CN102288812A - 一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置包括数据采集模块和PC机，数据采集模块包括输入单元、多路开关、A/D转换器、CPLD、光耦隔离模块和USB桥；USB桥将PC机的数据采集指令信号传输给CPLD；CPLD通过光耦隔离模块的输入作用将这一信号传送给输入单元、多路开关和A/D转换器，输入单元通过多路开关将采集的静电位信号传送给A/D转换器，A/D转换器通过光耦隔离模块的隔离放大作用将数字信号传回给CPLD。本发明能够对危险品仓库、加油站、油轮、铁路、公路运输等领域实时模拟监测其全程的动态作业过程，连续实时地记录、显示其全程的动态作业过程中产生的静电动态电位的大小、极性及动态波形。

Description

一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置

技术领域

本发明涉及静电测试技术领域，具体涉及一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置。

背景技术

目前，根据工作方式来分，静电电位测试仪器分为接触式和非接触式两种；根据信号特性来分，静电电位可分为静电静态电位和静电动态电位两种。

接触式就是使被测物体与静电电压表直接接触，利用等电位原理进行测量。该类仪器仅适用于静电导体电位的测量，对于更容易产生静电的绝缘体则无能为力，其代表性产品为Q-V系列静电电压表。非接触式就是不与被测物体接触，运用静电感应或空气电离的原理，间接测量带电体的静电电位。该类仪器适用于测量导体、绝缘体及人体等的静电电位。与接触式测量相比，非接触测量结果受仪表输入电容、输入电阻的影响较小，但受测试距离、带电体几何尺寸的影响较大。

国内已有的静电电压表中，绝大部分的电位传递函数都是频率的函数，对于不同频率的信号，其电位衰减比例不同，在实际测试中存在频率失真，难以用于动态测试。例如，Q-V系列静电电压表采用光标指示，阻尼大，光标稳定需要一定的时间，不能用于动态测试。真正能够用于静电动态电位的仪器只有两种，一种是石家庄军械工程学院的刘尚合院士1988年主持研制的ZPD-1静电动态电位测试仪，另一种是北京市劳动保护科学研究所的黄久生博士2003年主持研制的EST405静电动态计算机监测报警系统。ZPD-1静电动态电位测试仪采用刘尚合院士提出的“信号自屏蔽-电荷耦合”测试原理，能够用表头显示整个测试过程中被测电位信号的最大绝对值，便于确定静电源的动态特性及其危险性。但该仪器测试信号的衰减常数在10⁷s数量级，对一般的测试而言，此衰减对测试结果造成的影响可以忽略，但对长时间的监测仍有可能引起较大的测试误差。因此，该仪器不宜用作监测仪表。EST405静电动态计算机监测报警系统，采用阻容分压原理测量静电电位，由静电检测探头和报警器组成，可以监测重要部门进出人员、货物的静电。但在许多静电隐患较大的危险物品作业过程，应用ZPD-1和EST405还存在缺陷。例如，在危险货物的人工搬运作业过程中，及其在铁路、公路、轮船等运输途中，由于各种振动、摩擦，静电容易积累到危险高位，时有运输车辆途中自燃事故的报道便是佐证，上述作业过程中静电积累到多高，极性如何，由于成本与技术实施的限制，目前尚无法实现全程实时监测；此外，无论是ZPD-1，还是EST405都是对现场进行被动实时测量，不能对某一危险工况作出预先警示。

发明内容

为了克服现有相关技术的缺点和问题，本发明提供一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置，能够对危险品仓库、油轮、铁路、公路运输等领域中的动态作业过程进行实时全程监测，并能够连续实时地记录、分析及显示这些动态作业过程中产生的静电动态电位的大小、极性及动态波形。

