肖天雷 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

兩個電中性的物體相互接觸或反應，會使一個物體上的電子轉(zhuǎn)移到另一個物體上，導致電荷的平衡被打破，兩個物體也因此帶上了靜電。當這些靜電荷積聚到一定程度時會向周圍放電，從而對外界產(chǎn)生一定的影響。在工業(yè)生產(chǎn)中，靜電可能會吸附灰塵和雜質(zhì)，靜電放電可能損壞電子器件、產(chǎn)生電磁干擾或者存在火災隱患。

為了消除靜電對產(chǎn)品和生產(chǎn)的不良影響，目前，大多采用離子風機進行靜電消除。離子風機利用高壓電源對針尖施加電壓，從而將電極周圍的空氣電離，再利用風扇將其吹至物體表面[1-2]，利用中和法完成靜電消除。該設(shè)備簡單有效，已被廣泛應用于汽車、電子、化工等行業(yè)中。

由此可見，離子風機的靜電消除能力直接關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，需要定期進行校準。通常采用離子平板監(jiān)視儀作為標準器，對離子風機的靜電消除時間和離子平衡度進行校準。

1 離子平板監(jiān)視儀的構(gòu)成

離子平板監(jiān)視儀又稱靜電消除器檢測儀、充電平板測試儀，是ANSI/ESD STM3.1-2015[3]中規(guī)定的校準標準器。它主要由主機和測試極板兩部分組成[4]，如圖1所示。主機由高壓發(fā)生器、電壓測量單元、計時器和控制單元組成，測試極板包括充電平板和接地平板，兩者由絕緣子隔開。

圖1 離子平板監(jiān)視儀結(jié)構(gòu)

工作時高壓發(fā)生器負責對導電平板充電，而電壓測量單元會實時監(jiān)測充電平板上的電壓。當充電平板電壓低于閾值時，控制單元啟動計時器，開始測量離子風機的靜電消除時間。隨后將充電平板電壓歸零，再啟動計時器，在一定時間內(nèi)監(jiān)測充電平板電壓的變化量，以此測量離子風機的離子平衡度。

所以，離子平板監(jiān)視儀的輸出電壓、充電平板電壓和衰減時間這三個參數(shù)是離子平板監(jiān)視儀校準的主要內(nèi)容。由于目前還沒有離子平板監(jiān)視儀的國家校準規(guī)范，本文參考ANSI/ESD STM3.1-2015，認為校準中也需要考慮板間電容值和儀器自放電的特性。

2 離子平板監(jiān)視儀的校準

2.1 輸出電壓

一般情況下，啟動電壓（一般為1 000 V）由電壓測量單元測量，而平板上的初始充電電壓只需要保證高于測試的啟動電壓即可，所以校準過程中并不關(guān)心初始電壓值的具體大小。然而，資料[3]表明，太高的初始電壓會造成被測靜電消除時間的增加。為了得到準確的靜電消除時間校準結(jié)果，必須保證初始充電電壓具有良好的準確性和重復性，即每次充電電壓基本相同。

大多數(shù)進口的離子平板監(jiān)視儀都帶有比例輸出端子，通常為200:1，即充電平板上的電壓與該端子輸出的電壓成比例關(guān)系。校準時可以直接將數(shù)字多用表接入該端子進行示值讀取，比較儀器顯示值與數(shù)字多用表測量值的大小，得出示值誤差，并多次記錄平板充電時輸出的電壓值以計算標準差。

對于沒有比例輸出端子的設(shè)備，只能直接測量充電平板上的電壓，一般可以使用非接觸式靜電電壓表進行校準，直接多次讀取平板電壓的測量值。校準時需要保證周圍沒有易帶靜電的物體，也沒有空氣流動，以免影響校準結(jié)果。

2.2 充電平板電壓

充電平板電壓的測量能力關(guān)系到計時器啟動電壓的準確性以及離子平衡度校準的準確性。靜電電壓的測量是離子平板監(jiān)視儀工作的基礎(chǔ)[5]，是非常重要的一個參數(shù)。

大多數(shù)情況下，校準人員無法判斷充電平板和內(nèi)部高壓源的連接情況，貿(mào)然接入外部高壓源可能會導致儀器的損壞。所以，可以在平板充電狀態(tài)下，使用數(shù)字高壓表比較其測量值和儀器的顯示值。這里要注意的是所選用的高壓表一般為高內(nèi)阻高壓表[6]，否則會帶走充電平板上的部分電荷，導致無法準確測量目標電壓值。

另一種方法是采用靜電高壓發(fā)生器，將充電平板與靜電高壓發(fā)生器的平板平行放置，兩者法線中心對齊，并保持合理的距離，比較高壓發(fā)生器的示值和儀器的顯示值。

