人体行走电压的时域波形研究

韩宇南 佘俊超 POMMERENKE David 戴琳 刘博文

(1.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029; 2.密苏里科技大学电子与计算机工程系,罗拉 密苏里州 美国 65401; 3.辽河石油勘探局通信公司,盘锦 124010)



人体行走电压的时域波形研究

韩宇南1佘俊超1POMMERENKE David2戴琳3刘博文1

(1.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029; 2.密苏里科技大学电子与计算机工程系,罗拉 密苏里州 美国 65401; 3.辽河石油勘探局通信公司,盘锦 124010)

基于测试得到的人体行走电压时域波形,提出了仿真人体行走电压的等效电路模型构建方法,分析了模型参数对人体行走电压时域波形的影响.按照IEC 61340-4-5中规定的人体行走电压的测试方法,测试了不同温湿度、不同鞋、不同地板条件下,人体行走电压的时域波形.通过对大量实测人体行走电压时域波形的分析,提出了人体行走电压的等效RC电路模型,得到人体的带电量满足指数形式的充放电关系,其时间常数τ由等效电路模型的电阻R、电容C参数决定.人体行走中,人的动作引起人体电容的周期性变化,进而导致人体电压呈现周期性变化趋势.通过对比实测数据,模型与实验结果符合较好,人体动作引起的电压周期性变化一致性较好,实验具有很好的可重复性.

静电放电;人体电压;行走电压;时域波形

引 言

人体行走过程中积累的静电,很容易产生静电放电现象,可能会引起电气设备的敏感[1].静电放电广泛存在于人类日常行为当中,从脱化纤衣物到室内地毯行走,都可能引起人体静电放电现象.通常情况下,工业领域都采取一定的措施控制人体的静电放电[2-3],例如人体的接地、地面的导电性处理、人体穿防静电鞋、环境温湿度控制等[4-5].因此,研究人体的行走电压的时域波形,对讨论人体的各种静电放电防护方法的有效性,以及人体静电放电的测试方法改进,有一定的实际意义.

国内外相关组织非常重视人体行走产生的静电放电．例如美国采暖、制冷与空调工程师学会(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., ASHRAE)资助了相关课题,主要研究数据中心在不同温湿度条件下,可能产生的静电放电,及其对信息设备的风险[6-8],以便于制定合适的静电放电防护标准.在该研究基础上,按照IEC 61340-4-5[9]和ANSI/ESD STM97.2[10]规定的室内人体行走电压的实验测试方法,通过实验测试了在不同温湿度条件下,不同地板和穿不同鞋情况下的人体行走电压波形.实验测试采用“六步走”固定行走模式周期性实验,分析了实验的一致性和可重复性.通过研究人体行走过程中人体带电电压变化,根据人体电压与时间呈指数相关关系,提出基于静电放电模型建立等效的RC电路,建立了人体的行走电压模型,并将模型的仿真结果与实测结果进行了对比.

1 实验测试与等效电路模型

标准IEC 61340-4-5和ANSI/ESD STM97.2,规定的人体行走电压的测试配置如图1所示.人站在地板上,手中握着金属探头,通过电压表实时测试人体的行走电压,并连续自动记录数据.地板的支撑层是完整的金属板并接地,地板上层敷设了规定材质的地板板材.图2是标准ANSI/ESD STM97.2规定的人在地板上的行走模式,左右脚的步伐按照图中1至6的位置,共行走了6步并多次循环行走.

图1 人体行走电压测试布置图

图2 标准ANSI/ESD STM97.2规定的人体行走模式图

图3 测量系统和人体的等效电路图

如图3所示,左侧为测量系统的等效电路,右侧为人体的等效电路,二者通过光滑的金属电极(a)连接测量系统的等效电路由静电压测试仪器(b)的输入电阻RM和测量系统的总电容CM(包括静电压测试仪电容、金属电极电容和连接线缆电容)并联构成人体的等效电路模型包括人体的电阻RB、人脚对地的电阻RS(包括鞋对地电阻和地板对地电阻)，人对地电容CS(包括鞋对地电容、地板对地电容),以及人体对周围物体(包括墙、天花板、家具和周围人等)的电容CW.

静电压测试仪器的输入电阻RM大于1014Ω. 一般来讲,人体的电阻RB约为1 MΩ, 根据工业标准(S7.1)人体对地电阻RS小于109Ω. 因此RM远大于人体对地电阻RS和人体电阻RB之和,有

RM≫RB+RS.

(1)

静电压测试仪器的电容小于30 pF.测量系统能够自动记录测量的电压,能够以20 ms的时间间隔连续记录.因此可以通过测试系统读出人体的电压.

2 人体等效电路模型及参数分析

人体行走等效电路如图3所示,一般来讲人体的电阻RB远远小于人脚对地的电阻RS.人体的等效电路所构成的RC网络,其电压响应特性,可以表述为

(2)

人体电压UB是由充电过程和放电过程构成.人体开始行走时,人体的电压逐渐增加,逐渐充电至摩擦引起的峰值电压UBp;当时间超过tp,人从行走状态停住,进入原地静止状态,人体的电压UB逐渐放电至0.其中时间常数

τ=RS(CW+CS) .

