另外，TSC测试过程另外一个重要影响因素是试样材料的杂质。如果被测绝缘材料试样中含有微小杂质会造成测试数据出现跳变，更严重情况会造成试样击穿测试完全失败，甚至损坏设备电极。
目前TSC测试存在的问题主要有两方面：1.由于TSC测试时往往在高压条件下进行，而测试试样又距离高压电极很近，传统温度传感器根本无法接近试样检测试样温度，只能通过测试地电极温度将地电极温度认定为是试样温度，而实际上试样温度与地电极温度是有显著区别的。2.试样内杂质依靠眼睛观察，或者显微镜观察，但在测试过程试样放置电极上后没有观察手段。
实用新型内容
本实用新型针对上述问题，克服至少一个不足，提出了一种用于热刺激电流法的检测装置，能够精确测量待测试样品温度。
本实用新型采取的技术方案如下：
一种用于热刺激电流法的检测装置，包括真空室；真空泵，与真空室相连，用于将真空室抽真空；上电极，设置在真空室内；下电极，设置在真空室内，位于上电极的正下方，下电极和上电极之间为试样空间；加热丝，设置在下电极中，用于加热下电极；冷却机构，用于对下电极进行冷却，还包括：
光纤连接器，固定在真空室的内侧壁上；
传输光纤，一端与光纤连接器连接，另一端穿出真空室用于与光纤光栅解调系统连接；
光纤光栅传感器，一端具有布拉格栅区，另一端用于与光纤连接器连接，光纤光栅传感器具有布拉格栅区的一端用于埋设在待测试样品中。
本申请的检测装置工作时，光纤光栅传感器的布拉格栅区直接埋设在待测试样品中，通过光纤光栅传感器能够直接检测待测试样品的温度，相对于现有的通过下电极温度来表征待测试样品温度而言，解决了TSC实验过程待测试样品温度信息不准确的问题，能够为材料的热刺激电流分析提供新的思路。
于本实用新型其中一实施例中，所述光纤光栅传感器包括光纤本体，光纤本体的一端为检测端，检测端的端面为鱼眼球面镜结构，能够对输出激光束具有0-180°发散作用，所述布拉格栅区位于光纤本体邻近检测端处，且布拉格栅区距鱼眼球面镜结构的距离为0.5mm；检测装置还包括：
试样托板，设置在真空室内；
摄像机，设置在真空室内，位于试样托板的正上方；
旋转台，设置在真空室内，用于安装待测试样品，旋转台用于使待测试样品在试样托板和试样空间进行切换；
第一耦合器，传输光纤穿出真空室的一端与第一耦合器的第一端连接，所述光纤光栅调解系统与第一耦合器的第二端连接；
氦氖激光器，与第一耦合器的第二端连接。
通过光纤光栅传感器的鱼眼球面镜结构设计、氦氖激光器以及摄像机的配合，能够检测待测试样品中的杂质，具体原理为：氦氖激光器用于发射发射的波长为632.8nm的激光，该光波经传输光纤和第一耦合器后馈入光纤本体。因布拉格栅区反射谱中心波长为1550nm，氦氖激光器波长为632.8nm的激光将全透射经过布拉格栅区，最终到达端部鱼眼球面镜结构处。鱼眼球面镜结构使光波由直线光束变成平面发散光束由于检测端布置于待测试样品内部，该发散光束将在整个待测试样品平面内传播，在没有异类杂质物存在时，待测试样品上端的摄像机可捕捉到灰度值均一的的图像画面，一旦待测试样品中存在杂质缺陷，原平行传输的红束会在杂质处形成漫反射光，此时摄像机画面中会捕捉到奇异点红色亮斑，此亮斑即杂质所在位置。
通过设置旋转台能够使待测试样品在试样托板和试样空间进行切换，方便检测好杂质后，将样品放入试样空间。
本申请特制的光纤本体，既能够定量观察待测试样品内杂质含量，又能够精确测量测试过程中待测试样品的温度。
通过第一耦合器能够将氦氖激光器的光线以及光纤光栅解调系统发出的光纤合成光束后一同馈入传输光纤中。
实际运用时，优选的，摄像机为高分辨率摄像机。实际运用时，摄像机可以用于拍摄试样内杂质缺陷图像及分析尺寸信息。
于本实用新型其中一实施例中，所述布拉格栅区通过紫外光束雕刻，布拉格栅区的长度为8mm，布拉格栅区对1550nm光波反射率大于95％。
