CN1664592A - 一种静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置，由模拟室、数据采集及处理系统相互连接组成，模拟室包括旋转摩擦盘、静止摩擦盘、测温探头、测湿探头、升降控制装置、驱动电机，旋转摩擦盘与静止摩擦盘相对安装，且与驱动电机连接，静止摩擦盘通过施力托盘与升降控制装置连接，数据采集及处理系统包括静电动态电位测量探头、主机、计算机，静电动态电位测量探头分别与主机、计算机依次相互连接。本装置结构完善，功能多，真实性强，信号处理能力强，可广泛应用于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，成本低廉，具有很强的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及静电测试技术领域，具体是指一种静电动态电位测量装置。
背景技术
静电放电(electrostatic discharge，简称ESD)是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。其产生的内因取决于物质的导电特性，体电阻率位于1011～1015Ω.cm范围内的物质最容易产生静电；外因则是多种多样，如物体间的摩擦、电场感应、介质极化、带电微粒附着等等。
ESD造成的故障和危害通称静电灾害。与常规电能量相比，静电能量比较小，往往被人们所忽视，但在静电放电过程中，瞬态大电流集中注入，易引起火灾、爆炸、人体电击等事故。自20世纪中期以来，随着工业生产的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用，ESD灾害日益严重，逐渐成为火工、化工、石油、粉末加工、燃气等行业引起火灾、爆炸等事故的主要诱发因素之一，也是亚麻、化纤等纺织行业加工过程中的质量及安全事故隐患之一，更是造成人体电击危害的重要原因之一。在微电子技术领域，由于ESD危害每年损失上百亿美元；在弹药、火工品及易燃易爆气体、粉尘存在的“静电危险场所”，因ESD危害造成许多燃烧、爆炸等恶性事故；在航天、航空方面，ESD危害曾使机毁人亡、火箭发射失败、卫星发生故障。因此，静电灾害防护研究是各个行业面临的重点安全技术之一。
静电灾害防护研究即静电安全工程学包括静电起/放电机理、静电作用机理、ESD模型、静电测试技术、静电防护设计等方面。其中静电测试技术地位特殊，它承担着探测“危险静电源”与评价材料静电性能的任务，无论是静电机理研究还是静电防护设计都依赖于它。换句话说，静电测试是研究和实施静电防护工程的技术基础，直接制约着静电防护理论与技术的发展。
静电测试的对象包括电位、电量、电容、电阻率、泄漏电阻、电荷衰减时间等参数。其中，对于静电防护措施的效能检验以及静电事故分析来说，最重要、最直观的判断依据就是静电电位的高低。因此，静电电压表的研制一直是静电测试的主攻方向。目前，根据工作方式来分，静电电压表分为接触式和非接触式两种；根据信号特性来分，静电电压表又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带电电位的测量，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。根据工作原理的不同，该类仪表分为直接感应式、交流调制式和空气电离式等三类。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。
在现代静电安全工程中，静电灾害概率的大小，不仅决定于危险静电源的静态电位的高低，而且与静电的动态电位更为关联。在危险货物搬运、堆码、车辆运输等作业过程中，静电的动态电位尤其关键，必须把其峰值电位控制在安全电位以下。因此，研制静电动态电位测试设备，准确测量不同环境条件下危险静电源的动态电位值，对于制定静电灾害的防护技术措施和进行静电安全管理工作是至关重要的。
目前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
本发明的目的就是为了克服现有技术的缺点和问题，提供一种能够对仓库、油轮、铁路/公路运输领域中无法实时全程检测的作业过程(如易燃、易爆类危险物品的运输、搬运、堆码等)，实现真实模拟，并能够连续、实时地记录、显示这些作业过程中积累的静电动态电位的大小、极性及动态波形的静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置。
