CN220438442U - 一种非接触式静电电压测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种非接触式静电电压测试装置，包括直接感应式传感器、射极跟随器、电荷放大器、电压放大器和电荷‑电压转换电路，所述直接感应式传感器的输出端连接射极跟随器的输入端，射极跟随器的输出端连接电荷放大器的输入端，电荷放大器的输出端连接电荷‑电压转换电路的输入端，电荷‑电压转换电路的输出端连接电压放大器的输入端。本实用新型测试装置的低频范围宽，测试精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及电磁测试技术领域，尤其涉及一种非接触式静电电压测试装置。
背景技术
静电由于具有隐蔽性、潜在性、随机性、复杂性以及破坏性，给许多行业带来严重的安全隐患，涉及的领域包括航天、船舶运输、石油、化工、火药生产、微电子技术等。静电电压的测试是表征静电源的一个重要参数，在静电科研中以及静电应用的工艺设计、试验、施工、生产等过程中，需要测试静电参数。为考核静电敏感电子产品的设计和制造质量，也需要对这些产品的静电放电敏感度进行测试。应当指出，有些静电参数在理论上虽然可以进行计算,但由于试验条件往往比较复杂，单靠理论计算难以获得工程需要的满意结果，必须依赖于测试。
静电电压测试分为接触式测量和非接触式测量两种方法，前者适用于导体，后者适用于非导体或禁止接触的物体。非接触式测量有诸多影响因素，既有仪器自身特性对测试精度的影响，又有测试仪器标定装置对测试结果的影响，还有保证测试精度的要求，在实际应用中应考虑多方面因素。目前，非接触式传感器有直接感应式、旋叶式、变容式、空气电离式等，现有成品仪器各有其优缺点，但共性的问题是存在零点漂移、干扰影响、频率范围窄等，对于变化较快的信号测试误差较大,因此，该类仪表均不具备监测功能。
实用新型内容
为了改善现有技术中存在的零点漂移、干扰影响、频率范围窄的缺点，提供一种非接触式静电电压测试装置，利用探头与被测带电体之间产生的畸变电场测试带电体的表面电压，提高测试精度。
为了解决频率范围窄的问题，本实用新型提供了以下技术方案：
一种非接触式静电电压测试装置，包括直接感应式传感器、射极跟随器、电荷放大器、电压放大器和电荷-电压转换电路，所述直接感应式传感器的输出端连接射极跟随器的输入端，射极跟随器的输出端连接电荷放大器的输入端，电荷放大器的输出端连接电荷-电压转换电路的输入端，电荷-电压转换电路的输出端连接电压放大器的输入端。
上述方案中，采用直接感应式传感器探测被测带电体电荷，通过调节直接感应式传感器与被测带电体之间的距离可以调节测试量程，通过射极跟随器、电荷放大器、电压放大器相互配合，实现较宽的低频带宽，即增大了频率范围，经测试，频率范围可达2kHz。
作为一种可事实方式的举例，电荷-电压转换电路包括两个二极管、一个NPN型三极管和一个PNP型三极管，两个二极管串联，电荷放大器的输出端连接于两个二极管之间，NPN型三极管的基极连接至一个二极管的正极端，PNP型三极管的基极连接至另一个二极管的负极端，NPN型三极管的发射极连接PNP型三极管的发射极，且连接电压放大器的输入端。
直接感应式传感器采集的是电荷，通过电荷-电压转换电路将电荷转换为电压信号，采用上述电路结构在实现转换的同时又可以简化电路结构，且保持低成本。
为了解决零点漂移的问题，本实用新型实施例提供了以下技术方案：
还包括零点漂移抑制电路，零点漂移抑制电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一可变电阻，第一电阻的一端连接射极跟随器的输入端，第二电阻的一端连接电源负极，第一电阻、第二电阻的另一端均与第一可变电阻连接，第三电阻的一端连接第一可变电阻，另一端连接电源正极。
上述方案中，通过设置零点漂移抑制电路，解决了零点漂移问题，提高测试装置的稳定性，且上述结构的零点漂移抑制电路，结构简单，可靠性高。
进一步优化的方案中，直接感应式传感器与被测带电体之间的距离为20～50mm。本方案中，通过限定直接感应式传感器与被测带电体之间的距离，既保障了使用安全性，又保障了一定的测试量程，满足应用需求。
进一步优化的方案中，还包括A/D转换器，电荷-电压转换电路的输出端连接A/D转换器的输入端。本方案中，通过设置A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号，方便于后续处理，例如报警提示等设计，增强测试装置的实用性。
进一步优化的方案中，直接感应式传感器与射极跟随器之间设置有保护电阻。本方案中，通过设置保护电阻，当外带电体(例如人体)误碰或太靠近探头时，防止直接或电晕放电至射极跟随器输入端，保障使用安全。
为了解决电磁干扰的问题，本实用新型实施例提供了以下技术方案：
还包括屏蔽壳体，直接感应式传感器、射极跟随器、电荷放大器、电压放大器和电荷-电压转换电路均安装于屏蔽壳体内。
