CN203519810U - 一种静电电荷分析仪校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的静电电荷分析仪校准装置，采用了电荷摆渡器通过机械旋转的接触电刷和摆渡电容器，将标准直流高压源的电荷传递到被校准仪器平板上，在平板电压校准时增加了安全性，即使人员接触裸露电极也不至于受伤，电荷摆渡器中电刷电路的两组串联电阻顺序接触方式，使充放电过程不产生静电火花，不对环境产生电磁干扰。本实用新型通过标准电容器将静电电容溯源到数字电桥。

Description

一种静电电荷分析仪校准装置

技术领域

本实用新型涉及一种静电电荷分析仪校准装置，属于机电一体化的仪器仪表领域。 

背景技术

静电电荷分析仪（Charge Analyzer），也称充电平板检测仪（CPM，Charge Plate Monitor），或充电平板分析仪（CPA，Charge Plate Analyzer），本实用新型中统称为“被校准仪器”。常见产品有3M公司的3M711，Monroe Electronics公司的268A等产品。该产品用于检测静电消电器、离子风机等静电防护设备的静电电荷中和的能力。对于离子风机等静电消除器的测试，国际和国内标准都有相应的规定和说明，如国际电工委员会标准IEC61340-5-2Electrostatics-Part5-2:Protection of electronic devices from electrosstatic phenomena-User guide,2007-08，美国标准ANSI ESD STM3.1-2006For the protection of electrostatic discharge susceptible items-Ionization[S].ESD Association,February26,2006，中国电子行业标准SJ/T10694-2006电子产品制造与应用系统防静电检测通用规范，中国航天科技集团公司标准Q/QJA121-2013航天电子产品防静电离子风机检测方法等标准中，对静电消除器（离子风机）的测试都需要用到这种被校准仪器。 

被校准仪器主要由空气介质的平板电容器，非接触式静电电压表，高压发生器，高压继电器，计时器，显示器和控制单元组成，见图1。所测量的参数有平板电压，衰减时间和残余电压等参数。平板电压，衡量平板上电荷量多少，衰减时间，衡量的是离子风机的静电消除速度；残余电压，是衡量离子风机造成电荷累计的程度。被校准仪器具有正、负电荷充电功能，静电电压测量和计时测量等功能。美国标准ANSI/ESD STM3.1-2006中对平板电容的尺寸规定为：平板面积S=15cm×15cm，平板间距D=1.875cm,包含支架、高压继电器引线在内，极板与地之间总电容值为（20±2）pF。在文献“静电防护测量仪器综述-电子测量与仪器学报2011Vol25.No11”中对该类测量仪器有详细描述。 

常见静电电荷分析仪的技术指标如下： 

被校准仪器的测量值是否准确可靠，需要用校准装置进行溯源，有五个需要校准的参数：平板电压示值误差，衰减时间示值误差，平板电容值，平板绝缘电阻值，门限电压值。静电电压可以溯源到直流电压计量标准上，衰减时间可以溯源到时间频率计量标准上，平板电容值可以溯源到标准电容器计量标准上。 

关于被校准仪器的计量校准方法，有一篇文献描述：工业与信息化部标准化研究院，国防电子元器件一级计量站的邢荣欣，赵昭，李洁的论文“充电平板检测仪校准方法”发表在国防计量学术交流会论文集2010年，和2012年微电子与元器件计量测试研讨会论文集上，该文提到“目前国内外对充电平板检测仪的测试校准没有相关的研究报道，也没有公开的测试校准方法发布。”美国标准ANSI/ESD STM3.1-2006主要规定了离子风机的检测方法，其中5.0TEST EQUIPMENT规定了静电电荷分析仪的技术要求，附录B给出了测量平板电容值的方法，该测量方法使用平板电压U，和库伦表测量得到的电荷量Q，来计算平板电容的C=Q/V。 

上述文献介绍的计量校准方法存在以下问题：（1）平板电压示值误差校准时，直流高压源直接与被校准仪器裸露的平板电极相连，通电后存在安全隐患，操作人员有触及高电压导体的危险，被校准仪器的平板若在接地或充电状态，也将会烧毁被校准仪器，若平板接地状态不明或绝缘不良，直流高压源输出电流可能过大，也会烧毁直流高压源，或触发供配电系统的漏电保护开关；（2）静电衰减时间校准时，邢荣欣的文献提出了专用的程控电压源的解决方案，给出了电压控制波形，如图2所示，但没有给出程控电压源实现方法，当被校准仪器处于充电状态时，将造成被校准仪器内部高压发生器与程控电压源同时加载到平板电极上，将造成两个电压源至少有一个将反向灌入电流的情况，有烧毁的隐患，另外程控电压源的程控时间溯源存在困难；（3）平板电容值测量时，邢荣欣的文献采用了ANSI/ESD STM3.1-2006提到的方法，即使用标准电压源给平板充电得到确定的电压U，再用库伦表测量电荷量Q的方法，计算C=Q/V，该方法需要将库伦表溯源到电荷量标准上，目前国内尚未建立电荷量计量标准，库仑表没有校准依据，因此溯源渠道不明确，且使用 库伦表时，平板充电电压不能太高，否则将烧毁库伦表； 

本实用新型提出了静电电容的概念，它不同于交流电容的概念。静电电容器的特点是并联绝缘电阻大于10¹²Ω，但是串联电阻在mΩ～GΩ量级，静电电容描述电容器存放静电电荷的能力，并不关心时间常数、损耗因数等参数。而交流电容有损耗的概念，因此有串联等效电容值C_s和并联等效电容值C_p的区别，当损耗因数D较大时C_s=C_p(1+D²)，（参考《电磁学计量》原子能出版社2002）。在实际电容器中C_s不等于C_p，因而用电桥测量静电电容时，受串联电阻和并联电阻的影响，当损耗因数D>0.1串联等效C_s和并联等效C_p均不能正确表达静电电容量值。但是当D<0.01时C_s与C_p相差万分之一，静电电容准确度要求不高时，可以忽略C_s与C_p的差异，此时交流电桥测量的串联或并联等效电容值都近似等于静电电容值。这也是静电电容量值能够溯源到交流电容的条件。国家计量检定规程《JJG183-1992标准电容器检定规程》，规定标准电容器，其损耗值D应小于0.001，所以标准电容器计量器具可以成为测量不确定度为0.01%的静电电容的计量标准。 