2.3 衰減時間

離子風機的靜電消除時間由標準器的計時器直接測量，因而時間測量的準確性直接關(guān)系到校準結(jié)果，通常采用示波器進行校準。校準時可以將示波器直接與比例輸出端子連接，或者利用高響應速率的非接觸式靜電電壓表與示波器連接，然后對充電平板進行放電，利用示波器的曲線描繪放電時間，從而完成對儀器時間測量能力的校準。

2.4 板間電容

根據(jù)ANSI/ESD STM3.1-2015中的要求，離子平板監(jiān)視儀充電平板的尺寸應為15 cm×15 cm，且充電平板和接地平板之間的電容應為20 pF±2 pF。板間電容的大小間接表明了充電平板的放電能力。按照ANSI/ESD STM3.1-2015中附錄A的要求，測量板間電容需要使用一臺電壓源和一臺庫侖表。電壓源在輸出100 V時的最大允差應小于1%，庫侖表的準確度應小于5%，且分辨力至少為0.02 nC。

測量過程中，首先用電壓源將充電平板充電至U（一般取100 V），然后用庫侖表探頭接觸平板，測量其攜帶的電荷量Q，根據(jù)公式C=Q/U計算板間電容的大小，測量共進行10次，以平均值作為測量結(jié)果。誤差的主要來源是電壓源輸出電壓的準確度、庫侖表測量電荷的準確度以及庫侖表的分辨力。此外，應保證沒有多余物體靠近充電板，并且充電平板與接地平板之間的絕緣性良好。否則測得的電容值會偏小，同時會嚴重影響離子風機校準的準確性。

2.5 自放電特性

離子平板監(jiān)視儀的自放電特性指充電平板在充電后，沒有外界作用的情況下，一段時間內(nèi)板間電壓值的變化量。在兩電極板間絕緣子被污染，或者外界濕度過高等情況下，充電平板非常容易自發(fā)地向外界釋放電荷。如果發(fā)生在離子風機的校準過程中，就相當于自身與離子風機一起對平板進行放電，減小了靜電消除時間的測量值，所以有必要對該參數(shù)進行校準。

在規(guī)定的校準環(huán)境下，即沒有外界干擾、空氣擾動、多余物體靠近的情況下，對離子平板監(jiān)視儀的平板進行充電，然后開始記錄5 min內(nèi)儀器的電壓示值，其變化值不應大于初始電壓的10%。

3 離子平板監(jiān)視儀校準實例

3.1 校準環(huán)境

以某單位送檢的離子平板監(jiān)視儀為例，環(huán)境溫度顯示21 ℃，環(huán)境濕度為45% RH，符合小于50%RH的要求。校準區(qū)域無無用物體，且禁止空氣擾動。該儀器具有比例輸出端子，比例為200:1，方便進行校準。

3.2 輸出電壓

通過數(shù)字多用表連接比例輸出端子測量被測設(shè)備的充電起始電壓，正向和負向各測量10次，標準器示值和設(shè)備顯示值之差就是示值誤差，并以測量標準差作為該設(shè)備輸出電壓的重復性。以被測設(shè)備輸出正向電壓為例，被測設(shè)備示值1 052 V，標準器對應示值1 054.33 V，標準差為1.54 V。其不確定度的評定如表1所示。

表1 輸出電壓不確定度評定

3.3 充電平板電壓

使用靜電電壓發(fā)生器搭配數(shù)字多用表作為標準器，將標準器的示值與被測設(shè)備顯示值之差作為測量誤差。以標準值1 000 V為例，此時被測設(shè)備示值為999 V，其不確定度的評定如表2所示。

表2 充電平板電壓不確定度評定

3.4 衰減時間

由于設(shè)備具有比例輸出端子，故使用數(shù)字示波器直接連接被測設(shè)備進行校準。通過示波器抓取充電平板的放電波形，根據(jù)該波形得到的時間值和設(shè)備顯示值之差即為測量誤差。以被測設(shè)備示值6.4 s為例，此時標準器示值為6.4 s，其不確定度的評定如表3所示。

表3 衰減時間不確定度評定

3.5 板間電容和自放電特性

根據(jù)本文3.4中的方法，測得板間電容數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 板間電容測量結(jié)果

設(shè)定被測設(shè)備功能為測量靜電消除時間，使平板充電至起始電壓。測得5 min內(nèi)電壓變化為3%，滿足要求。

4 結(jié)語

隨著越來越多的行業(yè)認識到靜電防護和控制的重要性，離子風機的校準必不可少。而離子平板監(jiān)視儀作為離子風機校準的標準器，其本身的校準也必須得到充分的關(guān)注。目前，國家尚無相應的校準規(guī)范，所以本文根據(jù)ANSI/ESD STM3.1-2015中的相關(guān)要求和建議，對離子平板監(jiān)視儀輸出電壓、充電平板電壓、衰減時間、板間電容和自放電特性的校準必要性和校準方法進行了分析和介紹，并給出了校準實例。對于不同型號的離子平板監(jiān)視儀，校準項目可能略有不同，可作為該類儀器校準溯源的參考。