CN102353855A - 一种便携式静电检测装置及其静电检测方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式静电检测装置及其静电检测方法，属检测领域。其静电感应传感器包括一带有信号接收窗口的屏蔽壳体；在壳体内部设置一静电信号接收面；在壳体中设置电路板和一个信号传导支架；在信号传导支架上，设置带有振动源的振动电极片；在振动电极片前端设置平行于金属质静电信号接收面的遮掩片；振动电极片的后端固定在信号传导支架上或经振动源固定在信号传导支架上；其电信号处理单元至少包括振动源驱动电路、信号放大电路、整流电路和单片机电路。其通过机械遮断方式将所感应到的静电电压转变为交变电压，供输出和后续检测/放大单元使用，从根本上解决了静电的定量检测问题，且监检测数据的可重复性好，提高了静电检测的精度及稳定性。

Description

一种便携式静电检测装置及其静电检测方法

技术领域

本发明属于检测领域，尤其涉及一种用于检测静电的便携式检测装置。

背景技术

静电检测表(仪)常用在各种场合中静电(静电量或静电放电量等等)的检测。

现有常用的静电检测表主要应用法拉第筒静电感应原理，做成平板式的非接触型静电感应传感器，将传感器上感应到的微弱电压，通过运算放大，在终端数字屏上显示，以便人们读取。

具体的，现有平板式传感器由二片金属片为主体，中间加入绝缘介质，类似电容器。其检测原理为：通过置于静电场中的平行板电容值C的改变来引起极板上电荷的变化，从而产生微弱电流，再利用微弱信号检测电路对此电流放大产生电压输出。可用下式来说明：

U＝Q(t)/C(t)

U——电容两极板间的电位差，由静电在其附近空间产生的电磁场所决定；

Q(t)——电荷；

C(t)——电场中的交变电容值。

当U固定时，极板上电荷Q(t)随C(t)而变化，Q(t)的变化导致两极板间的电荷相互移动，从而形成电流。对同一传感器而言，电流的大小反映了电场的强弱，也反映了静电的电压值。

平板式传感器有一个重要特点，就是电容变化量很小，只有几个PF，此特征使它极易受外界干扰，并联传感器虽能提高电容变化量，但寄生电容仍能影响变化量，严重时寄生电容远大于本体电容，使有用信号被寄生电容噪声淹没，以至传感器无法工作。这些寄生电容随温度、湿度、位置，以及元器件的性能等因素变化而变化。因此，测量静电时往往不够精确。

此外，现有板式静检测表在实际使用中，误差较大，重复检测一致性得不到保证，此类静电检测表作为定性检测使用没有问题，作为定量分析检测使用则勉为其难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种便携式静电检测装置及其静电检测方法，其通过机械振动/遮断的方式将所感应到的静电电压转变为交变电压，供输出和后续检测/放大单元使用，从根本上解决了静电的定量检测问题，且监测数据的后续放大/处理容易，检测数据的可重复性好，提高了静电检测的精度及稳定性。

本发明的技术方案是：提供一种便携式静电检测装置，包括静电感应传感器和电信号处理单元；所述的静电感应传感器用于感应/接收待测的静电直流感应电压，所述的电信号处理单元用于对检测数据进行后续处理和测量值的输出/显示，其特征是：所述的静电感应传感器包括一带有信号接收窗口的屏蔽壳体；在所述壳体的信号接收窗口内部，对应设置一金属质静电信号接收面；在壳体中设置电路板和一个位于电路板上且绝缘的信号传导支架；在所述的信号传导支架上，设置带有振动源的第一、第二振动电极片；在所述第一、第二振动电极片的前端，设置平行于金属质静电信号接收面的第一、第二遮掩片；所述第一、第二振动电极片的后端固定在信号传导支架上或经振动源固定在信号传导支架上，所述第一、第二振动电极片前端的遮掩片位于所述金属质静电信号接收面和壳体的信号接收窗口之间；其所述的电信号处理单元至少包括振动源驱动电路、信号放大电路、整流电路和单片机电路；其中，振动源驱动电路与第一、第二振动电极片上的振动源电连接，信号放大电路的输入端与金属质静电信号接收面电连接，信号放大电路的输出端经过整流电路与单片机电路的I/O端口连接，单片机电路的I/O端与振动源驱动电路的控制信号输入端连接。