上述方案中，通过设置屏蔽壳体，探头电极上的感应电位将有所降低，从而提高了抗干扰能力。
实施例中，直接感应式传感器包括测试探头、耦合电容、输入电阻和输入电容，输入电阻与输入电容并联，且一端接地，另一端连接测试探头，耦合电容为测试探头与地的等效电容。
实施例中，射极跟随器包括第一集成运算放大器芯片，第一集成运算放大器芯片的正向输入端连接直接感应式传感器的输出端，第一集成运算放大器芯片的反向输入端通过第四电阻接地，且第一集成运算放大器芯片连接有第二可变电阻。
实施例中，电荷放大器包括第二集成运算放大器芯片，第二集成运算放大器芯片的反向输入端连接第一集成运算放大器芯片的输出端，且反向输入端与输出端之间连接有电容，第二集成运算放大器芯片的正向输入端通过第五电阻接地。
实施例中，电压放大器包括第三集成运算放大器芯片，第三集成运算放大器芯片的反向输入端通过第六电阻电阻连接至NPN型三极管和PNP型三极管的发射极，且第三集成运算放大器芯片的反向输入端通过第七电阻连接其输出端，第三集成运算放大器芯片的正向输入端通过第八电阻接地。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
目前非接触式动态范围均小于100Hz，本实用新型电路设计采用准电荷放大器，输入端采用零点漂移抑制电路抑制零点漂移，电荷放大器输出信号采用直流放大器放大，保证了较宽的低频带。测试探头为直接感应式，其优点是具有一定的频率范围，优于一般的非接触式静电电压表，本装置动态范围可达2kHz，其输出幅度为0.5～1.0V。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1本实用新型中提供的非接触式静电电压测试装置的组成框图。
图2为实施例中直接感应式传感器的电气原理图。
图3为实施例中非接触式静电电压测试装置的电气原理图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实施例中提供的非接触式静电电压测试装置，包括直接感应式传感器、射极跟随器、电荷放大器、电压放大器和电荷-电压转换电路，所述直接感应式传感器的输出端连接射极跟随器的输入端，射极跟随器的输出端连接电荷放大器的输入端，电荷放大器的输出端连接电荷-电压转换电路的输入端，电荷-电压转换电路的输出端连接电压放大器的输入端。
直接感应式传感器靠近被测带电体，优选与被测带电体之间保持20-50mm的距离，既能满足测试需求，又能保障应用安全。直接感应式传感器测得被测带电体释放出来的电荷，经过射极跟随器、电荷放大器、电压放大器进行放大，最后由电荷-电压转换电路将电荷转换为电压信号，实现静电电压测试。
为了进一步提高测试精度以及便于信号处理，还可以在电荷-电压转换电路的输出端设置A/D转换器，将电压模拟信号转换为电压数字信号，处理为数字信号后可以实现更多功能设计，例如通过配置报警器，当测试到的电压高于例如1KV时发出报警信号。
采用直接感应式传感器，其静电电位测试的基本原理如图2所示。图中T是测试探头、L是传感器的等效输入电路、Cw是测试探头与被测带电体之间的耦合电容、Rb和Cb分别为传感器的输入电阻和输入电容。由于被测带电体的电场作用，探头T上将产生感应电位。由图中电路可知：Cw是与Cb串联的，而Rb是Cb的泄漏电阻，若被测带电体的对地电位为U，则探头对地电压为： 改变探头与被测带电体之间的距离，亦即改变两者之间的耦合电容Cw的大小，即可改变传感器的量程或读数。
如图3所示，射极跟随器采用A1(例如LC3140集成运算放大器)芯片，A1芯片的正向输入端通过一个保护电阻R1连接直接感应式传感器的输出端，保护电阻R1可以保障被测带电体误碰或太靠近直接感应式传感器时，防止直接或电晕放电至设计跟随器输入端。A1芯片的反向输入端通过一个电阻R2接地，A1芯片还连接有可变电阻RW1。
电荷放大器采用A2芯片(LC3140集成运算放大器)，A2芯片的反向输入端连接A1芯片的输出端，且反向输入端与输出端之间连接有电容C2，A2芯片的正向输入端通过一个电阻(第五电阻)接地。
电荷-电压转换电路包括两个二极管(V1、V3)、一个NPN型三极管V2和一个PNP型三极管V4，两个二极管串联，A2芯片的输出端连接于两个二极管之间，NPN型三极管的基极连接至一个二极管的正极端，PNP型三极管的基极连接至另一个二极管的负极端，NPN型三极管的发射极连接PNP型三极管的发射极，且连接电压放大器的输入端。二极管V1的正极端和NPN型三极管的集电极均连接电源正极E-，二极管V3的负极端和PNP型三极管的集电极均连接电源正极E+。电源采用±5V供电。
电压放大器采用A3芯片(LC3140集成运算放大器)，A3芯片的反向输入端通过一个电阻(第六)连接至NPN型三极管和PNP型三极管的发射极，且A3芯片的反向输入端通过一个电阻(第七电阻)连接其输出端，A3芯片的正向输入端通过一个电阻(第八电阻)接地，A3芯片输出端的电压U0即为测试装置所测得的电压。电压U0通过校准得到。
