一種具有反饋回路的靜電電位測(cè)量系統(tǒng)

1 引言

電荷量是反映帶電體情況的最本質(zhì)的物理量，它決定著帶電體產(chǎn)生靜電放電的概率和危險(xiǎn)性。一般情況下，電荷量不是直接測(cè)量，而是通過(guò)測(cè)量其它有關(guān)參量來(lái)計(jì)算電荷量的多少[1]。常使用的工具是靜電電位計(jì)和靜電電壓計(jì)，它們?cè)趲щ娢矬w的表面積比測(cè)量系統(tǒng)本身大很多或是帶電物體的靜電場(chǎng)很大的情況下能夠很好的工作，測(cè)量到的結(jié)果也是比較準(zhǔn)確的。但是在被測(cè)量的帶電物體的表面積小或是帶電荷量少的情況下，普通的靜電電位計(jì)和靜電電壓計(jì)在測(cè)量時(shí)會(huì)嚴(yán)重的影響被測(cè)物體本身的電荷量，所以無(wú)法測(cè)量得到被測(cè)物體真實(shí)的電荷量。為此，一種新的靜電電位測(cè)量系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，它通過(guò)一個(gè)反饋回路減少靜電測(cè)量系統(tǒng)本身對(duì)被測(cè)物體的電荷量的影響，使得到的測(cè)量結(jié)果能夠真實(shí)的反映帶電物體的電荷量。

2 普通的靜電電位測(cè)量方法

普通的靜電電位測(cè)量儀器原理圖如圖1所示[2]。為了避免其它電場(chǎng)的干擾，必須用接地導(dǎo)體將測(cè)定電極屏蔽起來(lái)。測(cè)定電極和屏蔽電極共同構(gòu)成靜電電位測(cè)量?jī)x器的探頭。

圖1 普通的靜電電位測(cè)量?jī)x器原理圖

當(dāng)探頭放到被測(cè)帶電物體附近時(shí)，由于在接地屏蔽導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，它會(huì)使被測(cè)帶電物體電力線的一部分終止于接地屏蔽導(dǎo)體，從而使測(cè)定電極上實(shí)際電位降低，因此，要求儀器的靈敏度應(yīng)有所提高。為了減小誤差，應(yīng)盡量減小探頭的幾何尺寸，并使探頭遠(yuǎn)離被測(cè)帶電物體，但是這樣在測(cè)定電極上的感應(yīng)電位將降的更低，還將使被測(cè)面積擴(kuò)大，儀器的讀數(shù)將偏離被測(cè)帶電物體局部電位值而成為大面積上電位的平均值，為了不使儀器的測(cè)量面積擴(kuò)大，必須將測(cè)定電極后移，這要求再提高儀器的靈敏度。提高測(cè)量?jī)x器的靈敏度是有限的，不可能簡(jiǎn)單的以不斷提高儀器靈敏度來(lái)消除探頭對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響?？s小探頭尺寸減小誤差也是有限度的，因?yàn)?，如果探頭尺寸做得很小，被測(cè)帶電物體和測(cè)定電極之間很容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。所以普通的靜電電位測(cè)量方法測(cè)量帶電荷量很大的被測(cè)帶電物體時(shí)，探頭對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以被接受，但在測(cè)量帶電荷量少的被測(cè)帶電物體時(shí)，得到的測(cè)量結(jié)果就有很大的偏差。

3 新型的靜電電位測(cè)量系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的硬件組成

靜電電位測(cè)量系統(tǒng)主要由測(cè)定電極、保護(hù)電極、電壓跟隨器、調(diào)制器、相位敏感解調(diào)器、積分器電壓放大器和靜電電壓表等八個(gè)部分組成。硬件框圖如圖2所示。在靜電電位測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)定電極是圓形金屬板，在測(cè)定電極周圍裝有保護(hù)電極，用來(lái)對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行整形、固定和靜電屏蔽。保護(hù)電極要有足夠的寬度，而且與被測(cè)帶電物體的表面有相近的形狀。為了提高分辨能力，測(cè)定電極的面積應(yīng)小些，但小面積的測(cè)定電極會(huì)降低測(cè)量靈敏度，因此，在保證足夠靈敏度的情況下，盡量減小了測(cè)定電極的面積。

