非接触式静电电压检测仪设计软件设计部分(附件)
早在20世纪，人们就开始对静电技术的应用广泛研究，随着科技的突飞猛进，静电的研究更加深入，在高分子材料和微电子技术等领域，静电技术更是被普遍应用。随着经济的发展，静电的产生和防护的不确定因素增加，给人们的日常生产和生活的带来越来越大的影响，人们也日益关注静电的应用和危害。由于静电所引起的危害时常产生，人们对静电检测和防护的研究也日益深入。目前，静电研究主要为静电应用技术和静电防护工程的研究，两者均是与静电放电和静电电磁辐射相关联的。静电已逐渐引起人们的关注，对一些重要场所的静电防护逐渐完善。目前静电电位检测方法主要有接触式和非接触式两种，其中接触式只能用于金属导体电位检测，非接触式测量系统实现了对各种物体电位高精度的测量，但它本身还有检测距离近且要求严格、对原有电场有干扰、测量频带窄等缺点。笔者将结合静电的基础理论，以现有静电检测的发展历程及现状为框架，以传感器及测量原理为重点，介绍了一种基于振动电容式静电传感器的设计原理， 以AT89C51为控制核心， 在经过对原始信号的运算放大， A/D 转换以及显示多任务操作系统的管理下， 提高了单片机的工作效率。通过将被测物理量可以转化为微弱电流变化的特点， 实现了以非接触式的测量方法来标定所在区域的静电场强度，对非接触式静电电压检测作一综述。
关键字 静电,非接触,静电检测
目 录
1 研究意义 1
1.1静电防护工作的需要 1
1.2静电参数测量的必要性 1
2.研究现状 2
3静电检测系统的发展趋势 3
3.1测量原理 3
3.2探头 3
3.3测量距离 4
4非接触式静电电压检测的可行性分析 4
5 系统设计 5
6 各模块的详细设计 6
6. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
1 单片机 6
6.2振动电容器 10
6.3放大器 13
6.4 滤波器 14
6.5半波整流 16
6.6模数转换 17
6.7 显示器 20
7 仿 真 23
8结 论 27
9 致谢 28
参考文献 29
1 研究意义
1.1静电防护工作的需要
静电可以造成自然灾害，从而给人类社会带来重大伤害和损失。在航空航天、石化、敏感材料、固态电子器件生产等领域，静电防护工作的紧迫性更为突出。随着经济的发展，尤其是煤油业的发展，静电事故变得更加频繁。特别是近两年来，不少地方由静电引起火灾爆炸。为了避免静电事故的发生，减少静电危害，静电防护是人类面临的重要问题之一[1]。
1.2静电参数测量的必要性
整个静电防护工作中都离不开测量静电的参数。静电在生活的每个小角落都潜移默化的影响着人们，并且其技术开始被广泛的应用于各行各业当中，同时静电也是一把双刃剑，静电带来的危害也日益引发世界的关注。 随着科学与技术的日益进步，人们对静电的研究也更加深入，研究工作人员也更注重对由静电起电引起的电磁辐射危害的探究,如静电的放电引起爆炸、干扰通信等。静电电磁脉冲可以通过瞬时大电流形成，并伴随着强电磁辐射，而且电磁脉冲可能形成检测时不易发现的潜在危害，而这些潜在的危害使得电子器件的运行可靠性严重降低，另外，电子仪器还会因电磁脉冲产生干扰，甚至造成器件的损害，从而造成静电事故，给人类财产和安全带来危害[2]。
静电作用的效果因作用对象的不同而改变，静电所引起的隐患大小也因作用对象而改变。静电参数控制在安全范围之内，精确测量出相关静电参数值，特别是静电电位值，这样不管作用对象如何改变，都可以起到防止静电危害的作用。可见，静电参数中静电电位是很重要的一项，对静电危害的防护具有举足轻重的作用。
2 研究现状
