CN108414902A - 一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，不是仅仅参考电极放电回路的电流大小，而是通过检测电极间隙的光信号、电流以及电流波形来对电极间隙的放电特性进行描述，这样能够更准确地判断微小的电极间隙是否发生气体放电、击穿现象。
Description
技术领域
本发明属于气体放电研究检测技术领域，尤其涉及一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法及装置。
背景技术
由于工业上对于小型化，精确化的机械系统越来越紧迫的需求，近年来微机电系统得到了较高的关注度与发展。微机电系统是内部结构一般在微米甚至纳米量级的一个独立的智能机械或电子系统，具有体积小，精度高，功耗低等优点。而随着微机电系统不断向小型化发展，其内部电子元器件的大小及其相距距离也越来越小达到了微米甚至纳米量级。因此，对于微机电系统电子元器件的防静电保护越来越受到关注。与此同时由于医学，化学等学科对于微小等离子体的应用需求，微米及纳米间隙下的放电现象越来越受到关注。
但由于微米及纳米级别间隙过于微小，难以进行具体的放电间隙距离测量以及对微小间隙下的放电特性、气体击穿特性进行测量，尤其是对于空间正对式电极结构的微小间隙，其放电特性更加难以测量。例如在采用沿面电极进行微小间隙放电的实验中，通过在绝缘介质板上镀金属膜作为金属电极来进行微小间隙放电的研究，该研究方法具有无法直接调控间隙大小，金属电极附着的介质板影响放电等劣势。
并且，在采用沿面电极进行微小间隙放电的实验中，由于放电间隙过于微小，此状态下的空间偶然电荷也会在电场作用下产生飘移运动从而产生较小的回路电流，与此同时微小间隙下发生击穿时回路电流较小，因此仅仅通过放电回路电流并不能确切地判断是否发生气体击穿现象。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法及装置，能够更准确地判断微小的电极间隙是否发生气体放电、击穿现象。
一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，包括以下步骤：
确定两个电极的间隙零点；
根据所述间隙零点，将电极间隙调节至设定距离；
在两个电极之间施加电压，采集电极间隙的光信号、测量电极间隙的电流以及电极间隙的电流波形；
判断所述光信号、电流以及电流波形是否符合预设判据，如果同时符合，则所述电极间隙发生气体击穿。
可选的，所述确定两个电极的间隙零点，包括以下步骤：
固定其中一个电极，并将另一个电极作为活动电极；
在两个电极之间施加电压，按预设步长将所述活动电极向固定的电极推进，直至与两个电极连接的微电流检测装置有电流信号，且波形检测装置有波形显示，则两个电极连通；
两个电极连通后，将所述活动电极按预设步长反向移动，直至所述电流信号为零，所述波形消失，则两个电极分离；
将两个电极连通时位移调节装置对应的刻度示数与两个电极分离时位移调节装置对应的刻度示数取平均值，所述平均值为电极间隙零点；或者将两个电极分离时位移调节装置对应的刻度示数加上预设步长的一半，所得和值为电极间隙零点；或者将两个电极连通时位移调节装置对应的刻度示数减去预设步长的一半，所得差值为电极间隙零点。
可选的，所述预设判据包括：
所述光信号不为零；
所述电流快速升高且超过设定阈值；
所述电流波形有电流脉冲。
可选的，两个所述电极为板电极、线电极或针电极的其中一种或任意组合。
可选的，两个所述电极的几何结构为空间正对结构。
一种用于检测微小间隙气体击穿特性的装置，括电源、两个电极、采样电阻、位移调节装置、微电流检测装置、波形检测装置、微弱光检测装置以及中控单元；
所述电源、两个电极、采样电阻以及微电流检测装置依次串联后接地，形成电极放电回路；所述波形检测装置与采样电阻并联；所述位移调节装置与其中一个电极连接，用于调节电极间隙；另一个电极位置固定；
所述电源用于为电极放电回路提供电源；
所述微弱光检测装置用于采集电极间隙的光信号；
所述微电流检测装置用于测量电极放电回路的电流；
所述波形检测装置用于测量电极放电回路的电流波形；