进一步的，所述信号放大电路的输出端经过整流电路、模/数转换电路与单片机电路的I/O端口连接；所述单片机电路的I/O端口与LCD显示屏、输入键盘相连接；所述单片机电路的I/O端口与上位机的通讯端口对应连接。

具体的，所述的第一、第二遮掩片，与其各自所在的第一、第二振动电极片前端分别对应成90度夹角设置；所述的第一、第二遮掩片，位于平行于金属质静电信号接收面的同一平面内，或位于平行于金属质静电信号接收面的不同平面内。

所述的第一、第二振动电极片在振动源的驱动下，构成一组振动频率可控的振动音叉，通过音叉的振动，使得位于第一、第二振动电极片首端的遮掩片交替遮挡信号接收窗口或金属质静电信号接收面，将金属质信号接收面经信号接收窗口所感应/接收到的静电直流感应电信号，转换为交变电信号，供电信号处理单元进行后续数据处理。

所述的信号传导支架为门型或∏型结构；所述的第一、第二振动电极片为弹性簧片；所述的屏蔽壳体为金属壳体；所述的振动源驱动电路为常规压电陶瓷电/声换能电路或常规振荡/脉冲电路；所述的信号放大电路包括常规一级放大功能电路和二级放大功能电路；所述的整流电路为常规半波整流功能电路。

更进一步的，所述的振动源设置在第一、第二振动电极片的中/后端；所述的振动源为第一、第二压电陶瓷片，所述的第一、第二压电陶瓷片分别对应固结在第一、第二振动电极片的中/后端，所述第一、第二振动电极片的末端，分别对应固定在所述信号传导支架的两侧或信号传导支架的两侧立边上；

或者，所述的振动源为第一、第二继电器，所述的第一、第二继电器固结在所述信号传导支架的两侧或信号传导支架的两侧立边上，所述的第一、第二振动电极片分别对应固定在第一、第二继电器的动衔铁前端或动触点上。

本发明还提供了一种采用上述便携式静电检测装置进行静电检测的方法，其特征是：

所述的单片机电路I/O端输出控制信号，控制振动源驱动电路输出指定频率的振荡电压或脉冲信号；

所述的振荡电压驱动振动源发生振动，使得位于静电感应传感器中的第一、第二振动电极片的前端发生平行于信号接收窗口或金属质信号接收面的横向振动，带动位于第一、第二振动电极片前端的遮掩片交替遮挡/遮盖所述的信号接收窗口或金属质信号接收面；

采用机械振动的方式，通过第一、第二振动电极片前端的振动，将金属质信号接收面经信号接收窗口所感应/接收到的静电直流感应电压，转换为交变信号；

将交变电信号进行放大、整流，送入单片机电路进行数据记录、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

进一步的，所述的静电检测方法将所述金属质信号接收面所感应/接收到的静电直流感应电压，转换为交变电信号，将交变信号进行放大，经整流电路将交变电信号转换为直流信号，再经过模/数转换电路将模拟信号转化为数字信号，送入单片机电路，进行测量、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

当所述的金属质信号接收面感测到静电电压时，振动源驱动电路开始输出振动源驱动信号，振动源开始以指定频率进行振动，在振动源的驱动/带动下，第一、第二振动电极片前端的第一、第二遮掩片平行于信号接收窗口或金属质信号接收面，横向进行振动/摆动，交替遮挡/遮盖所述的信号接收窗口或金属质信号接收面，在金属质信号接收面上便会得到一个调制的交变感应电压，所述的交变感应电压，经高输入阻抗低噪声的前置放大器放大后，经整流电路将交变电信号转换为直流信号，送至后面的单片机电路，进行模/数转换、测量、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