当损耗因数D<0.01时C_s与C_p相差万分之一，数字电桥分辨力已经不能区分C_s与C_p，两者都近似等于理想电容的电容量，但是此结果能否等于静电电容呢？损耗因数是在特定频率下定义的，不适用于静电电容定义。以下两个条件同时满足时，静电电容与交流电容的测量结果在允许误差范围内，可以认为是相等的： 

1、静电电容测量时，静电电容泄漏电阻的影响，在允许误差范围内； 

2、交流电容测量时，损耗因数的影响，使C_s与C_p之差，在允许误差范围内； 

若同时满足上述条件，则静电电容可以通过数字电桥溯源到电容计量标准。 

静电电容与交流电容在概念定义上的区别主要有：（1）在静电电容的定义中没有考虑串联电阻和并联电阻，但实际电容器中的串联电阻只要不影响充放电的似稳态，则不用考虑串联电阻的影响，但并联电阻太小，将造成电容上电荷泄漏，使静电电容失去定义。而在交流电容中，串联和并联电阻影响交流电容的损耗因数D，因而只能用串联等效电容C_s或并联等效电容C_p来描述，存在C_s=C_p(1+D²)的关系；（2）电容器的介质有极化弛豫现象，对交流电容频率特性有影响，而静电电容没有频率特性概念；（3）静电电容一般耐压很高，电容介质的电压系数会造成电容值对电压的非线性，交流电容耐压较低，电压系数表现较弱。（4）静电电容衡量电容器的电荷存储能力，交流电容衡量电容器对交变电场能量的吞吐能力。（5）测量静电电容的方法是充放电法，测量交流电容的方法是交流电桥法或正弦激励响应测量方法。 

静电电容的定义公式为： 

$C=\frac{Q}{U}$

式中：C----静电电容量，单位法拉[F]； 

Q----电容器上存储的静电电荷量，单位库伦[C]； 

U----电容器两极板之间的静电电压，单位伏特[V]。 

静电电容的等效电路，见图3，R_p为电容介质和其它泄漏路径上的并联电阻，也包括空气中带电离子中和电极上的电荷而形成的泄漏，当R_p小于一定数值时（如1×10¹²Ω），该电容不具备存储静电电荷的能力，将失去静电电容的定义条件。在等效电路中R_s是串联在电容充放电路径上的电阻，R_s在等效电路中不影响定义公式中的参数，只要测量时间足够长，测量静电电容的结果不会受R_s影响。 

综上所述，现有技术存在以下问题：（1）人员安全问题。被校准仪器的高压发生器和校准所用到的直流高压源均为高电压设备，而平板电极是裸露的金属导体，因此校准过程中存在高压触电的隐患。（2）设备安全问题。被校准仪器具有充电功能，当充电时内部高压发生器将接通到平板上面，校准时若外接了程控电源或高压电源，将会存在设备烧毁的隐患。（3）衰减时间计量问题。衰减时间校准所用的设备必须能够方便地获得计量检定或校准，而对程控电源时间控制功能的校准上没有依据。（4）静电电容与交流电容概念问题。静电电容与交流电容概念不同，使用数字电桥或交流电容测量仪测量是有条件的，只有满足绝缘电阻大和损耗因数小两个条件，才能测量。（5）静电电容测量的计量问题。使用库伦表测量静电电容，虽然符合静电电容的定义，但是电荷量的计量体系尚不完善，库伦表无法计量校准，利用电荷量测量电容的方法没有溯源性。 

实用新型内容

本实用新型解决技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种静电电荷分析仪校准装置，解决了平板电极触电隐患问题，仪器烧毁隐患等问题；增加了安全性，同时解决了电容器溯源问题；而且具有实用性。 

本实用新型的技术方案是：一种静电电荷分析仪校准装置，其特征在于包括：±（0～10）kV直流高压源（1）、±（0～10）kV高压表（2）、电荷摆渡器（3）、衰减时间校准装置（4）和静电电容测量装置（5）；所述直流高压源（1）、高压表（2）、电荷摆渡器（3）组成电压校准装置，用于校准被校准仪器（6）的平板电压，电荷摆渡器（3）一侧连接直流高压源（1）的输出端和接地端，另一侧连接被校准仪器（6）的平板（7）和接地端，高压表（2） 并联在直流高压源（1）的输出端和接地端，以直流高压源（1）或者高压表（2）作为标准，若直流高压电源（1）的最大允许误差小于被校准仪器的1/3，则不使用高压表（2）；所述衰减时间校准装置（4）用于校准被校准仪器（6）的衰减时间，衰减时间校准装置（4）连接被校准仪器（6）的平板（7）和接地端；所述静电电容测量装置（5）用于校准被校准仪器（6）的平板电容，静电电容测量装置（5）连接被校准仪器（6）的平板（7）和接地端子。 

所述电荷摆渡器（3）由转动电机（13），电刷电路（9）和摆渡电容器C₂组成，电刷电路（9）中转动电刷（8）的绝缘部分连接转动电机（13）的转动轴，电刷电路（9）中转动电刷（8）的导电部分连接和摆渡电容器C₂的一个电极，摆渡电容器C₂的另一个电极做为电刷电路（9）的接地端，电刷电路（9）的输入端连接直流高压源（1），电刷电路（9）的输出端连接被校准仪器（6）的平板（7），电刷电路（9）的接地端分别连接直流高压源（1）的接地端和被校准仪器（6）的接地端。 

所述电刷电路（9）包括转动电刷（8）、第一电极（10）、第二电极（11）和绝缘盘（12），第一电极（10）和第二电极（11）相互绝缘分布在绝缘盘（12）上，其中第一电极（10）连接直流高压源（1）的输出端，第二电极（11）连接被校准仪器（6）的平板（7），所述转动电刷（8）有绝缘部分和导电部分，转动电刷（8）的导电部分连接摆渡电容器C₂的一电极，摆渡电容器C₂的另一电极连接直流高压源（1）的地线和被校准仪器（6）的接地端，所述转动电机（13）的轴连接电刷（8）的绝缘部分。 

