一种储能电介质综合测试系统

1.本发明涉及材料测试技术领域，尤其是一种储能电介质综合测试系统。


背景技术：

2.储能电介质电容器广泛应用于脉冲功率设备和电力电子设备中，并且储能电介质是储能电介质电容器核心材料。随着脉冲功率、电力电子设备的集成化程度不断提高、性能与使用寿命要求不断提升，要求储能电介质电容器向小型化、薄型化、轻量化、快速充放电、长寿命等方向发展，因而对储能电介质材料提出了更高要求。
3.目前，传统的储能电介质材料已无法满足需求，高性能的储能电介质材料成为关键。在其研发过程中，储能电介质的性能多方位表征显得十分重要。现有技术缺乏专用于储能电介质的性能测试系统，传统的测试设备的功能较为单一。此外，现有测试系统结构复杂，难以进行扩展或改装，可变测试范围较窄，限制储能电介质材料的开发。
4.因此，急需要提出一种结构简单、功能齐全、可扩展性强的储能电介质综合测试系统。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种储能电介质综合测试系统，本发明采用的技术方案如下：
6.一种储能电介质综合测试系统，其包括：测试电路、测试夹具、信号采集模块、仪器控制模块、数据处理模块和人机交互模块；所述人机交互模块通过输入参数驱动仪器控制模块发出控制信号对测试电路、测试夹具、信号采集模块进行控制；所述测试电路、测试夹具、信号采集模块与仪器控制模块进行电气连接，利用信号采集模块获取储能电介质测试数据；所述信号采集模块将储能电介质测试数据传输给仪器控制模块，并通过数据处理模块处理后在人机交互模块内显示变温p-e曲线、dc-biasp-e曲线、c-v曲线、i-v曲线、击穿电压。
7.优选地，所述测试电路为sawyer-tower测试电路或virtualground测试电路。
8.进一步地，所述测试电路内设有高压电源；所述高压电源为程控高压电源或者采用信号发生器驱动高压放大器；所述高压电源与仪器控制模块电气连接。
9.进一步地，所述测试电路内设有一tvs二极管。
10.进一步地，所述测试夹具包括箱体，设置在箱体上的盖板，设置在箱体与盖板之间的互锁开关，设置在箱体内的固定支架，设置在箱体的内壁底部、用于存放待测的储能电介质的油杯，悬挂在固定支架上、且下部置于油杯内的高压正极，设置在油杯内的温度传感装置，设置在油杯的内壁底部的高压负极；所述高压正极、高压负极与高压电源连接；所述温度传感装置与信号采集模块连接。
11.进一步地，所述测试夹具还包括设置油杯的底部的绝缘传热层，设置在绝缘传热层的底部的加热片，以及设置在箱体内、且置于加热片的下部的液氮冷却仓。
12.优选地，所述加热片采用电磁屏蔽结构。
13.进一步地，所述加热片包括从内至外依次设置的内芯、第一绝缘层、第一屏蔽接地层、屏蔽层悬浮、第二屏蔽接地层和外壳。
14.优选地，所述信号采集模块为高位数的数据采集卡或示波器，所述信号采集模块与仪器控制模块电器相连。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.(1)本发明可以测试高低温、高低压等条件下储能电介质的特性，其构造简单、容易实现，且充分考虑环境的影响以提高测试精度。
17.(2)本发明解决了现有储能电介质性能测试系统不完善、不兼容自定义测量、可扩展性差等问题，本发明包括测试和数据处理所有过程，测试部件可变，可根据实际需要实现多种功能的测试。
18.综上所述，本发明具有结构简单、功能齐全、可扩展性强等优点，在材料测试技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
20.图1为本发明的结构示意图。
21.图2为本发明中基于sawyer-tower电路原理图。
22.图3为本发明中基于virtualground电路原理图。
23.图4为本发明中测试夹具的结构示意图。
24.图5为本发明中仪器控制模块的界面示意图。
25.图6为本发明中线路和加热片的结构示意图。
26.图7为本发明中单极性p-e曲线图。
27.图8为本发明中双极性p-e曲线图。
28.图9为本发明中dc-biasp-e曲线图。
29.图10为本发明中c-v及i-v曲线图。
30.上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
