电器数值分析实验报告

姓名： 张星             班级：电气C121        学号：125342

1、电磁体设计（请将计算结果填在相应位置）

磁通量等势线：

沿Z轴的磁感应强度分布曲线：

磁感应强度分布云图：

2、同轴线电感分析（请将计算结果填在相应位置）

电感值：1.66386E-007H/m

画出相应的场量云图：

磁通量等势线：

磁通密度B场量云图：

磁场强度H场量云图：

电流密度J场量云图：

3、微波集成电路中的微带线分析（请将计算结果填在相应位置）

等势线图：

电场强度幅度云图：

4、铜棒温度场分析

温度场分布云图：

铜棒中间温度值：6.4578e

5、基于Ansoft软件的电磁场分析基本步骤

（1）建模

（2）指定材料属性

（3）建立边界条件和激磁源

（4）求解

（5）后处理

6、列举一到两个实验中遇到的问题及解决的方法

答：1,软件没有汉化，好多专业英语看不懂，需要查英语词典

    2,有许多专业知识不理解，边做边查书

第二篇：电气材料分析实验报告4

电气绝缘技术训练实验报告

——显微镜和热刺激电流的原理及应用

姓名：***

班级：硕****班

学号：**********

指导老师：***

日期：20##年10月24日

第一部分：     热刺激电流的原理及应用

一、    概述

热刺激电流法是根据热刺激理论研究固体电介质荷电过程的一种重要手段。

热刺激电流法，简称TSC，分为热刺激极化电流法TSPC和热刺激去极化电流法TSDC。一般所说的TSC多指TSDC。TSC法与通常所采用的测量材料参数的方法不同。通常是在材料温度维持恒定的情况下测量参数，即等温测量。而TSC法是一面对材料升温一面进行测量，即非等温测量。用非等温的方法可以观测在低温下被“冻结”于非平衡状态的荷电粒子由于升温而恢复到热平衡状态的全过程。

因为绝缘材料的介电性能和导电性能与材料中荷电粒子的性质、数量及所处的状态和分布密切相关，并且其内部荷电粒子的松弛时间、活化能和陷阱能级等不相同。根据热刺激理论，用TSC法就容易将材料中各种不同活化能或松弛时间的荷电粒子分离开来。从而分别求出各种荷电粒子的性质、数量、松弛时间、活化能等参数。

TSDC法测量主要是通过去极化电流随试样温度不断提高的变化谱来研究材料的微观荷电结构变化的。因而，保持试样内温度和电场的尽可能均匀是必要的。在TSDC测量中，要正确选用极化温度Tp、去极化电压Vp、计划时间tp和升温速率β。

二、    热刺激电流法的原理

下图1为TSC法的测试原理。对于热刺激去极化电流（TSDC）的测量，如图2所示，首先利用温度控制将试样升温到某一温度（如图2（a）中的（1））Tp，然后合上开关S1，再对试样加电压Vp于一定时间tp后，保持Vp不变，将试样温度急剧降到低温T0，然后打开S1，合上S2，再转向S3，以一定的升温速率β升温。在升温开始时，由于试样温度很低，介质的去极化几乎不能发生，故电路里没有电流流过。随着温度升高，去极化逐渐开始，电路里产生电流，当温度升至某一点时，去极化全部完成，电路里电流随之为零。这一过程形成的电流就是热刺激去极化电流。

图1 TSC测试原理

对于热刺激极化电流（TSPC）的测量，仍如图2中所示，首先利用温度控制装置将试样降温到较低温度（如图2（a）中的（2））T0（液氮温度），然后对试样加电压Vp，再以一定的升温速度β’升温。在升温开始时，由于温度较低，分子被“冻结”，介质几乎不被极化，故无电流流过电路。但是随着温度的升高，介质的极化逐渐产生，随之电路里就有电流流过，并逐渐增大。当温度升到某一点时，介质极化达到饱和，随之流过电路里的电流几乎为零。这一过程形成的电流就是热刺激极化电流。

图2 TSC的形成过程

以上所述的TSDC和TSPC都是假设介质具有单一的松弛时间极化，如果介质中存在多种松弛极化时，TSC就会有多个峰出现，如图3所示，而且各峰出现的时间（温度）是按活化能H或松弛时间τ由小到大的顺序排列。所以用TSC法就可以将介质中不同活化能的荷电粒子分离开进行研究。

通常恒定温度下测量介质中的吸收电流和放电电流都不能将介质中不同荷电粒子引起的电流区分开来。与恒定温度下测量介质的吸收电流和放电电流相比较，TSPC与吸收电流相对应，TSDC与放电电流相对应。但由于热刺激电流相对于时间来说加入了温度的效果，因此，从吸收电流和放电电流难以得到的结果就可以从热刺激电流得到。

