CN2165453Y - 集成数字静电电位计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种改进的振簧式静电电位测 量仪，其主要电路全集成化，以模块方式组合，整机体 积小、重量轻、功耗低；静电传感器内部互相电磁屏 蔽，A/D转换器与液晶数字显示器构成一个数字式 直流电压表，用以显示测量结果，因而本实用新型测 量精度高、稳定性好，并可与微机连接，进行静电方面 的实时测量或控制。

Description

本实用新型属于一种静电电位的测量仪器。

在各类静电测量仪器中，利用振动电极进行电位测量的振簧式静电计是比较先进的一种，在国内最早由本实用新型申请人开发成功，其成果已编入周锡忠编的《静电实验》一书中（如JC－1V型振簧式静电计）。但是该仪器也存在着一些问题：在探测头部分，场效应管易被高压火花放电击穿，振簧片与驱动装置的屏蔽效果较差，易相互干扰，以磷铜片作振簧片成本较高，而且硬度较差，容易变形；在电气部分，用变压器二极管等进行相敏检波造成信号衰减较大，放大器与振荡源的温漂、时漂比较严重，调零需用专用电源，扩程只能到1万伏。同时，所有器件均用分立元件，结构不紧凑，示值用机械式指针显示，惯性大，频率响应较差，且不能与微机相通进行实时测量或控制。

本实用新型的目的是要提供一种改进的非接触、振簧式静电电位测量仪，其中作为探测头的静电传感器具有较高的抗干扰能力，主机由各块集成电路构成，以数字显示测量结果，从而提高仪器的测量精度及稳定性。

本实用新型是这样实现的：静电传感器与主机用多芯屏蔽线连接，在静电传感器部分，振簧片、驱动装置和跟随器相互电磁屏蔽，置于金属腔体内，振簧片与跟随器之间加一个串联电阻，对瞬时脉冲放电起衰减作用，防止场效应管被高压火花放电击穿，并以黄铜片代替磷铜片作振簧片，降低制造成本。主机由扩程网络、集成放大器、集成相敏检波器、集成振荡器、调零器、负电源变换器、A／D转换器和数字显示器等八个部分组成，由静电传感器接收的测试信号经扩程网络进入集成放大器以后，与集成振荡器输出的作为参考信号的正弦波同时送往相敏检波器，检波后信号传到A／D转换器，A／D转换器采用单片CMOS双积分式大规模集成电路，与数字显示器一同构成一个数字式直流电压表，用以显示测量结果。此外，集成相敏检波器具有相敏检波和信号放大双重功能，由CMOS模拟开关、集成反相器和集成运放器组成，参考信号经过两个集成反相器产生两个相位相反的对称方波，能够控制两组CMOS模拟开关的通断，使被测信号的正负半周分别进入集成运放器的正负输入端，集成运放器的输出端得到被放大的同相脉动电压信号，再经过一个RC低通滤波器变为直流电压信号；集成振荡器采用一片集成运放电路构成文氏桥式振荡源，在其负反馈的一个支路中串接两个背靠背的齐纳二极管，用以稳定振幅，在负反馈的另一支路及正反馈的选频网络中分别设置一个微型多圈电位器，用于振频和振幅的精细微调，电路中的电容和电阻分别采用涤纶电容和金属膜电阻，以提高频率和振幅的稳定性。

与现有的静电电位测量仪相比，本实用新型以数字显示测量结果，直观方便；静电传感器灵敏度高、整机集成化设计，便于在各种测试现场的携带与操作；调零电路不设专用电源，省掉了一组工作负电源；仪器的测量精度较高，且具有较好的稳定性，连续开机3小时，测量误差小于±4％；与微机连接，可进行实时测量或控制。

以下结合附图对本实用新型作进一步的描述。

图1是本实用新型的工作框图。图中1为静电传感器，2为扩程网络，3为集成放大器，4为集成相敏检波器，5为集成振荡器，6为调零器，7为负电源变换器，8为A／D转换器，9为数字显示器，10为正电源。

图2是静电传感器1的剖面图。图中11为振簧片，12为绝缘块，13为金属腔体，14为固定螺丝，15为柱形铁，16为磁杯，17为导电弹簧，18为金属导线，19为传动杆，20为圆铁片，21为线圈，22为串联电阻23为跟随器，24为传感器输出端。

图3是集成相敏检波器4的电路图。图中26为模拟开关，27为CMOS模拟开关集成块，28为相敏检波信号输入端，29为相敏参考信号输入端，30为通用运放器，31为集成运放器，32为通微机A／D卡的输出端，33为低通滤波器，34为集成反相器。

