靜電電荷量傳感器標定技術(shù)研究

李曉青 袁亞飛 楊 銘 季啟政

(北京東方計量測試研究所，北京 100094)

1 引 言

靜電電荷量傳感器是一種基于靜電感應原理的傳感器，它主要應用于氣固兩相流的檢測過程中。它具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，靈敏度高等特點，廣泛應用于電力，冶金，化工，環(huán)保，醫(yī)藥，國防建設，航空航天等領(lǐng)域。目前其最熱門的應用是基于靜電電荷量傳感器的航空發(fā)動機的油路及氣路磨粒監(jiān)測系統(tǒng)。

上世紀六七十年代國外已經(jīng)開始了對靜電電荷量傳感器的相關(guān)研究，Mathur和Klinzing最早將靜電傳感器和相關(guān)信號處理技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)了管道中固體顆粒速度的測量[1～3]；Xie等人采用兩個四分之一環(huán)狀電極實現(xiàn)了自由落體狀態(tài)下固體顆粒速度的測量；Yan帶領(lǐng)的研究小組應用不同形狀的靜電傳感器對煤粉，生物質(zhì)顆粒和煙道粉塵等的參數(shù)測量進行了系統(tǒng)的研究[4]；目前國內(nèi)外已開發(fā)出多套商業(yè)化的靜電監(jiān)測系統(tǒng)，如國外ABB公司的PFMaster、TR-Tech公司的ECT Star煤粉流量監(jiān)測系統(tǒng)、Smith公司的EDMS(The Engine Distress Monitoring System)系統(tǒng)和EODM(Electrostatic Oil Debris Monitor)系統(tǒng)[5]。國內(nèi)的目前應用主要集中在管道中氣固兩相流的狀態(tài)監(jiān)控和飛機重要零部件如發(fā)動機，縫翼滑軌的監(jiān)測，且正在研發(fā)基于靜電電荷量傳感器的發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)[6]。

靜電電荷量傳感器標定工作是研究傳感器輸入輸出關(guān)系的基礎，是傳感器定量化應用的前提與保證。靜電監(jiān)測系統(tǒng)在軍事上廣泛應用的保密性，國外關(guān)于靜電電荷量傳感器的標定方法無從得知，國內(nèi)現(xiàn)階段還沒有成型的標定裝置，更沒有相關(guān)的靜電電荷量傳感器的標定標準和規(guī)范[7]。這對于靜電電荷量傳感器提高精度、以及更廣泛的應用造成了制約。因此，開展靜電電荷量傳感器的標定技術(shù)研究，搭建靜電電荷量傳感器標定裝置，就具有相當?shù)谋匾院推惹行浴?/p>

2 靜電電荷量傳感器標定裝置

傳感器的標定是檢驗傳感器設計的正確性，確定傳感器的基本性能的必要步驟，傳感器的標定是將傳感器的輸出量與已知的輸入量進行比較，進而分析傳感器的鐵性指標。

基于以上的要求，設計了靜電電荷量標定裝置。標定裝置由支撐定位模塊、油滴荷電模塊、電荷量測量模塊、直流高壓模塊和平行電極模塊組成。其中支撐定位模塊是為了調(diào)節(jié)和固定金屬針頭、環(huán)狀電極、傳感器、平行電極模塊之間的相對位置。在實驗的過程中，通過改變油滴下落軌跡與傳感器中心軸線的相對位置，可以對傳感器的空間靈敏度以及靜態(tài)靈敏度進行檢測。

直流高壓模塊是為了給環(huán)狀電極和平行電極提供直流高壓。該模塊可以輸出0到2000V的連續(xù)可調(diào)的直流高壓。

油滴荷電部分如圖1所示由三部分組成，分別為油槽、環(huán)狀電極和金屬針頭。其中環(huán)狀電極與高壓模塊相連，金屬針頭接地。

在工作時，將環(huán)狀電極上施加高壓，油滴從油槽通過閥門進入到由環(huán)狀電極和金屬針頭組成的高壓電場中。在高壓電場的作用下，油滴所攜帶的正負電荷將發(fā)生定向移動，部分電荷將通過金屬針頭流向接地端，油滴則攜帶著與環(huán)狀電極上極性相反的電荷。