当待测试样品的温度发生改变时，布拉格栅区的间隔发生变化，光纤光栅解调系统发出的1550nm的光线的反射光会发生波长漂移，通过解调波长漂移量即可以获得温度信息。
于本实用新型其中一实施例中，所述光纤光栅解调系统包括可调谐分布式反馈激光器。
于本实用新型其中一实施例中，所述旋转台上具有夹具，所述夹具用于夹持待测试样品。
于本实用新型其中一实施例中，所述冷却机构包括液氮容器以及液氮通道，所述液氮通道伸入真空室内，与所述下电极接触。
于本实用新型其中一实施例中，所述真空泵通过抽真空管与真空室连通，所述传输光纤的一端伸入抽真空管，并从抽真空管的侧壁穿出。
于本实用新型其中一实施例中，还包括计算机、皮安表以及高压发生器，所述光纤光栅解调系统和皮安表均与计算机电连接，所述下电极接地，所述上电极与高压发生器连接，下电极与皮安表连接。
光纤光栅解调系统为现有系统，实际运用时，光纤光栅解调系统通常包括可调谐DFB激光器、第一驱动模块、光路耦合器、光电转换器、数据采集器以及第一控制单元。其中，可调谐DFB激光器通过光路耦合器后与第一耦合器连接，第一驱动模块用于提供可调谐DFB激光器工作的基础电流，可调谐DFB激光器与第一控制单元连接，光电转换器分别与第一耦合器和数据采集器连接，数据采集器与第一控制单元连接，第一控制单元与计算机连接。
氦氖激光器也为现有的氦氖激光器，实际运用时，其通常包括氦氖激光器本体、第二驱动模块以及第二控制单元。
本实用新型的有益效果是：本申请的检测装置工作时，光纤光栅传感器的布拉格栅区直接埋设在待测试样品中，通过光纤光栅传感器能够直接检测待测试样品的温度(通过光纤光栅解调系统来解调获得温度信息)，相对于现有的通过下电极温度来表征待测试样品温度，待测试样品的温度信息更准确，能够为材料的热刺激电流分析提供新的思路。
附图说明：
图1是用于热刺激电流法的检测装置的示意图；
图2是用于热刺激电流法的检测装置的局部示意图；
图3是光纤光栅传感器的示意图；
图4是待测试样品的杂质检测原理图；
图5是高精密电阻测温值与下电极温度的对比图；
图6是光纤测温值与下电极温度的对比图；
图7是光纤测温值与高精密电阻测温值的对比图。
图中各附图标记为：
1、真空室；2、真空泵；3、抽真空管；4、光纤连接器；5、传输光纤；6、液氮容器；7、液氮通道；8、旋转台；9、第一耦合器；10、光纤光栅传感器；11、上电极；12、待测试样品；13、下电极；14、加热丝；15、皮安表；16、计算机；17、高压发生器；18、光路耦合器；19、可调谐DFB激光器；20、第一驱动模块；21、光电转换器；22、数据采集器；23、第一控制单元；24、光纤光栅解调系统；25、氦氖激光器；26、氦氖激光器本体；27、第二驱动模块；28、第二控制单元；29、摄像机；30、试样托板；31、夹具；32、布拉格栅区；33、检测端；34、杂质；35、红光散热覆盖区。
具体实施方式：
下面结合各附图，对本实用新型做详细描述。
如图1、2和3所示，一种用于热刺激电流法的检测装置，包括真空室1；真空泵2，与真空室1相连，用于将真空室1抽真空；上电极11，设置在真空室1内；下电极13，设置在真空室1内，位于上电极11的正下方，下电极13和上电极11之间为试样空间；加热丝14，设置在下电极13中，用于加热下电极13；冷却机构，用于对下电极13进行冷却，还包括：
光纤连接器4，固定在真空室1的内侧壁上；
传输光纤5，一端与光纤连接器4连接，另一端穿出真空室1用于与光纤光栅解调系统24连接；
光纤光栅传感器10，一端具有布拉格栅区32，另一端用于与光纤连接器4连接，光纤光栅传感器10具有布拉格栅区32的一端用于埋设在待测试样品12中。
