压力受感器绝缘特性的研究

2020-08-20郎贺明

山西电子技术 2020年4期

杨柳，郎贺明

(1.山西职业技术学院，山西太原 030006；2.太原航空仪表有限公司，山西太原 030006)

0 绪论

压力受感器的绝缘电阻是指其加温电路的线芯与金属结构件之间的绝缘电阻，是其主要性能指标之一。压力受感器的绝缘特性要求为：在加温电路和外壳间施加+250V直流电压时，绝缘电阻阻值应不小于100MΩ[1]。

绝缘失效引起的问题有三方面：第一，加温电路工作时，若线芯的电流泄漏到结构件，并传导到飞行器外壳使其带电，可能在操作人员使用过程中引起安全问题；第二，泄漏电流可能影响其他机载设备的正常运行；第三，泄漏电流会改变加温电路的功率分布，导致加热器局部功率降低，影响结冰防护能力，而其它部分功率会升高，工作可靠性降低。

在压力受感器的生产制造过程中，绝缘电阻是最难保证的特性指标之一，因绝缘电阻超差导致的产品报废率较高。本文通过分析压力受感器加温电路的特点，给出绝缘电阻分析计算的等效模型，用以指导压力受感器的设计，并解决生产过程中的绝缘不良。

1 压力受感器加温电路的结构

压力受感器加温电路一般由铠装加热器、转接子、导线组成。铠装加热器为具有金属铠装保护层的丝状电加热元件，安装在受感器管体、支臂等结构件内壁上。加热器由加温内丝、绝缘层和铠装层组成，外径尺寸在Φ1mm～Φ2mm之间，长度一般为1m～3m。转接子用于连接铠装加热器内丝与导线。转接子由接头罩、转接套管和绝缘密封胶组成。接头罩为金属材质，用于保护转接子内部结构。转接套管用于连接铠装加热器内丝和导线线芯。绝缘密封胶填充在接头罩和转接套管之间，使其绝缘。导线用于连接转接子与供电电源，向铠装加热器提供电能。

压力受感器加温电路与机上电源连接并开始工作后，电流通过导线线芯、转接套管传导到铠装加热器加温内丝，转换为热能，加热受感器。

铠装加热器的铠装层、转接子的接头罩与受感器金属结构件连接，作为一极；加温内丝、转接套管、导线线芯，作为另一极；两极之间通过加热器和转接子中的绝缘物质保证彼此的绝缘。在铠装加热器内，绝缘物质为氧化镁；在转接子中，绝缘物质为环氧胶。

2 绝缘固体中的电流

固体电介质中的电流主要有：体内电导、表面电导、电容充放电流、吸收电流、空间电荷限制电流。

1) 体内电导：绝缘固体中会出现微弱的本征导电和杂质导电。这是由绝缘固体中的电子和空穴移动导致的，其导电规律和半导体中的情况大体相同[2]。

2) 表面电导：其大小与绝缘固体表面状态、环境温度和湿度密切相关。绝缘固体表面粗糙、表面杂质或污染，空气湿度温度增加，都会显著增加表面电导。产品许多绝缘降低的现象与表面电导有关。

3) 电容充放电电流：任何绝缘结构都是把电位不同的两个导体从电气上以及从机械上隔离开来[3]，可以将其类比为电容器。电容电流指绝缘的两端施加一个直流电压，因等效电容充放电所产生的电流。根据电容充放电原理，该电流与容值、时间有关。

4) 吸收电流：良好的绝缘固体两端施加一个直流电压，等效电容充电，其充电时间与电容值有关。绝缘效果越好，充电时间越短，电流衰减越快。而实验发现：第一，施加直流电压后，电路建立平衡电流所需时间远长于理论计算时间；第二，电流衰减偏离指数规律；第三，电流在正半周期、负半周期的衰减规律不一致；第四，在极端条件下，其现象在定量方面会发生不能重现的情况[2]。工程上引入吸收电流的概念，用于描述在上述情况下，电流衰减规律与理论不一致的情况。此种现象与电介质中出现的各种亚稳态有关。而电介质内部未贯穿的孔隙、局部组织不一致、内应力是形成亚稳态的主要原因。

5) 空间电荷限制电流：空间电荷限制电流是由空间电荷移动引起，而空间电荷来源于绝缘体两端金属导体内的自由电子在绝缘体内的扩散。良好绝缘体中的空间电荷限制电流与绝缘体的体电导率无关，与介电常数成正比[2]。

上述五种电流在绝缘体内部均可能存在。所以在单考察一种导电通路时，绝缘体显现良好的绝缘性，但实际测量时却发现绝缘电阻值远低于理论值。

低电压(击穿前)情况下，体内电导、表面电导、电容充放电电流归为线性因素；吸收电流、空间电荷限制电流归为非线性因素。对压力受感器绝缘特性的研究，应给出等效电路模型，先定量分析线性因素对绝缘电阻的影响，再定性分析非线性因素对绝缘电阻的影响。