其所述的指定频率为200～400Hz。

其所述的第一、第二振动电极片为同频同向振动或同频相向振动。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.采用第一、第二振动电极片的结构形式，通过机械振动的方式将静电电压转变为交变电压，从根本上解决了静电的定量检测问题，方便了数据的后续处理过程，提高了静电检测精度及测量数据的稳定性；

2.采用音叉振动方式横向遮断信号接收窗口或金属质信号接收面，振动的频率可控且十分稳定，有利于静电检测数据的准确性和稳定性，检测数据的可重复性/可再现程度好；

3.将静电电压转变为交变电压后，检测信号的后续处理过程或处理电路得以大大简化和便于实现；

4.采用分级放大电路对交变信号进行放大后，再进行整流、模/数变换和进行数据的后续处理，使得本技术方案从整体上具有了比现有检测装置灵敏度/准确度更高的检测手段和装置，使得现场静电检测的精度及稳定性大大提高。

附图说明

图1是本技术方案屏蔽壳体的结构示意图；

图2是本装置的机械结构示意图；

图3是屏蔽壳体另一结构的示意图

图4为本装置另一机械结构的示意图；

图5是本装置的电路模块构成示意图；

图6是本发明检测方法的流程框图。

图中1为屏蔽壳体，2为信号接收窗口，3为金属质静电信号接收面，4为信号传导支架，5为第一振动电极片，6为第二振动电极片，7为振动源，8-1、8-2为振动电极片首端的第一、第二遮掩片，9为静电信号接收面固定支架，10为电路板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1和图2中，本技术方案中的便携式静电检测装置，包括静电感应传感器和电信号处理单元，其中，静电感应传感器用于感应/接收待测的静电直流感应电压的静电感应传感器，电信号处理单元用于对检测数据进行后续处理和测量值的输出/显示。

本技术方案中的静电感应传感器，包括一带有信号接收窗口2的屏蔽壳体1，在壳体的信号接收窗口内部，对应设置一金属质静电信号接收面3；在壳体中设置电路板10和一个位于电路板上且绝缘的信号传导支架4；在信号传导支架上，设置带有振动源的第一、第二振动电极片5和6；第一、第二振动电极片的后端固定在信号传导支架上或经振动源固定在信号传导支架上，在第一、第二振动电极片的前端，设置有平行于金属质静电信号接收面的遮掩片，其遮掩片位于所述金属质静电信号接收面和壳体的信号接收窗口之间。

具体的，第一、第二遮掩片与其各自所在的第一、第二振动电极片前端分别对应成90度夹角设置。

进一步的，上述的第一、第二遮掩片，位于平行于金属质静电信号接收面的同一平面内，或位于平行于金属质静电信号接收面的不同平面内。

上述的信号传导支架为门型或∏型结构。

上述的第一、第二振动电极片为弹性簧片。

上述的屏蔽壳体为金属壳体。

更进一步的，上述的振动源设置在第一、第二振动电极片的中/后端。

上述的振动源为第一、第二压电陶瓷片或第一、第二继电器(图2中以压电陶瓷为例)。

当上述的振动源为第一、第二压电陶瓷片时，其第一、第二压电陶瓷片分别对应固结在第一、第二振动电极片的中/后端，所述第一、第二振动电极片的末端，分别对应固定在所述信号传导支架的两侧或信号传导支架的两侧立边上。

或者，当上述的振动源为第一、第二继电器时，其第一、第二继电器固结在所述信号传导支架的两侧或信号传导支架的两侧立边上，所述的第一、第二振动电极片的末端，分别对应固定在第一、第二继电器的动衔铁前端或动触点上。

实际进行检测工作时，第一、第二振动电极片在振动源的驱动下，构成一组振动频率可控的振动音叉，通过音叉的振动，使得位于第一、第二振动电极片首端的遮掩片交替遮挡信号接收窗口或金属质静电信号接收面，将金属质信号接收面经信号接收窗口所感应/接收到的静电直流感应电信号，转换为交变电信号，供电信号处理单元进行后续数据处理。

