静电电荷量传感器标定技术研究

李晓青 袁亚飞 杨 铭 季启政

(北京东方计量测试研究所，北京 100094)

1 引 言

静电电荷量传感器是一种基于静电感应原理的传感器，它主要应用于气固两相流的检测过程中。它具有结构简单，安装方便，灵敏度高等特点，广泛应用于电力，冶金，化工，环保，医药，国防建设，航空航天等领域。目前其最热门的应用是基于静电电荷量传感器的航空发动机的油路及气路磨粒监测系统。

上世纪六七十年代国外已经开始了对静电电荷量传感器的相关研究，Mathur和Klinzing最早将静电传感器和相关信号处理技术结合实现了管道中固体颗粒速度的测量[1～3]；Xie等人采用两个四分之一环状电极实现了自由落体状态下固体颗粒速度的测量；Yan带领的研究小组应用不同形状的静电传感器对煤粉，生物质颗粒和烟道粉尘等的参数测量进行了系统的研究[4]；目前国内外已开发出多套商业化的静电监测系统，如国外ABB公司的PFMaster、TR-Tech公司的ECT Star煤粉流量监测系统、Smith公司的EDMS(The Engine Distress Monitoring System)系统和EODM(Electrostatic Oil Debris Monitor)系统[5]。国内的目前应用主要集中在管道中气固两相流的状态监控和飞机重要零部件如发动机，缝翼滑轨的监测，且正在研发基于静电电荷量传感器的发动机监测系统[6]。

静电电荷量传感器标定工作是研究传感器输入输出关系的基础，是传感器定量化应用的前提与保证。静电监测系统在军事上广泛应用的保密性，国外关于静电电荷量传感器的标定方法无从得知，国内现阶段还没有成型的标定装置，更没有相关的静电电荷量传感器的标定标准和规范[7]。这对于静电电荷量传感器提高精度、以及更广泛的应用造成了制约。因此，开展静电电荷量传感器的标定技术研究，搭建静电电荷量传感器标定装置，就具有相当的必要性和迫切性。

2 静电电荷量传感器标定装置

传感器的标定是检验传感器设计的正确性，确定传感器的基本性能的必要步骤，传感器的标定是将传感器的输出量与已知的输入量进行比较，进而分析传感器的铁性指标。

基于以上的要求，设计了静电电荷量标定装置。标定装置由支撑定位模块、油滴荷电模块、电荷量测量模块、直流高压模块和平行电极模块组成。其中支撑定位模块是为了调节和固定金属针头、环状电极、传感器、平行电极模块之间的相对位置。在实验的过程中，通过改变油滴下落轨迹与传感器中心轴线的相对位置，可以对传感器的空间灵敏度以及静态灵敏度进行检测。

直流高压模块是为了给环状电极和平行电极提供直流高压。该模块可以输出0到2000V的连续可调的直流高压。

油滴荷电部分如图1所示由三部分组成，分别为油槽、环状电极和金属针头。其中环状电极与高压模块相连，金属针头接地。

在工作时，将环状电极上施加高压，油滴从油槽通过阀门进入到由环状电极和金属针头组成的高压电场中。在高压电场的作用下，油滴所携带的正负电荷将发生定向移动，部分电荷将通过金属针头流向接地端，油滴则携带着与环状电极上极性相反的电荷。

图1 油滴荷电原理图Fig.1 Schematic diagram of oil droplet charge

在对油滴进行感应充电的时候，环状电极与油液之间的空气为二者之间的绝缘介质，可将其视为并联一个较大的电阻[8]。因此可得其电学模型如图2所示。

图2 电学模型Fig.2 Electrical model

因此油滴的带电量Q与施加电压U的关系可以用Q=CU表示，其中C为油滴的电容。可见油滴的带电量与电压的大小成正比关系[9]。因此对于相同的油滴而言，可以通过改变高压模块输出电压的大小来改变油滴所携带的电荷量的多少。

对于静电电荷量传感器标定的输入量即油滴所携带的电荷量的确定有两个方案。一是通过静电计和法拉第筒组成的电荷量测量模块来获取油滴所携带的电荷量，二是通过油滴在平行电极间的偏转的距离来确定油滴所携带的电荷量[10]。

图3 法拉第筒电荷量测量模块Fig.3 Faraday tube charge measurement module

如图3所示电荷量测量模块是由法拉第杯和静电计组成，该模块能够准确的测量油滴中所带的电荷量，测量分辨率可达0.01pC。在实验过程中通过调节油滴荷电模块与电荷量测量模块之间的垂直相对距离，可以得到油滴在下落过程中油滴携带的电荷的消散情况。

图4 偏转电场电荷量测量模块Fig.4 Deflection electric field charge measurement module

如图4所示首先使用卷尺测出长度L0、L1，同时使用高速摄像机获取油滴通过平行电极时的水平位移量△d，油滴在平行电极中的下落时间为

(1)

