壓力受感器絕緣特性的研究

楊 柳，郎賀明

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；2.太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

0 緒論

壓力受感器的絕緣電阻是指其加溫電路的線芯與金屬結(jié)構(gòu)件之間的絕緣電阻，是其主要性能指標之一。壓力受感器的絕緣特性要求為：在加溫電路和外殼間施加+250V直流電壓時，絕緣電阻阻值應(yīng)不小于100MΩ[1]。

絕緣失效引起的問題有三方面：第一，加溫電路工作時，若線芯的電流泄漏到結(jié)構(gòu)件，并傳導(dǎo)到飛行器外殼使其帶電，可能在操作人員使用過程中引起安全問題；第二，泄漏電流可能影響其他機載設(shè)備的正常運行；第三，泄漏電流會改變加溫電路的功率分布，導(dǎo)致加熱器局部功率降低，影響結(jié)冰防護能力，而其它部分功率會升高，工作可靠性降低。

在壓力受感器的生產(chǎn)制造過程中，絕緣電阻是最難保證的特性指標之一，因絕緣電阻超差導(dǎo)致的產(chǎn)品報廢率較高。本文通過分析壓力受感器加溫電路的特點，給出絕緣電阻分析計算的等效模型，用以指導(dǎo)壓力受感器的設(shè)計，并解決生產(chǎn)過程中的絕緣不良。

1 壓力受感器加溫電路的結(jié)構(gòu)

壓力受感器加溫電路一般由鎧裝加熱器、轉(zhuǎn)接子、導(dǎo)線組成。鎧裝加熱器為具有金屬鎧裝保護層的絲狀電加熱元件，安裝在受感器管體、支臂等結(jié)構(gòu)件內(nèi)壁上。加熱器由加溫內(nèi)絲、絕緣層和鎧裝層組成，外徑尺寸在Φ1mm～Φ2mm之間，長度一般為1m～3m。轉(zhuǎn)接子用于連接鎧裝加熱器內(nèi)絲與導(dǎo)線。轉(zhuǎn)接子由接頭罩、轉(zhuǎn)接套管和絕緣密封膠組成。接頭罩為金屬材質(zhì)，用于保護轉(zhuǎn)接子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)接套管用于連接鎧裝加熱器內(nèi)絲和導(dǎo)線線芯。絕緣密封膠填充在接頭罩和轉(zhuǎn)接套管之間，使其絕緣。導(dǎo)線用于連接轉(zhuǎn)接子與供電電源，向鎧裝加熱器提供電能。

壓力受感器加溫電路與機上電源連接并開始工作后，電流通過導(dǎo)線線芯、轉(zhuǎn)接套管傳導(dǎo)到鎧裝加熱器加溫內(nèi)絲，轉(zhuǎn)換為熱能，加熱受感器。

鎧裝加熱器的鎧裝層、轉(zhuǎn)接子的接頭罩與受感器金屬結(jié)構(gòu)件連接，作為一極；加溫內(nèi)絲、轉(zhuǎn)接套管、導(dǎo)線線芯，作為另一極；兩極之間通過加熱器和轉(zhuǎn)接子中的絕緣物質(zhì)保證彼此的絕緣。在鎧裝加熱器內(nèi)，絕緣物質(zhì)為氧化鎂；在轉(zhuǎn)接子中，絕緣物質(zhì)為環(huán)氧膠。

2 絕緣固體中的電流

固體電介質(zhì)中的電流主要有：體內(nèi)電導(dǎo)、表面電導(dǎo)、電容充放電流、吸收電流、空間電荷限制電流。

1) 體內(nèi)電導(dǎo)：絕緣固體中會出現(xiàn)微弱的本征導(dǎo)電和雜質(zhì)導(dǎo)電。這是由絕緣固體中的電子和空穴移動導(dǎo)致的，其導(dǎo)電規(guī)律和半導(dǎo)體中的情況大體相同[2]。

2) 表面電導(dǎo)：其大小與絕緣固體表面狀態(tài)、環(huán)境溫度和濕度密切相關(guān)。絕緣固體表面粗糙、表面雜質(zhì)或污染，空氣濕度溫度增加，都會顯著增加表面電導(dǎo)。產(chǎn)品許多絕緣降低的現(xiàn)象與表面電導(dǎo)有關(guān)。

3) 電容充放電電流：任何絕緣結(jié)構(gòu)都是把電位不同的兩個導(dǎo)體從電氣上以及從機械上隔離開來[3]，可以將其類比為電容器。電容電流指絕緣的兩端施加一個直流電壓，因等效電容充放電所產(chǎn)生的電流。根據(jù)電容充放電原理，該電流與容值、時間有關(guān)。