在图3和图4中，给出了另一种结构形式的静电感应传感器，为了图示画面的简洁，图中未画出位于第一、第二振动电极片首端的遮掩片。

其与图1和图2所示结构的区别在于，上一种结构布局方案中信号接收窗口和金属质静电信号接收面均为横向/水平设置(相对于电路板而言)，而本结构布局方案中信号接收窗口和金属质静电信号接收面均为竖向/垂直设置(同样是相对于电路板而言)，具体采用何种方案，视现场检测需要及制造工艺的需要而定，主要考虑的是装置的整体布局和便于对静电场强度进行检测。

其他同图1和图2。

图5中，本便携式静电检测装置的电信号处理单元至少包括振动源驱动电路、信号放大电路、整流电路和单片机电路；其中，振动源驱动电路与第一、第二振动电极片上的振动源电连接，信号放大电路的输入端与金属质静电信号接收面电连接，信号放大电路的输出端经过整流电路与单片机电路的I/O端口连接，单片机电路的I/O端与振动源驱动电路的控制信号输入端连接。

其振动源驱动电路为常规压电陶瓷电/声换能电路、功放电路或常规振荡电路、脉冲电路(视振动源的种类而定，采用压电陶瓷作为振动源，则选用压电陶瓷电/声换能电路或功放电路；选用继电器作为振动源，则采用振荡电路、脉冲电路，由于振动源与其驱动电源的匹配为现有技术，故在此不再叙述)。

所述的信号放大电路包括常规一级放大功能电路和二级放大功能电路。

所述的整流电路为常规半波整流功能电路。

进一步的，所述信号放大电路的输出端经过整流电路、模/数转换电路与单片机电路的I/O端口连接。

上述两种技术方案的差别在于，如果所选用的单片机芯片不具有模数转换功能的话选用后一种方案，将测得的交变信号经模/数变换(模拟信号数字化)后再送入单片机，如果单片机自身具备模/数转换功能的话，则直接将放大、整流后的信号送入单片机进行后续处理即可。

所述单片机电路的I/O端口与LCD显示屏、输入键盘相连接；所述单片机电路的I/O端口与上位机的通讯端口对应连接。

由于上述功能电路、输入/输出部件以及通讯技术均为现有技术，本领域的技术人员，在掌握和了解了本技术方案解决问题的思路后，无需经过创造性的劳动，即可再现本技术方案，实现其基本功能，故上述各个功能模块、电路的具体电路图和相互之间的具体连接关系，在此不再叙述。

图6中，给出了采用本装置进行静电检测的方法，其基本步骤包括：

A、单片机电路I/O端输出控制信号，控制振动源驱动电路输出指定频率的振荡电压或脉冲信号；

B、振荡电压或脉冲信号驱动振动源发生振动，使得位于静电感应传感器中的第一、第二振动电极片的前端发生平行于信号接收窗口或金属质信号接收面的横向振动，带动位于第一、第二振动电极片前端的遮掩片交替遮挡/遮盖所述的信号接收窗口或金属质信号接收面；

C、采用机械振动的方式，通过第一、第二振动电极片前端的振动，将金属质信号接收面经信号接收窗口所感应/接收到的静电直流感应电压，转换为交变信号；

D、将交变电信号进行放大、整流，送入单片机电路进行数据记录、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

进一步的，其所述的指定频率为200～400Hz。

其所述的第一、第二振动电极片为同频同向振动或同频相向振动。

由上述描述可知，当金属质信号接收面感测到静电电压时，由振动源驱动电路输出振动信号，通过第一、第二振动电极片前端的振动，带动位于第一、第二振动电极片前端的遮掩片，交替、机械式地打开和/或关闭信号接收窗口，金属质信号接收面上便会得到一个调制的感应电压，具有交流特性，这一交变的电压，经高输入阻抗低噪声的前置放大器(微弱信号放大)放大后，送至下面的电位测量及显示电路，进行处理完成。

