CN103454610B

CN103454610B - 一种地毯上行走人体静电电位成像检测的校准系统

Info

Publication number: CN103454610B
Application number: CN201310461469.0A
Authority: CN
Inventors: 刘壮; 杨成丽; 付伟; 李政; 徐曙亮
Original assignee: SHANDONG TEXTILE RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: SHANDONG TEXTILE RESEARCH INSTITUTE
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103454610A

Abstract

本发明提供一种地毯上行走人体静电电位成像检测校准系统，它是产生模拟人体静电电位，对地毯上行走人体静电电位成像检测系统进行校准的装置，包括所述手持电极与所述电极等效电容、所述标准电容依次连接后一端设置与大地连接，另一端设置与所述静态/动态校准系统、所述I/O输入输出控制装置及所述校准装置相连接；所述电极等效电容及所述标准电容之间设置与所述放大电路、所述A/D转换电路依次相连后与所述校准装置相连接。采用上述方案，可以满足国内用户适用的性能先进的人体步行地毯静电测试系统，以适用国内各相关行业检测的要求，为全面评价地毯的静电性能提供了检测手段。

Description

一种地毯上行走人体静电电位成像检测的校准系统

技术领域

本发明属于地毯等铺地材料防静电领域，尤其涉及的是一种地毯上行走人体静电电位成像检测的校准系统。

背景技术

据欧美地毯协会的统计，欧美纤维铺地材料消费量占总铺地材料消费量的70%左右，其它硬质铺地材料如陶瓷、木质、塑料以及复合材料等只占总消费量的30%左右。随着生活水平的日益提高，越来越多的家庭也开始使用地毯。在美国，家用地毯占74.1%，商用地毯占21.9%，另外4%用于运输工具。家用地毯的比例还呈增长趋势，而在这种趋势必将带动世界地毯的需求，越来越多的家庭开始把地毯列入家装的范围，世界家用地毯需求趋势日益增长。有关人士认为，今后北美地毯市场仍以每年2％～3％的速率增长，但在亚洲的增长速度将达两位数。显然，亚洲是一个很有发展潜力的新兴地毯市场，各大城市不断增加各种公共设施项目，加上新建大量商务中心和酒店，无疑都对高档地毯发展起到巨大的促进作用。

地毯作为铺地材料有许多优点，根据我国的地毯业发展状况看来，2000年我国合成纤维地毯到达1.5亿m2,2010年地毯产量翻番产量超过3亿m2，羊毛地毯独特的吸湿性能使它与化纤地毯相比，具有更高的抗静电性能。但是国内生产的地毯用的材料多为化纤，做抗静电处理地毯比例较低，地毯静电带来的问题十分严重。

未经抗静电处理的化纤地毯缺点及其产生的危害：

(1)引发疾病：

人体在化纤地毯上行走时，鞋底与毯面摩擦使地毯产生静电，地毯静电可吸附空气中的尘埃，尘埃吸附在地毯簇绒空隙中，如果不及时清洗，长期驻留会产生霉变、寄生螨虫，散发到空气中易引发多种疾病。

(2)人体电击：人体在化纤地毯上行走时，鞋底与毯面摩擦，从而使鞋子和衣服带电，通过传导或感应，最终使人体各部分体位呈带电状态，带电人体一旦接触或接近接地体时，会由于静电放电产生瞬间冲击电流流过人体的接触部位引起电击。虽然电击一般不会导致人员死亡，但是由于人体受到电击刺激带来的精神紧张，会造成人的手脚动作失常，操作设备时造成失误，构成静电危害的“二次事故”。

(3)引发火灾或爆炸：

物体所带电荷在空间产生的电场强度超过介质的击穿电场强度时，会发生发光、破裂声等放电现象，这是静电场使带电体周围的气体发生电离的结果。当人体储存超过0.2mJ的静电能量时，可以通过接触或接近接地物体而放电，静电在0.15微秒的极短时间泄放，其能量足以引发氧气、丙烷、甲烷等可燃气体的燃烧或爆炸。

(4)造成电子产品损坏：

由于人体静电能量的泄放时间极短，瞬间脉冲电压很高，人体静电电位可达数千伏甚至上万伏，其能量足以烧毁或击穿敏感元器件，导致整个电子设备失灵。

降低静电危害的最有效手段就是预防，只有对地毯静电性能进行定性、定量测试分析，才能指导我们在生产制造地毯时如何对材料改性，最大程度降低地毯静电的产生。针对地毯的静电检测目前国内已经制定了相应的国家标准与国标准际接轨，但是没有相应的检测仪器，

