基于計(jì)算機(jī)控制的織物感應(yīng)靜電衰減測(cè)試儀的研制

趙相彬

摘要：本文主要介紹了基于計(jì)算機(jī)控制的織物感應(yīng)靜電衰減測(cè)試儀的研制關(guān)鍵技術(shù)。儀器采用可調(diào)穩(wěn)定的±5kV高壓直流電源，在計(jì)算機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)電機(jī)和高壓電源，操作安全方便。為了對(duì)織物在高壓電源下感應(yīng)的靜電電量、靜電電壓衰減的半衰期和殘留的靜電電荷量進(jìn)行檢測(cè)，本文分別使用了定時(shí)法和定壓法。試驗(yàn)結(jié)果表明儀器具有良好的穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確可靠地對(duì)織物的靜電衰減性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：靜電；計(jì)算機(jī)控制；半衰期；靜電衰減性能；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）26-0250-03

Development of Fabric Electrostatic Decay Tester Based on Computer Control

ZHAO Xiang-bin

（Office of Admissions and Employment， Shandong Foreign Trade Vocational College， Qingdao 266100， China）

Abstract： This paper mainly introduces the key technologies of the development of fabric electrostatic decay tester based on computer control. The instrument uses a stable and adjustable ±5kV high voltage DC power. Under the control of the computer， it can realize automatic switch motors and high-voltage power supply， which is safe and convenient. The amount of the fabric induction electrostatic charge， half-life of the static voltage attenuation and electrostatic residues are detected by constant time method and constant pressure method. The results show the fabric electrostatic decay tester has a good stability and can well evaluate the fabric static decay property.

Key words： Electrostatic； Computer Control； Half-life Period； Static Decay Property； Stability

靜電衰減性能作為一個(gè)重要的指標(biāo)主要用來對(duì)織物防靜電性能進(jìn)行衡量，通常靜電衰減性能好的織物能在短時(shí)間內(nèi)完成靜電的產(chǎn)生和消散過程。靜電衰減的半衰期（當(dāng)外界作用撤除后，織物感應(yīng)的靜電電壓衰減為初始電壓的一半所需要的時(shí)間）作為衡量織物防靜電性能的定量參數(shù)，是衡量物體泄露電荷快慢，能否誘發(fā)靜電災(zāi)害的重要物理參量[1，2]。

靜電具有非常大的危害性，當(dāng)人體積累一定量的靜電電壓后，若接觸門把手等接地物體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生放電，給人體帶來不適感甚至?xí)斐删薮蟮奈：?。為了更好地評(píng)價(jià)織物的靜電衰減性能[3]，為后期防靜電材料的研制提供參考，因此我們開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)控制的織物感應(yīng)靜電衰減測(cè)試儀。通過使用計(jì)算機(jī)來控制電機(jī)和高壓源的開關(guān)，可保證儀器在使用過程中安全可靠。

1 織物感應(yīng)靜電衰減性能測(cè)試原理

根據(jù)被測(cè)試樣帶電方式的不同，靜電衰減性能的測(cè)量方法包括電暈噴電法、充電法和摩擦法[4]。本文介紹的儀器主要采用電暈噴電法：在試驗(yàn)的過程中，電暈噴電裝置和電位測(cè)量裝置固定不動(dòng)，被測(cè)試樣運(yùn)動(dòng)。使用電暈噴電法測(cè)量織物的靜電衰減性能操作簡(jiǎn)單且可重復(fù)試驗(yàn)，能對(duì)被測(cè)試樣實(shí)現(xiàn)非破壞性的測(cè)量[5]。

測(cè)試開始時(shí)，首先使用電暈噴電裝置對(duì)被測(cè)試樣進(jìn)行定時(shí)間放電，當(dāng)試樣感應(yīng)的電壓達(dá)到最大值并穩(wěn)定后，計(jì)算機(jī)記錄該最大電壓值并通過控制輸出自動(dòng)關(guān)閉高壓電源。迅速將被測(cè)試樣接地使其開始自然放電，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣表面的靜電電壓值，當(dāng)靜電電壓值衰減到最大電壓值的一半時(shí)記錄衰減時(shí)間或達(dá)到規(guī)定的衰減時(shí)間時(shí)記錄靜電電壓值，并以此作為評(píng)估被測(cè)材料防靜電性能的重要參數(shù)。

2 儀器設(shè)計(jì)

在對(duì)儀器進(jìn)行整體設(shè)計(jì)時(shí)，主要從主機(jī)模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三大部分完成設(shè)計(jì)。儀器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 儀器主機(jī)模塊

