專利名稱：一種屏蔽電極模型組件及其應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于計量基標準測試領域，具體涉及一種屏蔽電極模型組件及其應用，實心電補償輔助電極是用于傳統電學交流阻抗最高基準一計算電容基準最大不確定度來源的端部效應誤差的補償，本發明用于對該實心電補償輔助電極進行測試。
背景技術：
電容是基本電磁參量之一，涉及能源、材料等眾多領域的需求。計算電容是唯一在經典電動力學領域內達到10_8水平的計量基準。它與量子霍爾電阻基準結合測量精細結構常數，對國際單位制的重新定義有重大意義。在計算電容的基礎上可進一步建立高精度交流阻抗溯源體系，對整個電磁計量的發展有引領作用，也可為長度、壓力計量中的高端研究提供幫助。計算電容器是以Thompson-Lampard靜電學定理為基礎,其二維電場中的電容(或單位長度上的電容)與尺寸無關，一般與形狀也關系不大，其電容量如式(I)所示只需測量軸向長度L即可，也就是說可以溯源到不確定度達到10_n的長度基準上:C = L-C0 =L-SrS0 In—( I ) 在真空中，常數Ctl^ ε VlnO) ^ 2pF/m。這說明，單位長度上的電容是僅與ε C1有關的常數，約為2pF/m。從這個關系可知道，如果安排0.5m的軸向長度，那么可以獲得0.5pF的電容。這是計算電容的一個重要優點，電容量值僅與長度有關。此外，單位長度上的電容與二維電場的尺寸無關，一般與形狀關系不大，對上述常數Ctl的影響是二階的。目前，計算電容的實際裝置分為兩種，即臥式靜止型和立式可動屏蔽型。兩種結構均是用四根幾乎相碰又彼此絕緣的金屬圓柱(稱為主電極，如
圖1所示的ii)組成一組電容，其外圍包有一個接地金屬屏蔽殼(如圖1所示的i);而兩者的差別在于前者是水平臥式結構，是通過理論計算電容器的固定長度L得到最終的電容量值；而后者則是立式結構(如圖1所示)，同時還在電容器的中軸線插入上下各一根電極，所有這些部件都處于真空中。下電極固定不動，稱為固定屏蔽電極(如圖1所示的iv)，而上電極可以移動，則稱為可動屏蔽電極(所圖1所示的iii)。當可動屏蔽電極從初始位置沿軸向方向移動至最終位置時，將會有一個AL的位移量，接著用激光干涉儀來準確測量AL，最后按照公式(I)即可得到計算電容值。目前，世界上只有中國的計算電容基準采用前者的結構，其測量不確定度為1X10_7;而后者則有澳大利亞、美國、英國及法國四家國家級計量院所采用，但是這些裝置的不確定度均在10_8量級，其中美國NIST水平最高，達到了 2Χ10Λ國際上主要發達國家計量院近年來紛紛進行新型立式計算電容裝置的深入研究，中國計量科學研究院也與澳大利亞計量院(匪IA)進行合作，于2007年I月開始了《精細結構常數測量關鍵技術及電容基準的研究》課題，采用不同于國外普遍采用的機械補償法的電補償法，通過與澳大利亞計量院的部分合作，在絕大部分部件國產化的基礎上，建立的立式可動屏蔽電極的第二代計算電容裝置(如圖1所示)。
在新一代立式結構計算電容裝置中，位于其中軸線方向的上電極(即可動屏蔽電極)端部附近的電場與遠離端部的無畸變電場是不一樣的，這部分畸變電場不是二維場，它的計算不服從于Thompson-Lampard原理。經過大量的試驗驗證，當主電極系統處于理想的嚴格平行狀態時，可采用將可動屏蔽電極移動前后兩次測量的電容值相減的方法來消除其端部的影響(固定屏蔽電極也有同樣的問題，它附近也不是二維場，但也能夠通過兩次相減消除影響)。不過，如果可動屏蔽電極移動前后的兩個位置上，四根主電極內部空間不一致，例如由于不平行所造成的極間距離的不一致，那么這種相減是不能完全消除影響(指可動屏蔽電極)。