超聲測距技術與非接觸靜電測量一體化設計方法研究

董振旗，劉 鵬，周永濤，楊 慶

（第二炮兵工程大學 陜西 西安 710025）

靜電現象指相對于觀察者而言，所帶的電荷處于靜止或緩慢變化的相對穩定狀態[1]。靜電產生的原因很多，如固體起電、粉體的靜電起電、液體起電、氣體的靜電起電、人體的靜電起電等[2]。靜電對人們的日常生產和生活的影響越來越大。靜電的應用和危害也日益引起世界的關注，一是靜電技術已被廣泛地應用到各行各業，如電子照相、靜電存儲、靜電復印機等；二是靜電造成的危害甚至災難也時有發生。如靜電的放電引起爆炸、干擾通信等[3]。為了防止或避免靜電帶來了的危害，必定要采取一系列防護措施，而靜電監測、快速測量是進行有效防護的基礎。因此，研究利用超聲測距技術與非接觸式靜電測量一體化靜電測量方式與設計方法，對于靜電快速測量有著重要作用。

1 靜電測試中問題分析

在高絕緣介質中的電荷不能自由移動，各不同部位的電位不同，只能用靜電感應或空氣電離的原理進行測試。而前者是將最探極靠近帶電體，測量其表面電位，實質上是對其表面的電場的測量。非接觸式靜電測量儀器大致分為感應式和電阻分壓式；感應式儀表中多采用直接放大式、旋葉式和振動電容式等[4]。利用非接觸式靜電測量儀表對靜電測量的基本原理如圖1所示。是將探頭置于帶電體附近，不與被測帶電體相接觸；通過對帶電體表面電場的測量獲得其表面電位的數值。在實際對靜電測量中，其測量方法中儀表與被測量物體（如靜電板）的距離有著重要關系。

圖1 非接觸式靜電測量儀表測量原理Fig.1 Measurement principle of the non-contact inductive electrostatic measuring instruments

以EST101型防爆靜電電壓表為例，它是一種非接觸直感式靜電電壓表，結構原理如圖2所示；當該電壓表離帶靜電電壓的靜電板不同距離時，電壓表則顯示出不同數值；距離越近則顯示數值越大，否則相反。要真正測量出被測量物體的靜電電壓值，必須測量出距離值，然后按照給出的“乘數k與測量距離d的關系曲線”對應關系數值進行換算[5]，如圖3所示，才能得到被測量物體具有的靜電電壓值。當d=10 cm，對應的k=1.0；如果電壓表顯示數值Z=1.85 kV，則被測量物體（如靜電板）具有的靜電電壓值U（t）按公式（1）計算為：

從測量過程中分析可知，由于該電壓表無測量距離的功能，以目測方法測出d，因目測不準確，導致U（t）誤差較大。要精確測量出U（t），就必須準確測量出d，查找出k值，通過計算才能真正測量出U（t）值，這樣一種測量方式在實際測量中就顯得比較繁瑣，導致測量不準。其他靜電感應式非接觸式靜電電壓表的使用中，也存在內似問題。

圖2 EST101型防爆靜電電壓表結構原理Fig.2 Structural principle of EST101 explosion-proof electrostatic voltmeter

圖3 EST101型靜電電壓表乘數k與測量距離d的關系曲線Fig.3 The curve between the multiplier k and the distance d on the EST101 explosion-proof electrostatic voltmeter

針對上述存在問題，根據感應式非接觸式靜電電壓表結構和工作原理，分析可知，引起上述問題根本原因在于采用的是電容式感應探頭。以電容式感應探頭組成的EST101型防爆靜電電壓表，它的輸入電路形式如圖4所示。A為被測靜電體，T為電容直感測量探頭，C0表示在A和T之間的電容，C1為探頭的對地電容，R和C分別為儀表的輸入電阻和電容。設A對地的實際靜電電壓為U0，所測得電壓U（t）符合式（2）。

由式（2）可知，當T與A間的距離發生變化時，則C0發生變化，從而導致U（t）發生變化，使儀表測量顯示數值發生變化。對于其他形式的電容感應式非接觸式靜電電壓表，同樣是因為與測量距離變化，而使儀表測量顯示數值發生變化。

