静电电位测量的现状与发展.pdf

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奇怪,它是人体静电在 作怪.今天 采用静电电位动态 测试仪可以直接 观测到人 在走路或与其他物体接触、分离时,人体静电电位的变化情况.如果人穿绝缘鞋或站在绝缘地面上,这时人体会带上几千v甚至几万v的高电位(以大地作为零 电位参考点).人与大地之 间相当于一个充电 的电容器,两个人 握手时之所以产生电击,是因为他 们的静电电位不 同.显然,两 人之间的 电位差越大,释放 的静电能量就 越大,电击程度越严1)199 4年5月3日收到.16 22 4卷(一 9 95年)2期重,在静 电危险场所造成静 电引起燃烧、爆炸事故的概率也越 大.因此,准确地 测定带电体的静电 电位,是近 代静 电安全工程中一项重要工作.另外,在静电应用技术(如静电除 尘、静电分选、静电喷漆、静电植 绒、静电复印、静电生物效应等)的研究和发 展中,也离不开 静 电电位的测量.静 电电位的 测量是各种 静 电参数测量中最重要和最常用的 一种测试手段.由于积 累静电的物体电位高、电量 小,与大地之间一般有很高的绝缘 电阻,而且影 响带电过程的因素复杂,因此,静 电测量的方法和仪器与常规电 测量不 同.它要求测量仪器有很 高的输人电阻 和较小的输人电容、较强 的抗 干扰能力和小的高电压非线性失真,另外还 必 须具有较好的低通动态特性.目前,静 电电位的测量方法和仪表种类很多,按侧试方法可分为接触式和 非接触式两大类.按仪 器传感器(探头)的工作原理可分为心阻容分压、接地屏蔽一电压输人”式 和“信 号 自屏蔽一电荷藕合”式两大 类山。号的反 射镜偏转.当静电力矩与挂 丝的反力矩平衡时,反射镜停止 在某一位置,光标信号 也停留在仪 器标尺 的相应位置上。根据静 电力与固定电极A与B之间 电压的平方成正比的关系,可确 定被测带电体的电位值.所以,这 种仪表只 能测量电位值的大小,无法判断电位的 正负极性.当仪表与被测带 电体接触时,仪表的输入电容C:和输人 电阻R与带 电体并联.设被测带 电体 对地电容为Ct,在 测量过程中电量不变,则 测量得 到的电位值UZ和测量前被测 带电体的 电位值U;有如下关系;uZ一一旦卫七e-厦花万万不,(l)Cx一CZ1接触式测量方法从(l)式可 以看 出,为 了 减小测量误差,应尽量减小仪 器的输人 电容cZ,使c:C;,同时仪表 的输人电阻R要尽量地大,这样才能保证测试过 程中测 量值 随时间,衰减缓慢.以这 种测试原理 为基 础的代表性 仪表是Q一V系列静电电压表,目前使用的比较 广泛.但是,这 种仪表对 静 电非导体 的电位无法测 试,受 光标偏 转阻尼的 限制,也不能对静 电的动 态 电位进行测 试.接触式测量方法是将测量仪 器的探头直接与带 电体相连接,根据等 电位原理 由仪表显示带电体的电位,这种 测试方 法只适用 于静电 导休的 电位侧量.仪表的工作原理 如图1所示.2非接触式测量方法接带电体图1接触式静电电泣表工作原理当被测带 电体与仪表的 固定电极A相连时,在固定电极A与B之间建立 起静电场,可动电极C在 静电力作用下将发生偏 转,带动接收光 信物理为了 克服接触式测量方法的缺点,对 绝缘体带电也可 以进行某种平 均 电位的测试,人们研 制了非接触式 静 电测量方 法和 仪表.这些仪表按照工作原理 可分为直接 感应式、交流 调制式和 集电式 等三 类2.2.1直接感应式测皿方法这 种测量方法 采用接地屏蔽一电容分压原理,如图2所示.图中T是仪表的测量探头,L是等效电路,C:是探头与 被测带电体之间的电容.由于静电感应探头T上 出现 感应电荷,C;与 仪器输人电容C:串联丫在 测量过程中,C:上的 电荷通 过仪 器输入 电阻R:对地泄漏,探头T上 的电位U:与 被侧带 电体表面 电位叭的关系是r;_二.互J_。