(3)

人在行走过程中,人脚对地的电阻RS和人体对地电容CS是时间的函数在行走过程中,人脚对地的电阻RS(包括鞋的电阻和地板的电阻),随着人周期性地抬起脚并放下,电阻RS相应地会周期性地先变大后变小.双脚并排直立站在地板上,人体对地电阻RS取得最小值RS0,这种状态下鞋底与地面有最大的接触面积为S0.如果人体只用一只脚站立,那么电阻将几乎是双脚站立时的2倍.行走时RS阻值与接触面积S成反比,满足

(4)

人体对地电容CS,包括鞋的电容和地板的电容,在行走过程中也是时间的函数.相对于行走电阻RS,人体对地电容CS,随着周期性地抬起脚并放下,先变小后变大.人体抬脚行走过程中,人体对地电容

CS可以通过如图4所示的平行板电容器进行建模.双脚并排直立站在地板上,人体对地电容CS取得最大值CS0,如图4(a)所示.在行走过程中,人体对地电容CS如以等效为鞋底与地面接触部分的电容C1和鞋底离地部分的电容C2的并联,如图4(b)所示.

图4 人体对地电容CS行走等效模型

鞋底与地面接触部分的电容C1为

(5)

鞋底离地部分的电容C2由人鞋底离地的距离x和鞋底离地部分的面积(S-S0)有关,假设关系为

(6)

人体对地电容CS取得最大值CS0,如图4(a)所示.在行走过程中,人体对地电容CS可以等效为鞋底与地面接触部分的电容C1和鞋底离地部分的电容C2的并联

(7)

时间常数τw可以由公式(3)、(4)和(7)得到

(8)

可以看出时间常数τw和鞋底与地面的接触面积S负相关.行走过程中,人体的充电过程会变慢.

当人体对地电阻RS较大时,时间常数τw也较大,往往会超过10 s.这样在较短的时间内,可以忽略人体电量的增加.也就是人体行走过程中,人体所带电量一定的情况下,人体电压与人体对地电容成反比,满足

(9)

这样,人体的行走电压,一方面由人体行走过程摩擦引起的电量正相关,另一方面与人体行走过程中人体对地电容CS负相关.

3 人体行走电压时域波形验证

如图5所示,图中实线给出了人体行走电压的实测波形.测试是在环境实验室内,固定的温湿度条件下(温度27 ℃,相对湿度45%)情况下,地板为高导电HPLF(高导电防火地板)情况下,分别穿Sperry鞋(休闲鞋)情况下,得到的人体行走电压波形图中的虚线为通过RC等效电路拟合的人体电压的变化一般规律,该情况是忽略了行走过程中电容变化的影响.可以看出实验测试得到的人体电压,呈现的趋势是指数变化趋势,与RC拟合曲线一致.在行走过程中,由于人体对地电容与图2所示的行走模式相对应,产生周期性的变化,进而引起电压的周期性变化.

图5 人体行走电压测试结果与RC等效电路拟合对比图

在人体按照固定模式行走过程中,为了讨论相同条件下人体电压变化规律的一致性,将各个行走的电压波形平移后,在图6中进行了对比.可以明显看出,通过平移后,每次按照图2规定的“六步走”模式行走情况下,各个波形的相似性很好,都围绕在均值线附近,也就是人体的电容与行走动作的关联度很高,且一致性较好.

图6 人体行走电压测试一致性对比图

在RC模型指数曲线的基础上,加入了由于行走过程中人体对地电容变化引起的电压曲线变化,可以拟合出人体行走电压的时域波形.如图7所示,地板为高导电防火地板,穿Sperry休闲鞋情况下,人体行走电压的测试时域波形与拟合波形的对比,可以看出通过行走模型拟合的曲线与实测曲线符合得很好.

图7 人体行走电压实测曲线与拟合曲线对比图

4 结 论

通过实测固定“六步走”行走模式下人体电压的时域波形,详细分析了人体行走过程中电压的变化情况和原因,建立等效的RC电路模型,分析了模型参数电阻R和电容C的变化特征.RC模型显示,在人体行走过程中,电压呈现指数上升曲线,同时在人抬起脚放下这一过程中,会引起周期性电压变化.

致谢:感谢美国采暖,制冷与空调工程师学会(ASHRAE)TC 9.9对本课题的支持.感谢Mahdi Moradian和David E. Swenson共同完成实验,并做了大量有益的交流和讨论.

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POMMERENKE David (1966-),男,美国密苏里科技大学电子与计算机工程系教授,电磁兼容专家.

戴琳 (1988-),女,辽宁人,辽河石油勘探局通信公司助理工程师，2014年6月获得东北石油大学通信与信息系统硕士学位.主要研究方向为无线通信理论与技术,电磁兼容,物联网技术,数字信号处理.

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

国家留学基金委公派留学基金资助(No. 201208110396)； 中央高校基本科研业务费资助(ZY1113、YS1404)

O441.1; TM206

A

1005-0388(2015)05-0917-05

韩宇南 (1980-),男,辽宁人, 北京化工大学讲师.2007年7月获北京邮电大学电磁场与微波技术博士学位.2009年9月在中国运载火箭技术研究院总体设计部评为高级工程师.国家公派留学基金资助,2013年在美国密苏里科技大学电磁兼容实验室做访问学者.主要研究方向为电磁兼容、计算电磁学、抗核电磁脉冲加固、雷电防护、生物电磁学、天线设计.

佘俊超 (1990-),男,重庆人,北京化工大学信息科学与技术学院在读硕士研究生,主要研究方向为电磁兼容、电子信息工程、计算仿真.

韩宇南, 佘俊超, POMMERENKE David, 等. 人体行走电压的时域波形研究[J]. 电波科学学报,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

联系人： 韩宇南 E-mail:clark-han@126.com