所述电刷电路（9）包括转动电刷（8）、第一电极（10）、第二电极（11）、绝缘盘（12）、输入电阻R_i1～R_im和输出电阻R_o1～R_om；所述第一电极（10）和第二电极（11）是一组裸露的金属导体，对应每一只电阻有个一独立的电极，每个独立的电极在转动电刷（8）导电部分转动的轨迹上呈弧状排列，各电极之间隔着绝缘部分，在绝缘盘（12）上以圆心为参考，第一电极（10）与第二电极（11）轴对称分布，不重叠，所间隔的绝缘部分使转动电刷（8）不能同时接触到第一电极（10）和第二电极（11），所述转动电刷（8）有绝缘部分和导电部分，转动电刷（8）的绝缘部分连接转动电机（13）的轴，转动电刷（8）的导电部分连接摆渡电容器C₂，转动电机（13）带动电刷（8）的导电部分旋转，使摆渡电容器C₂先后接触第一电极（10），然后开路，再接触第二电极（11），然后开路，循环重复；所述输入电阻R_i1～R_im的一端并联在一起作为电荷摆渡器（3）的输入端，各只电阻的另一端分别连接第一电极（10）中的独立电极，所述输出电阻R_o1～R_om的一端并联在一起作为电荷摆渡 器（3）的输出端，各只电阻的另一端分别连接第二电极（11）中的独立电极，转动电刷（8）转动依次接触到输入电阻R_i1～R_im，然后再依次接触到输出电阻R_o1～R_om，电阻值要求R_i1>R_i2>…>R_im，R_o1>R_o2>…>R_om，各阻值在0Ω～10⁹Ω范围内选择，输入和输出电路以圆心为轴，对称分布，连接时能够互换输入端和输出端位置。 

所述衰减时间校准装置（4）是以秒表为时间标准的装置，它由启动开关（18）和停止开关（19），秒表（14）、电阻R₇、R₈和放电电容器C₃组成；所述启动开关（18）和停止开关（19）是单刀双掷开关，有3个引脚，其中第2脚为“动触头”引脚，第1脚和第3脚为“静触头”引脚，放电电容器C₃的一个电极连接启动开关（18）的第2脚，放电电容器C₃的另一个电极连接启动开关（18）的第1脚和停止开关（19）的第2脚，以及连接被校准仪器（6）的接地端，启动开关（18）的第3脚串联电阻R₇，停止开关（19）的第3脚串联电阻R₈，电阻R₇、R₈并联在一起作为输出端，此输出端连接被校准仪器（6）的平板（7）；所述秒表（14）有启动/停止按钮（15）、复位按钮（16），启动/停止按钮（15）的启动操作和启动开关（18）在时间上同步，启动/停止按钮（15）的停止操作和停止开关（19）在时间上同步。 

所述衰减时间校准装置（4）是放电计时器装置，所述放电计时器（20）由微处理器CPU（27）、清零按钮（23）、设置时间按钮（24）、衰减按钮（25）、显示器（26）、放电电容C₃、放电电阻R₉、接地电阻R₁₀、NPN型开关三极管Q₁和Q₂，第一继电器J1和第二继电器J2，第一校准端（21）和第二校准端（22）组成；所述微处理器CPU（27）的引脚I/O分别连接按清零按钮（23）、设置时间按钮（24）、衰减按钮（25），显示器（26），开关三极管Q₁和Q₂的基极，第一校准端（21）和第二校准端（22）；所述显示器（26）由一组LED灯组成，每个LED灯对应一个衰减时间设定值T_s；放电电阻R₉、放电电容C₃、第一继电器J1的开关触点相互串联成为电容支路，接地电阻R₁₀、第二继电器J2的开关触点相互串联成为接地支路，电容支路和接地支路并联，再并联到被校准仪器（6）的平板（7）和接地点；第一继电器J1的线圈一端串联开关三极管Q₁的集电极，另一端接电源VCC，开关三极管Q₁的发射极接地，第二继电器J2的线圈一端串联开关三极管Q₂的集电极，另一端接电源VCC，开关三极管Q₂的发射极接地；所述第一校准端（21）连接微处理器CPU（27）的一个I/O引脚，所述第二校准端（22）连接微处理器CPU（27）的另一个I/O引脚。 

所述放电电容器C₃的选取范围为20pF～200pF，电容耐压大于10kV。 

所述电阻R₇、R₈、R₉、R₁₀阻值小于1.6MΩ时，充放电过程延时不超过1ms。 

所述启动开关（18）和停止开关（19）为耐压大于10kV的高压开关，开关的各个引脚之间和开关的手动部位之间绝缘电阻大于1×10¹⁴Ω。 

所述第一继电器J1和第二继电器J2为耐压大于10kV的高压继电器，绝缘电阻大于1×10¹⁴Ω。 

所述静电电容测量装置（5）由标准电容器C_ref、电阻R₁₁、耐压大于10kV的高压屏蔽导线（29）、接地电极（30）、接触电极（31）和绝缘把手（32）组成；所述标准电容器C_ref为两端屏蔽结构，有2个校准测量端子即高端H和低端L，高端H和低端L之间绝缘电阻大于2×10¹⁴Ω，其中低端L连接屏蔽结构的机壳（28）；高端H串联电阻R₁₁，电阻R₁₁再串联高压屏蔽导线（29）的芯线，耐压大于10kV的高压屏蔽导线（29）芯线再串联接触电极（31）；屏蔽结构的机壳（28）和高压屏蔽导线（29）的屏蔽皮和接地电极（30）以及被校准仪器（6）的接地端接在一起，绝缘把手（32）机械连接接触电极（31）；所述高压屏蔽导线（29）长度不小于30cm。 

