[发明专利]基于金属化膜电容器的层间压强测量装置及方法

说明书

本发明提供了一种基于金属化膜电容器的层间压强测量装置及方法，该装置包括：金属化膜电容器、第一应变片、第二应变片、第三应变片及第四应变片、静态程控应变仪及处理器；其中：第一应变片及第二应变片相互连接，且均设置于金属化膜电容器的芯轴上；第一应变片的灵敏方向与第二应变片的灵敏方向相互垂直，第一应变片的灵敏方向与芯轴的轴向平行；第三应变片及第四应变片设置在静态程控应变仪内。相比现有的测量装置和方法，本发明简化了测量系统并减少了应变片使用量，并且提高了测量精度。

技术领域

本发明涉及压强测量技术领域，尤其涉及一种基于金属化膜电容器的层间压强测量装置及方法。

背景技术

金属化膜电容器的储能密度相比传统油浸式电容器高得多，使用金属膜电容器能在有限的体积和重量内实现比油浸式电容器大得多的电场能量存储，或者在储能相当的情况下具有更紧凑的体积和更轻的重量，在输配电、脉冲功率等应用领域应用前景广阔，在相当一部分应用场景下已经开始取代传统油浸式电容器，因此各电容器生产厂家均十分重视高性能金属化膜电容器的研发。金属化膜电容器通常根据所耐受电压等级和电容量值的不同，由若干电容器元件串并联后装入外壳构成，因此金属化膜电容器的性能很大程度上取决于所使用的电容器元件的性能。电容器元件的基本结构和卷绕制作过程如图1及图2所示(图1中1指金属化膜电容器元件的留边)。

将厚度通常为数μm的具有单面(厚度通常为数nm至数十nm)铝-锌镀层作为电极的两层聚合物金属化膜相叠，然后围绕直径数mm、长度数cm的硬质塑料空心圆柱棒卷绕数百至数千层，并经喷金、焊接引线、热定型、浸渍等工艺工序后封装在塑料壳体中，即得到一个完整的金属化膜电容器元件。

当电容器上施加一定电压后，金属化膜介质中的电弱点发生击穿，形成放电通道并产生局部高温，使击穿点附近的镀层电极物质蒸发，进而导电通道电阻增大，放电无法维持，绝缘即自行恢复。参见图3(图3中2为金属化电极，3为去金属化部位)，这一过程称为金属化膜电容器的自愈，对电容器的性能有重要影响。

自愈过程中释放的能量大小和放电持续时间长短对于蒸发的电极面积大小和击穿点附近介质破坏程度、释放的反应物的性质和数量均有很强的关联性，进而影响到电容器元件乃至整个电容器的寿命和储能密度等关键性能指标。而金属膜层间的压强大小对自愈过程中释放的能量大小和放电持续时间又有着明显的关联，因此金属膜层间压强的大小对于电容器的性能有重要影响，在对电容器进行设计、工艺改进甚至可靠性等品质控制的过程中，确切地了解各种情况下的金属膜层间压强值具有重要的指导意义。该层间压强值无法通过精确计算得到，必须进行实际测量才能确知。

金属化膜电容器的元件由金属化膜卷绕而成，金属化膜与金属化膜之间紧密相贴且互相压实，且一次测量需兼顾数十个测量位置。若通过传感器直接介入金属化膜之间测量层间压强，则每个测量点都需要预埋传感器，大大增加制作元件的复杂度，且预埋多个传感器元件则传感器元件自身的几何尺寸难免会影响到整个元件中金属化膜之间的应力分布，因此难以奏效。而非介入式的声学、电磁学或光学测量手段等，即便能够有效测量，仪器成本和测量系统的复杂度等代价也会较高，同样不便采用。因此，较好的方法只有间接方式的力学传感器测量法。

现有技术方案中，采用测量应变片的电阻变化量以间接测量金属膜层间压强的方法未将一些重要误差特性考虑在内，导致现有方案整体存在2个方面的重要缺陷。

缺陷1：箔式电阻应变片是通过金属丝在应力作用下的形变特性所导致的电阻变化来反映基底所粘附的物体的形状变化的一种应变传感器。金属丝在受到外力作用发生形变时，由于横截面积和电阻率发生相应变化，因此金属丝的总电阻也相应变化，其电阻变化与形变量的关系为：

Δr/r＝Kε