一種具有反饋回路的靜電電位測量系統

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(zhù)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(guò)測量其它有關(guān)參量來(lái)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，測量到的結果也是比較準確的。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(shí)會(huì )嚴重的影響被測物體本身的電荷量，所以無(wú)法測量得到被測物體真實(shí)的電荷量。為此，一種新的靜電電位測量系統被設計出來(lái)，它通過(guò)一個(gè)反饋回路減少靜電測量系統本身對被測物體的電荷量的影響，使得到的測量結果能夠真實(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(chǎng)的干擾，必須用接地導體將測定電極屏蔽起來(lái)。測定電極和屏蔽電極共同構成靜電電位測量?jì)x器的探頭。

圖1 普通的靜電電位測量?jì)x器原理圖

當探頭放到被測帶電物體附近時(shí)，由于在接地屏蔽導體上產(chǎn)生感應電荷，它會(huì )使被測帶電物體電力線(xiàn)的一部分終止于接地屏蔽導體，從而使測定電極上實(shí)際電位降低，因此，要求儀器的靈敏度應有所提高。為了減小誤差，應盡量減小探頭的幾何尺寸，并使探頭遠離被測帶電物體，但是這樣在測定電極上的感應電位將降的更低，還將使被測面積擴大，儀器的讀數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?jì)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)消除探頭對測量結果的影響?？s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(shí)，探頭對測量結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(shí)，得到的測量結果就有很大的偏差。

3 新型的靜電電位測量系統

3.1 系統的硬件組成

靜電電位測量系統主要由測定電極、保護電極、電壓跟隨器、調制器、相位敏感解調器、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。在靜電電位測量系統中，測定電極是圓形金屬板，在測定電極周?chē)b有保護電極，用來(lái)對電場(chǎng)進(jìn)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，測定電極的面積應小些，但小面積的測定電極會(huì )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框圖

3.2 系統的測量原理

該靜電電位測量系統采用交流調制的方式測量帶電物體表面的電位。系統中的調制器使測定電極按一定規律進(jìn)行周期性的機械運動(dòng)，在測定電極和電壓跟隨器的輸入端之間就會(huì )產(chǎn)生按正弦規律變化的調制電流。這個(gè)調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]。相敏解調器能夠對調制電流進(jìn)行轉換，得到正電壓或是負電壓，其大小正比于靜電場(chǎng)的電位，其正負代表被測帶電物體所帶電荷的極性[4]。被相敏解調器解調后的信號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量得到的結果。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極性，靜電電壓表指針向左偏。而指針所指的刻度為測量的結果。在靜電電位測量系統中，被相敏解調器解調后的信號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(chǎng)為零。這樣設計的優(yōu)點(diǎn)是為了避免保護電極在測量過(guò)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，在測定電極上感應的電位就更加準確的反映被測物體的局部表面的電位值。同時(shí)，反饋回路還能減小測定電極上產(chǎn)生的感應電流對調制器是否穩定工作的依賴(lài)程度，保證了測量的穩定性和準確性。

3.3 數據顯示和采集系統

為了能夠通過(guò)實(shí)驗驗證所設計的靜電電位測量系統，并且將實(shí)驗的數據保存下來(lái)。使用PXI數據采集卡代替圖2中的靜電電壓表，結合LabVIEW的開(kāi)發(fā)環(huán)境就能夠設計出用于靜電電位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示和數據采集的系統。

3.3.1 數據采集通道設置模塊

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

圖3 數據采集通道設置模塊

其中輸入信號終端的設置是根據輸入信號所連接的終端的實(shí)際情況而定的，在LabVIEW的軟件開(kāi)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]。為了在軟件運行時(shí)，減少CPU的占用率，在開(kāi)始采集數據之前放置了一個(gè)定時(shí)的控件，這樣在軟件運行時(shí)CPU的占用率就會(huì )很低[7]。

3.3.2 數據采集與實(shí)時(shí)顯示模塊

數據采集模塊是非常重要的一個(gè)模塊，它的結果正確與否直接影響著(zhù)數據存儲和處理的結果。為了能實(shí)時(shí)顯示各通道信號并刷新，就要求用LabVIEW開(kāi)發(fā)的系統中能夠實(shí)現類(lèi)似示波器的功能，即能夠連續采集信號，實(shí)時(shí)顯示各通道信號并刷新。為了保證數據的連續性，需要采用循環(huán)移位保存的方法。數據采集與實(shí)時(shí)顯示模塊如圖4所示。