本发明通过下述技术方案实现：所述静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置由模拟室、数据采集及处理系统相互连接组成，所述模拟室包括工作室、机座和机架，所述工作室安装在机座与机架之间，其顶部安装有机械手，内底面设有测温探头和加热管，内侧面设有吸湿盒和测湿探头；所述机座上安装有变频电机、机座控制器，所述机座控制器分别与测温探头、加热管、吸湿盒、测湿探头、变频电机电控连接，所述变频电机通过旋转轴与安装于工作室底部的旋转摩擦盘相连接，所述旋转摩擦盘上方相对安装有静止摩擦盘，静止摩擦盘通过施力轴与施力托盘下端固定连接，所述施力托盘内放置施力砝码，且施力托盘上端与安装在所述机架上的升降控制装置固定连接；所述数据采集及处理系统包括静电动态电位测量探头、主机、计算机，所述静电动态电位测量探头分别安装在施力轴和所述机械手上，且与主机、计算机依次相互连接。
为更好地实施本发明，所述旋转摩擦盘的形状为圆盘形，所述静止摩擦盘的形状为开口形、条形、三角形、三叶形等圆盘形以外的任意一种，所述摩擦材料的形状分别与各个旋转摩擦盘、静止摩擦盘的形状对应。
所述升降控制装置包括托盘上端滑轮、钢绳、机架滑轮组、蜗杆、摇柄，所述施力托盘上下端通过长螺栓与托盘上端滑轮的滑轮座相连接，钢绳一端与机架连接，其另一端通过托盘上端滑轮、机架滑轮组与所述蜗杆连接，蜗杆安装在所述机座后部，所述摇柄安装在蜗杆的端部。
所述升降控制装置的提升距离是0～200mm，各所述静电动态电位测量探头在垂直、水平方向的信号采样位置调整范围均为0～100mm。
所述变频电机的转速范围是0.1～522rpm，所述施力砝码的重量范围是10～200kg。
所述工作室的温度控制范围是20～60℃，湿度控制范围是20％～90％。
所述静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置的模拟试验方法包括：
(1)具体分析需要评估的危险作业工况，确定静电动态电位关联参数的设定值，包括摩擦材料、同时存在的摩擦数量、摩擦力、速度、湿度、温度；
(2)根据步骤(1)确定的所述摩擦材料、摩擦数量，将相应所述摩擦材料分别固定于各个所述旋转摩擦盘和静止摩擦盘上，且所述旋转摩擦盘的形状为圆盘形，静止摩擦盘的形状为开口形、条形、三角形、三叶形等圆盘形以外的任意一种，所述摩擦材料的形状分别与各个旋转摩擦盘、静止摩擦盘的形状对应；
(3)调整所述升降控制装置、各静止摩擦盘，并根据步骤(1)确定的摩擦力设定值，将所需数量的施力砝码放置于所述施力托盘内，使每组所述摩擦材料紧密接触，所述施力砝码的重量范围是10～200kg；
(4)将所述静电动态电位测量探头与主机、计算机依次连接好，并通过探头夹在各个静止摩擦盘上侧的施力轴上分别安装所述静电动态电位测量探头，且各静电动态电位测量探头位于相应的旋转摩擦盘固定的摩擦材料的上表面，设定各静电动态电位测量探头在垂直、水平方向的信号采样位置，其调整范围均为0～100mm，同时通过探头夹将另两个静电动态电位测量探头反向安装在所述机械手上；
(5)根据步骤(1)确定的温度、湿度设定值，通过控制所述机座控制器，使所述测温探头、测湿探头的示值达到所述设定值，所述工作室温度控制范围是20～60℃，湿度控制范围是20％～90％；
(6)根据步骤(1)确定的速度设定值，通过控制所述机座控制器，在0.1～522rpm范围之间设定所述变频电机转速，开启所述变频电机；
(7)通过控制所述主机、计算机，开启各所述静电动态电位测量探头，跟踪测量各所述摩擦材料的静电动态电位的大小、极性与动态波形，同时通过控制所述机座控制器，保持所述变频电机、旋转摩擦盘旋转持续5秒～10分钟；
(8)停止所述变频电机、旋转摩擦盘，同时迅速摇动所述蜗杆端部的摇柄，使两端分别固定在所述蜗杆、机架上的钢绳，通过所述机架滑轮组、托盘上端滑轮，带动所述升降控制装置连接的两组施力托盘迅速升起，其提升距离是0～200mm，实现相应2组所述摩擦材料迅速分离；
(9)调整所述机械手使2个所述静电动态电位测量探头分别位于步骤(8)所述分离后摩擦材料的上、下表面，且其在垂直、水平方向的信号采样位置调整范围均为0～100mm，分别对2组摩擦材料分离后各自表面所带的静电电位的大小、极性进行测量；
(10)通过所述计算机对上述各测量值进行保存、分析、处理，计算静电动态电位的多因素联合效应模拟试验结果。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
(1)结构完善，功能多。相对现有的静电动态电位测试仪器(ZPD-1和EST405)，本静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置增加了一个模拟室，使结构更为完善，同时显著拓展了EST405现有的测量功能，既保留了EST405的被动实时测量特点，又能够真实地模拟那些无法实时全程检测的作业过程，可连续、实时地记录、显示这些作业过程中积累的的静电动态电位的大小、极性及动态波形，并可进行静电产生机理的分析和静电序列的验证与修正，更为重要的是可以预先评估静电隐患严重而又无法实时测量的作业工况，有利于作业前针对性地做好静电防护措施；