這種由移動電極端部和主電極不平行聯合造成的影響，稱為端部效應。經過大量試驗驗證，這種端部效應引入的誤差是立式計算電容最大的不確定度來源之一，可達10_7量級。為了降低端部效應引入的誤差，國際上通常采用的是機械補償法，即在上電極(可動屏蔽電極)和下電極(固定屏蔽電極)相對的各自末端安裝一個直徑較小的被稱為改良型釘子頭(Nos印iece)圓柱體，根據美國NIST的實踐，在四根電極圍成的二維電場軸向不平行度小于IOOnm的情況下，這個裝置基本補償了由端部效應引入的部分誤差，整體不確定度達到了 2X10_8，也是目前國際上的最小不確定度(中國計量科學研究院與匪IA合作的新一代立式計算電容是以改良型釘子頭原型的結構設計)。從給出的不確定度列表中可知，幾何不完善(Geometrical imperfections in the calculable c4acitor)是最大的不確定度因素，達到1.5Χ10Λ大于其他的因數，占綜合不確定度1.9X10_8的四分之三。幾何不完善因素是采用改良型釘子頭補償后還剩下的部分，端部效應仍舊是主要的問題，說明其還是最大不確定項。同時，這種機械補償方法存在釘子頭調整困難、不可逆以及實驗繁瑣等一些問題，而且國際上所有的立式計算電容都采用的相似的改良型釘子頭機械補償法，如果該方法存在系統誤差，那么對整個基準的最終不確定度評估有著相當大的負面影響。所以，需要研究一種與釘子頭補償不同的方法來補償端部效應誤差，以及一種測試裝置及方法對新型電極進行測試。
發明內容
本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，克服機械補償法中的釘子頭調整困難、不可逆以及實驗繁瑣等缺點，提供一種屏蔽電極模型組件及其應用，用于實現對實心電補償輔助電極的測試，所述實心電補償輔助電極補償立式計算電容最大誤差來源之一的端部效應誤差。本發明是通過以下技術方案實現的:一種屏蔽電極模型組件，用于實現對實心電補償輔助電極的測試；所述實心電補償輔助電極包括有源電極1、過渡電極I1、聚四氟乙烯導環III以及香蕉插頭V ;所述香蕉插頭V的一端插入有源電極I內，所述有源電極I安裝在所述過渡電極II內；所述有源電極I通過光學級膠水涂層IV與過渡電極II和聚四氟乙烯導環III粘接在一起；所述過渡電極包括依次連接的第一圓柱體、截頂圓錐體和第二圓柱體；在所述過渡電極內開有與其具有同軸線的階梯通孔，包括直徑依次增大的小孔、中孔和大孔；在所述大孔的內壁開有內螺紋；所述屏蔽電極模型組件包括屏蔽主體201、銅管202、適配器203、同軸插座204、工程塑料管205、連接導線206以及導向環207 ；所述屏蔽主體201為圓筒狀結構，在其側壁上開有與其軸線垂直的孔，該孔使屏蔽主體201的內孔與外界連通；所述銅管202的下端插入該孔內，其上端插入所述適配器203的下端；在適配器203與屏蔽主體201之間的銅管202的外壁上包裹有工程塑料管205 ；在所述屏蔽主體201的兩端的外表面上分別安裝有一個導向環207。所述同軸插座204安裝在所述適配器203的上端；所述連接導線206的上端與所述同軸插座204的下端焊接在一起，其末端穿過銅管202以及屏蔽主體201的中孔后，與香蕉插頭V焊接，實現有源電極I與同軸插座204的芯端(即中心芯針)的電氣連接；所述屏蔽主體201的一端插入所述實心電補償輔助電極的過渡電極大孔內，并通過螺紋與過渡電極擰緊固定在一起，實現兩者的電氣連接。所述屏蔽主體201與銅管202通過焊接固定在一起，再使用工程塑料管205緊緊包裹在銅管202外側；同軸插座204先與連接導線206的一端使用焊錫軟焊接在一起，然后與適配器203上的內螺孔擰緊固定。