圖4 EST101型靜電電壓表工作原理圖Fig.4 Working schematic of the EST101 explosion-proof electrostatic voltmeter

2 一體化新型靜電測量裝置的設計

為解決感應式非接觸式靜電電壓表，在實際測量中比較繁瑣和測量換算的問題，文中提出利用超聲測距技術與非接觸靜電測量技術一體化的測量方式，來解決上述問題。

2.1 超聲測距技術應用分析

感應式非接觸式靜電電壓表，在規定測量距離內實施靜電測量的同時，附加一種超聲測距系統電路，能夠直接顯示出與帶靜電體的測量距離，就可減少原來測量過程中的繁瑣；如果靜電測量與超聲距離測量組合成一體，即組成新型靜電測量裝置；超聲測距系統電路獲得的數據信息與靜電測量電路測量的數據信息，經過數據處理電路，按照靜電電壓表乘數k與測量距離d的關系進行換算，就能使新型靜電測量裝置直接顯示出被測帶靜電體的實際靜電電壓值，就能達到快速靜電測量的目的。

2.2 新型靜電測量裝置一體化原理設計

一體化設計，實際上是在原靜電電壓表原理基礎上附加一種超聲測距電路和數據處理電路、數字顯示電路，并形成一個整機測量狀態，整機結構原理如圖5所示。A為被靜電體，T1為電容直感測量探頭，T2為超聲探頭，C0表示A與探頭間的電容，d為T1、T2與被測靜電體的距離。當一體化新型靜電測量裝置兩探頭與A間的距離發生變化時，如距離減小，則C0電容量增大，T1使靜電測量電路輸出的信號幅度增大；同時，T2使超聲測距電路輸出信號也發生變化；兩路信號同時輸出到數據處理電路；數據處理電路把兩路電信號首先進行模/數轉換，然后進行數據處理，并按照原靜電電壓表乘數k與測量距離d的關系進行換算，輸出到顯示電路；使顯示器電路顯示出A所帶靜電電壓值。在結構方面，T1和靜電測量電路與T2和測距電路是兩個原理不同的獨立電路形式，數據處理電路它包括模/數轉換器、存儲器、運算器等，數字顯示電路則包括譯碼器、驅動器和LCD模塊等。

圖5 一體化新型靜電測量裝置原理圖Fig.5 Schematic of the new non-contact static electricity measurement equipment

2.3 新型靜電測量裝置對超聲距離電路性能參數的要求

超聲距離電路在一體化新型靜電測量裝置設計中至關重要，其準確性、穩定性事關裝置的測量精度。超聲波發射器定期發送超聲波，遇到被測物體時發生反射，反射波經超聲波接收器接收并轉化為電信號，只要測出發送和接收的時間差，即可測出超聲測距電路到被測物體之間的距離[6]。

超聲波在空氣傳播過程中，由于空氣吸收衰減和擴散損失，聲強隨著傳播距離的增大而衰減，而超聲波的衰減隨頻率增大而成指數增加[7]。從圖3中分析出，常用的測量距離為10 cm，最小測量距離dmin為1.0 cm，最大測量距離dmax為20.0 cm。在室溫下，空氣中的聲速c為345 m/s，考慮反射式測量有2倍路程，則被測距離與測距時間關系為式（3）：

可計算出，dmin=1.0 cm 時，tmin=58 μs；dmax=20.0 cm 時，tmax=1 160 μs。

由于選用氣相、窄波束、40 kHz的超聲波傳感器，按式（4）計算：

可見：dmin近似為λ，這樣會使超聲測距電路發射與接收的功能難以實現。有效反射目標應大于至少10個波長以上，對于非垂直于發射波束的目標，大波束角的傳感器通常可以獲得更強的回波信號，而波束角越窄對于減小散射波的干擾越有利[8]。

由此，選擇12個波長，有效反射目標距離約為10 cm，能夠有效保證發射與接收功能的可靠性。這樣的設計符合圖3中的常用測量距離和dmax的要求，但不符合dmin的要求，這一問題將在一體化整機設計中解決。結合靜電測量實際，依據圖3中給出的測量距離范圍1.0～20.0 cm，使其測量范圍處在最佳的測量精度范圍內，便于測距的調整和小型化設計，選擇超聲測距電路最大測量距離為150 cm。