人类测量静电有两种方式：接触式与非接触式。 其中，接触式测量静电的方法有很大的局限性，它只能适用于测量金属体的静电电压，而且这种方法的测量精度偏低，易受到电容、阻抗等内部因素的影响， 长时间后读数还会衰减。 接触式相对简单，输入电容和阻抗对其影响较大，从而使测量误差较大，精确度和读数均不太理想，并且测量的对象范围较小,对绝缘体和半导体等不可以直接测量[3]。非接触式的测量方法无疑更加的方便实用，测量出的结果也更加准确。 首先这种测量方式不需要接触带电体，这就让它的测量范围十分大，金属体、绝缘体、导体以及半导体的静电电位都可以通过这种方法来测量， 并且对被测带电体的影响和实验误差非常小。静电测量仪中，比较先进的是非接触式，目前非接触式静电检测正在蓬勃发展，各项技术也在突破。按照电位传感器的不同，非接触式静电检测系统主要为4种：集电极式、振动电容式、直接感应式、旋转叶片式。按照检测原理的不同，又可分为两种形式：信号自屏蔽-电荷藕合以及接地屏蔽-电压输入，信号自屏蔽-电荷藕合的保护电极的反馈为信号自身的输出，因此对变动的信号探头和被测物体之间电位差一直为零，所以动态性能比接地屏蔽-电压输入方式的要好。感应式是我国静电电压检测系统的主要方式，感应式静电电压表在国内应用广泛，例如倍受欢迎的EST101防爆型静电电压表等。感应式测量原理为电容直接感应、滤波、信号放大和显示。通过该方式，静电电压值是被测体表面的电位的平均值，仪表的量程是由改变探头至被测体的距离，即电容的变化来实现的。由静电性质可知，非接触式静电电压表在测带电体一段时间后，显示器上电压数值会趋近零。因此，在固定接入的静电检测场合，直接感应式仪器不再适用。在进行实际测量之前，需要在距待测体较远处将仪器清零，否则会因仪表读数随时间漂移而产生测量误差。在国内，有研究者实现了直径约2mm，空间分辨率约0.1 mm 的探头的设计，达到国际先进水平。在探头沿面泄露距离的改进上，湖南大学电气学院的江沨向前更进一步，成果显著。
3静电检测系统的发展趋势
随着科技的提高，电子设备的快速更新换代，信息电子蓬勃发展，本节从以下三个方面介绍静电检测系统的发展趋势。
3.1测量原理
测有源带电体的静电电压时，通常采用接触式。接触式静电电压检测仪的原理是主要是通过静电传感器和单片机以及晶体管来实现完成的， 而接触式静电电压检测仪的软件部分主要包括对静电传感器输入的信号进行A/D转换，对输入的电压值进行乘上衰减倍数、数据拟合、数据输出以及输出后的显示处理，接触式的测量值与真实值差距较大，有时误差不可忽略，因为探头在与带电体接触时，被测物体会产生静电放电现象，而使检测的带电物体电容增加或电荷量减少，从而降低物体的静电电位。另外，由于接触式静电电位测量过程中，探头与被测物体之间的距离较近时，会发生静电放电。接触式静电电位测量在瓦斯检测等危险场不能使用，检测时会有放电引燃的危险。非接触式静电电位测量在危险场所适用。“信号自屏蔽－电荷藕合”原理早在1989年由我国研究者提出。 “信号自屏蔽”是根据静电电位检测的特性，屏蔽电极为信号高压电极，屏蔽深度与器件灵敏度保持一致，提高灵敏度与抗干扰能力；通过电荷量与被测电位的关系，由电荷量的测量得到被测电位，这就是电荷藕合的工作原理[4]。
3.2探头