本申请的检测装置工作时，光纤光栅传感器10的布拉格栅区32直接埋设在待测试样品12中，通过光纤光栅传感器10能够直接检测待测试样品12的温度(通过光纤光栅解调系统24来解调获得温度信息)，相对于现有的通过下电极13温度来表征待测试样品12温度，待测试样品的温度信息更准确，能够为材料的热刺激电流分析提供新的思路。
如图3所示，于本实用新型其中一实施例中，所述光纤光栅传感器10包括光纤本体(图中未标出)，光纤本体的一端为检测端33，检测端33的端面为鱼眼球面镜结构，能够对输出激光束具有0-180°发散作用，所述布拉格栅区32位于光纤本体邻近检测端33处，且布拉格栅区距鱼眼球面镜结构的距离为0.5mm；如图1和2所示，检测装置还包括：
试样托板30，设置在真空室1内；
摄像机29，设置在真空室1内，位于试样托板30的正上方；
旋转台8，设置在真空室1内，用于安装待测试样品12，旋转台8用于使待测试样品12在试样托板30和试样空间进行切换；
第一耦合器9，传输光纤5穿出真空室1的一端与第一耦合器9的第一端连接，所述光纤光栅调解系统与第一耦合器9的第二端连接；
氦氖激光器25，与第一耦合器9的第二端连接。
通过光纤光栅传感器10的鱼眼球面镜结构设计、氦氖激光器25以及摄像机29的配合，能够检测待测试样品12中的杂质34，如图4所示，具体原理为：氦氖激光器25用于发射发射的波长为632.8nm的激光，该光波经传输光纤5和第一耦合器后馈入光纤本体。因布拉格栅区32反射谱中心波长为1550nm，氦氖激光器波长为632.8nm的激光将全透射经过布拉格栅区，最终到达端部鱼眼球面镜结构处。鱼眼球面镜结构使光波由直线光束变成平面发散光束由于检测端布置于待测试样品内部，该发散光束将在整个待测试样品12平面内传播，在没有异类杂质物存在时，待测试样品上端的摄像机29可捕捉到灰度值均一的的图像画面，一旦待测试样品中存在杂质缺陷，原平行传输的红束会在杂质处形成漫反射光，此时摄像机画面中会捕捉到奇异点红色亮斑，此亮斑即杂质所在位置。
通过设置旋转台8能够使待测试样品12在试样托板30和试样空间进行切换，方便检测好杂质34后，将样品放入试样空间(防止具有杂质的区域位于试样空间)。
本申请特制的光纤本体，既能够定量观察待测试样品内杂质含量，又能够精确测量测试过程中待测试样品的温度。
通过第一耦合器9能够将氦氖激光器25的光线以及光纤光栅解调系统24发出的光纤合成光束后一同馈入传输光纤5中。
实际运用时，优选的，摄像机29为高分辨率摄像机29，摄像机可以用于拍摄试样内杂质缺陷图像及分析尺寸信息。
于本实用新型其中一实施例中，所述布拉格栅区32通过紫外光束雕刻，布拉格栅区32的长度为8mm，布拉格栅区对1550nm光波反射率大于95％。光纤光栅解调系统24发出的1550nm的光线在布拉格栅区32发生反射形成背向反射光，当待测试样品12的温度发生改变时，布拉格栅区32的间隔发生变化，反射光会发生波长漂移，通过解调波长漂移量即可以获得温度信息。
如图2所示，于本实用新型其中一实施例中，所述旋转台8上具有夹具31，所述夹具31用于夹持待测试样品12。
如图1所示，于本实用新型其中一实施例中，所述冷却机构包括液氮容器6以及液氮通道7，所述液氮通道7伸入真空室1内，与所述下电极13接触。所述真空泵2通过抽真空管3与真空室1连通，所述传输光纤5的一端伸入抽真空管3，并从抽真空管3的侧壁穿出。
如图1所示，于本实用新型其中一实施例中，还包括计算机16、皮安表15以及高压发生器17，所述光纤光栅解调系统24和皮安表15均与计算机16电连接，所述下电极13接地，所述上电极11与高压发生器17连接，下电极13与皮安表15连接。
皮安表15用于检测热激电流的发生，实际运用时，还包括温度传感器和与计算机16连接的温度控制器，温度传感器安装在下电极13处，通过温度传感器能够可以测得下电极13温度，便于升温操作的控制。