圖2 具有反饋回路的靜電電位測(cè)量系統(tǒng)框圖

3.2 系統(tǒng)的測(cè)量原理

該靜電電位測(cè)量系統(tǒng)采用交流調(diào)制的方式測(cè)量帶電物體表面的電位。系統(tǒng)中的調(diào)制器使測(cè)定電極按一定規(guī)律進(jìn)行周期性的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在測(cè)定電極和電壓跟隨器的輸入端之間就會(huì)產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的調(diào)制電流。這個(gè)調(diào)制電流幅值與帶電物體表面電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的電位成正比，而調(diào)制電流的相位代表了被測(cè)帶電物體所帶電荷的極性[3]。相敏解調(diào)器能夠?qū)φ{(diào)制電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到正電壓或是負(fù)電壓，其大小正比于靜電場(chǎng)的電位，其正負(fù)代表被測(cè)帶電物體所帶電荷的極性[4]。被相敏解調(diào)器解調(diào)后的信號(hào)被積分器和電壓放大器分別進(jìn)行積分和放大之后，在靜電電壓表中顯示測(cè)量得到的結(jié)果。如果被測(cè)帶電物體的電荷為正極性，靜電電壓表指針向右偏;如果被測(cè)帶電物體的電荷為負(fù)極性，靜電電壓表指針向左偏。而指針?biāo)傅目潭葹闇y(cè)量的結(jié)果。在靜電電位測(cè)量系統(tǒng)中，被相敏解調(diào)器解調(diào)后的信號(hào)被積分器和電壓放大器分別進(jìn)行積分和放大之后，被反饋到保護(hù)電極上，使保護(hù)電極上的電位與被測(cè)帶電物體表面的電位相同，因此，在保護(hù)電極與被測(cè)物體表面之間的電場(chǎng)為零。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是為了避免保護(hù)電極在測(cè)量過(guò)程中對(duì)被測(cè)帶電物體本身電位的影響，使探頭可以與被測(cè)物體更接近，在測(cè)定電極上感應(yīng)的電位就更加準(zhǔn)確的反映被測(cè)物體的局部表面的電位值。同時(shí)，反饋回路還能減小測(cè)定電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電流對(duì)調(diào)制器是否穩(wěn)定工作的依賴程度，保證了測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

3.3 數(shù)據(jù)顯示和采集系統(tǒng)

為了能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的靜電電位測(cè)量系統(tǒng)，并且將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)保存下來(lái)。使用PXI數(shù)據(jù)采集卡代替圖2中的靜電電壓表，結(jié)合LabVIEW的開發(fā)環(huán)境就能夠設(shè)計(jì)出用于靜電電位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。

3.3.1 數(shù)據(jù)采集通道設(shè)置模塊

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前要先進(jìn)行NI PXI6254采集卡的通道設(shè)置。輸入信號(hào)的通道設(shè)置包括輸入信號(hào)終端設(shè)置、輸入信號(hào)的幅值范圍設(shè)置、輸入通道選擇設(shè)置和采樣頻率等的設(shè)置[5]。數(shù)據(jù)采集通道設(shè)置模塊如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集通道設(shè)置模塊

其中輸入信號(hào)終端的設(shè)置是根據(jù)輸入信號(hào)所連接的終端的實(shí)際情況而定的，在LabVIEW的軟件開發(fā)環(huán)境中就要進(jìn)行選定，這里選定的是單端輸入，即RSE[6]。為了在軟件運(yùn)行時(shí)，減少CPU的占用率，在開始采集數(shù)據(jù)之前放置了一個(gè)定時(shí)的控件，這樣在軟件運(yùn)行時(shí)CPU的占用率就會(huì)很低[7]。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是非常重要的一個(gè)模塊，它的結(jié)果正確與否直接影響著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的結(jié)果。為了能實(shí)時(shí)顯示各通道信號(hào)并刷新，就要求用LabVIEW開發(fā)的系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)類似示波器的功能，即能夠連續(xù)采集信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示各通道信號(hào)并刷新。為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，需要采用循環(huán)移位保存的方法。數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示模塊如圖4所示。