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种地毯上行走人体静电电位成像检测的校准系统。

本发明的技术方案如下：

一种地毯上行走人体静电电位成像检测的校准系统，其中，包括手持电极、电极等效电容、标准电容,放大电路、A/D转换电路、静态/动态校准系统、I/O输入输出控制装置、校准装置相互连接相互通讯；所述手持电极与所述电极等效电容、所述标准电容依次连接后一端设置与大地连接，另一端设置与所述静态/动态校准系统、所述I/O输入输出控制装置及所述校准装置相连接；所述电极等效电容及所述标准电容之间设置与所述放大电路、所述A/D转换电路依次相连后与所述校准装置相连接。

所述的校准系统，其中，所述手持电极还与一传感器相连接，所述静态/动态校准系统输出电压值与所述手持电极感应到的电压值之间的关系为曲线，将整个曲线划分成若干区间，然后再根据所述输出电压值所在区间的斜率计算出所述手持电极感应到的电压值。

所述的校准系统，其中，所述斜率的计算公式为：

k = \frac{Y_{n} - Y_{1}}{X_{n} - X_{1}} = \frac{Y_{2} - Y_{1}}{X_{2} - X_{1}}

其中，k为分段曲线斜率；(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)为曲线两端标定点的坐标；X_n为被求点的X轴的坐标；Y_n为被求点的Y轴坐标。

所述的校准系统，其中，所述Y_n的计算公式为，当当X₁<X_n<X₂时，

Y_{n} = \frac{(Y_{2} - Y_{1}) \times (X_{n} - X_{1})}{X_{2} - X_{1}} + Y_{1}

当X₁>X_n>X₂时，

Y_{n} = \frac{(Y_{2} - Y_{1}) \times (X_{1} - X_{n})}{X_{1} - X_{2}} + Y_{1} .

所述的校准系统，其中，所述输出电压值设定为0V、±1000V、±2000V、±3000V、±4000V、±5000V、±10000V、±20000V。

所述的校准系统，其中，所述输出电压值设定为1±0.01kV，频率为2Hz，占空比为50%的矩形高压脉冲。

所述的校准系统，其中，所述静态/动态校准系统为一体化高压电源组。

所述的校准系统，其中，所述高压电源组包括高压真空继电器及保护电路。

所述的校准系统，其中，所述校准装置还设置与显示装置相连接。

采用上述技术方案，可以满足国内用户适用的性能先进的人体步行地毯静电测试系统，以适用国内各相关行业检测的要求，为全面评价地毯的静电性能提供了检测手段。本技术方案可以在自然条件下使用，使得所得出的数据更加有参考性，具有测试效率高并且测试成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：101为手持电极；102为电极等效电容103为标准电容，104为静态/动态校准系统，105为I/O输入输出控制装置，106为放大电路，107为A/D转换电路，108为校准装置，109为显示装置，110为大地。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

一般起电方式有接触起电、摩擦起电、光电起电、热电起电、发射起电、分散粒子起电、机械断裂起电及电晕起电。纤维材料静电大部分是在摩擦过程中产生的，其本质属于两物体接触作用，摩擦只不过是减小了接触间隙，增加了接触面积而已。

关于摩擦起电的机理主要有两种理论，一种为偶电层理论，一种为量子力学理论。

偶电层理论：

偶电层理论认为两种不同材料的固体相互接触就会产生静电。Volta-Helmholtz（伏特-亥姆霍兹，德国物理学家）认为两物体接触时，界面会形成偶电层。如果接触的比较紧密时，接触表面层的间距小于2.5×10^-7cm时（Harper认为此距离是电子隧道的最大距离），接触界面两侧的分子就会相互吸引，这种吸引作用是由于分子内部的原子核对彼此的电子吸引产生的，其吸引的结果使得界面两侧的电子移动并伴随离子化，形成了偶电层。两物体发生分离时，在分离过程中产生的电荷没有完全逃逸，两物体各自将对外显现静电现象。静电的产生过程：接触-电荷转移-偶电层形成-电荷分离。

量子力学理论：

认为两物体摩擦接触，当接触距离小于2.5×10-7cm时，产生热激发作用，赋予电子能量，使电子从高能位向低能位移动。即电子吸引力强的物体将吸引力弱的物体的部分电子吸引过去，从而使两物体带性质相反的电荷，带电后的物体有阻碍电子的移动，最终达到电子交换平衡。分离后的物体各自将对外显现静电现象。静电的产生过程：接触-温差-电子转移-电荷分离。