顶会几子2一七“.CI+CZ(2)利用(2)式,通过 电位标 定,即可测量 任何带电休表面的电位、但 是,比较(z)式与(l)式 可 以发现,它们 在形 式上完全相同.也就是说,直接感应式仪表与接触式仪表一样,测量值也 随着时 间,指数地衰减.为使测量值相对 稳定,要求R:与C:的乘积 不能太小,而c:值 受仪表 测试灵 敏度的限制,又不能太大,这样只能使仪 表的输人电阻R:增大.可是,过高的输 人电阻R:会给制造工 艺带来问 题.为 克服上述缺 点,必 须改 变仪器 的工作原理,于是出现了交流调制式 的测试仪器.L L L J-一一)CZ被测体带电图2感应式静电电位表工作原理2.2交流调制式测t 方法交流 调制 式测量方法是将图2探头上 的极板T以角频率。作机械振动,改变 电容C:(振动电容 法),或在极板T前加一接地的 以角频率功旋转的叶片(旋转叶片法),使极板T上感应的直 流电量调制 成交流电量,根据仪 表所测交流值确 定被 测带电体表 面的电位值.设K为电容C,的调制系数,则C;Ct。(l+尺sin田,),由电路可求 出:UZ一U:Cl。Keo s。,/(1/尺l十。,c孟)壹一(由仪 器设计决定 的常数)t。05ot.(3)无论是振 动电容 式电路还是旋转 叶片式电路,都可以得 出(3)式 的结果.这样就确 定 了 被 测电位Ul和 仪表示值U:的关系.在测量 中 仪表 处理 的是交流信 号,测量值不再随 时间t衰减,克服 了 直接感应式侧量方法 和接触式 测量方 法共有 的缺点.由于受机械振动(旋转)频率和 电路检波的双 重限制,这 类仪表的动态特 性很 差,低通 带宽 一般在!0Hz以下.尽管如此,由于这 类仪表成 本低、使用方便,在国内外仍然得到了广泛的应用.如上海 电子仪器厂生产的DwJ一8 1型静 电电位计、国营前锋无线电厂生产的QF一2 292型数字式静电 电 压表、美国生产的2“型静电伏特计和日本生产的M型、T H型和MH型转子伏特计等.2.3集电式 测t方法集电式 测量也属于非接触式测量,这类仪器 的结构是在 直接感应 式仪器 的探头(参见图2)内装上放射性同位素,把探头内感应极板T改成多孔集电片.在放射性 同位素作用下,空气被电离,在被测带电体 与探头之间形成微弱的 导 电区域.该导 电区域被多孔集电片分成两部分,其电阻分别为R;和R2.这样,与 仪器输人端连接的多孔集电片上的电位值U:是由R,和R:对 被测 电位U:分压的 结果,即U2一R:Ul/(R:+RZ)。(4)测量时,带电体上 的电荷将沿R,、R:向大地泄漏,电位随时 间逐渐降 低.另外,测量过程中探头与 被测体之间的空气流 动也会改变R:和R:的值,影响测量结果,目前这种仪 器使用较少.但是,这类仪 器的探头部分不需要外加电源,在某些 特殊场 所还 是需要的.3信号自屏蔽一电荷藕合测试原理内上述 测量仪 器都 采用接地屏蔽一电压输 人,存 在的共同问 题是:(l)接 地屏蔽 的屏蔽 深度 与仪器的灵敏 度相矛盾.(2)对直流高电压与 随机动态信号 并存 熊静 电 电位不能准确测量 4.(3)由于接地 屏蔽体 与被测带电体之间能静 电感应和 空间 电荷效应,使高电压 侧量中非线 性失真增大.以上 问题是 由旧的 测试方 法依据的原 理决定的,只有采纳新原理,才 能从根本上解决风2 呼卷(一,9,年)2期是 说,仪 器测量的电荷量Q值,唯一地 由球壳的电位(被 测电位)所决 定.高 压电极电位u以外的任何干扰信 号都不 会直接影响电量Q的凰因此对测量结果 无影响.ZPD一1!仁|1.1广!卜J任。勺0.0.氏A巴勺卜文仍蠕山脚肠价佩州d一。题.为此,我 国科技 工作者于19 8 9年提 出 了“信号 自屏蔽一电荷 藕合”原 理.所 谓“信号 自屏蔽”是根据静电 电位测试的特点,利用静电信 号高压电极本身作为传 感 器的屏蔽电极,屏蔽深度与仪器灵敏度的要求相一致,使灵敏度与抗干扰能力同步提高.所谓“电荷藕合”是指仪 器输人端接收的是电荷量,此电荷量与 被测 电位成正 比关系,通过电荷量的测量得到 被测 电位的数值。