屏蔽主體201、銅管202及適配器203通過焊接實現三者間的電氣連接，通過適配器203的外殼接至地電位，進而過渡電極II為地電位。所述銅管202和適配器203是由同一種材料制作而成的；材料采用黃銅或者紫銅。所述工程塑料管205的內徑與銅管202緊配合。所述導向環207的材料是聚四氟乙烯。所述連接導線206采用的是全銅銅芯和包裹在全銅銅芯外的聚四氟乙烯外皮制作而成。所述屏蔽電極模型組件位于立式計算電容的四根不銹鋼圓柱主電極的中軸線上，那么使用工程塑料管205包裹銅管202，并且從其相鄰的兩根不銹鋼圓柱主電極中間縫隙處伸出，從而避免了銅管202與兩根相鄰主電極的電氣接觸，起到電氣絕緣作用；在屏蔽主體201的兩端的外表面上均安裝有一個導向環207，屏蔽電極模型組件在模型試驗中的沿四根主電極中軸線方向左右移動時(中軸線是水平的，中軸線與四根主電極全部相互平行)，使用導向環207能夠使其整體與四根主電極電氣絕緣，同時起到保護其表面避免劃傷。—種利用所述屏蔽電極模型組件測試實心電補償輔助電極補償效果的模型實驗方法，包括如下步驟:步驟1:在立式計算電容的四根主電極的同一位置纏繞相同厚度及相同寬度的銅箔3，以模擬相對主電極間的極間距變化；將一根主電極A接到電容電橋5的高電位端(HI);另一根與主電極A相對的主電極C接到電容電橋的指零端(DE);另外兩根與主電極A相鄰的主電極B和主電極D均接地電位進行屏蔽保護；步驟2:在屏蔽電極模型組件中的屏蔽主體201的一端安裝實心電補償輔助電極1，另一末端加裝一個改良型釘子頭(NP)2，實現實心電補償輔助電極的過渡電極、屏蔽主體以及改良型釘子頭三者的電氣連接；然后將其放置在四根主電極的中軸線位置，接有實心電補償輔助電極I的一端正對銅箔內部，接有改良型釘子頭2的另一末端則正對銅箔外部(即實心電補償輔助電極靠近銅箔，改良型釘子頭遠離銅箔)，在整個試驗中，實心電補償輔助電極會經歷進入銅箔內部和遠離銅箔的過程，而改良型釘子頭則一直不會進入銅箔內部，同時該末端不進入銅箔內部，只在遠離銅箔的外側移動；步驟3:將商用五盤感應分壓器(IVD)6的輸入端(IN)與電容電橋5的高電位端(HI)相連接；然后將實心電補償輔助電極的有源電極I通過香蕉插頭V與商用五盤感應分壓器6的輸出(LO)連接(即將同軸插座204與IVD連接)；步驟4:實心電補償輔助電極的過渡電極I1、改良型釘子頭、屏蔽主體201、銅管202和適配器203，通過間軸插座204的外殼接到整個系統的地電位；同時被工程塑料管205緊套的銅管202穿過兩個相鄰主電極A和主電極B的中間縫隙，通過推動適配器203以及兩個導向環207實現屏蔽電極模型組件整體沿四根主電極的中軸線來回平移，以及標定本身位置；步驟5:移動屏蔽電極模型組件并使實心電補償輔助電極位于銅箔的最里側(一般是在圖3中的銅箔3的中部，主要是由于屏蔽電極模型組件中的導向環207與其相鄰的四根主電極緊密接觸，因此整體往左邊推動時導向環207會與銅箔3相互抵觸而無法繼續向左移動，所謂的最里·側就是屏蔽電極模型組件不能再向左邊移動時的位置)，然后以固定間隔距離依次移動至遠離銅箔的外側(向右移動屏蔽電極模型組件，使得其左端的實心電補償輔助電極離開銅箔內部并逐漸遠離銅箔，但是有一個限制，就是屏蔽電極模型組件的另一端改良型釘子頭的末端不能超出圖3中的A和最右邊的4之間的縫隙，即改良型釘子頭末端不能進入最右邊的4內)，每個位置處均使用電容電橋測量得到四個相對主電極間的電容并得到它們的平均值？,進而畫出并觀察C與屏蔽電極模型組件的位移s關系曲線，
再取曲線兩邊的平坦區各自平均值的差值Δ(7 = Cmm - Cmm^.