靜電測量對精度要求越來越高，從圖3中看出測量距離誤差越小，帶來的靜電測量精度就越高。誤差雖不可能消除，但可以追求更小；根據技術條件，設計超聲測距電路的測量誤差≤0.1%。目前，超聲波測距誤差通過采取溫度補償、濕度控制等措施，在150 cm范圍內測量誤差不超過1 mm[9]。

2.4 新型靜電測量裝置一體化結構設計

根據圖5一體化原理設計，設計整機結構如圖6所示。主要由3部分組成，即靜電測量電路、超聲波測距電路、數據處理與顯示電路組成。靜電測量電路其設計技術與EST101型防爆靜電電壓表的功能、性能基本相符，其距離變化范圍在 1～20 cm 間變化[10]。

按照設計的超聲波測距電路的測距性能，利用相對測距方法，設計確定最小測量距離d1為20 cm，測量距離d2為40cm，并對應于EST101型防爆靜電電壓表的測量范圍1～20 cm；這種相對測距方法即解決了超聲波測量較短距離性能不足問題，又能在數據處理與顯示電路中利用程序設計可以實現。

圖6 一體化新型靜電測量裝置結構圖Fig.6 Chart of the new non-contact static electricity measurement equipment

數據處理與顯示電路，采用功耗低、速度快，具有一定數據儲存功能單片機芯片設計而成，能夠將靜電測量電路、超聲波測距電路的模擬信號進行模/數轉換，并能進行換算。依據圖3給出的乘數k與測量距離d的關系數據點，進行曲線擬合，并建立乘數k、測量距離d與測試靜電電壓值換算模型；依據模型和操作功能要求，設計程序。顯示電路，主要由3位半液晶數字顯示器組成，直接顯示被測靜電體電壓值。

3 可行性試驗分析

運用EST101型防爆靜電電壓表和MS6450超聲波測距儀，按照圖6的結構進行設計原理與方法的可行性驗證。由于MS6450最小測距為60 cm，最大測距為1 500 cm，運用相對測距測量方法，選擇60 cm至80 cm對應于EST101型防爆靜電電壓表的測量范圍1 cm至20 cm，測量數據如表1所示。按EST101型防爆靜電電壓表使用說明書給出的乘數k與測量距離d的關系曲線，依據圖3建立的乘數k與測量距離d的換算模型為式（5）：

按照換算模型與測量功能的要求，設計程序；結合EST101型防爆靜電電壓表和MS6450超聲波測距儀測量數據，運用MC—51單片機開發系統進行程序運行與數據換算，得出所測量的被測量靜電物體的靜電電壓值如表1所示。

表1 一體化新型靜電測量裝置相對距離測量模擬實驗數據Tab.1 Relative distance simulation data measured by the new non-contact static electricity measurement equipment

表1是在實驗室溫度為20℃、相對濕度為45%RH的環境下測試的。可以看出，MS6450超聲波測距儀在60～80 cm范圍內，顯示的數值與實際距離的最大誤差為+0.2 cm，實際距離與EST101型防爆靜電電壓表靜電測量時的距離誤差只有±0.1 cm。EST101型防爆靜電電壓表靜電測量換算電壓與開發系統顯示值的最大誤差為1.4%，與被測靜電體靜電電壓的最大誤差為3.2%。這樣測算數據基本符合靜電測量的要求，可以說明采用超聲波測距與非接觸靜電測量一體化靜電測量方式與一體化新型靜電測量裝置的結構設計思想是可行的。

4 結束語

非接觸靜電測量，測量讀數與測量距離有著重要關系。運用超聲波測距技術與非接觸靜電測量技術組成一體化新的靜電測量方式；采用相對測距方法，設計出精度、穩定性較高的測距電路，能夠隨時的檢測靜電測量距離，并與靜電測量電路形成一體化新型靜電測量裝置設計方法；靜電測量電路、超聲測距電路和數據處理與顯示電路等組成的新型靜電測量裝置結構，通過試驗驗證具有很高的可行性，能夠較好解決非接觸靜電測量繁瑣、手持儀表晃動帶來的測量誤差問題。

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