張時開張宇青李玉玲李俊簫張琳軼

（1.北京振興計量測試研究所，100074；2.北京控制與電子技術(shù)研究所，北京100038）

1 引 言

靜電電位是靜電防護中最基本和常用的測量參數(shù)，是獲取其它靜電參數(shù)的基礎(chǔ)。 靜電電位反映了材料存儲靜電能量的大小，可以用于指示材料潛在靜電危害程度，因此對靜電電位進行精確測量具有十分重要的意義。 非接觸式靜電電壓測量儀可以在不與帶電體接觸的情況下，利用靜電感應(yīng)原理，測量出帶電體因表面電荷積累產(chǎn)生的電壓值。 對非接觸式靜電電壓測量儀的準確校準不僅可以為產(chǎn)品的靜電防護設(shè)計提供依據(jù)，還可以用于評價材料的防靜電性能，因此本文開展對非接觸式靜電電壓測量儀校準方法的研究和校準裝置的研制。

2 校準系統(tǒng)概述

非接觸式靜電電壓測量儀一般由電場探測器、距離指示模塊、測量模塊、調(diào)零模塊及顯示模塊組成。 根據(jù)非接觸式靜電電壓測量儀組成和測量原理，其校準裝置原理如圖1 所示，由高壓信號產(chǎn)生和測量裝置、距離調(diào)節(jié)裝置和控制與監(jiān)視裝置三部分組成。 其中高壓信號產(chǎn)生和測量裝置由高壓電源、標準分壓器、電壓測量模塊和標準平板電極等組成。 距離調(diào)整裝置包含距離調(diào)節(jié)裝置、刻度尺和絕緣支架等部件，可實現(xiàn)被校靜電電壓測量儀沿標準平板電極方向的垂直移動。 控制與監(jiān)視裝置由攝像頭和控制終端組成。 整套校準裝置總的擴展不確定度應(yīng)小于被校準靜電電壓測量儀最大允許誤差的1／3。 其中，標準平板電極、距離調(diào)節(jié)裝置是決定校準系統(tǒng)測量準確度的關(guān)鍵因素。

圖1 非接觸式靜電電壓測量儀校準裝置原理框圖Fig.1 Principle block diagram of calibration device of non-contact electrostatic voltage measuring instrument

測量時，在操作間設(shè)置高壓電源的輸出值，高壓電壓的輸出電壓一路接分壓器，經(jīng)分壓器10∶1或10∶1 分壓后給電壓測量模塊，通過總線讀取電壓測量模塊的讀數(shù)，作為標準值。 高壓電源的輸出電壓另一路通過保護電阻給標準平板電極，通過控制終端控制距離調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)測試距離，讀取監(jiān)控設(shè)備采集的被校靜電電壓測量儀的讀數(shù)作為測量值。 此裝置要求被校準靜電電壓測量儀可靠接地。

由于平板電極上有幾萬伏高壓，被校準表的電極與其距離在幾毫米至幾百毫米范圍內(nèi)，如果校準人員用肉眼直接從被校準表上讀取示值，將給計量人員帶來極大的危險。 因此，通過安裝監(jiān)控設(shè)備將被校準表的讀數(shù)記錄下來，再通過控制終端將數(shù)據(jù)存儲。

按照高壓設(shè)備安全操作規(guī)程，操作人員、測試區(qū)域與高壓源要隔離開，以確保人員和設(shè)備的安全。 隔離裝置上安裝有供操作人員出入的門，門上裝有高壓閉合保護裝置。 作用是隔離高壓，防止觸電。 高壓系統(tǒng)的供電采用經(jīng)門開關(guān)、控制器控制方式供電。 接觸器的通斷由門開關(guān)控制，只要高壓區(qū)的門被打開，高壓系統(tǒng)的供電將被切斷，保證了人員安全。

測試距離是決定非接觸式靜電測量儀測試準確度的關(guān)鍵物理量，它直接決定著儀表的測試靈敏度。 距離調(diào)節(jié)裝置應(yīng)可使被校準靜電電壓測量儀前端伸出，支架幾何形狀和材料應(yīng)對靜電電壓測量儀前端周圍電場分布無影響。 距離調(diào)節(jié)裝置的移動軌跡應(yīng)垂直于標準平板電極，應(yīng)有足夠的調(diào)節(jié)細度，一般小于0.1mm。 距離調(diào)節(jié)裝置下面配套可拆卸的游標卡尺，通過游標卡尺溯源，保證了距離調(diào)節(jié)裝置的移動精度。