本发明的一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置，包括数据采集模块和PC机；所述数据采集模块包括输入单元、多路开关、模拟量数字量转换器（以下简称A/D转换器）、复杂可编程逻辑器件（以下简称CPLD）、光耦隔离模块和USB桥；其中USB桥、CPLD和PC机依次相连，USB桥接收来自PC机的数据采集指令信号，并将这一信号传输给CPLD；所述输入单元、多路开关和A/D转换器依次连接，并且均通过光耦隔离模块与CPLD连接，以接受来自CPLD的控制信号，输入单元通过多路开关来将采集到的各类危险品动态作业过程中产生的静电动态电位信号传送给A/D转换器，A/D转换器将静电动态电位信号模数转换为数字信号，再通过光耦隔离模块的隔离放大作用将数字信号输出给CPLD，CPLD再通过USB桥来将数字信号传送给PC机。

所述输入单元为16通道静电信号采集端，每个通道由一个非接触式静电电位计构成，能实现多通道同步采集。

所述多路开关有16个通道，能够与16通道的输入单元进行同步采集，16路开关量输入合成一个16位的字，与模拟量采集一起送到A/D转换器。进行通道设置时，多路开关的通道与模拟量的通道一起设置。

所述A∕D转换器为12位精度16通道A∕D转换器，输入电压范围为：-5V～+5V或0 V～10V，输入阻抗为800千欧~1000千欧。

所述USB桥采用高速USB芯片，可以将PC机发出的采集指令传送到CPLD；所述芯片内置有高速缓存器，可实时地将高速AD结果传送到PC机中。

本发明的一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置中，CPLD是核心。具体测量过程为：首先启动程序接受PC机启动采集的指令，把采集的通道数、采样频率、时钟方式等信息通过USB桥来传送到CPLD，CPLD接受到这些信息后，立即实时地启动采集功能，将采集的通道数与采样频率等信息传入给输入单元和A∕D转换器，输入单元将采集到的静电动态电位信号通过多路开关来输出至A∕D转换器进行模数转换，A∕D转换器将转换后的信号通过光耦隔离模块以输出给CPLD，CPLD再通过USB桥把静电动态电位的数字信号传回给到PC机，完成一次静电动态电位的测量过程。

所述光耦隔离模块采用TLP521-4，TLP521-4内置有四个光耦。所述光耦用于实现信号的电—光—电的转换，起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

所述PC机为普通个人计算机，装有MATLAB，能够进行数据存储、显示、滤波等功能的专用软件，可以用PC机的显示器将波形的瞬时值显示出来，还可以通过PC机的磁盘将采集结果保存起来，并且专用软件还能够对信号进行FFT谱分析、功率谱分析、数字滤波。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）结构更完善，功能更多：相对现有的静电动态电位测试仪器（ZPD-1和EST405），本发明显著拓展了EST405现有的测量功能，并且加入了CPLD，能够对采样通道数、采集频率、时钟方式等信息进行设置，使测量的结果更加真实可信 ，CPLD还能快速进行数据传输，使系统的衰减常数降低。

（2）信号处理能力更强：本发明中的PC机装有专用软件，可以把当前显示的通道、时间范围内的波形的谱分析结果数据将以曲线或文字方式显示在内置FFT谱分析面板上；还可以使用专用软件内置的MATLAB软件对当前显示的波形进行数字滤波和功率谱分析等。

（3）应用范围更广：本发明可广泛应用于许多静电隐患较大的动态作业工况，如危险货物的贮存搬运作业过程或铁路、公路、轮船等运输过程，且本具有实时测试技术的静电动态电位的智能测试装置成本低廉，具有很强的应用价值。

附图说明

图1是本发明的一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置的结构示意图；

图2是图1中输入单元的探头校准原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置，包括输入单元1、多路开关2、A/D转换器3、CPLD4、光耦隔离模块5、USB桥6和PC机7。