圖1 油滴荷電原理圖Fig.1 Schematic diagram of oil droplet charge

在對油滴進行感應充電的時候，環(huán)狀電極與油液之間的空氣為二者之間的絕緣介質(zhì)，可將其視為并聯(lián)一個較大的電阻[8]。因此可得其電學模型如圖2所示。

圖2 電學模型Fig.2 Electrical model

因此油滴的帶電量Q與施加電壓U的關(guān)系可以用Q=CU表示，其中C為油滴的電容。可見油滴的帶電量與電壓的大小成正比關(guān)系[9]。因此對于相同的油滴而言，可以通過改變高壓模塊輸出電壓的大小來改變油滴所攜帶的電荷量的多少。

對于靜電電荷量傳感器標定的輸入量即油滴所攜帶的電荷量的確定有兩個方案。一是通過靜電計和法拉第筒組成的電荷量測量模塊來獲取油滴所攜帶的電荷量，二是通過油滴在平行電極間的偏轉(zhuǎn)的距離來確定油滴所攜帶的電荷量[10]。

圖3 法拉第筒電荷量測量模塊Fig.3 Faraday tube charge measurement module

如圖3所示電荷量測量模塊是由法拉第杯和靜電計組成，該模塊能夠準確的測量油滴中所帶的電荷量，測量分辨率可達0.01pC。在實驗過程中通過調(diào)節(jié)油滴荷電模塊與電荷量測量模塊之間的垂直相對距離，可以得到油滴在下落過程中油滴攜帶的電荷的消散情況。

圖4 偏轉(zhuǎn)電場電荷量測量模塊Fig.4 Deflection electric field charge measurement module

如圖4所示首先使用卷尺測出長度L0、L1，同時使用高速攝像機獲取油滴通過平行電極時的水平位移量△d，油滴在平行電極中的下落時間為

(1)

式中：Δt——油滴在平行電極中下落的時間，s;L0——環(huán)形電極的中心到平行電極上部的高度，m;L1——平行電極的高度，m;g——重力加速度，m/s2。

(2)

式中：a——油滴在水平方向的加速度，m/s2。

(3)

設油滴的質(zhì)量為m,平行電極的電場強度是已知的并且是可以控制的，則設電場強度為E，則有公式

(4)

式中：f——油滴在平行電極中收到的水平電場力，N。

f=Eq

(5)

式中：q——油滴所帶的電荷量，C。

(6)

因此可以推出靜電電荷量傳感器標定所需的輸入值的表達式為

(7)

由此可知靜電電荷量傳感器標定所需的輸入值與油滴的質(zhì)量m，電場強度E，油滴在開始下落的位置到平行電極上端的距離L0，平行電極豎直的高度L1以及油滴電荷在平行電極中的偏移量△d有關(guān)。

靜電電荷量傳感器標定所需的輸入值的主要影響因素是油滴的質(zhì)量m以及偏移量△d的確定。

3 實驗數(shù)據(jù)

油滴的帶電量Q與施加電壓的關(guān)系可以用Q=CU表示，因此可知當電容一定時油滴的帶電量與施加電壓的大小成正比關(guān)系。在實驗過程中，油滴的大小是通過針頭的孔徑大小來控制的，油滴與油滴之間的下落時間間隔是通過控制閥門的大小來控制的。為了獲取油滴的帶電量和施加電壓之間的關(guān)系，所以應保持油滴的電容不發(fā)生改變。因此實驗過程中所使用的油的種類應完全相同。在同一組實驗過程中，閥門開啟的大小、環(huán)境溫度以及濕度應保持不變。通過使用不同孔徑的針頭來改變油滴的質(zhì)量的大小。