3 线性因素对绝缘电阻的影响

绝缘结构可类比为电容器，而泄漏电流相当于在电容器两端并联一个纯电阻。考虑压力受感器绝缘电阻测量时，在绝缘的两端施加直流电压，同时绝缘电阻表存在内阻，压力受感器加温电路绝缘测试的等效电路模型见图1所示。

图1 加温电路绝缘测试的等效电路图

图中，恒压源US为施加的电压，R0为绝缘电阻表内阻，C为绝缘体两端等效电容，RL为泄漏电流等效电阻，A、B两端测得的阻值即为绝缘电阻RJ。

对此电路进行分析计算，绝缘电阻为：

(1)

由式(1)，绝缘电阻与绝缘电阻表内阻、泄漏电流等效电阻、等效电容和测试时间有关。对式(1)进一步分析可知：

1) 绝缘阻值与测试电压值无关；

2) 绝缘电阻RJ取值范围为[0,RL]，所以泄漏电流等效电阻决定了绝缘体的绝缘水平；

3) 等效电容影响了电流达到平衡的时间，电容值越大，达到平衡的时间越长；

4) 绝缘电阻表内阻也会影响电流达到平衡的时间，但对电流平衡后的绝缘阻值无影响。也就是说，无论用何种绝缘电阻表、何档位进行测量，理论上，其绝缘阻值示数应相同。

4 非线性因素对绝缘电阻的影响

吸收电流、空间电荷限制电流是影响绝缘的非线性因素。吸收电流主要影响电容支路，而空间电荷限制电流会影响泄漏电流等效电阻支路。

吸收电流会延长电路电流稳定时间，使绝缘电阻跳变。吸收电流的大小主要取决于绝缘固体内部的亚稳态结构，如未贯穿的孔隙、局部组织不一致、内应力等，属于缺陷特性，是绝缘特性研究的重点之一。

空间电荷限制电流会增加绝缘两极的电导。此种电导不服从欧姆定律，其电流值与电压的平方成正比[2]。空间电荷限制电流主要由绝缘固体两端导体内的自由电子，在绝缘固体中扩散导致，是绝缘结构的固有特性。在绝缘特性的研究中不做细致分析。

5 引起绝缘不良的缺陷

绝缘体的电阻率极高，但并非完全不导电。绝缘体导电的原因，有些是绝缘物体本身的特性决定的，称为固有特性；有些是绝缘体内的缺陷导致的，称为缺陷特性。体内电导中的本征电导、电容充放电电流、空间电荷限制电流属于固有特性；体内电导中的杂质电导、表面电导、吸收电流属于缺陷特性。而绝缘问题的研究更加注重缺陷特性。

在缺陷特性所决定的电导作用中，还可以分为漏导作用和吸收作用。漏导指由于绝缘体内的缺陷，形成电流泄漏导通的效应。吸收指由于绝缘体内的缺陷，形成类似于充放电的效应。形成两种效应的缺陷是不同的。形成漏导作用的缺陷有：绝缘体内的导电杂质、贯穿性的孔隙、表面的污染。漏导作用降低了泄漏电流等效电阻，使绝缘结构的绝缘最大值降低。形成吸收作用的缺陷有：未贯穿的孔隙、局部组织不一致、内应力。吸收作用提高了等效电容，增加了时间常数，使绝缘电阻示数漂移。

根据式(1)，当电路处于完全线性状态下，电流的平衡时间是很短的。由实测数据计算，基本在毫秒数量级。所以在绝缘电阻测试中，若示数长时间(大于1min)未能稳定，则基本可以断定其绝缘层存在内部缺陷。工程应用中，还可以利用式(1)，计算理论电流衰减时间，并与实测数据进行比对，判断何种缺陷引起绝缘特性。

环境的温度、湿度、压力与绝缘体内的缺陷交互作用时，也会对压力受感器的绝缘电阻产生影响。根据式(1)，以及漏导作用和吸收作用的论述,当压力受感器绝缘体内部存在漏导型的缺陷时，绝缘体内实际存在贯穿型的导电通路。此时湿度对绝缘电阻的影响最大。贯穿型的缺陷实际形成了表面电导，而湿度增加使得表面电导增加，从而降低绝缘电阻。而压力会迫使环境中的水气深入贯穿型缺陷中，使其表面受潮。而温度的影响仅在水的沸点前后产生影响，当温度超过水的沸点后，贯穿型缺陷表面水气被蒸发逸出，绝缘电阻增大。

对于吸收型缺陷而言，由于其缺陷全部在绝缘体内部，所以仅温度对其产生作用。当绝缘体受到局部温度作用，会因温度梯度形成内应力，绝缘电阻降低。当绝缘体整体受到温度变化影响时，使内部应力得到释放，绝缘电阻升高。

当压力受感器出现绝缘不良时，建议先将其置于真空环境下稳定一段时间。若存在贯穿型缺陷，在真空抽吸作用下，水气会逸出，绝缘电阻升高。由此可初步判断绝缘缺陷的类型，以便于采取相应措施。而常规的高温烘干，则无法判断出绝缘缺陷的类型。