图4是集成振荡器5的电路图。图中37为齐纳二极管，38为集成运放器，39为集成振荡器输出端，40、41为微型多圈电位器。

图5是负电源变换器7的电路图。图中42为正电源输入端，43为负电源输出端，44为单片电压转换器。

图6是A／D转换器8和数字显示器9的电路图。图中45为液晶显示器背电极，46为通LCD显示器的输出端，47为单片A／D集成块，48为限幅二极管，49为被测电压输入端，50、51为A／D芯片中振荡器引脚。

图7是本实用新型的面板图。图中52为数字显示器，53为电源开关，54为频率微调钮，55校正钮，56为量程钮，57为调零钮，58为校正电源开关，59为校正电源接线柱，60为信号输入插座。

如图2所示，静电传感器1上除了面对被测带电体的振簧片11是敞开的之外，其余部分均密闭于金属腔体13内，腔体13由三个依次为振簧片室、驱动器室和跟随器室的相互电磁屏蔽的隔离室构成。中间驱动器室中的电磁驱动装置由柱形铁15、线圈21、磁杯16、圆铁片20和传动杆19组成，圆铁片20焊在传动杆19上，传动杆19的一端用螺丝14固定在腔体13上，使圆铁片20不与柱形铁15和磁杯16接触，当处于正弦交变磁场中时能够上下自由振动，并通过传动杆19和用有机玻璃或聚四氟乙烯制成的绝缘块12带动振簧片11振动，这时振簧片11与被测带电体表面之间的电容量随之产生周期性变化，振簧片11上感应出一个周期性变化的电压讯号，通过金属小弹簧17和金属导线18送至跟随器室中的阻抗变换器。这里，振簧片11可用薄型黄铜片制成，其成本较低，且有较好的机械性能。腔体13由铸铁制成，其加工比较容易。为避免场效应管在高压火花放电时被损坏，在其栅极加上一个串联电阻22。

如图了所示，集成相敏检波器4由CMOS模拟开关27及集成运放器30、31组成。CMOS模拟开关27是由PMOS和NMOS场效应管并联组成的互补式开关，与通常采用的二极管或三极管相敏检波相比，其开关特性好、功耗小，不用电感元件、元器件少，电路较简单、调试方便。用作参考信号的正弦波由输入端29输入后，先经通用运算放大器30（如741型）进行过零检测，由集成反相器34a、34b产生两个相位相反的对称方波，控制两组开关交替通断：在输入信号的正半周，模拟开关26a、26d、导通，26b、26c关断，相当于电阻R2左端接地，R4左端接输入信号，信号经同相放大，由集成运放器31、输出正半周波形；在输入信号的负半周，开关状态与正半周相反，变为模拟开关26b、26c导通，26a、26d关断，电阻R4左端接地，R2左端接输入信号，电路成了反相放器，将信号的负半周反相后输出，这样在集成运放器31的输出端得到同相的脉动信号电压，再经过由电阻R6、电容C1组成的低通滤波器33，检出波形的直流电平，送住A／D转换器8或经输出端32送往微机A／D卡。R₅、R₃分别为集成运效器引的正、负反馈电阻。由此可知集成相敏检波器4不仅具有相敏检波的功能，而且能使检波后的信号放大，这就使得集成放大器3的放大倍数不必调得很大（原有仪器需四级放大），因而更为稳定。集成运放器31采用低漂移、高精度的集成运算放大器OP07CH，可大大减小电路的温漂和时漂，提高测试的精确度和稳定性。

图4所示的集成振荡器5连接于静电传感器1和集成相敏检波器4，采用一片低漂移、高精度的集成运放器38（如OP07CH）构成文氏电桥正弦波发生器，其振荡频率由电路中的电阻、电容等元件数值决定。信号通过集成运放器38由集成振荡器输出端39输出。37a、37b为两个背靠背的齐纳二极管，串接于电路负反馈的一个支路中，用以稳定振幅。两只微型多圈电位器40、41分别设置于电路负反馈的另一个支路及正反馈的选频网络中，可用来对振荡频率和振幅作精细微调，使振簧片11处于最佳振动状态，从而有效地抑制电路中由频漂而造成的不稳定性。

图5的负电源变换器7通过正电源输入端42和负电源输出端43与电路相连接，作用于集成放大器3、集成相敏检波器4、集成振荡器5及调零器6，其主要元件为一个八引脚单片电压转换器44（如7660集成片）和两个电容器C3、C4。这样就可使调零器6的正负电源直接取自工作电路电源，而不需要设置调零专用电源。

