非金属材料用静电测量仪的开发

张彬彬

（中煤科工集团上海研究院，上海 201401）

所有物体均带有正负电荷，当物体发生摩擦时，电子就会在两个摩擦的物体上发生转移，使物体表面带有电荷，由于金属材料的导电性能良好，所以电荷在金属材料表面很难聚集，而非金属材料由于表面绝缘电阻很高，所以容易积累电荷。而煤矿井下使用的皮带机、输送机等，由于其使用非金属材料皮带和非金属材料托辊，其在工作过程中由于反复的摩擦，会积累很高的电荷，当电荷积累到一定程度后就会在其表面产生电晕，进而发生放电现象。这类放电电压一般都很高，会达到上万伏特，如果没有有效的检测手段来预防，一旦发生放电，会产生很严重的事故，如引爆煤矿井下瓦斯气体，放电产生的火花还会引起火灾。目前国内每年由于静电放电引起的事故很多，已经引起足够的重视，但是由于煤矿井下环境特殊，需要用专门的设备来进行测量。本文介绍非金属材料专用的静电测量仪器的设计思路及设计原理。

1 问题提出

在高阻介质带电时，由于各不同部位的电位不尽相同，所以必须采用非接触式测量。影响高阻介质带电体测量的不准确度有3个因素:

(1)带电体电位跌落

静电测量仪介入被测体电场时会引起带电体电位的跌落，如图1所示。

图1中，A为带电体;Ca为带电体A对地电容;Cb为带电体A与仪表外壳的分布电容总和;Ci为采集电极和放大器的输入电容;Ri为采集电极和放大器的输入电阻。

当电位计远离A时，带电体A的电位等于EA，引入检测仪后:

相应的跌落系数为

式(2)中Cb和检测仪与带电体A的距离、检测仪所用材料、尺寸和形状有关;Ci和Ri取决于放大器的输入电容和电阻。事实上跌落系数η还受外壳的干燥度(测量环境的湿度)等因素的影响。

(2)静电测量仪与被测带电体的距离影响

图1中Cs计算如下:

式中，k为系数;l是检测仪与带电体的距离;s是采集电极的面积。从上式中可以看出采集电压的大小与面积s和距离l有关。

(3)零位与读数值漂移影响

由于跌落系数η和放大器输入阻抗的影响，在测量静电电位时，仪表的数据会自行漂移原值，这样就需要在电极和电路设计上来克服这些问题。

上述3个问题是静电测量仪的设计难点。

2 总体方案

静电检测有两种形式:接触式检测和非接触式检测。接触式检测由于存在火花放电的危险，因而不适用于煤矿井下。这里将详细介绍一种非接触式的静电测量仪的设计研发。该静电测量仪主要分三部分:信号检测传感器、小信号放大单元、红外测距传感器。下面将详细分析静电测量仪各个部分的功能及设计思路。

2.1 信号检测传感器

非金属材料由于质子对电子的束缚，不同的位置电荷数量不同，静电电压就不同，接触式传感器会由于局部放电使电荷数量减少进而会影响测量精度，而使用非接触式传感器就会避免这种状况。非接触式传感器通过电离空气来使被测量面与传感器表面的电位一致，达到测量的目的。图2为信号检测传感器示意图，其等效电路见图3。

图2 信号检测传感器

图3 等效电路

平板电容Cx由下式决定

式中，ζ为介电常数;s为有效面积;d为间距。由于探头感应到的静电信号会随着时间而减小，为了降低该影响，通过用单片机控制一个电子开关来避免信号衰减，原理是通过开关的通断，使传感器一直在检测被测物体表面的空气电离信号，根据信号检测传感器的面积以及被测物体的面积，需要合理调整电子开关的频率，最大限度地发挥电子开关的功效。引入电子开关后探头输出信号波形见图4，可见引入电子开关后，使信号的稳定度及一致性大大上升。

2.2 小信号放大单元

运算放大器的输入阻抗会影响输入信号的测量精度，具体表现为如果输入阻抗很低，感应到的小信号会随着时间的推移产生明显的衰减，即便是调整电子开关的通断频率，也不会产生很好的效果;如果感应到的信号比较大，还会对电路产生影响，这样就需要运放有较大的输入阻抗，并且在信号输入端增加保护，使采集到的信号分别经过两个运放的同相输入端及反向输入端，这样可以采集到静电信号的正负半波，增加测量精度，放大器原理图见图5。

图4 引入电子开关后波形差异

图5 信号输入端放大电路

2.3 红外测距传感器

检测距离对信号的测量精度有很大的影响，通过实验室大量数据比对，针对不同的信号幅值，距离过大或过小都会产生很大的影响，这样就需要调整一个最佳的距离。由于测量是非接触式测量，这就要求对距离的测量也是非接触式的，本设计采用的是红外测距传感器，原理是传感器发射一束激光束，当光束遇到被测物体时会被反射回来，反射回来的光束被传感器上的接收部分所接收，通过光束发出到接收的时间，再根据光束在空气中的传播速度，就可以精确测量信号检测传感器到被测物体表面的距离。采用红外测距传感器不会因被测物体表面是否规则而产生误差，由于红外测距传感器电路部分相比超声波电路部分不存在电感、电容等储能震荡电路，这样电路不会由于这类器件

对周边的电路产生干扰，使电路集成度很高，同时静电测量仪的体积很小。采用红外测距传感器比超声波传感器具有抗干扰能力强，电路体积小、能测量表面积很小的物体等优点。通过数据比对，红外测距传感器可以达到1 mm的分辨率，大大优于超声波传感器。软件框图如图4。由于采集到的信号与环境温湿度、距离、被测物体面积等相关联，这样在程序上采用了距离修正与线性度修正，这些修正数据都是通过实验室大量的数据总结出来内置在程序当中。

3 总结

在第一代基础上改进的静电测量仪，在采集电路及程序方面进行了更加合理地优化，实现了小信号静电电压的测量，经过实际应用，可以达到更好的测量效果。

［1］吴文勤，钱柄旭，姜乃强.本质安全型静电检测装置的研制［J］.煤矿机电，2011，(3):52-55.

［2］林 台，冯 喜.非接触式静电电位测量系统设计［J］.电子测量与仪器学报，1995，(1):52-57.

［3］张荣奇，谭志良，林永涛，等.常用静电测量技术及其特点［J］.装备环境工程，2007，(5):85-88.