式中：Δt——油滴在平行电极中下落的时间，s;L0——环形电极的中心到平行电极上部的高度，m;L1——平行电极的高度，m;g——重力加速度，m/s2。

(2)

式中：a——油滴在水平方向的加速度，m/s2。

(3)

设油滴的质量为m,平行电极的电场强度是已知的并且是可以控制的，则设电场强度为E，则有公式

(4)

式中：f——油滴在平行电极中收到的水平电场力，N。

f=Eq

(5)

式中：q——油滴所带的电荷量，C。

(6)

因此可以推出静电电荷量传感器标定所需的输入值的表达式为

(7)

由此可知静电电荷量传感器标定所需的输入值与油滴的质量m，电场强度E，油滴在开始下落的位置到平行电极上端的距离L0，平行电极竖直的高度L1以及油滴电荷在平行电极中的偏移量△d有关。

静电电荷量传感器标定所需的输入值的主要影响因素是油滴的质量m以及偏移量△d的确定。

3 实验数据

油滴的带电量Q与施加电压的关系可以用Q=CU表示，因此可知当电容一定时油滴的带电量与施加电压的大小成正比关系。在实验过程中，油滴的大小是通过针头的孔径大小来控制的，油滴与油滴之间的下落时间间隔是通过控制阀门的大小来控制的。为了获取油滴的带电量和施加电压之间的关系，所以应保持油滴的电容不发生改变。因此实验过程中所使用的油的种类应完全相同。在同一组实验过程中，阀门开启的大小、环境温度以及湿度应保持不变。通过使用不同孔径的针头来改变油滴的质量的大小。

3.1 电荷量与施加电压之间的关系

表1中的五组实验都是在高度为73.2cm、温度23℃到24℃之间、相对湿度为44%条件下进行的，五组实验除使用的针头不同之外，其与的条件均相同。

表1 不同电压下油滴携带的电荷量Tab.1 Amount of charge carried by oil droplets at different voltages

图5 施加电压与油滴电荷量的关系Fig.5 Relationship between the applied voltage and the amount of oil droplet charge

表2中的数据做出折线图后如图5所示，图5中一共使用了5个不同的针头进行试验，其使用针头的内径及每滴油滴的质量分别如表2所示。

表2 不同内径针头对应的油滴质量Tab.2 Quality of oil droplets corresponding to the needles with different inner diameters

通过对上边5条曲线的分析，可知对于相同大小的油滴，油滴所带的电荷量与施加电压之间成线性关系。实验结果与之前的理论分析相符合。同时通过对图5中五条曲线的比较可以得知，使用不同的针头，油滴所带的电荷量与电压的比值是不相同的，也就是说不同的针头产生的油滴大小不相同，进而油滴的电容也会有所不同。但无论使用哪个针头，电压与油滴所带的电荷量都是线性关系。

3.2 油滴大小与油滴初始荷电量的关系

从表2中可以看出，随着油滴质量的减小，对环状电极施加相同的电压油滴的带电量将会随之减小。

表3 油滴质量与油滴荷电量Tab.3 Droplet mass and droplet charge

3.3 油滴荷电量下落过程中的消散

分析油滴荷电量下落过程中的消散，需要使用相同的针头、环状电极中施加的电压应相同。因此对环状电极施加1000V的电压，使用金属针头4，使油滴从不同的高度滴落，测得具体数据如表4所示。

从表4中的数据可知，使用相同的金属针头，对环状电极施加相同的电压，使油滴从不同的高度滴落，法拉第筒测得的油滴携带的电荷量有所不同。在静电电荷量传感器标定的过程中带电油滴的下落距离也是一个重要的影响因素。

表4 油滴荷电量下落过程的消散Tab.4 Dissipation of the droplet charge as it falls

3.4 油滴电荷在不同湿度下的消散

表5 不同湿度下相同油滴带电量Tab.5 Under different humidity, the same oil droplet has electric quantity

本次对比试验中使用的均为针头4，温度都为23.7℃，高度均为73.2cm,通过相对湿度为分别为44%和81%时，在不同电压下，油滴所带电荷量的比较可知，相对湿度越高，则油滴在下落过程中油滴的电荷消散的越快。因此为了使得标定结果更加的准确，静电电荷量传感器与法拉第筒之间的距离应该尽可能的接近。

4 结束语

对静电电荷量传感器使用油滴荷电的方法实现了标定了并建立了相应的标定装置，通过对油滴进行实验观测可以得出以下结论：

(1)油滴电荷量在下落过程中产生消散，湿度越高，油滴电荷量消散的速度越快。

(2)使用不同内径的针头获得的油滴大小有所不同，针头内径大的获得的油滴质量也大，对不同质量大小的油滴施加相同的电压，质量大的油滴所携带的电荷量也大。

(3)对于相同大小的油滴，在相同的温湿度环境条件下，从相同的高度落下，油滴荷电量的大小与环状电极上施加的电压大小有关，并成线性关系。

(4)搭建的静电电荷量传感器标定装置符合实验要求，可以用于对静电电荷量传感器的标定。