所述中控单元用于判断所述光信号、电流以及电流波形是否符合预设判据，如果同时符合，则所述电极间隙发生气体击穿。
可选的，所述中控单元采用的预设判据包括：
所述光信号不为零；
所述电流快速升高且超过设定阈值；
所述电流波形有电流脉冲。
可选的，所述微弱光检测装置通过光纤采集电极间隙的光信号。
可选的，两个所述电极为板电极、线电极或针电极的其中一种或任意组合。
可选的，两个所述电极的几何结构为空间正对结构。
有益效果：
1、本发明提供的用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，不是仅仅参考电极放电回路的电流大小，而是通过检测电极间隙的光信号、电流以及电流波形来对电极间隙的放电特性进行描述，这样能够更准确地判断微小的电极间隙是否发生气体放电、击穿现象。
2、本发明采用一个电极固定，另一个电极作为活动电极向固定电极逐渐推进的方法来确定间隙零点，该方法能够直接调节电极间隙的大小，且位移调节装置能够精确的控制活动电极每次移动都是一个预设步长，使得电极连通时的挤压不会导致电极表面产生明显形变，对电极损伤较小。
3、本发明的两个电极可以为板电极、线电极和针电极的其中一种或任意组合，使得形成的电极间隙有多种几何结构，增加了电极间隙与放电特性的多样性，具有更大的研究价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法的流程图；
图2为本发明提供的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法的流程图。
本实施例提供的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，包括以下步骤：
S101：确定两个电极的间隙零点；
其中，两个电极可以为板电极、线电极或针电极的其中一种或任意组合；两个电极的几何结构可以为空间正对结构。
S102：根据所述间隙零点，将电极间隙调节至设定距离；
可选的，将所述间隙零点为起点，按预设步长将所述活动电极远离固定的电极，直到电极间隙为设定距离；所述设定距离在微米或亚微米量级，一般取设定距离<10μm；
S103：在两个电极之间施加电压；
S104：采集电极间隙的光信号；
S105：测量电极间隙的电流；
S106：测量电极间隙的电流波形；
进一步地，可以通过测量与两个电极串联的采样电阻两端的电压，从而获取电极间隙的电流波形；
S107：判断所述光信号、电流以及电流波形是否符合预设判据，如果同时符合，则所述电极间隙发生气体击穿；
其中，所述预设判据可以包括：所述光信号不为零；所述电流快速升高且超过设定阈值；所述电流波形有电流脉冲。
需要说明的是，步骤S104-S106的顺序可以相互调换。
下面介绍间隙零点的一种确定方式。本实施例提供的确定两个电极的间隙零点的方法，包括以下步骤：
固定其中一个电极，并将另一个电极作为活动电极；其中，使电极成为活动电极的一种实现方式为：将电极与位移调节装置连接；
在两个电极之间施加电压，按预设步长将所述活动电极向固定的电极推进，直至与两个电极连接的微电流检测装置有电流信号，且波形检测装置有波形显示，则两个电极连通；其中，所述微电流检测装置与两个电极串联，所述波形检测装置与采样电阻并联；
两个电极连通后，将所述活动电极按预设步长反向移动，直至所述电流信号为零，所述波形消失，则两个电极分离；
将两个电极连通时位移调节装置对应的刻度示数与两个电极分离时位移调节装置对应的刻度示数取平均值，所述平均值为电极间隙零点。或者将两个电极分离时螺旋传动装置对应的刻度示数加上预设步长的一半，所得和值为电极间隙零点。又或者将两个电极连通时螺旋传动装置对应的刻度示数减去预设步长的一半，所得差值为电极间隙零点。
可选的，预设步长至多为2μm，以便于精确寻找电极的间隙零点，精准调节所需电极间隙的大小，并且使得电极连通时的挤压不会导致电极表面明显形变，步长越小则测量精度会相应的越高。
实施例二
参见图2，该图为本申请实施例提供的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的装置的结构框图。
