人體行走電壓的時域波形研究

韓宇南 佘俊超 POMMERENKE David 戴琳 劉博文

(1.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100029; 2.密蘇里科技大學(xué)電子與計算機工程系,羅拉 密蘇里州 美國 65401; 3.遼河石油勘探局通信公司,盤錦 124010)

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人體行走電壓的時域波形研究

韓宇南1佘俊超1POMMERENKE David2戴琳3劉博文1

(1.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100029; 2.密蘇里科技大學(xué)電子與計算機工程系,羅拉 密蘇里州 美國 65401; 3.遼河石油勘探局通信公司,盤錦 124010)

基于測試得到的人體行走電壓時域波形,提出了仿真人體行走電壓的等效電路模型構(gòu)建方法,分析了模型參數(shù)對人體行走電壓時域波形的影響.按照IEC 61340-4-5中規(guī)定的人體行走電壓的測試方法,測試了不同溫濕度、不同鞋、不同地板條件下,人體行走電壓的時域波形.通過對大量實測人體行走電壓時域波形的分析,提出了人體行走電壓的等效RC電路模型,得到人體的帶電量滿足指數(shù)形式的充放電關(guān)系,其時間常數(shù)τ由等效電路模型的電阻R、電容C參數(shù)決定.人體行走中,人的動作引起人體電容的周期性變化,進而導(dǎo)致人體電壓呈現(xiàn)周期性變化趨勢.通過對比實測數(shù)據(jù),模型與實驗結(jié)果符合較好,人體動作引起的電壓周期性變化一致性較好,實驗具有很好的可重復(fù)性.

靜電放電;人體電壓;行走電壓;時域波形

引 言

人體行走過程中積累的靜電,很容易產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象,可能會引起電氣設(shè)備的敏感[1].靜電放電廣泛存在于人類日常行為當中,從脫化纖衣物到室內(nèi)地毯行走,都可能引起人體靜電放電現(xiàn)象.通常情況下,工業(yè)領(lǐng)域都采取一定的措施控制人體的靜電放電[2-3],例如人體的接地、地面的導(dǎo)電性處理、人體穿防靜電鞋、環(huán)境溫濕度控制等[4-5].因此,研究人體的行走電壓的時域波形,對討論人體的各種靜電放電防護方法的有效性,以及人體靜電放電的測試方法改進,有一定的實際意義.

國內(nèi)外相關(guān)組織非常重視人體行走產(chǎn)生的靜電放電．例如美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., ASHRAE)資助了相關(guān)課題,主要研究數(shù)據(jù)中心在不同溫濕度條件下,可能產(chǎn)生的靜電放電,及其對信息設(shè)備的風(fēng)險[6-8],以便于制定合適的靜電放電防護標準.在該研究基礎(chǔ)上,按照IEC 61340-4-5[9]和ANSI/ESD STM97.2[10]規(guī)定的室內(nèi)人體行走電壓的實驗測試方法,通過實驗測試了在不同溫濕度條件下,不同地板和穿不同鞋情況下的人體行走電壓波形.實驗測試采用“六步走”固定行走模式周期性實驗,分析了實驗的一致性和可重復(fù)性.通過研究人體行走過程中人體帶電電壓變化,根據(jù)人體電壓與時間呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系,提出基于靜電放電模型建立等效的RC電路,建立了人體的行走電壓模型,并將模型的仿真結(jié)果與實測結(jié)果進行了對比.

1 實驗測試與等效電路模型

標準IEC 61340-4-5和ANSI/ESD STM97.2,規(guī)定的人體行走電壓的測試配置如圖1所示.人站在地板上,手中握著金屬探頭,通過電壓表實時測試人體的行走電壓,并連續(xù)自動記錄數(shù)據(jù).地板的支撐層是完整的金屬板并接地,地板上層敷設(shè)了規(guī)定材質(zhì)的地板板材.圖2是標準ANSI/ESD STM97.2規(guī)定的人在地板上的行走模式,左右腳的步伐按照圖中1至6的位置,共行走了6步并多次循環(huán)行走.

圖1 人體行走電壓測試布置圖

圖2 標準ANSI/ESD STM97.2規(guī)定的人體行走模式圖

圖3 測量系統(tǒng)和人體的等效電路圖

如圖3所示,左側(cè)為測量系統(tǒng)的等效電路,右側(cè)為人體的等效電路,二者通過光滑的金屬電極(a)連接測量系統(tǒng)的等效電路由靜電壓測試儀器(b)的輸入電阻RM和測量系統(tǒng)的總電容CM(包括靜電壓測試儀電容、金屬電極電容和連接線纜電容)并聯(lián)構(gòu)成人體的等效電路模型包括人體的電阻RB、人腳對地的電阻RS(包括鞋對地電阻和地板對地電阻)，人對地電容CS(包括鞋對地電容、地板對地電容),以及人體對周圍物體(包括墻、天花板、家具和周圍人等)的電容CW.