3 標準平板電極設(shè)計

對非接觸式靜電電壓測量儀來說，其電場探測器上感應(yīng)的電壓信號是被測帶電物體上不同部位所帶電荷產(chǎn)生的電場共同作用的結(jié)果。 校準時一般采用的是一定直徑的帶電金屬圓盤電極，金屬圓盤電極的電場強度的分布與其大小、形狀有關(guān)。 在平板中心靠近平板表面處，有平行于法線方向的均勻靜電場存在。 標準平板電極表面的電荷分布隨形狀曲率半徑變化，曲率半徑越小的位置，電荷密度相對較大（如邊緣處），而越靠近電極中心的位置，電荷分布更均勻，因此在校準時應(yīng)盡量遠離電極的邊緣區(qū)域。

標準平板電極平面的尺寸要求，應(yīng)盡量減小邊界效應(yīng)的影響。 電極應(yīng)有良好的軸對稱性，周邊要彎成一定曲率的圓弧，表面及邊緣光滑平整，表面光潔度不小于6，以防止高壓產(chǎn)生電暈放電。 電極應(yīng)有良好的導(dǎo)電性，采用金屬鋁或不銹鋼的材料，形狀可采用圓盤或方形圓角盤的形式。

為了分析電極線度對電場畸變的影響，進而確定帶電體大小對測試儀表校準系數(shù)的影響程度，依據(jù)常見被測物體的大小，制作了一組直徑分別為20cm，30cm，40cm，50cm，60cm 的校準電極。 在不同直徑電極下，測量被校準表的示值，繪制曲線如圖2 所示。

圖2 標準電極直徑對測量結(jié)果的影響曲線圖Fig.2 Influence curve of standard electrode diameter on measurement results

從圖2 可以看出，在測量距離一定的情況下，非接觸式靜電電壓測量儀的讀數(shù)的相對值隨電極的直徑增大而增大，當(dāng)電極直徑增大到60cm 時，測量結(jié)果趨于穩(wěn)定。

標準平板電極試驗的目的是判斷標準平板電極的尺寸是否滿足校準的要求。 一般測量距離越大，標準平板尺寸也應(yīng)越大。 當(dāng)標準平板電極尺寸達到一定時，邊界效應(yīng)的影響可以忽略。 根據(jù)不同的被測對象和不同的測量距離，設(shè)計標準平板的尺寸。 為分析邊界效應(yīng)的影響，沿平行于標準平板電極平面的方向，將被校準靜電電壓測量儀移動其前端寬度的1／2；比較移動前后，被校準靜電電壓測量儀的示值變化。 如果示值的變化小于校準靜電電壓測量儀最大允許誤差的1／5，則平板電極尺寸滿足要求。 通過試驗可確定邊界效應(yīng)產(chǎn)生的相對示值誤差影響量。

標準平板電極的試驗步驟如下。

1）將被校靜電電壓測量儀置于說明書規(guī)定的測試距離處，并對準標準平板電極的幾何中心；

2）調(diào)節(jié)直流高壓電源輸出使標準平板電極上的電壓為被校靜電表滿量程的1／10，但不應(yīng)小于1 000V，記錄讀數(shù)；

3）保持直流高壓電源輸出不變，沿平行于電極平面的方向，向邊沿平行移動被校準靜電電壓測量儀，或者相對于被校準靜電電壓測量儀移動標準平板電極，移動的距離為被校靜電表前端寬度的1／2，如圖3 所示，并記錄讀數(shù)；

圖3 邊緣效應(yīng)試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of edge effect test

式中：，——被校靜電表分別置于標準平板電極的中心和偏心位置的讀數(shù)，V。

本裝置在標準平板電極直徑60cm 下進行試驗，γ=0，驗證了標準平板電極尺寸滿足要求。

4 校準結(jié)果不確定度分析

以校準非接觸式靜電電壓測量儀EST101 為例，分析此套校準裝置的測量不確定度。 校準裝置不確定度評定如下。

測量模型為

式中：ΔU——示值誤差，V；U——被校校準靜電電壓測量儀示值，V；U——標準平板電極上加載的電壓值，V。

校準裝置測量不確定度主要來源如下。

1）標準平板電極邊界效應(yīng)引入的測量不確定度分量；

為研究標準平板電極邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響，將被校準表向左右各偏移表寬度的1／2，測量被校準表讀數(shù)的改變量γ，假設(shè)均勻分布，計算平板電極邊界效應(yīng)引入的標準不確定度為