3.1 電荷量與施加電壓之間的關(guān)系

表1中的五組實驗都是在高度為73.2cm、溫度23℃到24℃之間、相對濕度為44%條件下進行的，五組實驗除使用的針頭不同之外，其與的條件均相同。

表1 不同電壓下油滴攜帶的電荷量Tab.1 Amount of charge carried by oil droplets at different voltages

圖5 施加電壓與油滴電荷量的關(guān)系Fig.5 Relationship between the applied voltage and the amount of oil droplet charge

表2中的數(shù)據(jù)做出折線圖后如圖5所示，圖5中一共使用了5個不同的針頭進行試驗，其使用針頭的內(nèi)徑及每滴油滴的質(zhì)量分別如表2所示。

表2 不同內(nèi)徑針頭對應的油滴質(zhì)量Tab.2 Quality of oil droplets corresponding to the needles with different inner diameters

通過對上邊5條曲線的分析，可知對于相同大小的油滴，油滴所帶的電荷量與施加電壓之間成線性關(guān)系。實驗結(jié)果與之前的理論分析相符合。同時通過對圖5中五條曲線的比較可以得知，使用不同的針頭，油滴所帶的電荷量與電壓的比值是不相同的，也就是說不同的針頭產(chǎn)生的油滴大小不相同，進而油滴的電容也會有所不同。但無論使用哪個針頭，電壓與油滴所帶的電荷量都是線性關(guān)系。

3.2 油滴大小與油滴初始荷電量的關(guān)系

從表2中可以看出，隨著油滴質(zhì)量的減小，對環(huán)狀電極施加相同的電壓油滴的帶電量將會隨之減小。

表3 油滴質(zhì)量與油滴荷電量Tab.3 Droplet mass and droplet charge

3.3 油滴荷電量下落過程中的消散

分析油滴荷電量下落過程中的消散，需要使用相同的針頭、環(huán)狀電極中施加的電壓應相同。因此對環(huán)狀電極施加1000V的電壓，使用金屬針頭4，使油滴從不同的高度滴落，測得具體數(shù)據(jù)如表4所示。

從表4中的數(shù)據(jù)可知，使用相同的金屬針頭，對環(huán)狀電極施加相同的電壓，使油滴從不同的高度滴落，法拉第筒測得的油滴攜帶的電荷量有所不同。在靜電電荷量傳感器標定的過程中帶電油滴的下落距離也是一個重要的影響因素。

表4 油滴荷電量下落過程的消散Tab.4 Dissipation of the droplet charge as it falls

3.4 油滴電荷在不同濕度下的消散

表5 不同濕度下相同油滴帶電量Tab.5 Under different humidity, the same oil droplet has electric quantity

本次對比試驗中使用的均為針頭4，溫度都為23.7℃，高度均為73.2cm,通過相對濕度為分別為44%和81%時，在不同電壓下，油滴所帶電荷量的比較可知，相對濕度越高，則油滴在下落過程中油滴的電荷消散的越快。因此為了使得標定結(jié)果更加的準確，靜電電荷量傳感器與法拉第筒之間的距離應該盡可能的接近。

4 結(jié)束語

對靜電電荷量傳感器使用油滴荷電的方法實現(xiàn)了標定了并建立了相應的標定裝置，通過對油滴進行實驗觀測可以得出以下結(jié)論：

(1)油滴電荷量在下落過程中產(chǎn)生消散，濕度越高，油滴電荷量消散的速度越快。

(2)使用不同內(nèi)徑的針頭獲得的油滴大小有所不同，針頭內(nèi)徑大的獲得的油滴質(zhì)量也大，對不同質(zhì)量大小的油滴施加相同的電壓，質(zhì)量大的油滴所攜帶的電荷量也大。

(3)對于相同大小的油滴，在相同的溫濕度環(huán)境條件下，從相同的高度落下，油滴荷電量的大小與環(huán)狀電極上施加的電壓大小有關(guān)，并成線性關(guān)系。

(4)搭建的靜電電荷量傳感器標定裝置符合實驗要求，可以用于對靜電電荷量傳感器的標定。