靜電壓測試儀器的輸入電阻RM大于1014Ω. 一般來講,人體的電阻RB約為1 MΩ, 根據(jù)工業(yè)標準(S7.1)人體對地電阻RS小于109Ω. 因此RM遠大于人體對地電阻RS和人體電阻RB之和,有

RM?RB+RS.

(1)

靜電壓測試儀器的電容小于30 pF.測量系統(tǒng)能夠自動記錄測量的電壓,能夠以20 ms的時間間隔連續(xù)記錄.因此可以通過測試系統(tǒng)讀出人體的電壓.

2 人體等效電路模型及參數(shù)分析

人體行走等效電路如圖3所示,一般來講人體的電阻RB遠遠小于人腳對地的電阻RS.人體的等效電路所構(gòu)成的RC網(wǎng)絡(luò),其電壓響應(yīng)特性,可以表述為

(2)

人體電壓UB是由充電過程和放電過程構(gòu)成.人體開始行走時,人體的電壓逐漸增加,逐漸充電至摩擦引起的峰值電壓UBp;當時間超過tp,人從行走狀態(tài)停住,進入原地靜止狀態(tài),人體的電壓UB逐漸放電至0.其中時間常數(shù)

τ=RS(CW+CS) .

(3)

人在行走過程中,人腳對地的電阻RS和人體對地電容CS是時間的函數(shù)在行走過程中,人腳對地的電阻RS(包括鞋的電阻和地板的電阻),隨著人周期性地抬起腳并放下,電阻RS相應(yīng)地會周期性地先變大后變小.雙腳并排直立站在地板上,人體對地電阻RS取得最小值RS0,這種狀態(tài)下鞋底與地面有最大的接觸面積為S0.如果人體只用一只腳站立,那么電阻將幾乎是雙腳站立時的2倍.行走時RS阻值與接觸面積S成反比,滿足

(4)

人體對地電容CS,包括鞋的電容和地板的電容,在行走過程中也是時間的函數(shù).相對于行走電阻RS,人體對地電容CS,隨著周期性地抬起腳并放下,先變小后變大.人體抬腳行走過程中,人體對地電容

CS可以通過如圖4所示的平行板電容器進行建模.雙腳并排直立站在地板上,人體對地電容CS取得最大值CS0,如圖4(a)所示.在行走過程中,人體對地電容CS如以等效為鞋底與地面接觸部分的電容C1和鞋底離地部分的電容C2的并聯(lián),如圖4(b)所示.

圖4 人體對地電容CS行走等效模型

鞋底與地面接觸部分的電容C1為

(5)

鞋底離地部分的電容C2由人鞋底離地的距離x和鞋底離地部分的面積(S-S0)有關(guān),假設(shè)關(guān)系為

(6)

人體對地電容CS取得最大值CS0,如圖4(a)所示.在行走過程中,人體對地電容CS可以等效為鞋底與地面接觸部分的電容C1和鞋底離地部分的電容C2的并聯(lián)

(7)

時間常數(shù)τw可以由公式(3)、(4)和(7)得到

(8)

可以看出時間常數(shù)τw和鞋底與地面的接觸面積S負相關(guān).行走過程中,人體的充電過程會變慢.

當人體對地電阻RS較大時,時間常數(shù)τw也較大,往往會超過10 s.這樣在較短的時間內(nèi),可以忽略人體電量的增加.也就是人體行走過程中,人體所帶電量一定的情況下,人體電壓與人體對地電容成反比,滿足

(9)

這樣,人體的行走電壓,一方面由人體行走過程摩擦引起的電量正相關(guān),另一方面與人體行走過程中人體對地電容CS負相關(guān).

3 人體行走電壓時域波形驗證

如圖5所示,圖中實線給出了人體行走電壓的實測波形.測試是在環(huán)境實驗室內(nèi),固定的溫濕度條件下(溫度27 ℃,相對濕度45%)情況下,地板為高導(dǎo)電HPLF(高導(dǎo)電防火地板)情況下,分別穿Sperry鞋(休閑鞋)情況下,得到的人體行走電壓波形圖中的虛線為通過RC等效電路擬合的人體電壓的變化一般規(guī)律,該情況是忽略了行走過程中電容變化的影響.可以看出實驗測試得到的人體電壓,呈現(xiàn)的趨勢是指數(shù)變化趨勢,與RC擬合曲線一致.在行走過程中,由于人體對地電容與圖2所示的行走模式相對應(yīng),產(chǎn)生周期性的變化,進而引起電壓的周期性變化.