(2)真实性强。分析表明，在需要模拟试验的领域中，危险货物的搬运作业过程同时出现的摩擦种类最多，其中最易产生静电动态电位的摩擦有四种：搬运工具与地坪之间、搬运工具与货物之间、搬运工具与货车之间、搬运工具与人体之间的摩擦等，通过本发明静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置，能够同时模拟四种摩擦，且湿度、温度、摩擦力等参数可宽量程调节，以便模拟出最恶劣的作业情况。
(3)信号处理能力强。本模拟试验装置所述数据采集及处理系统可以通过静电动态电位测量探头、主机、计算机，实现各组摩擦材料表面静电动态电位的实时跟踪测量，并通过计算机比较直观地显示被测对象的静电动态电位的大小、极性与动态波形。
(4)应用范围广。本发明可广泛应用于许多静电隐患较大的作业工况，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，且本模拟试验装置成本低廉，具有很强的应用价值。
附图说明
图1是本发明静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置结构示意图；
图2是图1所示旋转摩擦盘、静止摩擦盘的形状示意图；
图3是图1所示模拟室的左视图；
图4是图1所示模拟室的俯视图；
图5是图1所示静电动态电位测量探头安装结构示意图；
图6是图5所示A-A、B-B向局部视图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图1给出了本静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置的结构示意，如图1所示，本装置包括模拟室1、数据采集及处理系统，数据采集及处理系统由静电动态电位测量探头2、主机3、计算机4依次连接组成。
模拟室包括工作室5、机座6和机架7，工作室5安装在机座6与机架7之间，其顶部安装有机械手8，内底面设有测温探头9和加热管10，内侧面设有吸湿盒11和测湿探头12；机座6上安装有变频电机13、机座控制器14，机座控制器14分别与测温探头9、加热管10、吸湿盒11、测湿探头12、变频电机13电控连接，通过机座控制器14的控制，工作室5的温度控制范围是20～60℃，湿度控制范围是20％～90％，变频电机13的转速范围是0.1～522rpm，变频电机13通过4个旋转轴15与安装于工作室5底部的4个旋转摩擦盘16相连接，旋转摩擦盘16上方相对安装有4个静止摩擦盘17，摩擦材料18分别固定在静止摩擦盘17、旋转摩擦盘16上。如图2所示，旋转摩擦盘16的形状为圆盘形a，静止摩擦盘17的形状为圆盘形a以外的任意一种，可以是条形b、开口形c、三角形d、三叶形e等，摩擦材料18的形状分别与各个旋转摩擦盘16、静止摩擦盘17的形状对应。各静止摩擦盘17通过施力轴19与施力托盘20下端固定连接，四个施力托盘20内放置施力砝码21，各施力托盘20上的施力砝码21的重量范围分别是10～200kg。
施力托盘20上端与升降控制装置固定连接，如图1、3、4所示，升降控制装置安装在工作室5外上方的机架7上，包括托盘上端滑轮22、钢绳23、机架滑轮组24、蜗杆25、摇柄26，施力托盘20上下端通过长螺栓27与托盘上端滑轮22的滑轮座相连接，钢绳23一端与机架7连接，其另一端通过托盘上端滑轮22、机架滑轮组24与蜗杆25连接，蜗杆25安装在机座6后部，摇柄26安装在蜗杆25的端部，升降控制装置的提升距离是0～200mm。
如图5、6所示，机械手8安装在工作室5内顶部，位于与升降控制装置相连的两施力托盘20之间，3个静电动态电位测量探头2-1分别通过探头夹27安装在3个静止摩擦盘17上侧的施力轴15上，且该3个静电动态电位测量探头2-1均位于各旋转摩擦盘16固定的摩擦材料18的上表面，各静电动态电位测量探头2-1在垂直、水平方向的信号采样位置调整范围均为0～100mm；另2个静电动态电位测量探头2-2通过探头夹28反向安装在机械手8上，测量时，该2个静电动态电位测量探头2-2分别位于相应的旋转摩擦盘16、静止摩擦盘17固定的摩擦材料18的上、下表面，且其在垂直、水平方向的信号采样位置调整范围均为0～100mm。
本静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置的模拟试验工作过程如下：
(1)具体分析需要评估的危险作业工况，确定静电动态电位关联参数的设定值，包括摩擦材料、同时存在的摩擦数量、摩擦力、速度、湿度、温度；