为了抑制零点漂移，还包括零点漂移抑制电路，零点漂移抑制电路包括第一电阻R4、第二电阻R3、第三电阻R5和可变电阻RW2，第一电阻R4的一端连接A1芯片的正向输入端(射极跟随器的输入端)，第二电阻R3的一端连接电源负极，第一电阻R4、第二电阻R3的另一端均与可变电阻RW2连接，第三电阻R5的一端连接可变电阻RW2，另一端连接电源正极。第一电阻R4通过RW2得到一个分压值，加入到信号输入端，调节可变电阻RW2使输入端得到一个反向的微小信号，来抵消漂移信号。第一电阻R4取值若为1TΩ，加入输入端的信号为pA级，不影响正常的信号放大。
如图3所示，电路还设有调零和K1、R6组成的复零按钮，用于电路复位。
非接触式静电电压测试装置研制完成后，在强电磁环境模拟与防护技术国防重点实验室采用标准高压源对该装置准确性进行了标校，传感器前端与被测物体距离校准为50mm。经测试：频率范围可达2kHz；测试距50mm时，测量范围实际可测试到约±5kV；测量误差小于最大允许误差，测量误差最小值为1％、最大值1.8％、平均值1.33％。当输出大于1kV时报警功能正常。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种非接触式静电电压测试装置，其特征在于，包括直接感应式传感器、射极跟随器、电荷放大器、电压放大器和电荷-电压转换电路，所述直接感应式传感器的输出端连接射极跟随器的输入端，射极跟随器的输出端连接电荷放大器的输入端，电荷放大器的输出端连接电荷-电压转换电路的输入端，电荷-电压转换电路的输出端连接电压放大器的输入端。
2.根据权利要求1所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，电荷-电压转换电路包括两个二极管、一个NPN型三极管和一个PNP型三极管，两个二极管串联，电荷放大器的输出端连接于两个二极管之间，NPN型三极管的基极连接至一个二极管的正极端，PNP型三极管的基极连接至另一个二极管的负极端，NPN型三极管的发射极连接PNP型三极管的发射极，且连接电压放大器的输入端。
3.根据权利要求2所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，还包括零点漂移抑制电路，零点漂移抑制电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一可变电阻，第一电阻的一端连接射极跟随器的输入端，第二电阻的一端连接电源负极，第一电阻、第二电阻的另一端均与第一可变电阻连接，第三电阻的一端连接第一可变电阻，另一端连接电源正极。
4.根据权利要求1所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，还包括A/D转换器，电荷-电压转换电路的输出端连接A/D转换器的输入端。
5.根据权利要求1所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，直接感应式传感器与射极跟随器之间设置有保护电阻。
6.根据权利要求1所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，还包括屏蔽壳体，直接感应式传感器、射极跟随器、电荷放大器、电压放大器和电荷-电压转换电路均安装于屏蔽壳体内。
7.根据权利要求1所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，直接感应式传感器包括测试探头、耦合电容、输入电阻和输入电容，输入电阻与输入电容并联，且一端接地，另一端连接测试探头，耦合电容为测试探头与地的等效电容。
8.根据权利要求1所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，射极跟随器包括第一集成运算放大器芯片，第一集成运算放大器芯片的正向输入端连接直接感应式传感器的输出端，第一集成运算放大器芯片的反向输入端通过第四电阻接地，且第一集成运算放大器芯片连接有第二可变电阻。
9.根据权利要求8所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，电荷放大器包括第二集成运算放大器芯片，第二集成运算放大器芯片的反向输入端连接第一集成运算放大器芯片的输出端，且反向输入端与输出端之间连接有电容，第二集成运算放大器芯片的正向输入端通过第五电阻接地。
10.根据权利要求2所述的非接触式静电电压测试装置，其特征在于，电压放大器包括第三集成运算放大器芯片，第三集成运算放大器芯片的反向输入端通过第六电阻电阻连接至NPN型三极管和PNP型三极管的发射极，且第三集成运算放大器芯片的反向输入端通过第七电阻连接其输出端，第三集成运算放大器芯片的正向输入端通过第八电阻接地。
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