31.1、互锁开关；2、固定支架；3、温度传感装置；4、高压正极；5、高压负极；6、油杯；7、绝缘传热层；8、加热片；9、液氮冷却仓；10、第一屏蔽接地层；11、屏蔽层悬浮；12、第二屏蔽接地层。
具体实施方式
32.为使本技术的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.本实施例中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
34.本实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一目标对象和第二目标对象等是用于区别不同的目标对象，而不是用于描述目标对象的特定顺序。
35.在本技术实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
36.在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个处理单元是指两个或两个以上的处理单元；多个系统是指两个或两个以上的系统。
37.如图1至图6所示，本实施例提供了一种电介质储能综合测试系统。系统主要包括测试电路、测试夹具、信号采集、仪器控制、数据处理、人机交互六部分。其采用一套设备，通过人机交互界面，快速获得测试数据和特性曲线。
38.在本实施例中，该测试电路根据测试精度和成本可选用sawyer-tower测试电路或virtualground测试电路，测试电路原理图如图2和图3所示。所用高压电源的选择应为程控高压电源或者采用信号发生器驱动高压放大器，可与计算机交互实现电压信号的远程控制；在样品和后续电路之间设置tvs二极管进行接地保护，用于防止样品击穿导致后续电路被高压损坏。sawyer-tower测试电路中的参比电容需根据测试电容量进行选择，通常参比电容量为样品电容量的一千倍以上，以减小测试误差，在电路设计中设置档位开关进行参比电容的选择。virtualground测试电路中的运算放大器要求具有低偏置电流，减少运放的固有偏置电流对测试精度的影响，反馈电阻rf需根据测试中电流信号大小以及运算放大器的工作电压范围进行选择，防止放大后的电压信号过小，也防止放大后出现电压信号饱和，反馈电阻rf需设置成多档位以进行选择。
39.在本实施例中，采用sawyer-tower测试电路的成本更低。参比电容与样品电容的容值比应不小于1000：1且不大于5000：1，电容器的类型应为安规薄膜电容器，在具有较小体积优势下保持高可靠性，抗老化，抗湿度高和耐热性强。在每次测试时，需记录参比电容的电容值和损耗，并在数据处理时进行校正。由于测试电容值变化大，可设置多档位电容量进行选择。
40.其中，选用virtualground测试电路的精度更高。选用高精密运算放大器，要求温度漂移≤1μv/℃，响应时间≤5ns，工作温度范围为-55℃～100℃，电源电压的范围为4.5v～24v，支持轨到轨模式，同时需设置隔离回路保护。为减小噪声，运算放大器需集成在印制电路板上，并设置保护环或进行引脚悬浮，通过bnc或三同轴连接器进行外部连接，以减少噪声干扰。反馈电阻rf要求热噪声小、精度高、低温漂，电阻值误差不超过0.1％，可采用真空封装的玻璃釉电阻或进行整体灌封。根据测试电流和运算放大器电源电压范围设置不同电阻档位。此外，在信号采集处设置rc低通滤波器以滤除高频噪声，电阻选择范围为100～1000ω，滤波电容量的选择按照时间常数为加载信号周期的5～10倍进行计算。
41.为防止测试过程中样品击穿导致电压突变，损坏测量电路和电源，需设置保护装置。采用在样品后方添加tvs二极管的方式进行保护。tvs二极管具体要求为电压范围为5v
～200v，峰值功率≥1000w@1ms，10v下的漏电流≤10μa，响应时间≤5ns。
42.另外，该测试夹具为箱式设计，样品台为可装绝缘油的杯具，加热方式为加热板局部加热，降温方式为液氮局部冷却。箱体为金属材料，采用向上开盖模式，盖板边缘设置互锁开关用于安全保障，同时在上盖中央设置玻璃观察孔。在箱体侧壁设置真空放气接口和固定支架以及多个测试接口，测试接口要求气密。箱体底座内部分别设置液氮冷却和水冷却通道，在底部中央表层设置加热装置，在加热装置上方设置金属油杯，油杯中央设置半球形电极作为底电极，通过固定支架将顶电极固定于底电极的上方。设置可调节装置调节两极的接触力度，同时温度传感器也通过固定支架固定以用于控制温度。通过箱体四壁上的测试接口将高电压、加热装置、温度传感器连接至箱体。高电压端子连接高压电源，加热装置和温度传感器连接温度控制系统。夹具箱体配备液氮罐、真空泵、电子阀门、循环水箱用于温度控制。为实现准确的温控控制，温度传感器需放置在油杯中且被绝缘油浸没，以保证对样品的温度实现精确测量。温度传感器采用pt100型，精度为0.1级。