本实用新型与现有技术相比的优点在于：本实用新型公开的静电电荷分析仪（或充电平板检测仪）校准装置和静电电容测量方法，采用了电荷摆渡器通过机械旋转的接触电刷和摆渡电容器，将标准直流高压源的电荷传递到被校准仪器平板上，在平板电压校准时增加了安全性，即使人员接触裸露电极也不至于受伤，电荷摆渡器中电刷电路的两组串联电阻顺序接触方式，使充放电过程不产生静电火花，不对环境产生电磁干扰。本实用新型提出了衰减时间校准的两个技术方案，利用放电电容器接触平板电极模拟平板电极放电过程，控制平板电压穿越上下门限，给出放电电容器的计算方法，使用秒表或放电计时器作时间标准，在放电计时器中提供校准信号输出，便于时间参数的溯源。本实用新型提出并联标准电容器的静电电容的测量装置，通过标准电容器将静电电容溯源到数字电桥，进而溯源到电容计量标准上。 

附图说明

图1是静电电荷分析仪原理示意图； 

图2是现有技术中的程控电压源输出波形示意图； 

图3是静电电容器等效电路图； 

图4是本实用新型装置总体示意图； 

图5是电荷摆渡器原理示意图； 

图6是电荷摆渡器的电刷电路示意图； 

图7是衰减时间定义与平板电压波形图； 

图8是放电电容器与秒表组成的衰减时间校准装置示意图； 

图9a和图9b分别是放电计时器内部结构示意图和显示按键示意图； 

图10是静电电容测量装置示意图。 

具体实施方式

一、校准装置总体描述 

如图4所示，本实用新型装置总体示意图。静电电荷分析仪校准装置，包括直流高压源1、高压表2、电荷摆渡器3，衰减时间校准装置4，静电电容测量装置5和被校准仪器6组成。所述直流高压源、高压表、电荷摆渡器用于校准被校准仪器的平板7电压，用直流高压源或者高压表作为标准，直流高压源的输出接到电荷摆渡器的一端，直流高压源的输出还连接高压表，电荷摆渡器的另一端连接被校准仪器的平板电极和接地端子，校准平板电压示值误差时，通过电荷摆渡器启动内部旋转电刷，对被校准仪器的平板充电，充电平衡后，比较直流高压源或者高压表的读数U_s与被校准仪器的读数U_x，计算示值误差：ΔU=U_s-U_x，通过直流高压源或直流高压表溯源到直流电压计量标准。所述衰减校准装置用于校准衰减时间，衰减校准装置连接被校准仪器的平板电极和接地端子，衰减校准装置有两个技术方案，两方案均控制放电电容器C₃与平板并联产生电压变化，方案一是以秒表读数T_s为时间标准，方案二是以放电计时器设置时间T_s为时间标准，与被校准仪器显示的静电衰减时间T_x相比较获得衰减时间示值误差ΔT=T_x-T_s，秒表和放电计时器均可以溯源到时间计量标准。所述静电电容测量装置用于测量被校准仪器的平板电容，静电电容测量装置连接被校准仪器的平板电极和接地端子，用一种静电电容测量方法，计算被平板的电容值，静电电容测量装置的在高端H与低端L之间的电容值能够通过数字电桥或电容测量仪溯源到电容计量标准。 

上面公式中：U_s----作为电压标准的直流高压源输出值或高压表显示值，单位V； 

U_x----被校准仪器平板电压显示值，单位V； 

ΔU---被校准仪器的平板电压示值误差，单位V； 

T_s----作为时间标准的秒表的读数或放电计时器设定值，单位s； 

T_x----被校准仪器的衰减时间显示值，单位s； 

ΔT----被校准仪器的衰减时间示值误差，单位s。 

二、平板电压校准实施方式 

被校准仪器的平板电压测量功能，与电压表相同，当被校准仪器的平板电极充电荷后，被校准仪器内部的非接触式静电电压表测量平板上对地的电压，并显示。校准示值误差时，若直流高压源设定值的最大允许误差小于被校准仪器示值误差允许极限的1/3，则可以不使用高压表，若直流高压源在测量期间的短期变化小于被校准仪器示值误差允许极限的1/5，且高压表的示值误差小于被校准仪器示值误差允许极限的1/3，则可以使用高压表作标准。直流高压源或者高压表的读数U_s与被校准仪器的读数U_x相比较，计算示值误差：ΔU=U_s-U_x。 

直流高压源直接加载到裸露的金属平板上会造成人员触电的危险，还可能误操作，同时接通了被校准仪器的内部高压发生器，而烧毁内部的高压发生器。因此直接给平板加载高压源是不可取的。需要使用电荷摆渡器，使平板电极不直接连接直流高电源，却能跟随直流高压源的输出电压。即使人员触及平板电极，也不至于人员受伤；或者因误操作使被校准仪器进入了充电功能，也不至于烧毁内部高压发生器。 

如图5所示，是本实用新型的电荷摆渡器原理示意图。所述电荷摆渡器3的由转动电机13，电刷电路9和摆渡电容器C₂组成，所述电刷电路9上有两个相互绝缘的固定电极10和11以及一个转动电刷8，其中固定电极10连接直流高压源的输出端，固定电极11连接被校准仪器的平板，转动电刷8的导电部分连接摆渡电容器C₂的一电极，摆渡电容器C₂的另一电极连接直流高压源的地线和被校准仪器的接地端，所述转动电机13的轴连接电刷8的绝缘部分，转动电机13带动电刷8旋转，使摆渡电容器C₂的一电极顺序接触直流高压源的输出和平板，将电荷从直流高压源送到平板，旋转往复，则直流高压源输出电压U_a和平板的电压U_n近似相等。设平板电压初始电压U₀，直流高压源输出电压U_a，电荷摆渡过程如下： 

第一步：摆渡电容C₂接触直流高压源充电后电压U_a，电荷量Q_a=C₂U_a，平板电容C₁初始电荷量Q₀=C₁U₀，。 

第二步：C₂接触平板电极，C₁+C₂并联电压变为U₁，

之后C₂再接触直流高压源获得电荷量Q_a=C₂U_a，C₁保持电压U₁； 

第三步：C₂接触平板电极，C₁+C₂并联电压变为U₂，

之后C₂再接 触直流高压源获得电荷量Q_a=C₂U_a，C₁保持电压U₂； 

第n步：C₁的电压

当n很大时，充电电压平衡U_n≈U_n-1,则U_n≈U_a，摆渡电容实现了直流高压源输出电压与平板电压相等。 

电荷摆渡器基于电荷守恒原理，使摆渡电荷的电容器C₂，多次循环接通直流高压源和平板电极，每循环一次，对平板电极进行一次电荷分配，称为摆渡。经历数次摆渡后，平板电压将逼近直流高压源的输出电压。摆渡的频率和电容值C₂决定了平均输出电流的大小，一旦发生触电和短路，直流电压源输出的电流受限于电荷摆渡的频率和电容大小，因此不会输出很大能量，提高了安全性。电荷摆渡器是本实用新型的创新之处，体现了安全设计的理念。 