本实施例提供的用于检测微小间隙气体击穿特性的装置，包括电源、两个电极、采样电阻、位移调节装置、微电流检测装置、波形检测装置、微弱光检测装置以及中控单元。
电源、两个电极、采样电阻以及微电流检测装置依次串联后接地，形成电极放电回路；所述波形检测装置与采样电阻并联；所述位移调节装置与其中一个电极连接，用于调节电极间隙。则两个电极其中一个为固定电极，与位移调节装置连接的为活动电极。
电源用于为电极放电回路提供电源；例如，电源在两个电极的两端施加5V电压。
微弱光检测装置用于采集电极间隙的光信号；可选的，微弱光检测装置为光谱仪，并通过光纤采集电极间隙的光信号。
微电流检测装置用于测量电极放电回路的电流；可选的，所述微电流检测装置为纳安表。
波形检测装置用于测量电极放电回路的电流波形；可选的，所述波形检测装置为示波器，示波器通过测量与两个电极串联的采样电阻两端的电压，从而获取电极放电回路的电流波形；
所述中控单元用于判断所述光信号、电流以及电流波形是否符合预设判据，如果同时符合，则所述电极间隙发生气体击穿。
进一步地，所述中控单元包括存储有预设判据的判据模块，所述预设判据包括：所述光信号不为零；所述电流快速升高且超过设定阈值；所述电流波形有电流脉冲。
可选的，两个电极为板电极、线电极或针电极的其中一种或任意组合，且两个电极的几何结构为空间正对结构；电极表面粗糙度Ra<0.2μm。
需要说的是，本实施例的通过微电流检测装置、微弱光检测装置以及波形检测装置来检测电极间隙的放电特性，也适用于电极的几何结构为沿面电极的情况，本实施例对此不作赘述。
可选的，位移调节装置至少具有一个维度上的位移调节能力且能够精确控制位移步长大小；例如，位移调节装置为x-y-z三个维度可调的螺旋传动装置。
可选的，在电源与电极之间串联一个阻值较大的分压电阻，用于分担电极放电回路的电压，以免电压过大造成器件损坏。
本实施例通过微电流检测装置、微弱光检测装置以及波形检测装置来检测电极间隙的放电特性。其中微电流检测装置可以精确地提供放电回路的放电电流，波形检测装置采集采样电阻两端电压从而获取回路放电电流波形，微弱光检测装置通过光纤采集电极间隙放电产生的光谱以获取电极间隙的光信号，从而准确地判断微小电极间隙是否发生气体放电、击穿现象。
实施例三
本申请实施例采用x-y-z三个维度可调的螺旋传动装置最为位移调节器对微小电极间隙进行调节，预设步长为2μm。两个电极分别为针电极和板电极。其中板电极为圆柱形304不锈钢，直径为4cm，高为1cm，并固定于真空腔内。针电极为TA5钛合金材质，针尖曲率半径为150μm，刚性连接于螺旋传动装置调节端。
首先将两个电极空间正对，然后逐渐调节针电极直至针电极距离板电极约1mm。通过电源在两个电极之间接入5V电压，以预设步长2μm将针电极向板电极逐步推进。每移动一个预设步长后均等待10秒，观察纳安表和示波器的示数。重复推进过程直至纳安表出现示数，示波器出现波形，表明两个电极连通，记录此时螺旋传动装置的刻度示数。而后将螺旋传动装置反向拉远直至纳安表的示数和示波器的波形消失，表明两个电极分离，记录此时螺旋传动装置的刻度示数。然后可以将两个电极连通时螺旋传动装置对应的刻度示数与两个电极分离时螺旋传动装置对应的刻度示数取平均值，则该平均值为电极间隙零点。或者将两个电极分离时螺旋传动装置对应的刻度示数加上预设步长的一半，所得和值为电极间隙零点。又或者将两个电极连通时螺旋传动装置对应的刻度示数减去预设步长的一半，所得差值为电极间隙零点。
然后调节螺旋传动装置使得电极间隙为设定距离3μm。缓慢调节电源的输出电压使得两个电极之间的电压增加，每次电压调节后均等待10秒直至纳安表的示数稳定。当纳安表示数突然增大时开启光谱仪对电极间隙的发光情况进行检测，当光谱仪检测到电极间隙产生光信号并且示波器出现电流脉冲，纳安表有快速升高且超过设定阈值的电流信号时，认为此微小的电极间隙中的气体已经击穿，并且此时电源的示数即为击穿电压。
需要说明的是，通过调节螺旋传动装置，改变电极间隙的设定距离，可以获得不同电极间隙对应的击穿电压。