输入单元1、多路开关2 、A/D转换器3依次相连，并且均通过光耦隔离模块5与CPLD4相连；USB桥6分别与CPLD4 和PC机相连，USB桥6将来自PC机7的指令信号传送到CPLD4，CPLD4再将接收到的指令信号通过光耦隔离模块的输入传送给输入单元1、多路开关2 、A/D转换器3，输入单元将采集到的静电位信号通过多路开关传送给A/D转换器进行模数转，A/D转换器将数字信号输出给CPLD，CPLD再将信号通过USB桥传回给PC机，完成静电动态电位的测量过程。

本发明的具体操作步骤如下：

步骤一：所述数据采集模块通过USB桥与PC机连接好，首先对静电电位测量探头进行计量校准，以保证数据采集的准确度。具体原理见图2所示，金属板为校准板，与地绝缘，T为静电电位测量探头，接地。

 PC机的专用软件中，有两个用于静电电位测量探头校准的参数，分别为A和B。A用于校准探头的零点漂移，B用于校准由探测距离引入的读数误差。

校准过程如下：静电电位测量探头面向零电位方向（如地），将PC机中专用软件的A参数值修改为0，这样就完成了探头零点漂移的校准，然后用静电发生器对金属板加上设定的标准电压，探头移动到设定的测量距离，调整B参数，使PC机中专用软件显示的探头读数与静电发生器设定的标准电压一致。至此，探头的校准即告完成。

步骤二：通过PC机的专用软件将多路开关的通道数与采样频率、时钟方式等信息设置完成。

步骤三：通过USB桥将PC机内的设置指令传送到CPLD，CPLD接收到指令后，立即开始启动采集功能，将通道数、采样频率等控制信息传送到输入单元、多路开关和A/D转换器，多路开关2有16个通道，与16通道的输入单元采集同步进行，16路开关量输入合成一个16位的字，与模拟量采集一起送到A/D转换器，再由多路开关传送到输入单元。

步骤四：输入单元开始采集各类危险品动态作业过程中产生的静电动态电位信号，并将该静电动态电位信号传送到多路开关，经过多路开关传送到A/D转换器，A/D转换器将静电动态电位的模拟信号转换成数字信号，经光耦隔离模块将数字信号传输到CPLD。光耦隔离模块为TLP521-4，TLP521-4内置有四个光耦。

步骤五：静电动态电位信号从CPLD经过USB桥传送PC机，PC机通过预装于其内部的专用软件进行信号处理分析和计算，最终显示出被测物体的静电动态电位的瞬时值和极性。

最后需要说明的是：以上实施方式仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改及局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置，包括数据采集模块和PC机；所述数据采集模块包括输入单元、多路开关、模拟量数字量转换器、复杂可编程逻辑器件、光耦隔离模块和USB桥；所述复杂可编程逻辑器件、USB桥、PC机依次连接，USB桥接收来自PC机的数据采集指令信号，并将这一信号传输给复杂可编程逻辑器件；所述输入单元、多路开关和模拟量数字量转换器依次连接，并且均通过光耦隔离模块与复杂可编程逻辑器件相连，以接受来自复杂可编程逻辑器件的控制信号，输入单元将采集到的静电动态电位信号通过多路开关来传送给模拟量数字量转换器，模拟量数字量转换器将静电动态电位信号模数转换为数字信号后，再通过光耦隔离模块的隔离放大作用将数字信号输出给复杂可编程逻辑器件，复杂可编程逻辑器件再通过USB桥以将数字信号传送给PC机。

2.根据权利要求1所述的一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置，其特征在于：所述输入单元为16通道静电信号采集端，每个通道由一个非接触式静电电位计构成。

3.根据权利要求1所述的一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置，其特征在于：所述A∕D转换器为12位精度16通道A∕D转换器，输入电压范围为：-5V～+5V或0 V～10V，输入阻抗为800~1000千欧。

4.根据权利要求1所述的一种具有实时测试技术的静电动态电位智能测试装置，其特征在于：所述USB桥采用高速USB芯片，所述芯片内置有高速缓存器。

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