例如平板电极电容C₁=20pF，摆渡电容C₂=100pF，直流高压源输出U_a=1000V，电刷转动周期600rpm（10Hz），平板电极初始电压为零时，经过6次摆渡即可使平板电容电压达到999.8V。 

若平板电极意外接地，直流高压源输出的平均电流和平均输出功率分别为： 

I=Q_a/T=Q_af=C₂U_af=100pF×1000V×10Hz=10^-6安培[A]； 

P=W/T=Wf=(1/2)C₂U_a ²f=(1/2)100pF×(1000V)²×10Hz=5×10^-4瓦特[W]。 

上面公式中：U_a----直流高压源输出电压，单位V； 

U_n-1----第n次电刷接触之前的平板电压，单位V； 

U_n----第n次电刷接触之后的平板电压，单位V； 

C₁----平板对地的电容值，单位F； 

C₂----摆渡电容器的电容值，单位F； 

I----直流高压源输出电流平均值，单位A； 

P----直流高压源输出功率平均值，单位W； 

f----电机旋转频率，单位Hz； 

在摆渡电容充放电过程中，若瞬间电流太大将会产生静电火花，对环境释放电磁干扰，为限制充放电的瞬间电流，应在摆渡电容充放电支路中串联电阻。在电刷接触过程中，应用多只电阻过渡，先串联较大阻值的电阻，再串入较小阻值的电阻，为此电刷电路需要多个成组的接触电极。 

如图6所示，是本实用新型的电荷摆渡器的电刷电路示意图。所述电刷电路9由绝缘 盘12，一组电极10，一组电极11，电刷8，一组输入电阻R_i1～R_im和一组输出电阻R_o1～R_om组成，所述电极10和11是一组裸露的金属导体，对应每一只电阻有个一独立的电极，每个独立的电极在电刷8导电部分转动的轨迹上呈弧状排列，各电极之间隔着绝缘部分，在绝缘盘12上以圆心为参考，一组电极10与另一组电极11轴对称分布，不重叠，所间隔的绝缘部分使电刷8不能同时接触到电极10和11，所述电刷8有绝缘部分和导电部分，电刷8的绝缘部分连接转动电机13的轴，电刷8的导电部分连接摆渡电容器C₂，转动电机13带动电刷8的导电部分旋转，使摆渡电容器C₂先后接触一组电极10，然后开路，再接触一组电极11，然后开路，循环重复；所述输入电阻R_i1～R_im的一端并联在一起作为电荷摆渡器3的输入端，各只电阻的另一端分别连接一组电极10中的独立电极，所述输出电阻R_o1～R_om的一端并联在一起作为电荷摆渡器3的输出端，各只电阻的另一端分别连接一组电极11中的独立电极，电刷8转动依次接触到电阻R_i1～R_im，然后依次接触到电阻R_o1～R_om，电阻要求R_i1>R_i2>…>R_im，R_o1>R_o2>…>R_om，各阻值在0Ω～10⁹Ω范围内选择，输入和输出电路以圆心为轴，对称分布，连接时可以互换输入端和输出端位置。 

三、衰减时间校准实施方式 

被校准仪器的衰减时间定义，见图7，为平板电极电压U从上门限电压V₁(+)或V₁(-)衰减到下门限电压V₂(+)或V₂(-)经过的时间Δt₊或Δt_-，分为正向衰减时间Δt₊和负向衰减时间Δt_-两种。衰减时间测量过程为：首先启动被校准仪器的充电操作，此时内部高压继电器将高压发生器与平板电极接通，当平板充电电压|U|超过上门限电压值|V₁|后，再进行衰减时间测量操作，使高压继电器断开，平板电极成为孤立导体，在空气离子电荷中和作用下，电压绝对值减少，当平板电压|U|小于等于上门限电压|V₁|时，内部计时器开始计时，直到平板电压|U|小于等于下门限电压值|V₂|时，计时器停止计时，并显示衰减时间。平板充正电压时，为正向衰减时间Δt₊；平板充负电压时，为负向衰减时间Δt_-； 

本实用新型的校准过程与上述过程类似，采用放电电容器改变平板电压，控制平板电压“穿越上门限”和“穿越下门限”两个过程，在两个过程之间使用秒表或放电计时器作为标准时间T_s，与被校准仪器显示的衰减时间T_x相比较获得衰减时间示值误差ΔT=T_x-T_s。 

本实用新型中衰减时间校准装置有两个技术方案，两方案均控制放电电容器C₃与平板并联产生电压变化，方案一是以秒表读数T_s为时间标准，方案二是以放电计时器设置时间T_s为时间标准。 

如图8所示，是本实用新型的放电电容器与秒表组成的衰减时间校准装置示意图。第 一种实现方案是以秒表为时间标准的装置，该装置：由启动开关18和停止开关19，秒表14、电阻R₇、R₈和放电电容器C₃组成；所述启动开关18和停止开关19是单刀双掷开关，有3个引脚，其中第2脚为“动触头”（术语引自GB/T2900.20-94）引脚，第1脚和第3脚为“静触头”引脚，放电电容器C₃的一个电极连接开关18的第2脚，放电电容器C₃的另一个电极连接启动开关18的第1脚和停止开关19的第2脚，以及连接被校准仪器6的接地端，开关18的第3脚串联电阻R₇，开关19的第3脚串联电阻R₈，电阻R₇、R₈并联在一起作为输出端，此输出端连接被校准仪器6的平板7；所述秒表14可送到计量机构检定，有启动/停止按钮15、复位按钮16； 