本技术方案的关键点之一，就是通过上述机械振动的方式将静电电压转变为交变电压，以提高静电检测精度及稳定性。

本申请所述的静电检测方法将所述金属质信号接收面所感应/接收到的静电直流感应电压，转换为交变电信号，将交变信号进行放大，经整流电路将交变电信号转换为直流信号，再经过模/数转换电路将模拟信号转化为数字信号，送入单片机电路，进行测量、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

实际进行检测工作时，当金属质信号接收面感测到静电电压时，振动源驱动电路开始输出振动源驱动信号，振动源开始以指定频率进行振动，在振动源的驱动/带动下，第一、第二振动电极片前端的第一、第二遮掩片平行于信号接收窗口或金属质信号接收面，横向进行振动/摆动，交替遮挡/遮盖所述的信号接收窗口或金属质信号接收面，在金属质信号接收面上便会得到一个调制的交变感应电压，所述的交变感应电压，经高输入阻抗低噪声的前置放大器放大后，经整流电路将交变电信号转换为直流信号，送至后面的单片机电路，进行模/数转换、测量、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

正如在背景技术一节中所述的，由于现有的平板式静电检测表在实际使用中，误差较大，重复检测一致性得不到保证，故在实际生产应用中，此类静电检测表作为定性检测是没有问题的，但是作为定量分析使用，就勉为其难了。

目前国外已有新型的面电位传感器，例如：日本SUNX神视的表面电位传感器，很好地解决了静电检测中的精确度问题。

本技术方案，在采用面电位传感器作为静电感应传感器的基础上，采用机械振动的方式，将检测到的金属质信号接收面(相当于面电位传感器)经信号接收窗口所感应/接收到的静电直流感应电压，转换为交变信号，再将交变电信号进行放大、整流，送入单片机电路进行数据记录、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

与直流信号的信号处理(放大、变换、失真处理或远距离传送)相比较，现有技术中对交变信号进行处理的技术是非常成熟的，也是非常易于实现的。采用“直变交”后，后续信号处理部分得以大大简化和便于实现，且相对稳定，故本技术方案采用了“直变交”的信号转换/处理思路，根本上解决了静电的定量检测问题，且监测数据的后续放大/处理容易，检测数据的可重复性好，提高了静电检测的精度及稳定性。

本发明可广泛用于现场静电检测和便携式静电检测仪器制造等领域。

Claims (10)

1.一种便携式静电检测装置，包括静电感应传感器和电信号处理单元；所述的静电感应传感器用于感应/接收待测的静电直流感应电压，所述的电信号处理单元用于对检测数据进行后续处理和测量值的输出/显示，其特征是：

所述的静电感应传感器包括一带有信号接收窗口的屏蔽壳体；

在所述壳体的信号接收窗口内部，对应设置一金属质静电信号接收面；

在壳体中设置电路板和一个位于电路板上且绝缘的信号传导支架；

在所述的信号传导支架上，设置带有振动源的第一、第二振动电极片；

在所述第一、第二振动电极片的前端，设置平行于金属质静电信号接收面的第一、第二遮掩片；

所述第一、第二振动电极片的后端固定在信号传导支架上或经振动源固定在信号传导支架上，所述第一、第二振动电极片前端的遮掩片位于所述金属质静电信号接收面和壳体的信号接收窗口之间；

其所述的电信号处理单元至少包括振动源驱动电路、信号放大电路、整流电路和单片机电路；

其中，振动源驱动电路与第一、第二振动电极片上的振动源电连接，信号放大电路的输入端与金属质静电信号接收面电连接，信号放大电路的输出端经过整流电路与单片机电路的I/O端口连接，单片机电路的I/O端与振动源驱动电路的控制信号输入端连接。

2.按照权利要求1所述的便携式静电检测装置，其特征是所述信号放大电路的输出端经过整流电路、模/数转换电路与单片机电路的I/O端口连接；所述单片机电路的I/O端口与LCD显示屏、输入键盘相连接；所述单片机电路的I/O端口与上位机的通讯端口对应连接。