步驟6:依次撥動商用五盤感應分壓器6的五個撥盤來實現抽頭(LO)在上端口(IN)和下端口(C)來回移動，從而改變補償電壓U的大小和正負，重復步驟5，直至找到最小的Ubest、相應的抽頭(LO)位置以及對應的商用五盤感應分壓器6的電壓比例kbest，此時ΔΡ為實心電補償輔助電極對端部效應補償完后的剩余量。一種利用所述屏蔽電極模型組件驗證所述實心電補償輔助電極與以國外最優改良型釘子頭為原型的新型立式計算電容裝置兼容性的模型實驗方法，包括如下步驟:步驟1:將一根主電極A接到電容電橋5的高電位端(HI);另一根與A相對的主電極C接到電容電橋的指零端(DE);另外兩根與主電極A相鄰的主電極B和D均接地電位進行屏蔽保護；使用電容電橋測量主電極A和C之間的交叉電容Cac ;接著將主電極B、C、D依次接到電容電橋5的高電位端(HI)，同時依次對應將主電極D、A、B接到電容電橋的指零端(DE);使用電容電橋依次測量其他三個交叉電容CBD、Ca和Cdb ;最終通過計算得到平均電容值C1= (Cw +Cfi, + C01+C/w)/4；步驟2:將兩端接入改良型釘子頭2的屏蔽電極模型組件放置在四根主電極的中軸線中心位置，其同軸插座204的芯端和外殼短接一并接地電位，從而使改良型釘子頭處于地電位；然后重復步驟1，得到此時的CAC、Cbd, (^和Cdb，最終通過計算得到平均電容值
cI = + Cm + Cca + Cm)/4 ；步驟3:將兩端接入實心電補償輔助電極I的屏蔽電極模型組件放置在四根主電極的中軸線中心位置，其同軸插座204的芯端與商用五盤感應分壓器6的輸出(LO)端，為兩個有源電極I提供同一最佳補償電壓Ubest ;同軸插座204的外殼接地電位，從而使兩個過渡電極II處于地電位；然后重復步驟1，CAC、CCA和Cdb，最終通過計算得到平均電容值
權利要求
1.一種屏蔽電極模型組件，用于實現對實心電補償輔助電極的測試；所述實心電補償輔助電極包括有源電極、過渡電極、聚四氟乙烯導環以及香蕉插頭；所述香蕉插頭的一端插入有源電極內，所述有源電極安裝在所述過渡電極內；所述有源電極通過光學級膠水涂層與過渡電極和聚四氟乙烯導環粘接在一起；所述過渡電極包括依次連接的第一圓柱體、截頂圓錐體和第二圓柱體；在所述過渡電極內開有與其具有同軸線的階梯通孔，包括直徑依次增大的小孔、中孔和大孔；在所述大孔的內壁開有內螺紋；其特征在于: 所述屏蔽電極模型組件包括屏蔽主體(201)、銅管(202)、適配器(203)、同軸插座(204)、工程塑料管(205)、連接導線(206)以及導向環(207)； 所述屏蔽主體(201)為圓筒狀結構，在其側壁上開有與其軸線垂直的孔，該孔使屏蔽主體(201)的內孔與外界連通；所述銅管(202)的下端插入該孔內，其上端插入所述適配器(203)的下端；在適配器(203)與屏蔽主體(201)之間的銅管(202)的外壁上包裹有工程塑料管(205);在所述屏蔽主體(201)的兩端的外表面上分別安裝有一個導向環(207)。
