一种具有反馈回路的静电电位测量系统

1 引言

电荷量是反映带电体情况的最本质的物理量，它决定着带电体产生静电放电的概率和危险性。一般情况下，电荷量不是直接测量，而是通过测量其它有关参量来计算电荷量的多少[1]。常使用的工具是静电电位计和静电电压计，它们在带电物体的表面积比测量系统本身大很多或是带电物体的静电场很大的情况下能够很好的工作，测量到的结果也是比较准确的。但是在被测量的带电物体的表面积小或是带电荷量少的情况下，普通的静电电位计和静电电压计在测量时会严重的影响被测物体本身的电荷量，所以无法测量得到被测物体真实的电荷量。为此，一种新的静电电位测量系统被设计出来，它通过一个反馈回路减少静电测量系统本身对被测物体的电荷量的影响，使得到的测量结果能够真实的反映带电物体的电荷量。

2 普通的静电电位测量方法

普通的静电电位测量仪器原理图如图1所示[2]。为了避免其它电场的干扰，必须用接地导体将测定电极屏蔽起来。测定电极和屏蔽电极共同构成静电电位测量仪器的探头。

图1 普通的静电电位测量仪器原理图

当探头放到被测带电物体附近时，由于在接地屏蔽导体上产生感应电荷，它会使被测带电物体电力线的一部分终止于接地屏蔽导体，从而使测定电极上实际电位降低，因此，要求仪器的灵敏度应有所提高。为了减小误差，应尽量减小探头的几何尺寸，并使探头远离被测带电物体，但是这样在测定电极上的感应电位将降的更低，还将使被测面积扩大，仪器的读数将偏离被测带电物体局部电位值而成为大面积上电位的平均值，为了不使仪器的测量面积扩大，必须将测定电极后移，这要求再提高仪器的灵敏度。提高测量仪器的灵敏度是有限的，不可能简单的以不断提高仪器灵敏度来消除探头对测量结果的影响。缩小探头尺寸减小误差也是有限度的，因为，如果探头尺寸做得很小，被测带电物体和测定电极之间很容易产生放电现象。所以普通的静电电位测量方法测量带电荷量很大的被测带电物体时，探头对测量结果的影响可以被接受，但在测量带电荷量少的被测带电物体时，得到的测量结果就有很大的偏差。

3 新型的静电电位测量系统

3.1 系统的硬件组成

静电电位测量系统主要由测定电极、保护电极、电压跟随器、调制器、相位敏感解调器、积分器电压放大器和静电电压表等八个部分组成。硬件框图如图2所示。在静电电位测量系统中，测定电极是圆形金属板，在测定电极周围装有保护电极，用来对电场进行整形、固定和静电屏蔽。保护电极要有足够的宽度，而且与被测带电物体的表面有相近的形状。为了提高分辨能力，测定电极的面积应小些，但小面积的测定电极会降低测量灵敏度，因此，在保证足够灵敏度的情况下，尽量减小了测定电极的面积。

图2 具有反馈回路的静电电位测量系统框图

3.2 系统的测量原理

该静电电位测量系统采用交流调制的方式测量带电物体表面的电位。系统中的调制器使测定电极按一定规律进行周期性的机械运动，在测定电极和电压跟随器的输入端之间就会产生按正弦规律变化的调制电流。这个调制电流幅值与带电物体表面电荷产生的静电场的电位成正比，而调制电流的相位代表了被测带电物体所带电荷的极性[3]。相敏解调器能够对调制电流进行转换，得到正电压或是负电压，其大小正比于静电场的电位，其正负代表被测带电物体所带电荷的极性[4]。被相敏解调器解调后的信号被积分器和电压放大器分别进行积分和放大之后，在静电电压表中显示测量得到的结果。如果被测带电物体的电荷为正极性，静电电压表指针向右偏;如果被测带电物体的电荷为负极性，静电电压表指针向左偏。而指针所指的刻度为测量的结果。在静电电位测量系统中，被相敏解调器解调后的信号被积分器和电压放大器分别进行积分和放大之后，被反馈到保护电极上，使保护电极上的电位与被测带电物体表面的电位相同，因此，在保护电极与被测物体表面之间的电场为零。这样设计的优点是为了避免保护电极在测量过程中对被测带电物体本身电位的影响，使探头可以与被测物体更接近，在测定电极上感应的电位就更加准确的反映被测物体的局部表面的电位值。同时，反馈回路还能减小测定电极上产生的感应电流对调制器是否稳定工作的依赖程度，保证了测量的稳定性和准确性。