W = \frac{1}{2} QU = \frac{Q^{2}}{2 C} = \frac{1}{2} {CU}^{2}

W—机械能或摩擦功（J）

Q—带电量（C）

U—带电体的静电压（V）

C—带电体对地的电容（F）

对于各自的理论，对同一起电现象的有着不同解释。但其中电子转移是静电产生的根本原因。

本实施例中解决的是接触至分离过程人体静电电位的变化过程，研究对象主体是人，即人在地毯步行时，对人身体的静电电位变化特性测试。当在特定的条件下，人体的电位变化是与地毯电位变化是呈线性对应关系。因此，本实施例中的地毯静电测试并不是针对地毯本身的静电电位变化进行测量。

普通的静电电位计和静电电压计在测带电物体的电位时，只能显示其电位的数值变化。因此，普通的静电电位计和静电电压计不适宜带电人体动态高精度静电成像检测，本实施例中的地毯静电（人体步行法）测试系统，采用计算机采集系统可以迅速的将人体静电电位曲线实时显示，电位升压峰值等数据，以便观察、分析和保存。

如图1所示，本实施例中静态校准：将手持电极101与校准装置108的输出端连接，手持电极还与一感应器相连接，校准装置108控制调整静态/动态校准系统104输出值，调整静态/动态校准系统104为高压电源，其中高压电源104为校准装置108通过I/O输入输出控制装置105模拟人体产生静电的高压电源；控制输出正负电压值，正负电压值为0V、±1000V、±2000V、±3000V、±4000V、±5000V、±10000V和±20000V，其中放大电路106的放大倍数；根据实际检测到的手持电极101感应到的输出电压信号计算被测感应电压，输出电压与被测感应电压这两者之间的关系为曲线。由于被测电压的范围较宽，并且精度要求有较高，因此，无法采用输入信号和被测感应电压逐点对应查表的方法来求算被测感应电压。针对这种情况，可以先将整个曲线划分成若干区间，然后再根据输出电压信号所在区间的斜率来计算出感应电压。这样只要校准好相应的校准点，就可以对整条曲线进行分段线性插值。

假设已知一段曲线的坐标值(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)。已知该曲线上的某一点的X轴的坐标(X_n)，用线性插值法计算出该点的Y轴坐标值（Y_n)。这个计算值与实际值之间存在着些许误差，但是，只要标定点选择合理，计算值可以非常接近实际值。

插值公式：

k = \frac{Y_{n} - Y_{1}}{X_{n} - X_{1}} = \frac{Y_{2} - Y_{1}}{X_{2} - X_{1}}

式中：k为分段曲线斜率；(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)为曲线两端标定点的坐标；X_n为被求点的X轴的坐标；Y_n为被求点的Y轴坐标。

为了提高线性插值的效率，在插值计算中，尽量避免产生负数，把插值公式进行变换产生以下公式：

Y_{n} = \frac{(Y_{2} - Y_{1}) \times (X_{n} - X_{1})}{X_{2} - X_{1}} + Y_{1}

（当X₁<X_n<X₂时）

Y_{n} = \frac{(Y_{2} - Y_{1}) \times (X_{1} - X_{n})}{X_{1} - X_{2}} + Y_{1}

（当X₁>X_n>X₂时）

插值步骤：

1.选择校准点进行校准：根据标准要求和实际操作，选择的校准点的标准电压分别为0V、±1000V、±2000V、±3000V、±4000V、±5000V、±10000V和±20000V，把校准后得到的传感器输出电压和对应的感应电压存储到数据库中，方便调用。

2.插值区间查找：输入被求点的X轴的坐标值X_n后，将X_n于数据库中的所有X坐标值进行比较，从而确定该点所在的区间。

3.求Y轴坐标：用上一步中所确定的区间的坐标值(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)以及被求点的X轴的坐标值X_n，带入公式计算被求点的Y轴坐标值Y_n。

判断当X_n>X₁；且X_n>X₂时，则X_n>X₁且X_n>X₂，当X₁<X₂时，则X_n>X₁>X₂;判断当X_n>X₁；且X_n>X₂时，则X_n>X₁且X_n>X₂，当X₁>X₂时,则X_n>X₁>X₂;

判断当X_n>X₁；且X_n<X₂时，则X₁<X_n<X₂，当Y₁>Y₂时,则Y₁>Y₂;判断当X_n>X₁；且X_n<X₂时，则X₁<X_n<X₂，当Y₁<Y₂时,则Y₁<Y₂，则

Y_{n} = \frac{(Y_{2} - Y_{1}) \times (X_{n} - X_{1})}{X_{2} - X_{1}} + Y_{1};

判断当X_n<X₁；且X_n<X₂时，则X_n<X₁且X_n<X₂，当X₁<X₂时，则X_n<X₁<X₂;

