一種具有反饋回路的靜電電位測量系統(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性。一般情況下，電荷量不是直接測量，而是通過測量其它有關(guān)參量來計算電荷量的多少[1]。常使用的工具是靜電電位計和靜電電壓計，它們在帶電物體的表面積比測量系統(tǒng)本身大很多或是帶電物體的靜電場很大的情況下能夠很好的工作，測量到的結(jié)果也是比較準(zhǔn)確的。但是在被測量的帶電物體的表面積小或是帶電荷量少的情況下，普通的靜電電位計和靜電電壓計在測量時會嚴(yán)重的影響被測物體本身的電荷量，所以無法測量得到被測物體真實的電荷量。為此，一種新的靜電電位測量系統(tǒng)被設(shè)計出來，它通過一個反饋回路減少靜電測量系統(tǒng)本身對被測物體的電荷量的影響，使得到的測量結(jié)果能夠真實的反映帶電物體的電荷量。

2 普通的靜電電位測量方法

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

圖1 普通的靜電電位測量儀器原理圖

當(dāng)探頭放到被測帶電物體附近時，由于在接地屏蔽導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，它會使被測帶電物體電力線的一部分終止于接地屏蔽導(dǎo)體，從而使測定電極上實際電位降低，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)離被測帶電物體，但是這樣在測定電極上的感應(yīng)電位將降的更低，還將使被測面積擴大，儀器的讀數(shù)將偏離被測帶電物體局部電位值而成為大面積上電位的平均值，為了不使儀器的測量面積擴大，必須將測定電極后移，這要求再提高儀器的靈敏度。提高測量儀器的靈敏度是有限的，不可能簡單的以不斷提高儀器靈敏度來消除探頭對測量結(jié)果的影響。縮小探頭尺寸減小誤差也是有限度的，因為，如果探頭尺寸做得很小，被測帶電物體和測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量方法測量帶電荷量很大的被測帶電物體時，探頭對測量結(jié)果的影響可以被接受，但在測量帶電荷量少的被測帶電物體時，得到的測量結(jié)果就有很大的偏差。

3 新型的靜電電位測量系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的硬件組成

靜電電位測量系統(tǒng)主要由測定電極、保護電極、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部分組成。硬件框圖如圖2所示。在靜電電位測量系統(tǒng)中，測定電極是圓形金屬板，在測定電極周圍裝有保護電極，用來對電場進行整形、固定和靜電屏蔽。保護電極要有足夠的寬度，而且與被測帶電物體的表面有相近的形狀。為了提高分辨能力，測定電極的面積應(yīng)小些，但小面積的測定電極會降低測量靈敏度，因此，在保證足夠靈敏度的情況下，盡量減小了測定電極的面積。

圖2 具有反饋回路的靜電電位測量系統(tǒng)框圖

3.2 系統(tǒng)的測量原理

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

3.3 數(shù)據(jù)顯示和采集系統(tǒng)

為了能夠通過實驗驗證所設(shè)計的靜電電位測量系統(tǒng)，并且將實驗的數(shù)據(jù)保存下來。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)計出用于靜電電位動態(tài)實時顯示和數(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

在進行數(shù)據(jù)采集之前要先進行NI PXI6254采集卡的通道設(shè)置。輸入信號的通道設(shè)置包括輸入信號終端設(shè)置、輸入信號的幅值范圍設(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

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

3.3.2 數(shù)據(jù)采集與實時顯示模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是非常重要的一個模塊，它的結(jié)果正確與否直接影響著數(shù)據(jù)存儲和處理的結(jié)果。為了能實時顯示各通道信號并刷新，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，實時顯示各通道信號并刷新。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)采集與實時顯示模塊如圖4所示。