3.3 数据显示和采集系统

为了能够通过实验验证所设计的静电电位测量系统，并且将实验的数据保存下来。使用PXI数据采集卡代替图2中的静电电压表，结合LabVIEW的开发环境就能够设计出用于静电电位动态实时显示和数据采集的系统。

3.3.1 数据采集通道设置模块

在进行数据采集之前要先进行NI PXI6254采集卡的通道设置。输入信号的通道设置包括输入信号终端设置、输入信号的幅值范围设置、输入通道选择设置和采样频率等的设置[5]。数据采集通道设置模块如图3所示。

图3 数据采集通道设置模块

其中输入信号终端的设置是根据输入信号所连接的终端的实际情况而定的，在LabVIEW的软件开发环境中就要进行选定，这里选定的是单端输入，即RSE[6]。为了在软件运行时，减少CPU的占用率，在开始采集数据之前放置了一个定时的控件，这样在软件运行时CPU的占用率就会很低[7]。

3.3.2 数据采集与实时显示模块

数据采集模块是非常重要的一个模块，它的结果正确与否直接影响着数据存储和处理的结果。为了能实时显示各通道信号并刷新，就要求用LabVIEW开发的系统中能够实现类似示波器的功能，即能够连续采集信号，实时显示各通道信号并刷新。为了保证数据的连续性，需要采用循环移位保存的方法。数据采集与实时显示模块如图4所示。

4 实验验证

在一个长矩形的金属条上接通已知的电压，将具有反馈回路的静电电位测量系统的探头放在距金属条表面约的地方，进行测量。测量时给金属条接通电压，保持探头与金属条表而的距离不变，沿着金属条上下扫描，从LabVIEW设计的显示界面中可以看到具有反馈回路的静电电位测量系统得到的金属条表面的电位值，如图5所示。

图4 数据采集与实时显示模块

图5 静电电位测量系统测得电位值

5 结论

普通的静电电位计和静电电压计在测是带电物体表面的电位时，因为探头对被测带电物体表面电场的影响，使测定电极上实际的电位降低。因此，普通的静电电位计和静电电压计不适宜测量带电量少或表面积小的带电物体表面的电位。

通过研究普通静电电位计和静电电压计对带电物体表面电场影响的原因，设计的具有反馈回路的静电电位测量系统能够解决这一问题。它将测量系统测得的带电物体表面的电位值反馈到探头的保护电极上，使保护电极与被测物体表面之间的电场为零。这样设计的优点是避免保护电极在测量过程中对被测带电物体本身电位的影响，使探头可以与被测物体更接近，在测定电极上感应的电位就更加准确的反映被测物体的局部表面的电位值。同时，反馈回路还能减小测定电极上产生的感应电流对调制器是否稳定工作的依赖程度，保证了测量的稳定性和准确性。

利用IN公司的PXI6254数据采集卡并结合LabVIEW的开发环境设计了数据显示和采集系统，并对接通已知电压的金属条进行测量。结果表明，所设计的具有反馈回路的静电电位测量系统对于表面电位低的带电物体测量的准确度较高。

参考文献

[1] 刘尚合,魏光辉,刘直承.静电理论与防护[M].北京:兵器工业出版社,1999.128

[2] 陆承祖,王克起. 静电原理及防灾[M].天津:天津大学出版社,1991.188

[3] R.D.Cook,G.J.Saulnier, D.G.Gisser. ACT3: a high-speed, high-precision electrical impedance tomography[C]. Proceeding of IEEE trans. Biomed. Eng. 1994(8) :713-722

[4] K.H.Lundberg, J.S.Shafran, J.Kuang. A self-resonant mems-based electrostatic field sensor[C].in proceedings of the American Control Conference. 2006(7):654-655

[5] 侯国屏. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社,2005.54

[6] National Instruments Corporation . LabVIEW User Manual[Z]. 2003.79

[7] 汪敏生.LabVIEW基础教程[M].北京：电子工业出版社,2002.120