判断当X_n<X₁；且X_n<X₂时，则X_n<X₁且X_n<X₂，当X₁>X₂时，则X_n<X₂<X₁;判断当X_n<X₁；且X_n>X₂时，则X₁>X_n>X₂，当Y₁>Y₂时，则Y₁>Y₂;判断当X_n<X₁；且X_n>X₂时，则X₁>X_n>X₂，当Y₁<Y₂时，则Y₁<Y₂，则

Y_{n} = \frac{(Y_{2} - Y_{1}) \times (X_{1} - X_{n})}{X_{1} - X_{2}} + Y_{1};

动态标定：输出产生1±0.01kV，频率为2Hz，占空比为50%的矩形高压脉冲，进行动态标定。

静态/动态校准系统104：测试电源采用一体化高压电源组，其控制原理为：测试电源采用一体化高压电源组，在高压回路里取样反馈，高压电流达到设定限流值时会自动反馈到控制器。当试样短路、击穿或阻值极度低于量程范围时，为了保护试样不被大的短路电流烧毁或仪器的测量电路不致因短路使电源过载，设置了短路保护功能。

静态/动态校准系统104还包括：高压真空继电器及保护电路；

高压真空继电器：高压输出控制继电器，耐压24kV，法兰式安装，接线简单，可更换线圈；耐磨钨触点，适用于频繁负载操作；最大释放时间9ms；机械寿命1百万次。

保护电路：采用中间继电器互锁控制，避免遇到强干扰信号或误操作，使高压继电器同时或两两工作，造成高压源短路或正负放电，从而损坏高压电源。

实施例2

在上述实施例的基础上，进一步提供一实施例，如图1所示，在上述实施例的基础上，进一步，提供一实施例，如图1所示，一种地毯上行走人体静电电位成像检测的校准系统，其中，包括手持电极101、电极等效电容102、标准电容103,放大电路106、A/D转换电路107、静态/动态校准系统104、I/O输入输出控制装置105、校准装置108相互连接相互通讯；所述手持电极101与所述电极等效电容102、所述标准电容103依次连接后一端设置与大地110连接，另一端设置与所述静态/动态校准系统104、所述I/O输入输出控制装置105及所述校准装置108相连接；所述电极等效电容102及所述标准电容103之间设置与所述放大电路106、所述A/D转换电路107依次相连后与所述校准装置108相连接。

上述实施例的基础上，进一步，所述校准装置108还设置与一个显示装置109相连接。

优选的，所述校准装置108为电脑；所述显示装置109为LED显示器。

上述实施例的基础上，进一步，所述静态/动态校准系统104为一体化高压电源组。

上述实施例的基础上，进一步，所述高压电源组104包括：高压真空继电器及保护电路。

上述实施例的基础上，进一步，所述保护电路为中间继电器互锁控制式保护电路。

上述实施例的基础上，进一步，所述手持电极101、所述电极等效电容102、所述标准电容103,所述放大电路106、所述A/D转换电路107、所述静态/动态校准系统104及所述I/O输入输出控制装置105均设置在一个落地式整体机柜中，并设置连接端口分别与所述校准装置108、所述显示装置109相连接。

优选的，所述整体机柜的底部装有可移动的脚轮；所述整体机柜采用金属板制成。机柜底部装有可移动的脚轮，方便现场测试。整体机柜采用金属板制成，具有屏蔽作用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种地毯上行走人体静电电位成像检测的校准系统,其特征在于，包括手持电极、电极等效电容、标准电容、放大电路、A/D转换电路、静态/动态校准系统、I/O输入输出控制装置、校准装置相互连接相互通讯；所述手持电极与所述电极等效电容、所述标准电容依次连接后一端设置与大地连接，另一端设置与所述静态/动态校准系统、所述I/O输入输出控制装置及所述校准装置相连接；所述电极等效电容及所述标准电容之间设置与所述放大电路、所述A/D转换电路依次相连后与所述校准装置相连接，所述手持电极还与一传感器相连接，所述静态/动态校准系统输出电压值与所述手持电极感应到的电压值之间的关系为曲线，将整个曲线划分成若干区间，然后再根据所述输出电压值所在区间的斜率计算出所述手持电极感应到的电压值，所述斜率的计算公式为：其中，k为分段曲线斜率；(X₁,Y₁)和(X₂,Y₂)为曲线两端标定点的坐标；X_n为被求点的X轴的坐标；Y_n为被求点的Y轴坐标；所述Y_n的计算公式为，当X₁＜X_n＜X₂时，当X₁＞X_n＞X₂时，所述输出电压值设定为0V、±1000V、±2000V、±3000V、±4000V、±5000V、±10000V、±20000V，频率为2Hz，占空比为50％的矩形高压脉冲，所述静态/动态校准系统为一体化高压电源组，所述静态/动态校准系统包括高压真空继电器及保护电路，所述校准装置还设置与显示装置相连接。