《靜電傳感器通用規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)解讀

馬莎 聶麗梅 秦雪

摘 要：從標(biāo)準(zhǔn)需求、結(jié)構(gòu)、采標(biāo)情況和編制想法等方面介紹了國軍標(biāo)《靜電傳感器通用規(guī)范》。并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行深度剖析，最后提出了實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的建議和措施。

關(guān)鍵詞：通用規(guī)范；靜電；傳感器

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）23-0054-02

Abstract： In this paper， the general specification for electrostatic sensors of National military Standard is introduced from the aspects of standard requirement， structure， status of standard collection and ideas of compilation. And the main technical content of the standard in-depth analysis， and finally put forward the implementation of the standard recommendations and measures.

Keywords： generic specification； electrostatic； sensor

引言

靜電給人類社會(huì)已經(jīng)造成了重大損失和危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國從1960年到1975年，由于靜電放電引起的火災(zāi)爆炸事故就有116起。我國在20世紀(jì)中后期，石化企業(yè)曾發(fā)生30多起較大的靜電事故。靜電放電過程可形成高電壓、強(qiáng)電場、瞬時(shí)大電流，其電流波形的上升時(shí)間可小于1ns，并伴隨有強(qiáng)電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖（ESDEMP）。靜電放電電磁脈沖不僅可以對(duì)電子設(shè)備造成嚴(yán)重干擾和損傷，而且還可能形成潛在性危害，使電子設(shè)備的工作可靠性降低，引發(fā)重大工程事故。靜電一旦形成火花放電，瞬間釋放能量，形成高壓、瞬態(tài)大電流并伴隨強(qiáng)電磁輻射，能夠?qū)椝帯⑽淦餮b備、電子元器件等靜電敏感物質(zhì)造成嚴(yán)重危害。因此，要防止靜電造成危害，必須把相關(guān)的靜電參數(shù)控制在安全范圍之內(nèi)，所以對(duì)靜電相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量是非常必要的。

1 標(biāo)準(zhǔn)的體系

本規(guī)范在參數(shù)選擇、性能指標(biāo)充分參照了中國勞保所、日本小金井公司的系列產(chǎn)品的指標(biāo)體系，為了更好的反映和提升傳感器的水平，在涵蓋上述產(chǎn)品指標(biāo)的情況下進(jìn)行了補(bǔ)充，增加了對(duì)溫度穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的考核。

2 標(biāo)準(zhǔn)重要內(nèi)容的說明

2.1 對(duì)傳感器名稱的說明

GB/T 7665-2005中沒有靜電傳感器的術(shù)語，經(jīng)過查閱國內(nèi)外相關(guān)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)和樣本，主要產(chǎn)品名稱有2種：靜電電位傳感器和靜電傳感器，大多數(shù)采用的名稱為靜電傳感器（electrostatic sensors），所以本規(guī)范的產(chǎn)品名稱采用了靜電傳感器。

2.2 對(duì)適用范圍的說明

2.2.1 軍用靜電傳感器的適用范圍

（1）通過對(duì)靜電的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為靜電防護(hù)工程設(shè)計(jì)和改善產(chǎn)品自身抗靜電性能設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。（2）在軍工單位生產(chǎn)現(xiàn)場，判斷人體、設(shè)備、工裝器具等是否可能成為靜電放電危害源；檢測靜電防護(hù)器材（器具、工具、設(shè)備、材料）的性能和質(zhì)量；評(píng)價(jià)靜電防護(hù)措施的效果。（3）判斷軍用設(shè)備失效是否因靜電放電引起，為采取有針對(duì)性的措施提供依據(jù)。（4）評(píng)價(jià)靜電敏感電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量。

2.2.2 靜電測試的方式

（1）接觸式測試法

接觸式測試法是指測試儀器儀表與靜電源直接連接進(jìn)行測試的方法。在理論上，接觸法測量時(shí)，準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于非接觸法，但是實(shí)際上，接觸法受外界影響的因素過多，而且多數(shù)難以控制，導(dǎo)致最終測試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果差距很大，多數(shù)用于對(duì)準(zhǔn)確度要求不是很高的場合。對(duì)接觸法測量，不能或者難以控制的影響因素主要有：a.被測表面的清潔度；b.實(shí)際接觸面的面積和表面粗糙度；c.接觸時(shí)間；d.分離的速度；e.外部電場。其中，外部電場的影響是最不確定的因素，接觸式測試大多為手工操作，每個(gè)操作者都可能成為帶電者并形成外部電場，接觸式測試的結(jié)果很難再現(xiàn)。接觸法測量只能適用于測量金屬體的靜電電壓；而且接觸式測試法中，讀數(shù)會(huì)隨時(shí)間按指數(shù)衰減，所以接觸式測試法不能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)于大型設(shè)備的內(nèi)部靜電測試無能為力。在軍用領(lǐng)域基本沒有應(yīng)用的價(jià)值。