4) 吸收電流：良好的絕緣固體兩端施加一個直流電壓，等效電容充電，其充電時間與電容值有關(guān)。絕緣效果越好，充電時間越短，電流衰減越快。而實驗發(fā)現(xiàn)：第一，施加直流電壓后，電路建立平衡電流所需時間遠長于理論計算時間；第二，電流衰減偏離指數(shù)規(guī)律；第三，電流在正半周期、負半周期的衰減規(guī)律不一致；第四，在極端條件下，其現(xiàn)象在定量方面會發(fā)生不能重現(xiàn)的情況[2]。工程上引入吸收電流的概念，用于描述在上述情況下，電流衰減規(guī)律與理論不一致的情況。此種現(xiàn)象與電介質(zhì)中出現(xiàn)的各種亞穩(wěn)態(tài)有關(guān)。而電介質(zhì)內(nèi)部未貫穿的孔隙、局部組織不一致、內(nèi)應(yīng)力是形成亞穩(wěn)態(tài)的主要原因。

5) 空間電荷限制電流：空間電荷限制電流是由空間電荷移動引起，而空間電荷來源于絕緣體兩端金屬導(dǎo)體內(nèi)的自由電子在絕緣體內(nèi)的擴散。良好絕緣體中的空間電荷限制電流與絕緣體的體電導(dǎo)率無關(guān)，與介電常數(shù)成正比[2]。

上述五種電流在絕緣體內(nèi)部均可能存在。所以在單考察一種導(dǎo)電通路時，絕緣體顯現(xiàn)良好的絕緣性，但實際測量時卻發(fā)現(xiàn)絕緣電阻值遠低于理論值。

低電壓(擊穿前)情況下，體內(nèi)電導(dǎo)、表面電導(dǎo)、電容充放電電流歸為線性因素；吸收電流、空間電荷限制電流歸為非線性因素。對壓力受感器絕緣特性的研究，應(yīng)給出等效電路模型，先定量分析線性因素對絕緣電阻的影響，再定性分析非線性因素對絕緣電阻的影響。

3 線性因素對絕緣電阻的影響

絕緣結(jié)構(gòu)可類比為電容器，而泄漏電流相當于在電容器兩端并聯(lián)一個純電阻?？紤]壓力受感器絕緣電阻測量時，在絕緣的兩端施加直流電壓，同時絕緣電阻表存在內(nèi)阻，壓力受感器加溫電路絕緣測試的等效電路模型見圖1所示。

圖1 加溫電路絕緣測試的等效電路圖

圖中，恒壓源US為施加的電壓，R0為絕緣電阻表內(nèi)阻，C為絕緣體兩端等效電容，RL為泄漏電流等效電阻，A、B兩端測得的阻值即為絕緣電阻RJ。

對此電路進行分析計算，絕緣電阻為：

(1)

由式(1)，絕緣電阻與絕緣電阻表內(nèi)阻、泄漏電流等效電阻、等效電容和測試時間有關(guān)。對式(1)進一步分析可知：

1) 絕緣阻值與測試電壓值無關(guān)；

2) 絕緣電阻RJ取值范圍為[0,RL]，所以泄漏電流等效電阻決定了絕緣體的絕緣水平；

3) 等效電容影響了電流達到平衡的時間，電容值越大，達到平衡的時間越長；

4) 絕緣電阻表內(nèi)阻也會影響電流達到平衡的時間，但對電流平衡后的絕緣阻值無影響。也就是說，無論用何種絕緣電阻表、何檔位進行測量，理論上，其絕緣阻值示數(shù)應(yīng)相同。

4 非線性因素對絕緣電阻的影響

吸收電流、空間電荷限制電流是影響絕緣的非線性因素。吸收電流主要影響電容支路，而空間電荷限制電流會影響泄漏電流等效電阻支路。

吸收電流會延長電路電流穩(wěn)定時間，使絕緣電阻跳變。吸收電流的大小主要取決于絕緣固體內(nèi)部的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，如未貫穿的孔隙、局部組織不一致、內(nèi)應(yīng)力等，屬于缺陷特性，是絕緣特性研究的重點之一。

空間電荷限制電流會增加絕緣兩極的電導(dǎo)。此種電導(dǎo)不服從歐姆定律，其電流值與電壓的平方成正比[2]?？臻g電荷限制電流主要由絕緣固體兩端導(dǎo)體內(nèi)的自由電子，在絕緣固體中擴散導(dǎo)致，是絕緣結(jié)構(gòu)的固有特性。在絕緣特性的研究中不做細致分析。