圖5 人體行走電壓測試結(jié)果與RC等效電路擬合對比圖

在人體按照固定模式行走過程中,為了討論相同條件下人體電壓變化規(guī)律的一致性,將各個行走的電壓波形平移后,在圖6中進行了對比.可以明顯看出,通過平移后,每次按照圖2規(guī)定的“六步走”模式行走情況下,各個波形的相似性很好,都圍繞在均值線附近,也就是人體的電容與行走動作的關(guān)聯(lián)度很高,且一致性較好.

圖6 人體行走電壓測試一致性對比圖

在RC模型指數(shù)曲線的基礎(chǔ)上,加入了由于行走過程中人體對地電容變化引起的電壓曲線變化,可以擬合出人體行走電壓的時域波形.如圖7所示,地板為高導(dǎo)電防火地板,穿Sperry休閑鞋情況下,人體行走電壓的測試時域波形與擬合波形的對比,可以看出通過行走模型擬合的曲線與實測曲線符合得很好.

圖7 人體行走電壓實測曲線與擬合曲線對比圖

4 結(jié) 論

通過實測固定“六步走”行走模式下人體電壓的時域波形,詳細分析了人體行走過程中電壓的變化情況和原因,建立等效的RC電路模型,分析了模型參數(shù)電阻R和電容C的變化特征.RC模型顯示,在人體行走過程中,電壓呈現(xiàn)指數(shù)上升曲線,同時在人抬起腳放下這一過程中,會引起周期性電壓變化.

致謝:感謝美國采暖,制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE)TC 9.9對本課題的支持.感謝Mahdi Moradian和David E. Swenson共同完成實驗,并做了大量有益的交流和討論.

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POMMERENKE David (1966-),男,美國密蘇里科技大學(xué)電子與計算機工程系教授,電磁兼容專家.

戴琳 (1988-),女,遼寧人,遼河石油勘探局通信公司助理工程師，2014年6月獲得東北石油大學(xué)通信與信息系統(tǒng)碩士學(xué)位.主要研究方向為無線通信理論與技術(shù),電磁兼容,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),數(shù)字信號處理.

Modeling of human body walking voltage in time-domain

HAN Yunan1SHE Junchao1POMMERENKE David2DAI Lin3LIU Bowen1

(1.CollegeofInformationTechnology,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China;2.DepartmentofElectricalandComputerEngineering,MissouriUniversityofScienceandTechnology,Rolla65401,USA;3.LiaohePetroleumExplorationBureauCommunicationCompany,Panjin124010,China)

Based on the measurement of human body walking voltage, theRCequivalent circuit model for human body voltage charging by walking has been deduced and the model parameters affection on the time domain voltage waveform has also been analyzed. Firstly, human body voltage charging by walking has been measured in different condition of thermal conditions, floor types and shoes types according to standard of IEC 61340-4-5. Secondly, the human body walking voltage waveform has been analyzed, then the human body walking voltage equivalentRCcircuit model was deduced, and exponential function can be obtained to describe the human body walking voltage, the time constantτis determined by the human body resistanceRand capacityCto the ground. Thirdly, the human body capacity is periodic changing with human body steps, so the human body voltage is also negatively changing with human body capacity. Therefore, the human body walking voltage can be modeled and fit very well with the measurement.

electro-static discharge (ESD); human body voltage; walking voltage; time domain waveform

10.13443/j.cjors. 2014103001

2014-10-30

國家留學(xué)基金委公派留學(xué)基金資助(No. 201208110396)； 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助(ZY1113、YS1404)

O441.1; TM206

A

1005-0388(2015)05-0917-05

韓宇南 (1980-),男,遼寧人, 北京化工大學(xué)講師.2007年7月獲北京郵電大學(xué)電磁場與微波技術(shù)博士學(xué)位.2009年9月在中國運載火箭技術(shù)研究院總體設(shè)計部評為高級工程師.國家公派留學(xué)基金資助,2013年在美國密蘇里科技大學(xué)電磁兼容實驗室做訪問學(xué)者.主要研究方向為電磁兼容、計算電磁學(xué)、抗核電磁脈沖加固、雷電防護、生物電磁學(xué)、天線設(shè)計.

佘俊超 (1990-),男,重慶人,北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在讀碩士研究生,主要研究方向為電磁兼容、電子信息工程、計算仿真.

韓宇南, 佘俊超, POMMERENKE David, 等. 人體行走電壓的時域波形研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2015,30(5):917-921.

HAN Yunan, SHE Junchao, POMMERENKE David, et al. Modeling of human body walking voltage in time-domain[J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(5):917-921. (in Chinese). doi: 10.13443/j.cjors.2014103001

聯(lián)系人： 韓宇南 E-mail:clark-han@126.com