(2)根据步骤(1)确定的摩擦材料、摩擦数量，将相应4组摩擦材料18分别固定于4个旋转摩擦盘16和静止摩擦盘17上，且旋转摩擦盘16的形状为圆盘形，静止摩擦盘17的形状为条形b、开口形c、三角形d、三叶形e，4组摩擦材料18的形状分别与4个旋转摩擦盘16、4个静止摩擦盘17的形状对应；
(3)调整升降控制装置、各静止摩擦盘17，并根据步骤(1)确定的摩擦力设定值，将所需数量的施力砝码21放置于施力托盘20内，使每组摩擦材料紧18密接触，施力砝码21的重量范围是10～200kg；
(4)将5静电动态电位测量探头2与主机3、计算机4依次连接好，并通过探头夹27在3个静止摩擦盘17上侧的施力轴15上分别安装静电动态电位测量探头2-1，且各静电动态电位测量探头2-1位于相应的旋转摩擦盘固定的摩擦材料18的上表面，设定各静电动态电位测量探头2-1在垂直、水平方向的信号采样位置，其调整范围均为0～100mm，同时通过探头夹28将另2个静电动态电位测量探头2-2反向安装在机械手8上；
(5)根据步骤(1)确定的温度、湿度设定值，通过控制机座控制器14，使测温探头9、测湿探头12的示值达到设定值，工作室5的温度控制范围是20～60℃，湿度控制范围是20％～90％；
(6)根据步骤(1)确定的速度设定值，通过控制机座控制器14，在0.1～522rpm范围之间设定变频电机13转速，开启变频电机13；
(7)通过控制主机3、计算机4，开启各静电动态电位测量探头2，跟踪测量各摩擦材料18的静电动态电位的大小、极性与动态波形，同时通过控制机座控制器14，保持变频电机13、旋转摩擦盘16旋转持续5秒～10分钟；
(8)停止变频电机13、旋转摩擦盘16，同时迅速摇动蜗杆25端部的摇柄26，使两端分别固定在蜗杆25、机架7上的钢绳23，通过机架滑轮组24、托盘上端滑轮22，带动升降控制装置连接的两组施力托盘20迅速升起，其提升距离是0～200mm，实现相应两组旋转摩擦盘16、静止摩擦盘17固定的摩擦材料18迅速分离；
(9)调整机械手8使2个静电动态电位测量探头2-2分别位于步骤(8)所述分离后摩擦材料18的上、下表面，且其在垂直、水平方向的信号采样位置调整范围均为0～100mm，分别对两组摩擦材料18分离后各自表面所带的静电电位的大小、极性进行测量；
(10)通过计算机对上述各测量值进行保存、分析、处理，计算静电动态电位的多因素联合效应模拟试验结果。
如上，即可较好地实现本发明。
Claims (5)
1、一种静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置，其特征在于：其由模拟室、数据采集及处理系统相互连接组成，所述模拟室包括工作室、机座和机架，所述工作室安装在机座与机架之间，其顶部安装有机械手，内底面设有测温探头和加热管，内侧面设有吸湿盒和测湿探头；所述机座上安装有变频电机、机座控制器，所述机座控制器分别与测温探头、加热管、吸湿盒、测湿探头、变频电机连接，所述变频电机通过旋转轴与安装于工作室底部的旋转摩擦盘相连接，所述旋转摩擦盘上方相对安装有静止摩擦盘，静止摩擦盘通过施力轴与施力托盘下端固定连接，所述施力托盘内放置施力砝码，且施力托盘上端与安装在所述机架上的升降控制装置固定连接；所述数据采集及处理系统包括静电动态电位测量探头、主机、计算机，所述静电动态电位测量探头分别安装在施力轴和所述机械手上，且与主机、计算机依次相互连接。
2、根据权利要求1所述一种静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置，其特征在于：所述旋转摩擦盘的形状为圆盘形，所述静止摩擦盘的形状为非圆盘形，包括开口形、条形、三角形、三叶形，所述摩擦材料的形状分别与各个旋转摩擦盘、静止摩擦盘的形状对应。
3、根据权利要求1所述一种静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置，其特征在于：所述升降控制装置包括托盘上端滑轮、钢绳、机架、机架滑轮组、蜗杆、摇柄，所述施力托盘上下端通过长螺栓与托盘上端滑轮的滑轮座相连接，钢绳一端与机架连接，其另一端通过托盘上端滑轮、机架滑轮组与所述蜗杆连接，蜗杆安装在所述机座后部，所述摇柄安装在蜗杆的端部。
4、根据权利要求1所述一种静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置，其特征在于：所述升降控制装置的提升距离是0～200mm，各所述静电动态电位测量探头在垂直、水平方向的信号采样位置调整范围均为0～100mm。
5、根据权利要求1所述一种静电动态电位的多因素联合效应模拟试验装置，其特征在于：所述工作室的温度控制范围是20～60℃，湿度控制范围是20％～90％。
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