非金屬材料用靜電測量儀的開發(fā)

張彬彬

（中煤科工集團上海研究院，上海 201401）

所有物體均帶有正負電荷，當物體發(fā)生摩擦?xí)r，電子就會在兩個摩擦的物體上發(fā)生轉(zhuǎn)移，使物體表面帶有電荷，由于金屬材料的導(dǎo)電性能良好，所以電荷在金屬材料表面很難聚集，而非金屬材料由于表面絕緣電阻很高，所以容易積累電荷。而煤礦井下使用的皮帶機、輸送機等，由于其使用非金屬材料皮帶和非金屬材料托輥，其在工作過程中由于反復(fù)的摩擦，會積累很高的電荷，當電荷積累到一定程度后就會在其表面產(chǎn)生電暈，進而發(fā)生放電現(xiàn)象。這類放電電壓一般都很高，會達到上萬伏特，如果沒有有效的檢測手段來預(yù)防，一旦發(fā)生放電，會產(chǎn)生很嚴重的事故，如引爆煤礦井下瓦斯氣體，放電產(chǎn)生的火花還會引起火災(zāi)。目前國內(nèi)每年由于靜電放電引起的事故很多，已經(jīng)引起足夠的重視，但是由于煤礦井下環(huán)境特殊，需要用專門的設(shè)備來進行測量。本文介紹非金屬材料專用的靜電測量儀器的設(shè)計思路及設(shè)計原理。

1 問題提出

在高阻介質(zhì)帶電時，由于各不同部位的電位不盡相同，所以必須采用非接觸式測量。影響高阻介質(zhì)帶電體測量的不準確度有3個因素:

(1)帶電體電位跌落

靜電測量儀介入被測體電場時會引起帶電體電位的跌落，如圖1所示。

圖1中，A為帶電體;Ca為帶電體A對地電容;Cb為帶電體A與儀表外殼的分布電容總和;Ci為采集電極和放大器的輸入電容;Ri為采集電極和放大器的輸入電阻。

當電位計遠離A時，帶電體A的電位等于EA，引入檢測儀后:

相應(yīng)的跌落系數(shù)為

式(2)中Cb和檢測儀與帶電體A的距離、檢測儀所用材料、尺寸和形狀有關(guān);Ci和Ri取決于放大器的輸入電容和電阻。事實上跌落系數(shù)η還受外殼的干燥度(測量環(huán)境的濕度)等因素的影響。

(2)靜電測量儀與被測帶電體的距離影響

圖1中Cs計算如下:

式中，k為系數(shù);l是檢測儀與帶電體的距離;s是采集電極的面積。從上式中可以看出采集電壓的大小與面積s和距離l有關(guān)。

(3)零位與讀數(shù)值漂移影響

由于跌落系數(shù)η和放大器輸入阻抗的影響，在測量靜電電位時，儀表的數(shù)據(jù)會自行漂移原值，這樣就需要在電極和電路設(shè)計上來克服這些問題。

上述3個問題是靜電測量儀的設(shè)計難點。

2 總體方案

靜電檢測有兩種形式:接觸式檢測和非接觸式檢測。接觸式檢測由于存在火花放電的危險，因而不適用于煤礦井下。這里將詳細介紹一種非接觸式的靜電測量儀的設(shè)計研發(fā)。該靜電測量儀主要分三部分:信號檢測傳感器、小信號放大單元、紅外測距傳感器。下面將詳細分析靜電測量儀各個部分的功能及設(shè)計思路。

2.1 信號檢測傳感器

非金屬材料由于質(zhì)子對電子的束縛，不同的位置電荷數(shù)量不同，靜電電壓就不同，接觸式傳感器會由于局部放電使電荷數(shù)量減少進而會影響測量精度，而使用非接觸式傳感器就會避免這種狀況。非接觸式傳感器通過電離空氣來使被測量面與傳感器表面的電位一致，達到測量的目的。圖2為信號檢測傳感器示意圖，其等效電路見圖3。

圖2 信號檢測傳感器

圖3 等效電路

平板電容Cx由下式?jīng)Q定

式中，ζ為介電常數(shù);s為有效面積;d為間距。由于探頭感應(yīng)到的靜電信號會隨著時間而減小，為了降低該影響，通過用單片機控制一個電子開關(guān)來避免信號衰減，原理是通過開關(guān)的通斷，使傳感器一直在檢測被測物體表面的空氣電離信號，根據(jù)信號檢測傳感器的面積以及被測物體的面積，需要合理調(diào)整電子開關(guān)的頻率，最大限度地發(fā)揮電子開關(guān)的功效。引入電子開關(guān)后探頭輸出信號波形見圖4，可見引入電子開關(guān)后，使信號的穩(wěn)定度及一致性大大上升。

2.2 小信號放大單元

運算放大器的輸入阻抗會影響輸入信號的測量精度，具體表現(xiàn)為如果輸入阻抗很低，感應(yīng)到的小信號會隨著時間的推移產(chǎn)生明顯的衰減，即便是調(diào)整電子開關(guān)的通斷頻率，也不會產(chǎn)生很好的效果;如果感應(yīng)到的信號比較大，還會對電路產(chǎn)生影響，這樣就需要運放有較大的輸入阻抗，并且在信號輸入端增加保護，使采集到的信號分別經(jīng)過兩個運放的同相輸入端及反向輸入端，這樣可以采集到靜電信號的正負半波，增加測量精度，放大器原理圖見圖5。

圖4 引入電子開關(guān)后波形差異

圖5 信號輸入端放大電路

2.3 紅外測距傳感器

檢測距離對信號的測量精度有很大的影響，通過實驗室大量數(shù)據(jù)比對，針對不同的信號幅值，距離過大或過小都會產(chǎn)生很大的影響，這樣就需要調(diào)整一個最佳的距離。由于測量是非接觸式測量，這就要求對距離的測量也是非接觸式的，本設(shè)計采用的是紅外測距傳感器，原理是傳感器發(fā)射一束激光束，當光束遇到被測物體時會被反射回來，反射回來的光束被傳感器上的接收部分所接收，通過光束發(fā)出到接收的時間，再根據(jù)光束在空氣中的傳播速度，就可以精確測量信號檢測傳感器到被測物體表面的距離。采用紅外測距傳感器不會因被測物體表面是否規(guī)則而產(chǎn)生誤差，由于紅外測距傳感器電路部分相比超聲波電路部分不存在電感、電容等儲能震蕩電路，這樣電路不會由于這類器件

對周邊的電路產(chǎn)生干擾，使電路集成度很高，同時靜電測量儀的體積很小。采用紅外測距傳感器比超聲波傳感器具有抗干擾能力強，電路體積小、能測量表面積很小的物體等優(yōu)點。通過數(shù)據(jù)比對，紅外測距傳感器可以達到1 mm的分辨率，大大優(yōu)于超聲波傳感器。軟件框圖如圖4。由于采集到的信號與環(huán)境溫濕度、距離、被測物體面積等相關(guān)聯(lián)，這樣在程序上采用了距離修正與線性度修正，這些修正數(shù)據(jù)都是通過實驗室大量的數(shù)據(jù)總結(jié)出來內(nèi)置在程序當中。

3 總結(jié)

在第一代基礎(chǔ)上改進的靜電測量儀，在采集電路及程序方面進行了更加合理地優(yōu)化，實現(xiàn)了小信號靜電電壓的測量，經(jīng)過實際應(yīng)用，可以達到更好的測量效果。

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