图3 介质存在多松弛时的TSC谱

需要注意的是，TSPC与介质的吸收电流相对应，但它不是吸收电流，TSDC与放电电流相对应，但也不是放电电流。这种宏观热刺激电流，其实质是介质内部荷电粒子微观迁移的结果。对于偶极子转向极化引起的热刺激电流，TSPC和TSDC微观本质都是偶极子转向；对于可动离子极化引起的热刺激电流，TSPC和TSDC的微观本质都是可动离子的定向迁移；对于陷阱电荷引起的热刺激电流，其中包含了电子被捕捉、激发、迁移等更复杂的微观过程。

三、    TSC的测量和使用范围

测量方式   1）极化电流的测量

           2）电导电流的测量

被测试样   1）薄片3×3cm   厚度小于1mm

           2）液体2cc

温度范围   -160℃——+230℃

极化电压范围   0——4kV

电流测量范围   1×10^-3——1×10^-12A

四、    实验步骤

1.在断电情况下安装试样，放入温控腔；

2.打开桌面的WINTSC测量软件，输入试样直径，厚度，给测量结果文件命名、设置测试条件（极化电压、保温加压时间、升温速率等）。注意试样上加偏压超过250V时，需要预先确认试样的击穿电压，保证所加电压不会击穿试样造成短路；
     3.合上温度控制面板的电源、真空泵电源、6517B静电计电源。在软件测量菜单中点击START进行自动测试，测试结束后，结果文件自动保存；
     4.测量结束后，关闭上述各单元电源。

五、实验及结果处理

实验材料：

    含10%100nm氧化铝的环氧

实验过程：

    250伏加压，加热到80度，保持60分钟，速冷至负80度，2度/每分钟升温、0.5度一采样，至120度；

实验结果：

松弛过程观察如下图：

测试过程图：

最后得到的TSDC电流波形：

为便于观察，对电流波形进行取对数处理，如下图：

第二部分：     显微镜的原理及其应用

一．           概述

显微分析技术成为研究物质的微观组织、晶体结构和测定固态试样微区化学成分的重要手段。显微分析方法是借助于金相显微镜把人眼看不清楚的属于亚微观的结构放大，使人眼能看清楚。金相显微镜正是一种微观形态结构的视力分析工具，能够观测和分析研究材料的微观组织结构、形态、大小及分布，从而进一步研究材料的各种性能，判断和检验金属或非金属材料的性能和质量。显微分析的方法和设备有许多种，根据不同的需要可以选用，如扫描电子显微镜是研究固体试样表面形貌的有力工具，而电子探针X射线是分析试样化学成分的仪器，即可作定性分析，也可作定量分析，以及薄膜透射电子显微镜适用于薄膜试样等。

金相显微镜一般由放大系统、照明系统、机械系统及照相系统构成。高温金相显微镜按其特点可以分为两类。一类是通用光学（或金相）显微镜备有高温金相附件，即配有真空高温台，另一类是整套高温金相显微镜专用设备。二者均附有机械真空泵、以及冷却与复合真空计组成的真空系统和加热系统。

二．           成像原理

1.金相显微镜

显微镜的成象放大部分主要由两组透镜组成。靠近观察物体的透镜叫物镜，而靠近眼睛的透镜叫目镜。通过物镜和目镜的两次放大，就能将物体放大到较高的倍数，见图1，显微镜的放大光学原理图。物体AB置于物镜前，离其焦点略远处，物体的反射光线穿过物镜折射后，得到了一个放大的实象A1B1，若此象处于目镜的焦距之内，通过目镜观察到的图象是目镜放大了的虚象A2B2。

2.扫描电子显微镜

扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动 （声子）、电子振荡 （等离子体）。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。

三．           放大倍数

1.金相显微镜

显微镜的放大倍数为物镜放大倍数M_物和目镜放大倍数子M_目的乘积，即：

上式中，f物— 物镜的焦距，f目—目镜的焦距；L—显微镜的光学镜筒长度；D — 明视距离（250mm）。 f物和f目越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。    有的小型显微镜的放大倍数需再乘一个镜筒系数，因为它的镜筒长度比一般显微镜短些。

其中，物镜的放大倍数M物=A1B1/AB≈L╱F1

目镜的放大倍数=A2B2/A1B1≈D╱F2

两式相乘：M物×M目=A1B1/AB×A2B2/A1B1=A2B2/AB

=L╱F1×D╱F2=L×250╱F1×F2=M总

上式中：L—为光学镜筒长度（即物镜后焦点到目镜前焦点的距离）

F1—物镜的焦距。  F2—目镜的焦距

D—明视距离（人眼的正常明视距离为250mm）

即显微镜总的放大倍数等于物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积。一般金相显微镜的放大倍数最高可达1600到2000倍。

由此可看出：因为L光学镜筒长度为定值，可见物镜的放大倍数越大，其焦距越短。在显微镜设计时，目镜的焦点位置与物镜放大所成的实象位置接近，并使目镜所成的最终倒立虚象在距眼睛250毫米处成象，这样使所成的图象看得很清楚。

显微镜的主要放大倍数一般通过物镜来保证，物镜的最高放大倍数可达100倍，目镜的最高放大倍数可达25倍。放大倍数分别标注在物镜和目镜各自的镜筒上。在用金相显微镜观察组织时，应根据组织的粗细情况，选择适当的放大倍数，以使组织细节部分能观察清楚为准，不要只追求过高的放大倍数，因为放大倍数与透镜的焦距有关，放大倍数越大，焦距越小，会带来许多缺陷。