2.根據權利要求1所述的屏蔽電極模型組件，其特征在于:所述同軸插座(204)安裝在所述適配器(203)的上端；所述連接導線(206)的上端與所述同軸插座(204)的下端焊接在一起，其末端穿過銅管(202)以及屏蔽主體(201)的中孔后，與香蕉插頭焊接； 所述屏蔽主體(201)的一端插入所述實心電補償輔助電極的過渡電極大孔內，并通過螺紋與過渡電極擰緊固定在一起。
3.根據權利要求2所述的屏蔽電極模型組件，其特征在于:所述屏蔽主體(201)與銅管(202)通過焊接固定在一起；同軸插座(204)先與連接導線(206)的一端使用焊錫軟焊接在一起，然后與適配器(203)上的內螺孔擰緊固定。
4.根據權利要求1至3任一所述的屏蔽電極模型組件，其特征在于:所述銅管(202)和適配器(203)是由同一種材料制作而成的；材料采用黃銅或者紫銅。
5.根據權利要求4所述的屏蔽電極模型組件，其特征在于:所述工程塑料管(205)的內徑與銅管(202)緊配合。
6.根據權利要求5所述的屏蔽電極模型組件，其特征在于:所述導向環(207)的材料是聚四氟乙烯。
7.根據權利要求6所述的屏蔽電極模型組件，其特征在于:所述連接導線(206)采用的是全銅銅芯和包裹在全銅銅芯外的聚四氟乙烯外皮制作而成。
8.一種利用權利要求7所述屏蔽電極模型組件測試實心電補償輔助電極補償效果的模型實驗方法，其特征在于:所述方法包括如下步驟: 步驟1:在立式計算電容的四根主電極的同一位置纏繞相同厚度及相同寬度的銅箔(3);將一根主電極A接到電容電橋(5)的高電位端(HI);另一根與主電極A相對的主電極C接到電容電橋的指零端(DE);另外兩根與主電極A相鄰的主電極B和D均接地電位以進行屏蔽保護； 步驟2:在屏蔽電極模型組件中的屏蔽主體(201)的一端安裝實心電補償輔助電極(I)，另一末端加裝一個改良型釘子頭(2)，實現實心電補償輔助電極的過渡電極、屏蔽主體以及改良型釘子頭三者的電氣連接；然后將其放置在四根主電極的中軸線位置，接有實心電補償輔助電極(I)的一端靠近銅箔，接有改良型釘子頭(2)的另一末端遠離銅箔； 步驟3:將商用五盤感應分壓器(6)的輸入端(IN)與電容電橋(5)的高電位端(HI)相連接；然后將實心電補償輔助電極的有源電極通過香蕉插頭與商用五盤感應分壓器(6)的輸出(LO)連接； 步驟4:實心電補償輔助電極的過渡電極、改良型釘子頭(2)、屏蔽主體(201)、銅管(202)和適配器(203)，通過同軸插座(204)的外殼接到整個系統的地電位；同時被工程塑料管(205)緊套的銅管(202)穿過兩個相鄰主電極A和B的中間縫隙，通過推動適配器(203)以及兩個導向環(207)實現屏蔽電極模型組件整體沿四根主電極的中軸線來回平移，以及標定本身位置； 步驟5:移動屏蔽電極模型組件并使實心電補償輔助電極位于銅箔的最里側，然后以固定間隔距離依次移動至遠離銅箔的外側，每個位置處均使用電容電橋(5)測量得到四個相對主電極間的交叉電容并得到它們的平均值C ,進而畫出并觀察P與屏蔽電極模型組件的位移s關系曲線，再取曲線兩邊的平坦區各自平均值的差值=; 步驟6:依次撥動商用五盤感應分壓器(6)的五個撥盤來實現抽頭在上端口和下端口來回移動，從而改變補償電壓U的大小和正負，然后重復步驟5，直至找到ΔΓ最小的Ubest、相應的抽頭位置以及對應的商用五盤感應分壓器(6)的電壓比例kbest，此時ΔΡ為實心電補償輔助電極對端部效應補償完后的剩余量。