本裝置采用直徑60cm 的平板電極，被校表為EST101，標準電壓為10kV 時，向左右各偏移2cm，讀數(shù)未發(fā)生改變，計算γ=0，=0。

2）距離調(diào)整裝置測量距離不準確引入的測量不確定度分量；

裝置使用刻度尺標定測試距離并按照儀器說明書規(guī)定測試距離進行調(diào)節(jié)，不確定度來源于距離測量的相對不確定度，符合均勻分布。

在標準平板電極電壓不變的情況下，隨測量距離增大，被測靜電電壓測量儀的讀數(shù)減小。 假設(shè)測量距離為，距離調(diào)節(jié)不準確的范圍是Δ，符合均勻分布，則測量距離不準確引入的標準不確定度按式（4） ～（6）計算

式中：U——被校靜電表示值，V；——與儀表原理有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)被測電壓不變時，可根據(jù)不同距離下被測表電壓示值，采用函數(shù)擬合的方法計算得到，V·m；γ——因測試距離不準確造成的讀數(shù)偏差，相對值，V／V；γ——距離測量不確定度，相對值，m／m；——距離調(diào)節(jié)不準確的范圍，mm。

測量距離使用游標卡尺，= 100mm，=0.1mm，γ= -0.1／100 = -0.1%，=0.058%。

3）絕緣泄漏電阻與保護電阻的分壓作用引入的測量不確定度分量；

由于本校準裝置的高壓電源內(nèi)部已經(jīng)配置了限流電阻，當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)對地電流大于等于于1mA時，自動切斷高壓源輸出，故本裝置外部沒有配置保護電阻。 因此，絕緣泄漏電阻與保護電阻的分壓作用引入的測量不確定度分量可以忽略。

4）直流高壓表測量誤差或直流高壓電源輸出不準確引入的測量不確定度分量；

直流高壓電源的輸出由標準分壓器的分壓比和數(shù)字表的示值的乘積決定，BGDV100 直流高壓分壓器的分壓比的準確度等級為0.05 級，其不確定度為均勻分布，所以有

則

5）外界電磁場引入的測量不確定度分量；

校準裝置放置于電磁屏蔽良好的專用高壓靜電實驗室中，周圍沒有能夠引起測量誤差的強烈電磁干擾，忽略外界電磁場影響而引起的誤差，=0。

6）被校靜電電壓測量儀顯示分辨力引入的測量不確定度分量；

設(shè)被校靜電表的顯示分辨力為，測量不確定度為半?yún)^(qū)間，均勻分布，則由被校靜電表顯示分辨力引入的測量不確定度分量。 按式（7）計算

7）被校靜電電壓測量儀前端平面與標準電極平面不平行引入的不確定度分量；

在校準過程中，先將距離調(diào)節(jié)裝置前移，使被校靜電表的傳感器正面前端平行地接觸到標準平板電極。 再將距離調(diào)節(jié)裝置后移，因線性移動不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，保證了被校靜電表傳感器正面前端平行于標準平板電極。 因此該項分量可以忽略不計，=0。

8）測量結(jié)果重復(fù)性引入的測量不確定度分量；

根據(jù)次測量值，測量結(jié)果包含了被校靜電電壓測量儀短期穩(wěn)定性的影響量，因此可以忽略短期穩(wěn)定性的影響，采用貝塞爾公式計算實驗標準偏差為

式中：U——被校靜電表的第次讀數(shù)值，kV。

測量重復(fù)性引入的平均值測量結(jié)果相對標準不確定度按式（9）計算

式中：——測量次數(shù)。

當(dāng)=10 時，測量結(jié)果如表1 所示。

表1 n 次校準靜電電壓測量儀測量值Tab.1 Measured values of n-time calibration electrostatic voltage measuring instrument

9）合成標準不確定度為

10）相對擴展不確定度為

根據(jù)被校準靜電電壓測量儀EST101 的說明書可知，其最大允許誤差為10%RD。 而本校準系統(tǒng)的擴展不確定度僅為0.76%，遠遠小于被校準靜電電壓測量儀最大基本誤差的1／3，驗證了校準系統(tǒng)滿足校準要求。

5 結(jié)束語

建立一套非接觸式靜電電壓測量儀校準系統(tǒng)，分析了標準平板電極的直徑和邊緣效應(yīng)對測量結(jié)果的影響。 并以常用靜電電壓表EST101 為例，對校準結(jié)果進行不確定度分析，驗證結(jié)果顯示系統(tǒng)滿足校準要求。 非接觸式靜電測量儀廣泛應(yīng)用于塑料、石油、化工、印刷、紡織等有關(guān)靜電的檢測，是現(xiàn)場靜電檢測的理想儀表。 非接觸式靜電電壓測量儀校準裝置可為產(chǎn)品的靜電檢測和防護提供可靠保證。 非接觸式靜電測量儀的校準成果具有較好的經(jīng)濟和社會效益，以及很好的應(yīng)用推廣前景。