校准过程依次为：准备，充电、保持、计时、停止、计算六个过程； 

（1）准备：操作人员将启动开关18和停止开关19的第1脚和第2脚接通，将秒表复位； 

（2）充电：操作被校准仪器的充电功能，给平板充电到上门限电压V₁的（1.01～1.9）倍之间的任意电压； 

（3）保持：操作被校准仪器的衰减时间测量功能，平板电压保持绝对值大于上门限电压|V₁|的1.01倍； 

（4）计时：操作人员按下秒表启动/停止按钮，同时接通启动开关18的第2脚和第3脚，此时放电电容器C₃与平板并联，平板的电压U_t2穿越上门限电压V₁，满足条件|V|₁>|U_t2|>|V₂|，被校准仪器和秒表同时开始计时； 

（5）停止：经过T_s时间后，操作人员按下秒表停止按钮，同时接通停止开关19的第2脚和第3脚，把平板连同放电电容器C₃一起接地，平板的电压U_t2穿越下门限电压V₂，满足条件|V₂|>|U_t2|，被校准仪器的衰减时间显示为T_x，秒表的读数为T_s； 

（6）计算：被校准仪器的衰减时间示值误差ΔT=T_x-T_s。 

设计放电电容器C₃的计算如下： 

Q=C₁U_t1=(C₁+C₃)U_t2 $C_3=\frac{U_{t1}-U_{t2}}{U_{t2}}{C}_1{,U}_{t2}=\frac{C_1}{C_1+C_3}{U}_{t1}$

约束条件为：|V|₁>|U_t2|>|V₂| 

上面所述公式中： 

V₁----被校准仪器衰减时间测量功能所设定的上门限电压，单位V； 

V₂----被校准仪器衰减时间测量功能所设定的下门限电压，单位V； 

U_t1----平板初始充电保持的电压，单位V；； 

U_t2----放电电容器C₃与被校准仪器平板电极并联后的电压，单位V； 

T_s----秒表的读数，单位s； 

T_x----被校准仪器的衰减时间显示值，单位s； 

C₁----平板电极的电容值； 

C₃----放电电容器的电容值； 

ΔT----被校准仪器的衰减时间示值误差，单位s； 

假设上门限电压V₁=1000V，下门限电压V₂=100V，平板电容C₁=20pF，平板充电初始电压U_t1=1100V～1990V之间，则电容C₃的计算如下： 

假设U_t1=1990V，为满足1000V>U_t2>100V，C₃可选19.8pF<C₃<378pF； 

假设U_t1=1100V，为满足1000V>U_t2>100V，C₃可选2pF<C₃<200pF； 

取上述两种情况并集：19.8pF<C₃<200pF，电容耐压大于10kV。 

启动开关18和停止开关19为高压开关，各电极触头之间和操作部位之间绝缘电阻大于1×10¹⁴Ω。 

为了防止引线残余电感造成的振荡，放电路径上的电阻不应太小，设计较大的阻值能起到低通滤波作用，使穿越门限时平稳，模拟了静电衰变的现象。另外，静电电荷的快速释放会产生宽频电磁干扰，对环境产生影响。 

从开关第一次动作到平板电压等于1000V所经历的时间与C₁和C₃之间电阻R₈有关，C₁的电荷流到C₃的过程中，平衡电荷所用的时间将会对衰变时间的示值误差产生影响，因此要求放电电容C₃的支路上串联电阻R₈在一定范围内，假设此过程允许时间为1ms，相对被校准仪器衰减时间分辨力0.1s来说，1ms的延迟是被允许的。计算串联电阻R₈时，采用最不利的情况，即初始电压取大值1990V，电容C₃取大值200pF。得到电压函数： 

$u_1\left(t\right)={1809e}^{-\frac{1}{18.2\&times;{10}^{-12}{R}_8}t}+181$

当u₁(t)=1000V时，t=14.4×10^-12R₈，R₈=t/(14.4×10^-12)=(0.001/14.4)×10¹²=7×10⁷Ω, 

若使t<0.001s,则R₈应小于70MΩ 

从开关第二次动作到平板电压U₃降到100V所经历的时间与C₁和C₃两支路所串联的电阻R₇、R₈有关，C₁和C₃的电荷流到地线的过程中，穿越下门限电压100V所用的时间将会对衰变时间的示值误差产生影响，因此要求放电电容C₃的支路和接地支路上串联电阻 R₇、R₈在一定范围内，假设此过程允许时间为1ms，相对衰减时间分辨力0.1s来说，1ms的延迟是被允许的。计算串联电阻采用最不利的情况，即初始电压取大值999V，电容C₃取大值200pF，假设R₈=R₇。得到电压函数： 

$u_1\left(t\right)={524e}^{-0.00244\frac{t}{R_8}\&times;{10}^{12}}+{475e}^{-0.1026\frac{t}{R_8}\&times;{10}^{12}}$

基于上面函数，当u₁(t)=100V时，若使t<0.001s，则R₇、R₈应小于1.6MΩ。 

如图9a和图9b所示，是本实用新型的放电计时器内部结构和显示按键示意图。衰减时间校准装置4的第二种实现方案是放电计时器装置20，所述放电计时器20由微处理器CPU27，清零按钮23、设置时间按钮24、衰减按钮25，显示器26，放电电容C₃，放电电阻R₉，接地电阻R₁₀，NPN型开关三极管Q₁和Q₂，第一继电器J1和第二继电器J2，第一校准端21和第二校准端22组成；微处理器CPU27的引脚I/O分别连接清零按钮23、设置时间按钮24、衰减按钮25，显示器26，开关三极管Q₁和Q₂的基极，第一校准端21和第一校准端22；所述清零按钮23、设置时间按钮24、衰减按钮25为三个触点按钮：清零按钮23、设置时间按钮24、衰减按钮25，对应各自的操作程序；显示器26由一组LED灯组成，每个LED灯对应一个衰减时间设定值T_s；放电电阻R₉和放电电容C₃以及第一继电器J1的开关触点串联成为电容支路，接地电阻R₁₀和第二继电器J2的开关触点串联成为接地支路，电容支路和接地支路并联，再并联到被校准仪器6的平板7和接地点；第一继电器J1的线圈一端串联开关三极管Q₁的集电极，另一端接电源VCC，开关三极管Q₁的发射极接地，第二继电器J2的线圈一端串联开关三极管Q₂的集电极，另一端接电源VCC，开关三极管Q₂的发射极接地；微处理器CPU27控制第一继电器J1和第二继电器J2动作的同时，同步产生校准脉冲信号，从第一校准端21输出，脉冲宽度等于第一继电器J1动作与第二继电器J2动作的时间间隔T_s，以便溯源到时间标准；第二校准端22是微处理器CPU27内部计时器设置的固定频率的方波信号，用于校准CPU内部时间基准。 