如图1所示，光纤光栅解调系统24为现有系统，实际运用时，光纤光栅解调系统24通常包括可调谐DFB激光器19、第一驱动模块20、光路耦合器18、光电转换器21、数据采集器22以及第一控制单元23。其中，可调谐DFB激光器19通过光路耦合器18后与第一耦合器9连接，第一驱动模块20用于提供可调谐DFB激光器19工作的基础电流，可调谐DFB激光器19与第一控制单元23连接，光电转换器21分别与第一耦合器9和数据采集器22连接，数据采集器22与第一控制单元23连接，第一控制单元23与计算机16连接。氦氖激光器25也为现有的氦氖激光器25，实际运用时，其通常包括氦氖激光器本体26(主要提供用于杂质34检测的红光光谱)、第二驱动模块27(提供氦氖激光器本体26工作的基础电流)以及第二控制单元28。
实际运用时，传输光纤5可以通过环氧胶安装在真空室1中，这样设置能够避免抽真空导致光纤断裂。另外采用内径260微米外径300微米的聚四氟乙烯套管封装真空室1内法兰到被测试样处的光纤，避免测试过程中光纤受到破坏；实际运用时，还可以采用内径260微米，外径300微米的聚四氟乙烯套管封装真空室1内从光纤连接器4至待测试样品处的光纤本体，避免测试过程中光纤本体受到破坏。
本实施例用于热刺激电流法的检测装置，相对于传统的检测装置而言，测得的温度值更精确，下面通过三个对比图来进行比对：在不加电压情况下，在待测试样品表面安装精度0.01％的高精度电阻来作为标准测量温度的元件，同时测试下电极温度(通过安装在下电极13的温度传感器测量)，如图7所示，本申请光纤光栅传感器10测得的光纤测温值，与高精度电阻测温值的温度基本一致，如图5和6所示，传统的通过安装在下电极13的温度传感器测得的下电极13温度均高于光纤测温值和高精度电阻测温值，即高于待测试样品的真实温度。
本实施例进行TSC试样检测工作的过程如下：
1、将光纤光栅传感器的检测端安置在绝缘的待测试样品中，待测试样品的厚度为0.5mm-2mm。实际运用时，光纤光栅传感器的检测端可以预埋或压入待测试样品。
2、通过夹具将步骤1制得的带有光纤光栅传感器的待测试样品安装在旋转台上，启动氦氖激光器和摄像机，观察待测试样品是否杂质，如没有杂质通过旋转台将待测试样品任意夹持在试样空间中；如果有杂质，确定杂质区域，避免有杂质的区域被夹持到试样空间中。
3、启动常规TSC测试流程，通过光纤光栅解调系统实时监测温度值。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此即限制本实用新型的专利保护范围，凡是运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的保护范围内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920020397.9
申请日:2019-01-07
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:86(杭州)
授权编号:CN209416532U
授权时间:20190920
主分类号:G01K 11/32
专利分类号:G01K11/32;G01N21/88
范畴分类:31C;
申请人:富通集团有限公司
第一申请人:富通集团有限公司
申请人地址:311400 浙江省杭州市富阳区富春街道馆驿路18号
发明人:张立永;张伟超;杨喜海;蒋佳丽
第一发明人:张立永
当前权利人:富通集团有限公司
代理人:朱林军
代理机构:33289
代理机构编号:杭州裕阳联合专利代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计