5 引起絕緣不良的缺陷

絕緣體的電阻率極高，但并非完全不導(dǎo)電。絕緣體導(dǎo)電的原因，有些是絕緣物體本身的特性決定的，稱為固有特性；有些是絕緣體內(nèi)的缺陷導(dǎo)致的，稱為缺陷特性。體內(nèi)電導(dǎo)中的本征電導(dǎo)、電容充放電電流、空間電荷限制電流屬于固有特性；體內(nèi)電導(dǎo)中的雜質(zhì)電導(dǎo)、表面電導(dǎo)、吸收電流屬于缺陷特性。而絕緣問題的研究更加注重缺陷特性。

在缺陷特性所決定的電導(dǎo)作用中，還可以分為漏導(dǎo)作用和吸收作用。漏導(dǎo)指由于絕緣體內(nèi)的缺陷，形成電流泄漏導(dǎo)通的效應(yīng)。吸收指由于絕緣體內(nèi)的缺陷，形成類似于充放電的效應(yīng)。形成兩種效應(yīng)的缺陷是不同的。形成漏導(dǎo)作用的缺陷有：絕緣體內(nèi)的導(dǎo)電雜質(zhì)、貫穿性的孔隙、表面的污染。漏導(dǎo)作用降低了泄漏電流等效電阻，使絕緣結(jié)構(gòu)的絕緣最大值降低。形成吸收作用的缺陷有：未貫穿的孔隙、局部組織不一致、內(nèi)應(yīng)力。吸收作用提高了等效電容，增加了時間常數(shù)，使絕緣電阻示數(shù)漂移。

根據(jù)式(1)，當電路處于完全線性狀態(tài)下，電流的平衡時間是很短的。由實測數(shù)據(jù)計算，基本在毫秒數(shù)量級。所以在絕緣電阻測試中，若示數(shù)長時間(大于1min)未能穩(wěn)定，則基本可以斷定其絕緣層存在內(nèi)部缺陷。工程應(yīng)用中，還可以利用式(1)，計算理論電流衰減時間，并與實測數(shù)據(jù)進行比對，判斷何種缺陷引起絕緣特性。

環(huán)境的溫度、濕度、壓力與絕緣體內(nèi)的缺陷交互作用時，也會對壓力受感器的絕緣電阻產(chǎn)生影響。根據(jù)式(1)，以及漏導(dǎo)作用和吸收作用的論述,當壓力受感器絕緣體內(nèi)部存在漏導(dǎo)型的缺陷時，絕緣體內(nèi)實際存在貫穿型的導(dǎo)電通路。此時濕度對絕緣電阻的影響最大。貫穿型的缺陷實際形成了表面電導(dǎo)，而濕度增加使得表面電導(dǎo)增加，從而降低絕緣電阻。而壓力會迫使環(huán)境中的水氣深入貫穿型缺陷中，使其表面受潮。而溫度的影響僅在水的沸點前后產(chǎn)生影響，當溫度超過水的沸點后，貫穿型缺陷表面水氣被蒸發(fā)逸出，絕緣電阻增大。

對于吸收型缺陷而言，由于其缺陷全部在絕緣體內(nèi)部，所以僅溫度對其產(chǎn)生作用。當絕緣體受到局部溫度作用，會因溫度梯度形成內(nèi)應(yīng)力，絕緣電阻降低。當絕緣體整體受到溫度變化影響時，使內(nèi)部應(yīng)力得到釋放，絕緣電阻升高。

當壓力受感器出現(xiàn)絕緣不良時，建議先將其置于真空環(huán)境下穩(wěn)定一段時間。若存在貫穿型缺陷，在真空抽吸作用下，水氣會逸出，絕緣電阻升高。由此可初步判斷絕緣缺陷的類型，以便于采取相應(yīng)措施。而常規(guī)的高溫烘干，則無法判斷出絕緣缺陷的類型。

6 結(jié)論

本文結(jié)論為：

1) 絕緣阻值與測試電壓值無關(guān)；

2) 絕緣電阻RJ取值范圍為[0,RL]，所以泄漏電流等效電阻決定了絕緣體的絕緣水平；

3) 絕緣電阻測試中，若示數(shù)長時間(大于1min)未能穩(wěn)定，可以斷定其絕緣層存在內(nèi)部缺陷；

4) 引起絕緣不良的缺陷可分為兩類：漏導(dǎo)型缺陷和吸收型缺陷?？梢酝ㄟ^動態(tài)測試，確定為何種缺陷引起絕緣不良；

5) 壓力受感器出現(xiàn)絕緣不良時，建議將其置于真空環(huán)境下穩(wěn)定一段時間，然后測量絕緣電阻，可根據(jù)絕緣阻值變化初步判斷絕緣缺陷的類型。