当介绍本申请的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“这个”和“”都意图表示有一个或多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都是包括性的并意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定两个电极的间隙零点；
根据所述间隙零点，将电极间隙调节至设定距离；
在两个电极之间施加电压，采集电极间隙的光信号、测量电极间隙的电流以及电极间隙的电流波形；
判断所述光信号、电流以及电流波形是否符合预设判据，如果同时符合，则所述电极间隙发生气体击穿。
2.如权利要求1所述的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，其特征在于，所述确定两个电极的间隙零点，包括以下步骤：
固定其中一个电极，并将另一个电极作为活动电极；
在两个电极之间施加电压，按预设步长将所述活动电极向固定的电极推进，直至与两个电极连接的微电流检测装置有电流信号，且波形检测装置有波形显示，则两个电极连通；
两个电极连通后，将所述活动电极按预设步长反向移动，直至所述电流信号为零，所述波形消失，则两个电极分离；
将两个电极连通时位移调节装置对应的刻度示数与两个电极分离时位移调节装置对应的刻度示数取平均值，所述平均值为电极间隙零点；或者将两个电极分离时位移调节装置对应的刻度示数加上预设步长的一半，所得和值为电极间隙零点；或者将两个电极连通时位移调节装置对应的刻度示数减去预设步长的一半，所得差值为电极间隙零点。
3.如权利要求1所述的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，其特征在于，所述预设判据包括：
所述光信号不为零；
所述电流快速升高且超过设定阈值；
所述电流波形有电流脉冲。
4.如权利要求1所述的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，其特征在于，两个所述电极为板电极、线电极或针电极的其中一种或任意组合。
5.如权利要求1所述的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的方法，其特征在于，两个所述电极的几何结构为空间正对结构。
6.一种用于检测微小间隙气体击穿特性的装置，其特征在于，包括电源、两个电极、采样电阻、位移调节装置、微电流检测装置、波形检测装置、微弱光检测装置以及中控单元；
所述电源、两个电极、采样电阻以及微电流检测装置依次串联后接地，形成电极放电回路；所述波形检测装置与采样电阻并联；所述位移调节装置与其中一个电极连接，用于调节电极间隙；另一个电极位置固定；
所述电源用于为电极放电回路提供电源；
所述微弱光检测装置用于采集电极间隙的光信号；
所述微电流检测装置用于测量电极放电回路的电流；
所述波形检测装置用于测量电极放电回路的电流波形；
所述中控单元用于判断所述光信号、电流以及电流波形是否符合预设判据，如果同时符合，则所述电极间隙发生气体击穿。
7.如权利要求6所述的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的装置，其特征在于，所述中控单元采用的预设判据包括：
所述光信号不为零；
所述电流快速升高且超过设定阈值；
所述电流波形有电流脉冲。
8.如权利要求6所述的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的装置，其特征在于，所述微弱光检测装置通过光纤采集电极间隙的光信号。
9.如权利要求6所述的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的装置，其特征在于，两个所述电极为板电极、线电极或针电极的其中一种或任意组合。
10.如权利要求6所述的一种用于检测微小间隙气体击穿特性的装置，其特征在于，两个所述电极的几何结构为空间正对结构。
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