43.在本实施例中，数据处理为实时处理，在测试完成后可立即获得所需的曲线图和性能参数。样品的电压或电流信号采用数据采集卡或者示波器进行采集，然后传输至计算机上。采用matlab、excel等软件对采集的数据进行读取，通过设置模板或者编写程序对数据进行平滑滤波和选择截取，再通过电压、电流、极化、电荷之间的关系进行转换以获得所需数据和曲线图，输出计算结果，同时保存原始数据和处理后的数据。
44.另外，本实施例的仪器控制采用计算机程序控制。高压电源和温度控制系统采用通讯接口使用计算机控制，通过自制软件对通讯数据进行整合显示在人机交互界面，测试条件的设置均在该界面进行选择和输入。可变参数包括样品厚度、电极面积、电压波形、触发时间、频率、循环数、温度等。此外，通过程序控制将数据采集卡或示波器所采集的数据通过数据处理模块进行自动读取和处理，结果也显示在该界面。为了针对可选择性的输出，在该界面进行实验条件的设置和测试结果的获取。
45.如图6所示，防止电路测试时受外部干扰，需进行电磁屏蔽。所有部分之间的连接都采用bnc同轴或者三同轴连接器，线路采用三层屏蔽，即内层和外层接地，中间层保持悬浮，层与层之间需要进行绝缘处理。
46.在本实施例中，该信号采集模块选用高位数的数据采集卡或示波器，一般不低于12位，以减小量化误差；存储深度要求不低于1mpts，以实现长时间波形采集。优选地，加载的电压信号应不少于三个周期，以降低测试的偶然性。在进行数据处理时，选择中间循环部分的数据进行分析处理，保证数据的准确性。
47.下面列举两个实际案例进行对比说明：
48.实施案例1：
49.根据图1的系统构成进行构建，测试电路选用sawyer-tower测试电路，参比电容器选用安规薄膜电容器，工作温度：-40℃～+105℃，精度不超过0.5％。为保证参比电容值与样品电容值比例在一定范围，设定0.1μf、0.5μf、1μf、5μf、10μf多个电容档位，本实施案列样品电容量为nf级别，选择参比电容量为1μf。
50.实施案例2：
51.根据图1的系统构成进行构建，测试电路选用virtualground测试电路，运算放大器的参数为工作温度：-40℃～+125℃，工作电压为4.5v～16v，长期失调电压漂移为0.5μv，
最大电压偏移为0.5μv/℃，反馈电阻rf的档位设置为100k，500k，1m，5m，10m，50m，100m，500m，1g，5g，10g，50g，100g。采用的电阻精度小于0.1％，采用多档位开关进行电阻切换。rc滤波电路中r选择为500ω，测量频率为10hz，时间常数选6倍测量周期，滤波电容值为12μf。
52.在实施案例1或2的方案下，后续具体步骤如下：
53.用于保护电路的tvs二极管选用的电压范围为5.8v～214v，峰值功率为1500w@1ms，10v下漏电流≤5μa，响应时间≤1ns。
54.夹具构造如图4所示，在夹具四壁上设计丰富的测试接口，可用于后续功能的拓展。在测试前在油杯中加入二甲基硅油，将温度传感器完全置于油体内部，同时防止其接触油杯内壁或者样品，以保证控温的准确性。
55.人机交互软件界面如图5所示。输入输出均设置在同一窗口，输入包含样品参数、测试条件、储存路径等，输出提供可选择性，以数据、图片、文档的形式储存。
56.为提高电路的抗干扰能力，所有的导线设置电磁屏蔽层。如图6所示，采用三层铝箔纸进行屏蔽，外层和内层接地，中间层进行悬浮，各层之间用绝缘胶带进行隔离。加热装置离样品最近，其加热过程中影响或干扰较大，亦进行电磁屏蔽，原理相同，但内部的绝缘层换做绝缘导热材料。
57.完成系统的构建后即可进行测试。首先获取样品的厚度和电极面积，然后将样品置于夹具的高压电极之间，在软件界面输入样品的参数、实验条件等，选择需要输出的结果，即可点击开始测试。待温度升至预设温度时就自动开始出发高压开始测试，进而得到测试结果。
58.测试电压波形设置3个循环周期，数据采集示波器的带宽为200mhz，先用数字滤波器进行滤波，再将数据传输至计算机，采用matlab进一步去除噪声。选取中间的循环段数据，根据样品参数以及反馈电阻rf的大小和电压、电流、电荷之间的转换关系进行计算和绘图，得到最终结果。