如图6所示，A／D转换器8与液晶显示器9组成一个精密的数字式直流电压表，用以直观地显示测量结果。A／D转换器8采用单片 位CMOS双积分式的大规模集成电路MAX130CPL或ICL7106CPL，其输入阻抗高达10¹⁰Ω，对输入信号无衰减作用，外围元件少，功耗低，工作电流小于2mA，具有自动调零和自动显示极性的功能。A／D转换器的输入端49上设置了两个过压保护二极管48a、48b，以防止产生高压击穿。在A／D集成芯片47的两个振荡引脚50、51之间采用晶振作时钟，以最大限度地排除来自交流网络的50Hz或60Hz共摸干扰。晶体管T₁、T₂、T₃及C₅和R₁₄－R₂₄等有关的阻容 元件组成一个电源电压过低显示电路，接于A／D芯片47的公共电极引脚与数字显示器9的“LO BAT”引脚之间，当9V电池的直流电压过低时，液晶显示器9的液晶屏上即可显示“LO BAT”，以提醒使用者及时更换电池。

扩程网络2主要起衰减作用，共分4档，其中×1、×10、×10²三档适用于振簧片11与被测带电体距离为5－10CM的一般场合，这时被测电位不可过高。由于本实用新型的静电电位测量范围可这20万伏，所以设置了×10³档，振簧片11与被测带电体表面可相距15－20CM，能在被测电位超过2万伏的情况下，确保不产生强电场击穿放电。电路的灵敏度提供了通过拉长测量距离提高放大倍数的可能性，因此由跟随器23输出的电压信号，可象×1档一样，不经衰减直接加到集成放大器3的输入端。

由于本实用新型是以电信号输出测试结果，因此可直接与微机连接，进行各种实时测量或控制。另外，若电池加限流电阻，并且胶封或蜡封密闭，则可制成本质安全型的静电电位计，能够胜任易燃、易爆等危险场所的静电测试工作。

Claims (9)

1、一种非接触的振簧式静电电位测量仪，包括用多芯屏蔽线连接的静电传感器1和主机两个部分，其中静电传感器带有振簧片11、驱动装置和跟随器23，主机由一组具有振荡、放大及相敏检波等功能的电子元器件组成，其特征在于，主机由扩程网络2、集成交流放大器3、集成相敏检波器4、集成振荡器5、调零器6、负电源变换器7、A/D转换器8及数字显示器9八个部分组成，由静电传感器1接收的测试信号经扩程网络2进入集成放大器3放大后，与集成振荡器5输出的作为参考信号的正弦波同时送往集成相敏检波器4，检波后的信号传到A/D转换器8，A/D转换器采用单片CMOS双积分式大规模集成电路，与数字显示器9一同构成一个数字式直流电压表。

2、按权利要求1的静电电位测量仪，其特征在于静电传感器1的振簧片11、驱动装置和跟随器23依次分别置于三个相互电磁屏蔽的隔离室中。

3、按权利要求2的静电电位测量仪，其特征在于静电传感器1的捺簧片11片用薄型黄铜片制成。

4、按权利要求2或3的静电电位测量仪，其特征在于静电传感器1中振簧片11与跟随器23之间有一个串联电阻22。

5、按权利要求1的静电电位测量仪，其特征在于具有相敏检波和信号放大双重功能的集成相敏检波器4，采用以两组场效应管26并联成互补式开关的CMOS模拟开关27、集成反相器34、集成运放器31及R2、R3、R4、R5电阻构成，参考信号经过两个集成反相器34a、34b产生两个相位相反的对称方波，进入CMOS模拟开关27和R2R4电阻、集成运放器31的正负输入端和电阻R3、R5后得到被放大的同相脉动电压信号，通过一个RC低通滤波器33变为直流电压信号。

6、按权利要求1的静电电位测量仪，其特征在于集成振荡器5采用一片集成运放电路构成文氏桥式振荡源，在其负反馈的一个支路中串接两个背靠背的齐纳二极管37a、37b，用以稳定振幅，在负反馈的另一个支路及正反馈的选频网络中分别设置一个微型多圈电位器40、41，用于振频和振幅的精细微调。

7、按权利要求1的静电电位测量仪，其特征在于采用集成电路的单片电压转换器44及两个电容器C3、C4将正电源变为负电源，调零器6的正负电源直接取自工作电路电源。

8、按权利要求1的静电电位测量仪，其特征在于A／D转换器8的输入端49设置了两个过压保护二极管48a、48b，A／D集成芯片47的两个振荡引脚50、51间采用晶振作时钟源，晶体管T1、T2、T3及有关阻容元件组成的电源电压过低显示电路，接于A／D蕊片的公共电极引脚与显示器9的“LO  BAT”脚之间。

9、按权利要求1或5至8的任何一种静电电位测量仪，其特征在于在主机的电池部分加限流电阻后全部胶封或蜡封。

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