9.一種利用權利要求7所述的屏蔽電極模型組件驗證所述實心電補償輔助電極與以國外最優改良型釘子頭為原型的新型立式計算電容裝置兼容性的模型實驗方法，其特征在于:所述方法包括如下步驟: 步驟1:將一根主電極A接到電容電橋(5)的高電位端(HI);另一根與A相對的主電極C接到電容電橋的指零端(DE);另外兩根與主電極A相鄰的主電極B和主電極D均接地電位進行屏蔽保護；使用電容電橋測量主電極A和主電極C之間的交叉電容Cac ;接著將主電極B、C、D依次接到電容電橋(5)的高電位端(HI)，同時依次對應將主電極D、A、B接到電容電橋(5)的指零端(DE);使用電容電橋(5)依次測量其他三個交叉電容Cbd、Cca和Cdb ;最終通過計算得到平均電容值ζ = (CJV+Cim +Cca +Cim)/4 ; 步驟2:將兩端接入改良型釘子頭(2)的屏蔽電極模型組件放置在四根主電極的中軸線中心位置，其同軸插座(204)的芯端和外殼短接一并接地電位，從而使改良型釘子頭(2)處于地電位；然后重復步驟1，得到此時的CpC^Cca和Cdb，最終通過計算得到平均電容值(2 = AC + (' BI) + ( ( + DB )/4 i 步驟3:將兩端接入實心電補償輔助電極(I)的屏蔽電極模型組件放置在四根主電極的中軸線中心位置，其同軸插座(204)的芯端與商用五盤感應分壓器(6)的輸出端(LO)，為兩個有源電極提供同一最佳補償電壓Ubest;同軸插座(204)的外殼接地電位，從而使兩個過渡電極處于地電位；然后重復步驟1，Cac, Cbd, (^和Cdb，最終通過計算得到平均電容值步驟4:綜合步驟1、2和3的測量結果，同時使用公式Δ￡Λ7,=|ζ-以及Al ^Kc —Γ 1/2 (其中Cci =.In二)，分別得到改良型釘子頭(2)的電氣長度ALnp 一 1、、I IK 0 J ▲K和實心電補償輔助電極⑴的電氣長度ALme;此時,將ALnp和ALme分別合并改良型釘子頭和新型實心電補償輔助電極的總體長度Inp和1ME，即得到各自在二維電場中的電氣總長度Lnp和Lme，然 后將過渡電極的第二圓柱體的長度L7增加到!^+(Lnp-Lme)即可。
全文摘要
本發明提供了一種屏蔽電極模型組件及其應用，屬于計量基標準測試領域。所述屏蔽電極模型組件包括屏蔽主體(201)、銅管(202)、適配器(203)、同軸插座(204)、工程塑料管(205)、連接導線(206)以及導向環(207)；所述屏蔽主體(201)為圓筒狀結構，在其側壁上開有與其軸線垂直的孔，該孔使屏蔽主體(201)的內孔與外界連通；所述銅管(202)的下端插入該孔內，其上端插入所述適配器(205)的下端；在適配器(205)與屏蔽主體(201)之間的銅管(202)的外壁上包裹有工程塑料管(205)；在所述屏蔽主體(201)的兩端的外表面上分別安裝有一個導向環(207)。
文檔編號G01R31/00GK103197181SQ20131010152
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者黃璐, 陸祖良, 張鐘華, 楊雁, 趙建亭, 王維, 陸文俊 申請人:中國計量科學研究院