59.图7-10为不同条件下的储能特性测试。图7为样品电容在3kv交流信号下的单极性p-e曲线，图8为0.5kv交流信号的双极性p-e曲线，图9为不同偏置电压下0.5kv交流信号的dc-biasp-e曲线，图10为c-v曲线和i-v曲线。测试和计算结果以表格和图片的形式输出，并且所有数据均会保存到预设路径中。
60.上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，包括：测试电路、测试夹具、信号采集模块、仪器控制模块、数据处理模块和人机交互模块；所述人机交互模块通过输入参数驱动仪器控制模块发出控制信号对测试电路、测试夹具、信号采集模块进行控制；所述测试电路、测试夹具、信号采集模块与仪器控制模块进行电气连接，利用信号采集模块获取储能电介质测试数据；所述信号采集模块将储能电介质测试数据传输给仪器控制模块，并通过数据处理模块处理后在人机交互模块内显示变温p-e曲线、dc-biasp-e曲线、c-v曲线、i-v曲线、击穿电压。2.根据权利要求1所述的一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，所述测试电路为sawyer-tower测试电路或virtualground测试电路。3.根据权利要求2所述的一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，所述测试电路内设有高压电源；所述高压电源为程控高压电源或者采用信号发生器驱动高压放大器；所述高压电源与仪器控制模块电气连接。4.根据权利要求2所述的一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，所述测试电路内设有一tvs二极管。5.根据权利要求3所述的一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，所述测试夹具包括箱体，设置在箱体上的盖板，设置在箱体与盖板之间的互锁开关(1)，设置在箱体内的固定支架(2)，设置在箱体的内壁底部、用于存放待测的储能电介质的油杯(6)，悬挂在固定支架(2)上、且下部置于油杯(6)内的高压正极(4)，设置在油杯(6)内的温度传感装置(3)，设置在油杯(6)的内壁底部的高压负极(5)；所述高压正极(4)、高压负极(5)与高压电源连接；所述温度传感装置(3)与信号采集模块连接。6.根据权利要求5所述的一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，所述测试夹具还包括设置油杯(6)的底部的绝缘传热层(7)，设置在绝缘传热层(7)的底部的加热片(8)，以及设置在箱体内、且置于加热片(8)的下部的液氮冷却仓(9)。7.根据权利要求6所述的一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，所述加热片(8)采用电磁屏蔽结构。8.根据权利要求7所述的一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，所述加热片(8)包括从内至外依次设置的内芯、第一绝缘层、第一屏蔽接地层、屏蔽层悬浮、第二屏蔽接地层和外壳。9.根据权利要求1所述的一种储能电介质综合测试系统，其特征在于，所述信号采集模块为高位数的数据采集卡或示波器。

技术总结
本发明公开了一种储能电介质综合测试系统，包括：测试电路、测试夹具、信号采集模块、仪器控制模块、数据处理模块和人机交互模块；所述人机交互模块通过输入参数驱动仪器控制模块发出控制信号对测试电路、测试夹具、信号采集模块进行控制；所述测试电路、测试夹具、信号采集模块与仪器控制模块进行电气连接，利用信号采集模块获取储能电介质测试数据；所述信号采集模块将储能电介质测试数据传输给仪器控制模块，并通过数据处理模块处理后在人机交互模块内显示变温P-E曲线、DC-BiasP-E曲线、C-V曲线、I-V曲线、击穿电压。通过上述方案，本发明具有结构简单、功能齐全、可扩展性强等优点，在材料测试技术领域具有很高的实用价值和推广价值。价值。价值。


技术研发人员：吴隆文 兰贵天 卓江华 赵莉华 贾申利
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/7/20