为便于溯源到时间计量标准，CPU除了控制两个高压继电器开关外，还同时提供了两种校准信号，用CPU的I/O输出到第一校准端21和第二校准端22： 

第一校准端21=J1⊕J2，“异或”运算结果是一个脉冲，其脉宽为所控制的衰减时间T_s。该端口可外接计数器作为时间标准。 

第二校准端22=连续方波信号，是CPU内部计时器设置的固定频率的方波信号，用于校准CPU内部时间基准。 

微处理器CPU程序功能描述： 

清零按钮23“清零”按下后，先将第一继电器J1和第二继电器J2同时接通大于1ms的时间，再断开并保持断开状态； 

设置时间按钮24“设置时间”，每按一次，下一个LED灯点亮并保持，前一个LED灯熄灭，表示选择了下一个程序设定的标准衰减时间：0.5s、1s、2s、5s、10s、20s、50s依次轮巡，程序记录设定值T_s； 

衰减按钮25“衰减”按下后，程序进入衰减时间校准过程，依次在t=0时刻接通继电器J1，延迟设定的时间T_s后，再接通第二继电器J2，同时第一校准21端口输出脉宽为T_s的脉冲信号。 

基于上面的计算在1ms允许延迟的条件下，电阻R₉和R₁₀应不大于1.6MΩ，放电电容C₃选择范围20pF～200pF，电容耐压大于10kV。第一继电器J1和第二继电器J2为高压继电器，绝缘电阻大于1×10¹⁴Ω。继电器J1和J2动作延迟时间之差若超过1m_s时，应在程序设定T_x时修正。 

四、平板电容测量实施方式 

被校准仪器的平板电容是静电电容，它由平板电极，绝缘支架介质，空气介质，被校准仪器的机壳，以及连接内部高压继电器的引线、电阻和触点电容组成。 

如图10所示，是本实用新型的静电电容测量装置示意图。静电电容测量装置5由标准电容器C_ref，电阻R₁₁，高压屏蔽导线29、接地电极30、接触电极31、绝缘把手32组成，所述标准电容器C_ref是两端屏蔽结构，有2个校准测量端子：高端H和低端L，高端H和低端L之间绝缘电阻应大于2×10¹⁴Ω，其中低端L连接屏蔽结构的机壳28；高端H串联电阻R₁₁，电阻R₁₁再串联高压屏蔽导线29的芯线，高压屏蔽导线29芯线再串联接触电极31；屏蔽结构的机壳28和高压屏蔽导线29的屏蔽皮和接地电极30以及被校准仪器6的接地端接在一起，绝缘把手32机械连接接触电极31，操作人员能够手持绝缘把手32把接触电极31从接地电极30搬运到被校准仪器6的平板7上，高压屏蔽导线29长度不小于30cm。 

测量步骤如下： 

（1）用数字电桥或电容测量仪测量标准电容器C_ref，应满足C_ref的损耗因数D在1kHz条件下D<0.01。 

（2）将标准电容C_ref两极短路，使标准电容C_ref的电荷为清零； 

（3）将被校准仪器6的平板7的电容C₁充电后，再断开充电线路，使平板7成为孤立导体，电压保持U_t1，被校准仪器6中的非接触式静电电压表测量U_t1； 

（4）将标准电容器C_ref并联到被测平板电容C₁上，电压降为U_t2，被校准仪器6中非接触式静电电压表测量U_t2。 

（5）计算被测平板电容C₁为：

式中：C_ref----标准电容器在数字电桥或电容测量仪上的测量值； 

U_t1----被校准仪器平板的充电电压； 

U_t2----并联标准电容C_ref后被校准仪器平板的电压； 

（6）计算被测平板电容C₁的测量结果不确定度和扩展测量不确定度，包括第一部分由测量装置引入的测量不确定度，和第二部分由测量期间绝缘泄漏引入的测量不确定度，其中第二部分不需要扩展因子，两部分以绝对值最大的方法合成。 

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。 

Claims (11)

1.一种静电电荷分析仪校准装置，其特征在于包括：直流高压源（1）、高压表（2）、电荷摆渡器（3）、衰减时间校准装置（4）和静电电容测量装置（5）；所述直流高压源（1）、高压表（2）、电荷摆渡器（3）组成电压校准装置，电荷摆渡器（3）一侧连接直流高压源（1）的输出端和接地端，另一侧连接被校准仪器（6）的平板（7）和接地端，高压表（2）并联在直流高压源（1）的输出端和接地端，以直流高压源（1）或者高压表（2）作为标准，若直流高压电源（1）的最大允许误差小于被校准仪器的1/3，则不使用高压表（2）；所述衰减时间校准装置（4）连接被校准仪器（6）的平板（7）和接地端；所述静电电容测量装置（5）连接被校准仪器（6）的平板（7）和接地端子。 

2.根据权利要求1所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述电荷摆渡器（3）由转动电机（13），电刷电路（9）和摆渡电容器C₂组成，电刷电路（9）中转动电刷（8）的绝缘部分连接转动电机（13）的转动轴，电刷电路（9）中转动电刷（8）的导电部分连接和摆渡电容器C₂的一个电极，摆渡电容器C₂的另一个电极作为电刷电路（9）的接地端，电刷电路（9）的输入端连接直流高压源（1），电刷电路（9）的输出端连接被校准仪器（6）的平板（7），电刷电路（9）的接地端分别连接直流高压源（1）的接地端和被校准仪器（6）的接地端。 

3.根据权利要求2所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述电刷电路（9）包括转动电刷（8）、第一电极（10）、第二电极（11）和绝缘盘（12）；第一电极（10）和第二电极（11）相互绝缘分布在绝缘盘（12）上，其中第一电极（10）连接直流高压源（1）的输出端，第二电极（11）连接被校准仪器（6）的平板（7），所述转动电刷（8）有绝缘部分和导电部分，转动电刷（8）的导电部分连接摆渡电容器C₂的一电极，摆渡电容器C₂的另一电极连接直流高压源（1）的地线和被校准仪器（6）的接地端，所述转动电机（13）的轴连接电刷（8）的绝缘部分。 