静电电压检测的探头主要分为:旋转叶片式、振动电容式、直接感应式和集电极式。旋转叶片式受机械振动频率和电路检波的双重限制，所以仪器的动态特性比较差，低通带宽一般在1OHz以下。随着科学工作者的探索、研究的深入，旋转叶片式的检波问题有了很大的进步，机械振动频率问题依旧达不到理想效果。目前，振动电容式的机械频率问题有了很大进展。振动电容式静电检测仪有着输入阻抗高，稳定性好的优点，成为较理想的静电测试仪器。在非接触式静电测量器件中，这种外传感器应用十分广泛。例如，美国p-0876型高精度表面电位计，日本的SIMCO FMX-003,国内生产的EST102A以及改进型EST201A[5]。直接感应式比较落后，其缺点主要有两个，一是无法抑制读数漂移，另外，其测量值随时间的不同而不同。起初，静电测量仪器大多采用这种方式，目前已被淘汰。当集热器进行测定，对样品的电荷会泄漏到地面，以及随着时间的延长，检测电位会变小。而且，测量结果还受到测量过程中探头与带电体之间的空气流动的影响。这种器件现在较少使用。此次的非接触式静电电压检测采用振动电容式。
1 研究意义 1
1.1静电防护工作的需要 1
1.2静电参数测量的必要性 1
2.研究现状 2
3静电检测系统的发展趋势 3
3.1测量原理 3
3.2探头 3
3.3测量距离 4
4非接触式静电电压检测的可行性分析 4
5 系统设计 5
6 各模块的详细设计 6
6. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
1 单片机 6
6.2振动电容器 10
6.3放大器 13
6.4 滤波器 14
6.5半波整流 16
6.6模数转换 17
6.7 显示器 20
7 仿 真 23
8结 论 27
9 致谢 28
参考文献 29
1 研究意义
1.1静电防护工作的需要
静电可以造成自然灾害，从而给人类社会带来重大伤害和损失。在航空航天、石化、敏感材料、固态电子器件生产等领域，静电防护工作的紧迫性更为突出。随着经济的发展，尤其是煤油业的发展，静电事故变得更加频繁。特别是近两年来，不少地方由静电引起火灾爆炸。为了避免静电事故的发生，减少静电危害，静电防护是人类面临的重要问题之一[1]。
1.2静电参数测量的必要性
整个静电防护工作中都离不开测量静电的参数。静电在生活的每个小角落都潜移默化的影响着人们，并且其技术开始被广泛的应用于各行各业当中，同时静电也是一把双刃剑，静电带来的危害也日益引发世界的关注。 随着科学与技术的日益进步，人们对静电的研究也更加深入，研究工作人员也更注重对由静电起电引起的电磁辐射危害的探究,如静电的放电引起爆炸、干扰通信等。静电电磁脉冲可以通过瞬时大电流形成，并伴随着强电磁辐射，而且电磁脉冲可能形成检测时不易发现的潜在危害，而这些潜在的危害使得电子器件的运行可靠性严重降低，另外，电子仪器还会因电磁脉冲产生干扰，甚至造成器件的损害，从而造成静电事故，给人类财产和安全带来危害[2]。
静电作用的效果因作用对象的不同而改变，静电所引起的隐患大小也因作用对象而改变。静电参数控制在安全范围之内，精确测量出相关静电参数值，特别是静电电位值，这样不管作用对象如何改变，都可以起到防止静电危害的作用。可见，静电参数中静电电位是很重要的一项，对静电危害的防护具有举足轻重的作用。
2 研究现状
人类测量静电有两种方式：接触式与非接触式。 其中，接触式测量静电的方法有很大的局限性，它只能适用于测量金属体的静电电压，而且这种方法的测量精度偏低，易受到电容、阻抗等内部因素的影响， 长时间后读数还会衰减。 接触式相对简单，输入电容和阻抗对其影响较大，从而使测量误差较大，精确度和读数均不太理想，并且测量的对象范围较小,对绝缘体和半导体等不可以直接测量[3]。非接触式的测量方法无疑更加的方便实用，测量出的结果也更加准确。 首先这种测量方式不需要接触带电体，这就让它的测量范围十分大，金属体、绝缘体、导体以及半导体的静电电位都可以通过这种方法来测量， 并且对被测带电体的影响和实验误差非常小。静电测量仪中，比较先进的是非接触式，目前非接触式静电检测正在蓬勃发展，各项技术也在突破。