靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓測量不確定度評定

陳鈞，安雪，陳慶瑜，賴金泉，曾博，劉國榮

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

在CNAS-CL01-2018 中條款7.6 要求評定測量不確定度，在CNAS-CL01-G003:2021《測量不確定度的要求》條款6.2 寫道：“如果檢測結果不是用數值表示或者不是建立在數值基礎上（如合格/不合格，陰性/陽性，或基于視覺和觸覺等的定性檢測），則實驗室宜采用其他方法評估測量不確定度，例如假陽性或假陰性的概率”。該條款明確要求對定性測量項目也需要進行測量不確定度評定。

電磁兼容（EMC）的抗擾度測試（EMS）項目均為定性測量項目。據作者了解，對EMS 的不確定度評定，目前僅見對EMS 設備的校準及其校準不確定度評定，尚無對此類項目的測量不確定度評定。

靜電放電是由于不同電位的物體間的電荷轉移引起的。靜電荷通常是由兩種材料的接觸及分離產生的：例如，一個人在地板上行走時會在鞋底接觸然后與地板表面分離時產生靜電。同樣，放入或取出袋子、彈匣或管子的電子設備會在設備外殼和金屬引線與容器表面多次接觸和分離時產生靜電荷。雖然在這兩個示例中靜電荷的大小可能不同，但在這兩種情況下都會產生靜電。

靜電放電（Electro-Static Discharge， 簡寫為ESD）測試是電磁兼容抗擾度試驗中一個典型的測試項目，靜電放電測量系統主要有靜電放電試驗發生器、靜電槍測試設備等組成，靜電放電發生器的主要部分包括充電電阻、儲能電容器、分布電容、放電電阻、電壓指示器、放電電極頭等，靜電放電發生器的主要特性參數有：輸出電壓、輸出電壓容差、輸出電壓極差、保持時間和操作放電方式。操作放電方式分為接觸放電測試和空氣放電測試，在一般測試中往往優先選擇接觸放電的試驗方法，除非接觸放電不適合，我們才會選擇空氣放電的試驗方法。本文對靜電放電（ESD）抗擾度項目的測量不確定度評定進行探索，主要針對靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓的準確性進行不確定度評定，以期為EMS 其它定性測量項目的測量不確定度評定提供思路和參考。

1 靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓不確定度評定

1.1 測量模型

式中：

V—被測靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓；

Vr—高壓計讀取的靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓測量值。

1.2 輸入量影響因素分析

對靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓測量系統進行分析，影響靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓測量值Vr的主要影響因素有：

1）高壓計多次測量引入的標準不確定度u1；

2）靜電發生器允許誤差引入的標準不確定度u2；

3）高壓計允許誤差引入的標準不確定度u3；

4）靜電槍接觸放電頭與高壓計放電探頭放電接觸點不穩定引入的標準不確定度u4；

5）靜電放電環境條件引入的不確定度u5。

1.3 各輸入量的標準不確定度的評定

輸入量Vr標準不確定度u（Vr）的評定：

1）高壓計多次測量引入的標準測量不確定度u1的評定

高壓計多次測量，即由重復性或復現性測量引入的標準測量不確定度采用A 類評定方法進行評定；

本文以4 kV 輸出電壓舉例說明，在重復性測試條件下對被測設備進行10 次測量，得到10 個測量值如表1。

表1 高壓計重復性測試數據（單位：kV）

計算10 次測量的平均值=4.06 kV，本文以10 次測量的平均值為最終報出的測試結果，所以由高壓計多次測量引入的標準測量不確定度 u（Vr）：

這里表示n 次測量的算術平均值，這里n=10。

2）靜電發生器允許誤差引入的標準不確定度u2的評定

查靜電搶設備使用說明書知，靜電發生器輸出電壓的允許誤差（以4 kV 輸出電壓為例）為±0.20 kV，服從均勻分布，所以由靜電發生器允許誤差引入的標準不確定度u2：

3）高壓計允許誤差引入的標準不確定度u3的評定

查高壓計設備使用說明書知，高壓計允許誤差（以4 kV 輸出電壓為例）為±0.06 kV，服從均勻分布，所以由高壓計允許誤差引入的標準不確定度u3：

4）靜電槍接觸放電頭與高壓計放電探頭放電接觸點不穩定引入的標準不確定度u4的評定

在讀取靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓時，需要靜電搶槍頭頂端與高壓計放電探頭頂端直接接觸并保持不動，如圖1 所示。

圖1 靜電搶槍頭頂端與高壓計放電探頭頂端接觸示意圖

在每一次的靜電搶槍頭頂端與高壓計放電探頭頂端直接接觸時，由于接觸位置、角度等存在差異性，對測試結果造成影響，但具體的影響量大小目前尚無具體數據可參考。然而，本文作者認為該影響量可能已包含在重復性測量影響因素（即u1）中，此時，靜電槍接觸放電頭與高壓計放電探頭放電接觸點不穩定引入的標準不確定度u4=0。

5）靜電放電環境條件引入的不確定度的u5評定

GB/T 17626.2-2018 中對靜電放電的環境條件要求是；環境溫度范圍為（15 ～35）℃，環境相對濕度為（30 ～60）%，大氣壓力：（86 ～106）kPa。

在靜電放電的測試中，本文嚴格控制環境條件符合標準要求并盡可能保持在盡量小的波動范圍內，本文認為環境條件對測試結果影響很小，可以不納入考慮，因此靜電放電試驗環境溫濕度和大氣壓條件引入的標準不確定度u5=0。

1.4 合成標準不確定度的評定

數學模型：

靈敏系數：ci=1，i=1

標準不確定度一覽表2。

表2 靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓測量不確定度一覽表 (單位：kV)

合成標準不確定度的計算：

1.5 擴展不確定度的評定

根據擴展不確定度的計算公式：

通常取包含概率p=95 %，對應k=2。

計算得：

所以，擴展不確定度U=0.24（kV）k=2。

2 結語

測量不確定度是衡量測試水平的一個重要參數，本文對電磁兼容抗擾度測試項目之一的靜電放電（ESD）進行了測量不確定度評定的探索，主要對靜電放電抗擾度試驗靜電發生器輸出電壓測量不確定度進行了評定，但是衡量靜電放電(ESD) 測量準確性的參數還有接觸放電電流波形等參數，有待于進一步的探索。另外，本文僅對測試系統的測量設備帶來的測量不確定度進行了評估，并未考慮由被測樣品等引入的測量不確定度，這部分內容也同樣有待于進一步的探索。