（2）非接觸式測試法

非接觸式測試法是指測試儀器儀表部直接與靜電源連接進(jìn)行測試的方法。對(duì)于軍用領(lǐng)域，多數(shù)采用非接觸測試法的靜電傳感器。通過非接觸法測試的靜電傳感器可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部監(jiān)控：利用小型的傳感器探頭和智能放大器可實(shí)現(xiàn)大型測量設(shè)備不方便測量內(nèi)部工件的靜電，并且做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。

采用非接觸式測試法的靜電傳感器共有四種類型：a.直接感應(yīng)放大式靜電傳感器。此類傳感器的特點(diǎn)是測試值會(huì)隨著測試時(shí)間的推移指數(shù)衰減，而且衰減的速度很難控制；并且該類傳感器的零點(diǎn)漂移非常嚴(yán)重，準(zhǔn)確度不高，因此該類傳感器在軍用領(lǐng)域基本沒有應(yīng)用的價(jià)值。b.集電式靜電傳感器。集電式靜電傳感器在實(shí)際使用中存在幾個(gè)問題：此類傳感器敏感探頭對(duì)氣流比較敏感，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到空氣流動(dòng)的影響；該類傳感器探頭內(nèi)含有放射性同位素，雖然屏蔽筒內(nèi)通常已經(jīng)加入鉛防護(hù)層，但是傳感器探頭正面沒有防護(hù)措施，使用時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生一定的影響；該類傳感器的敏感部分（放射源）采用的放射性同位素的半衰期較短，導(dǎo)致此類傳感器的使用壽命受到很大的影響，并且在半衰期內(nèi)的傳感器也會(huì)隨著時(shí)間的推移靈敏度逐漸降低。綜上，該類傳感器環(huán)境耐受力差，不能長期使用，而且性能會(huì)隨時(shí)間的推移降低，而且可能對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生影響，所以該類傳感器也不適于軍用領(lǐng)域。

（3）振動(dòng)電容式靜電傳感器

振動(dòng)電容式靜電傳感器的探頭電極通過振動(dòng)使探頭電極與被測帶電體間的電容呈周期變化，產(chǎn)生一個(gè)呈周期變化的電位信號(hào)，然后通過靜電變換器采集、轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)，從而完成對(duì)帶電體靜電電位的測試。

振動(dòng)電容式靜電傳感器優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、時(shí)間穩(wěn)定性好、使用壽命長等特點(diǎn)，適合長期使用；唯一的缺點(diǎn)工作狀態(tài)容易受低溫高濕的環(huán)境影響，結(jié)冰和結(jié)露都會(huì)影響極片的振動(dòng)。目前，國內(nèi)外大都采用振動(dòng)電容式原理測量靜電。

（4）旋葉式靜電傳感器

旋葉式靜電傳感器運(yùn)行靠高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功耗較大、體積大、準(zhǔn)確度受旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)速及機(jī)械磨損程度影響較大，不適合長期使用；但是旋葉式傳感器可以在低溫高濕的環(huán)境下使用，可以彌補(bǔ)振動(dòng)電容式靜電傳感器的不足。因此，軍用靜電傳感器一般包括振動(dòng)電容式和旋葉式兩種，而本規(guī)范也僅適用于采用非接觸法測試的振動(dòng)電容式靜電傳感器和旋葉式靜電傳感器。

2.3 感應(yīng)距離的說明

經(jīng)過大量的試驗(yàn)和理論分析，測量距離的變化對(duì)靜電傳感器的輸出有很大的影響，為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀與準(zhǔn)確，本規(guī)范規(guī)定了在傳感器校準(zhǔn)過程中，傳感器與極板之間的距離應(yīng)在感應(yīng)距離范圍內(nèi)且保持不變。

在感應(yīng)距離的測試方法中，電壓和感應(yīng)距離變化均會(huì)導(dǎo)致傳感器的輸出發(fā)生變化，所以本規(guī)范規(guī)定在測量范圍內(nèi)對(duì)極板施加一個(gè)任意不變的電壓，在感應(yīng)距離的范圍內(nèi)均勻的選取包括上限、下限和中間位置的5個(gè)點(diǎn)測試傳感器輸出均滿足要求。