4.根据权利要求2所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述电刷电路（9）包括转动电刷（8）、第一电极（10）、第二电极（11）、绝缘盘（12）、输入电阻R_i1～R_im和输出电阻R_o1～R_om；所述第一电极（10）和第二电极（11）是一组裸露的金属导体，对应每一只电阻有个一独立的电极，每个独立的电极在转动电刷（8）导电部分转动的轨迹上呈弧状排列，各电极之间隔着绝缘部分，在绝缘盘（12）上以圆心为参考，第一电极（10）与第二电极（11）轴对称分布，不重叠，所间隔的绝缘部分使转动电刷（8）不能同时接触到第一电极（10）和第二电极（11），所述转动电刷（8）有绝缘部分和导电部分，转动电刷（8） 的绝缘部分连接转动电机（13）的轴，转动电刷（8）的导电部分连接摆渡电容器C₂的一电极，摆渡电容器C₂的另一电极连接直流高压源（1）的地线和被校准仪器（6）的接地端；所述输入电阻R_i1～R_im的一端并联在一起作为电荷摆渡器（3）的输入端，各只电阻的另一端分别连接第一电极（10）中的独立电极，所述输出电阻R_o1～R_om的一端并联在一起作为电荷摆渡器（3）的输出端，各只电阻的另一端分别连接第二电极（11）中的独立电极，转动电刷（8）转动依次接触到输入电阻R_i1～R_im，然后再依次接触到输出电阻R_o1～R_om，电阻值要求R_i1>R_i2>…>R_im，R_o1>R_o2>…>R_om，各阻值在0Ω～10⁹Ω范围内选择，输入和输出电路以圆心为轴，对称分布，连接时能够互换输入端和输出端位置。 

5.根据权利要求1所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述衰减时间校准装置（4）是以秒表为时间标准的装置，它由启动开关（18）和停止开关（19），秒表（14）、电阻R₇、R₈和放电电容器C₃组成；所述启动开关（18）和停止开关（19）是单刀双掷开关，有3个引脚，其中第2脚为“动触头”引脚，第1脚和第3脚为“静触头”引脚，放电电容器C₃的一个电极连接启动开关（18）的第2脚，放电电容器C₃的另一个电极连接启动开关（18）的第1脚和停止开关（19）的第2脚，以及连接被校准仪器（6）的接地端，启动开关（18）的第3脚串联电阻R₇，停止开关（19）的第3脚串联电阻R₈，电阻R₇、R₈并联在一起作为输出端，此输出端连接被校准仪器（6）的平板（7）；所述秒表（14）有启动/停止按钮（15）、复位按钮（16），启动/停止按钮（15）的启动操作和启动开关（18）在时间上同步，启动/停止按钮（15）的停止操作和停止开关（19）在时间上同步。 

6.根据权利要求1所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述衰减时间校准装置（4）为放电计时器（20），所述放电计时器（20）由微处理器CPU（27）、清零按钮（23）、设置时间按钮（24）、衰减按钮（25）、显示器（26）、放电电容器C₃、放电电阻R₉、接地电阻R₁₀、NPN型开关三极管Q₁和Q₂，第一继电器J1和第二继电器J2，第一校准端（21）和第二校准端（22）组成；所述微处理器CPU（27）的引脚I/O分别连接按清零按钮（23）、设置时间按钮（24）、衰减按钮（25），显示器（26），开关三极管Q₁和Q₂的基极，第一校准端（21）和第二校准端（22）；所述显示器（26）由一组LED灯组成，每个LED灯对应一个衰减时间设定值T_s；放电电阻R₉、放电电容器C₃、第一继电器J1的开关触点相互串联成为电容支路，接地电阻R₁₀、第二继电器J2的开关触点相互串联成为接地支路，电容支路和接地支路并联，再并联到被校准仪器（6）的平板（7）和接地端；第一继电器J1的线圈一端串联开关三极管Q₁的集电极，另一端接电源VCC，开关三极管Q₁的发射极接地，第二继电器J2的线圈一端串联开关三极管Q₂的集电极，另一端接电源VCC，开关三极管Q₂的发射极接地；所述第一校准端（21）连接微处理器CPU（27）的一个I/O引脚，所述第二 校准端（22）连接微处理器CPU（27）的另一个I/O引脚。 

7.根据权利要求4或5所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述放电电容器C₃的选取范围为20pF～200pF，电容耐压大于10kV。 

8.根据权利要求4或5所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述电阻R₇、R₈、R₉、R₁₀阻值小于1.6MΩ时，充放电过程延时不超过1ms。 

9.根据权利要求5所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述启动开关（18）和停止开关（19）为耐压大于10kV的高压开关，开关的各个引脚之间和开关的手动部位之间绝缘电阻大于1×10¹⁴Ω。 

10.根据权利要求6所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述第一继电器J1和第二继电器J2为耐压大于10kV的高压继电器，绝缘电阻大于1×10¹⁴Ω。 

11.根据权利要求1所述的静电电荷分析仪校准装置，其特征在于：所述静电电容测量装置（5）由标准电容器C_ref、电阻R₁₁、耐压大于10kV的高压屏蔽导线（29）、接地电极（30）、接触电极（31）和绝缘把手（32）组成；所述标准电容器C_ref为两端屏蔽结构，有2个校准测量端子即高端H和低端L，高端H和低端L之间绝缘电阻大于2×10¹⁴Ω，其中低端L连接屏蔽结构的机壳（28）；高端H串联电阻R₁₁，电阻R₁₁再串联高压屏蔽导线（29）的芯线，高压屏蔽导线（29）的芯线再串联接触电极（31）；屏蔽结构的机壳（28）、高压屏蔽导线（29）的屏蔽皮、接地电极（30）、被校准仪器（6）的接地端接在一起，绝缘把手（32）机械固定在接触电极（31）上；所述高压屏蔽导线（29）长度不小于30cm。 

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