3.按照权利要求1所述的便携式静电检测装置，其特征是所述的第一、第二遮掩片，与其各自所在的第一、第二振动电极片前端分别对应成90度夹角设置；所述的第一、第二遮掩片，位于平行于金属质静电信号接收面的同一平面内，或位于平行于金属质静电信号接收面的不同平面内。

4.按照权利要求1所述的便携式静电检测装置，其特征是所述的第一、第二振动电极片在振动源的驱动下，构成一组振动频率可控的振动音叉，通过音叉的振动，使得位于第一、第二振动电极片首端的遮掩片交替遮挡信号接收窗口或金属质静电信号接收面，将金属质信号接收面经信号接收窗口所感应/接收到的静电直流感应电信号，转换为交变电信号，供电信号处理单元进行后续数据处理。

5.按照权利要求1所述的便携式静电检测装置，其特征是所述的信号传导支架为门型或∏型结构；所述的第一、第二振动电极片为弹性簧片；所述的屏蔽壳体为金属壳体；所述的振动源驱动电路为常规压电陶瓷电/声换能电路或常规振荡/脉冲电路；所述的信号放大电路包括常规一级放大功能电路和二级放大功能电路；所述的整流电路为常规半波整流功能电路。

6.按照权利要求1所述的便携式静电检测装置，其特征是所述的振动源设置在第一、第二振动电极片的中/后端；所述的振动源为第一、第二压电陶瓷片或第一、第二继电器；

所述的第一、第二压电陶瓷片分别对应固结在第一、第二振动电极片的中/后端，所述第一、第二振动电极片的末端，分别对应固定在所述信号传导支架的两侧或信号传导支架的两侧立边上；

所述的第一、第二继电器固结在所述信号传导支架的两侧或信号传导支架的两侧立边上，所述的第一、第二振动电极片分别对应固定在第一、第二继电器的动衔铁前端或动触点上。

7.一种采用权利要求1所述便携式静电检测装置进行静电检测的方法，其特征是：

所述的单片机电路I/O端输出控制信号，控制振动源驱动电路输出指定频率的振荡电压或脉冲信号；

所述的振荡电压或脉冲信号驱动振动源发生振动，使得位于静电感应传感器中的第一、第二振动电极片的前端发生平行于信号接收窗口或金属质信号接收面的横向振动，带动位于第一、第二振动电极片前端的遮掩片交替遮挡/遮盖所述的信号接收窗口或金属质信号接收面；

采用机械振动的方式，通过第一、第二振动电极片前端的振动，将金属质信号接收面经信号接收窗口所感应/接收到的静电直流感应电压，转换为交变信号；

将交变电信号进行放大、整流，送入单片机电路进行数据记录、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

8.按照权利要求7所述的静电检测方法，其特征是将所述金属质信号接收面所感应/接收到的静电直流感应电压，转换为交变电信号，将交变信号进行放大，经整流电路将交变电信号转换为直流信号，再经过模/数转换电路将模拟信号转化为数字信号，送入单片机电路，进行测量、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

9.按照权利要求7所述的静电检测方法，其特征是当所述的金属质信号接收面感测到静电电压时，振动源驱动电路开始输出振动源驱动信号，振动源开始以指定频率进行振动，在振动源的驱动/带动下，第一、第二振动电极片前端的第一、第二遮掩片平行于信号接收窗口或金属质信号接收面，横向进行振动/摆动，交替遮挡/遮盖所述的信号接收窗口或金属质信号接收面，在金属质信号接收面上便会得到一个调制的交变感应电压，所述的交变感应电压，经高输入阻抗低噪声的前置放大器放大后，经整流电路将交变电信号转换为直流信号，送至后面的单片机电路，进行模/数转换、测量、比较、储存、就地显示或经通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

10.按照权利要求7所述的静电检测方法，其特征是所述的指定频率为200～400Hz；所述的第一、第二振动电极片为同频同向振动或同频相向振动。

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