该测试原理的传感器 主要是半径为R:的金属球壳内包一半径为R:的导体小球(两球的偏心距为l,l凡),球壳作为传 感器 的高压电极,它 既是被测信号的接收电极,又 是内部小球的屏蔽 电极.在正常使用时,球壳与 小球之间介质内的自由电荷密度为零,电位u满足拉普拉斯方程V,Uo(5)考虑到测量过程中小球电位为零(虚地),解方程(5)得图3仪器测试波形对比U(r)RZU-RZ一Rl【.一R,11十一LrR华l.十!下,丁丁 一-一丫丁二下一丁L(R宝一R宝)r、.,二8c o s_R、rl(R;一R)则小球表面的电场强度值为:r!_:一口U(r)drr.R立RIRZUIR:一R/131。、入l一二一eo s口!R常R孟 一R贾/当被 测电位U:加在高压电极金 属球壳上 时,内 导体小球上 感应的电荷量为图3是 以“信 号自屏蔽一电荷祸合”原理为基础 研制 的ZPD一l型静电 电位动态 测试 仪与以“接 地屏蔽电容祸合”为基 础的MH型静电仪 同时对 同一带 电体进 行测量的结 果.从图3中可 以看 出,在抗干扰和动态 响 应方面,ZPD一l型 仪 器明显优于MH型静电 仪.理论计算和大量的实验结果都表 明 4,新原理吸收了接触式 测量和非接触式侧 量的共 同优点,使屏蔽电极与高压电极合二为一,在 增加屏蔽深度的 同时,也提高了 仪器的灵 敏度 和抗干扰能力.高压电极 不接触仪器的电路输 人端,仪器 的输人电阻可 达到101 4Q以上,高 电压非 线性失真小于1多,是目前静电电位测试中性能最 好的仪器.。一!:E2RS“一4兀R:RZRZ一Rl斗发展趋势与研究动态XU卜(6)(6)式表 明,仪器输人端接收的电荷量口与 被测电位u成正比关系,只要 两球半径R:、R:和球间介质给 定后,比例系数就是确 定的,它与 两球 的偏心 距l无关,与观测时间无关.也就上面 介绍的各种静电电位 测试 方法和仪器,多数 是通过 侧量畸 变的静电场来确 定带电体 的电位的田.目前在静电 电位(或 场强)测试方面,国 内外 主 要在以下几个方面 开展研究工作。,。物理沿”的科 学眼 睛,静 电电位测试技术的发 展,也必将为 静电技术的广泛 应用和防静电危害工作的深人开展,提供探索前沿的有效手段.同时,随着科 学技术 的飞速发展和现代静电工程学的逐步兴 起,必然从理论和实验技术两方面为静电电位测量技术赋予新的生命力.,.J,J.1.J1J.内j4.少哎Ur.r.L f.L 一.L(l)利用 激光、射 频发 射等非 静电物 理 量确定静电场强 或电位,例如 利用晶体的电光效应测量场 强,这 种测量系统 主要 由激 光器、起偏 器、l/4波片、波可 尔斯(Po ckels)元件、检偏器、光检测器 等组成;又例 如利用无线电发射系统进行无接触长距离静电侧试或监 测.(2)研 制超 小型高灵敏度的探头,并使用光导 纤维进行电隔离,组 成静电 电位(或场 强)侧 试系统.(3)研究 新的 测试原理和动 态电位测试仪器,准确地测量并记录静电起电放电的动态 波形,为静 电安全工作 和静 电应用提供可靠 的数据.(4)利用激光定位或距 离补偿放大器等技术,对现有非接触式静电电位测 试仪 器进行 改造,以提高 测量精度.测试技术被人 们称 之为“洞察未知,探索前;参考文献刘尚合、智敦旺、刘直承等,静电,4一4(1989),2 2.杨有启,静电安全技术,化学工业出版 社,(1,83),2 37RuinianLi,App liedEleetr ostaticsproce edingsofthezndInto r natio nalConfe r ene e,Beiiing,Instituteof Te ehnolog yPre s s,(19 9 3),4 68.魏光辉、智敦旺、刘直承等,番电与静电,4一19 8 9),斗6.P.E.Se ckera n(1J.N.C hubb,J.E 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