按照电位传感器的不同，非接触式静电检测系统主要为4种：集电极式、振动电容式、直接感应式、旋转叶片式。按照检测原理的不同，又可分为两种形式：信号自屏蔽-电荷藕合以及接地屏蔽-电压输入，信号自屏蔽-电荷藕合的保护电极的反馈为信号自身的输出，因此对变动的信号探头和被测物体之间电位差一直为零，所以动态性能比接地屏蔽-电压输入方式的要好。感应式是我国静电电压检测系统的主要方式，感应式静电电压表在国内应用广泛，例如倍受欢迎的EST101防爆型静电电压表等。感应式测量原理为电容直接感应、滤波、信号放大和显示。通过该方式，静电电压值是被测体表面的电位的平均值，仪表的量程是由改变探头至被测体的距离，即电容的变化来实现的。由静电性质可知，非接触式静电电压表在测带电体一段时间后，显示器上电压数值会趋近零。因此，在固定接入的静电检测场合，直接感应式仪器不再适用。在进行实际测量之前，需要在距待测体较远处将仪器清零，否则会因仪表读数随时间漂移而产生测量误差。在国内，有研究者实现了直径约2mm，空间分辨率约0.1 mm 的探头的设计，达到国际先进水平。在探头沿面泄露距离的改进上，湖南大学电气学院的江沨向前更进一步，成果显著。
3静电检测系统的发展趋势
随着科技的提高，电子设备的快速更新换代，信息电子蓬勃发展，本节从以下三个方面介绍静电检测系统的发展趋势。
3.1测量原理
测有源带电体的静电电压时，通常采用接触式。接触式静电电压检测仪的原理是主要是通过静电传感器和单片机以及晶体管来实现完成的， 而接触式静电电压检测仪的软件部分主要包括对静电传感器输入的信号进行A/D转换，对输入的电压值进行乘上衰减倍数、数据拟合、数据输出以及输出后的显示处理，接触式的测量值与真实值差距较大，有时误差不可忽略，因为探头在与带电体接触时，被测物体会产生静电放电现象，而使检测的带电物体电容增加或电荷量减少，从而降低物体的静电电位。另外，由于接触式静电电位测量过程中，探头与被测物体之间的距离较近时，会发生静电放电。接触式静电电位测量在瓦斯检测等危险场不能使用，检测时会有放电引燃的危险。非接触式静电电位测量在危险场所适用。“信号自屏蔽－电荷藕合”原理早在1989年由我国研究者提出。 “信号自屏蔽”是根据静电电位检测的特性，屏蔽电极为信号高压电极，屏蔽深度与器件灵敏度保持一致，提高灵敏度与抗干扰能力；通过电荷量与被测电位的关系，由电荷量的测量得到被测电位，这就是电荷藕合的工作原理[4]。
3.2探头
静电电压检测的探头主要分为:旋转叶片式、振动电容式、直接感应式和集电极式。旋转叶片式受机械振动频率和电路检波的双重限制，所以仪器的动态特性比较差，低通带宽一般在1OHz以下。随着科学工作者的探索、研究的深入，旋转叶片式的检波问题有了很大的进步，机械振动频率问题依旧达不到理想效果。目前，振动电容式的机械频率问题有了很大进展。振动电容式静电检测仪有着输入阻抗高，稳定性好的优点，成为较理想的静电测试仪器。在非接触式静电测量器件中，这种外传感器应用十分广泛。例如，美国p-0876型高精度表面电位计，日本的SIMCO FMX-003,国内生产的EST102A以及改进型EST201A[5]。直接感应式比较落后，其缺点主要有两个，一是无法抑制读数漂移，另外，其测量值随时间的不同而不同。起初，静电测量仪器大多采用这种方式，目前已被淘汰。当集热器进行测定，对样品的电荷会泄漏到地面，以及随着时间的延长，检测电位会变小。而且，测量结果还受到测量过程中探头与带电体之间的空气流动的影响。这种器件现在较少使用。此次的非接触式静电电压检测采用振动电容式。
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