2.扫描电子显微镜

四．           观察方法

（一）明视野法

 观察试样直接反射光的方法。照明灯的光通过物镜垂直导向而入射于试样，来自试样的直接反射光通过物镜即被观察到。

（二）暗视野法

观察试样干涉及衍射光的方法。照明光线通过物镜外围斜射于试样上，来自试样的干涉及衍射光即被观察到。适用于检测试样上细微的擦痕，检测晶片等试样镜状表面。     

（三）微分干涉对比法

这是将用明视野法可能观察不到的试样高度微小差异通过改善对比法变为立体或三维图像的显微观察技术。照明光由微分干涉对比棱镜变为两束衍射光，这两束衍射光使试样高度差异造成在光路上的微小差异，而光路差异变为利用微分干涉对比棱镜和检偏振器的明暗对比。再利用敏感色板，加强了高度差异的颜色变化。适合检测包括金相结构、矿物、磁头、硬磁盘表面和晶片精制表面等有极其细微高度差异的试样。

（四）偏振光法

这是使用由两个一组的滤色镜（检偏振器和起偏振器）形成偏光的显微观察技术。这些偏光轴始终保持相互垂直。一些试样在两个滤色镜之间呈鲜明的对比，或根据双折射性能和定向（即锌结构的抛光试样）呈现颜色。在检偏振器插在目镜前的观察光路时，起偏振器位于垂直照明前面的光路。适合观察金相结构（即球墨铸铁的石墨增长形态）、矿物和液晶（LCD）以及半导体材料。

（五）荧光法

本技术用于发出荧光的试样。适合利用荧光法检测晶片的污染、感光性树脂的残留物，以及检测裂缝。

五．           BX51M系统金相显微镜

（一）结构及用途

BX51M系统金相显微镜各部分名称如下图所示：

图2 BX51M系统金相显微镜

用途：用材料微观结构、形态观测。

（二）性能指标

测试方式：透光式和反射式（用于不同的材料）

放大倍数：100—2000

温度范围：-196~600℃

额定电压：220~240V  频率：50Hz

（三）金相显微镜操作程序

1）接通显微镜的电源，开启照明系统。

2）将要观察的试样面向窥视孔放置在载物台上。

3）用光路选择开关选择放射光或透射光。

4）选择并安装好要用的目镜。

5）选择并安装好要用的物镜，旋转换镜转盘，使一个合适放大倍数的物镜进入位置。

6）先用粗调焦距控制手柄，降低平面直到挡销处，然后用细条控制，通过目镜观察调节图像，直到清晰满意为止。如果需要观察试样的不同部位时，可以调节载物台的前后左右位置或移动试样。

7）照相时，打开计算机桌面上的操作软件，把光路选择拉杆拉至中间位置，同时进行拍照和观察。

8）观察完毕，恢复系统。

9）关闭显微镜和计算机电源。

六．    VE9800S扫描电子显微镜

样品制备

1.用导电胶带将试样粘在载物台上；

2.用高真空离子溅射仪对试样进行喷金处理。

观察方法

3.打开仪器电源，按下“VACUUM ON/OFF”按钮2秒，使真空泵停止工作；

4.等试样腔室进入大气状态后，抽出载物台，装好试样，将载物台推回原位；

5.按下“VACUUM ON/OFF”按钮2秒，使真空泵启动；

6.打开观察软件“Observation Software for VE Series”,等软件提示真空准备好之后开始观察。

结束

7.观察结束后先关闭观察软件，再关闭主机电源，让观察腔室保持在真空状态下；

8.盖好仪器盖布，关闭房间电源，登记实验记录，锁好门窗

七．           几种样品的观察与分析

1.金相显微镜

（一）镀银电极表面（400倍放大，反射）

图3 镀银电极表面

 分析：上图中白色部分为银，黑色部分为其他添加物。图中的银颗粒看上去大小不是很均匀，但由于是放大了400倍后的观察结果，所以实际上银在钛酸钡的表面分布相对比较均匀和致密，这一定程度上影响着电极的性能。

（二）聚丙烯薄膜表面（100倍放大，反射）

图4 聚丙烯薄膜表面

   分析：随着科学技术的进步，高压电力电容器已从全纸介质结构发展到全膜介质结构，因为全膜介质结构电力电容器具有介质损耗小、比特性好、温升低等优点。上图所示即为聚丙烯薄膜电容器介质表面的微观结构。从上图可以聚丙烯表面有很多分布不均匀的油道。作为电容器介质，一般需要介电常数越大越好，但是聚丙烯的介电常数只有二点几，为了提高浸渍性还需对其表面进行一定的粗化处理。

2.VE9800S扫描电子显微镜

在扫描电子显微镜实验中，我们观察了标准的小球试样的扫描电镜图像，如图5和图6所示。

图5 5000倍倍率下图像

图6 100000倍倍率下图像