2.4 熱靈敏度漂移

由于熱靈敏度漂移試驗(yàn)中，需要對(duì)靜電傳感器加上限或者下限的載荷，而試驗(yàn)需要在溫度試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，極板與溫度試驗(yàn)箱會(huì)產(chǎn)生相互的影響。（1）由于溫度試驗(yàn)箱的空間一般相對(duì)狹小，溫度試驗(yàn)箱的壁板會(huì)改變靜電場的形狀，從而導(dǎo)致靜電場不均勻，嚴(yán)重影響測試結(jié)果。（2）如果靜電發(fā)生器向極板施加的電壓足夠大，在溫度試驗(yàn)箱狹小空間內(nèi)，極板會(huì)產(chǎn)生放電的現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響測試結(jié)果。（3）極板產(chǎn)生的電場可能會(huì)對(duì)溫度試驗(yàn)箱的電性能產(chǎn)生影響。考慮到測試方法的局限性和成本問題，傳感器行業(yè)中一般不會(huì)采用特殊溫度試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)。

2.5 響應(yīng)時(shí)間

靜電發(fā)生器很難直接產(chǎn)生穩(wěn)定的階躍信號(hào)，所以響應(yīng)時(shí)間的測試參照了熱流傳感器的測試方法，利用接地的金屬板阻隔靜電場，然后通過快速移走金屬板的方法為傳感器提供階躍信號(hào)。阻擋用的金屬板的尺寸應(yīng)大于極板的尺寸，所以本規(guī)范中規(guī)定金屬板的尺寸由相關(guān)詳細(xì)規(guī)范規(guī)定。在實(shí)際操作過程中，金屬板的位置不能過于靠近極板，避免發(fā)生放電現(xiàn)象。本規(guī)范規(guī)定金屬板應(yīng)放置在極板與傳感器探頭的中間位置。

2.6 靜態(tài)校準(zhǔn)

受國內(nèi)測試設(shè)備限制，國內(nèi)現(xiàn)有的靜電發(fā)生器最多可以產(chǎn)生±30kV的電壓。所以本規(guī)范規(guī)定量程超過±30kV的靜電傳感器校準(zhǔn)在±30kV的范圍內(nèi)選取測試點(diǎn)。

3 實(shí)施本標(biāo)準(zhǔn)的措施及建議

3.1 實(shí)施本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)根據(jù)需求選取試驗(yàn)項(xiàng)目

適用本標(biāo)準(zhǔn)的靜電傳感器多數(shù)使用在軍用生產(chǎn)場地、貯存庫房、導(dǎo)彈和飛行器等環(huán)境下，在實(shí)施過程中除傳感器必須做的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目外還應(yīng)根據(jù)靜電傳感器的實(shí)際使用環(huán)境慎重選擇標(biāo)準(zhǔn)中的“規(guī)定時(shí)”的項(xiàng)目，不能一味的強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的水平而力求全面覆蓋。

3.2 試驗(yàn)條件應(yīng)合理剪裁

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)平臺(tái)基本代表了靜電傳感器國內(nèi)的主流水平，但是制定標(biāo)準(zhǔn)的過程中考慮到行業(yè)前景和制訂標(biāo)準(zhǔn)的前瞻性，本標(biāo)準(zhǔn)在很多試驗(yàn)條件上進(jìn)行了適當(dāng)外延。在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的過程中研制單位應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際水平和用戶的實(shí)際需求對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行剪裁，以免對(duì)科研生產(chǎn)活動(dòng)造成阻礙。

4 結(jié)束語

我單位在靜電傳感器的開發(fā)、研制和生產(chǎn)方面開展了大量的工作，開發(fā)研制了靜電傳感器新品型號(hào)課題和多項(xiàng)靜電傳感器軍品配套生產(chǎn)任務(wù)，本規(guī)范中的大部分測試方法和條件已經(jīng)過充分的驗(yàn)證，證明了本標(biāo)準(zhǔn)中的測試方法是可行、有效的。本標(biāo)準(zhǔn)中所采用的環(huán)境試驗(yàn)方法和條件都是根據(jù)各大型號(hào)配套工程所提出的試驗(yàn)條件進(jìn)行規(guī)定的，在我所的生產(chǎn)和研制中也進(jìn)行了幾年的驗(yàn)證，方法合理。通過本標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將會(huì)提高我國靜電傳感器的生產(chǎn)水平，更好地為我國建設(shè)和重點(diǎn)工程提供可靠的保障，在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益方面也會(huì)有很大的提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]于娜，柴壽臣，任國晶，等.振動(dòng)電容式靜電傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010（05）.