儀器主機(jī)采用對(duì)被測(cè)試樣實(shí)現(xiàn)非破壞性測(cè)量的電暈噴電測(cè)量方法，主機(jī)的測(cè)試裝置包括：高壓源與噴電裝置、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和電位測(cè)量裝置三部分。

高壓源與噴電裝置的主要作用是對(duì)試樣進(jìn)行充電。為避免實(shí)驗(yàn)室電壓不穩(wěn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成較大影響，儀器使用24V直流電作為輸入電壓，通過自激振蕩電路將直流電轉(zhuǎn)為交流電并在升壓變壓器的作用下升壓為交流電壓，之后再經(jīng)過倍壓整流電路輸出可調(diào)穩(wěn)定的±5kV高壓直流電源。該儀器中噴電電極與試樣之間放電距離設(shè)計(jì)為20mm。

機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由電機(jī)和金屬轉(zhuǎn)盤組成。當(dāng)金屬轉(zhuǎn)盤在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，被測(cè)試樣與電位測(cè)量裝置之間位置發(fā)生變化導(dǎo)致電容量變化，從而感應(yīng)出持續(xù)的交流信號(hào)。為保證儀器在試驗(yàn)過程中保證整體平衡且有穩(wěn)定的輸出信號(hào)，在儀器主機(jī)模塊的設(shè)計(jì)中特選擇了轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 1500r/min的直流電機(jī)。

電位測(cè)量裝置用來測(cè)量被測(cè)試樣感應(yīng)出的靜電電壓，在儀器的設(shè)計(jì)中使用電位檢測(cè)探頭來測(cè)量靜電電壓的大小，電位檢測(cè)探頭與試樣的間距為15mm。試驗(yàn)過程中，試樣的尺寸裁剪為60mm×80mm，在試驗(yàn)過程中試樣的有效測(cè)量面積相對(duì)較小，同時(shí)作為高壓源的噴電裝置與用于測(cè)量感應(yīng)靜電電壓的電位測(cè)量裝置間的距離較大，因此噴電裝置產(chǎn)生的電場(chǎng)不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.2計(jì)算機(jī)控制模塊

為了保證試驗(yàn)過程安全方便，織物感應(yīng)靜電衰減測(cè)試儀使用計(jì)算機(jī)來控制高壓源與電機(jī)的自動(dòng)開關(guān)。在計(jì)算機(jī)控制模塊中使用BAOTRON BC6602板卡實(shí)現(xiàn)儀器與計(jì)算機(jī)的通信。BAOTRON BC6602具有16路單端模擬輸入通道和2路接地端。試驗(yàn)過程中，儀器檢測(cè)到織物表面感應(yīng)的靜電電壓值并將該信號(hào)輸出給板塊，板卡在接收到信號(hào)后，通過A/D轉(zhuǎn)換裝置將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)也可以通過A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)輸出給儀器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器高壓源和電機(jī)的控制。

在計(jì)算機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)中，在輸出電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的控制信號(hào)和強(qiáng)制試驗(yàn)停止的控制信號(hào)時(shí)，高壓關(guān)閉的控制信號(hào)也同時(shí)輸出，充分保證試驗(yàn)過程的安全可靠。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

織物感應(yīng)靜電測(cè)試儀器的動(dòng)作響應(yīng)及數(shù)據(jù)采集都是通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，儀器數(shù)據(jù)采集與處理部分的程序采用VB語言實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示織物在感應(yīng)高壓及接地后自然放電過程中電壓的變化，通過計(jì)算機(jī)處理，得到織物感應(yīng)靜電衰減的半衰期或衰減到規(guī)定時(shí)間時(shí)織物表面的靜電殘余量。試驗(yàn)過程中，程序運(yùn)行的主界面如圖3所示。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12703.1-2008《紡織品靜電性能的評(píng)定 第1部分：靜電壓半衰期》的規(guī)定，測(cè)量織物感覺靜電衰減性能的試驗(yàn)環(huán)境條件為：溫度（20±2 ） ℃，相對(duì)濕度（35± 5 ） %RH。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，在試驗(yàn)之前，試樣需要在上述要求的試驗(yàn)條件下平衡至少24h。

測(cè)量靜電衰減性能主要有兩種方法，分別是定時(shí)法和定壓法。不同試樣的靜電衰減性能存在差異，因此在試驗(yàn)過程中可以選擇合適的測(cè)量方法[6][7]。在計(jì)算機(jī)的控制作用下，上述兩種測(cè)量方法的具體測(cè)量過程如下：

（1）定時(shí)法：對(duì)被測(cè)試樣進(jìn)行定時(shí)間加壓（根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求加壓時(shí)間設(shè)為30s），30s后在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)關(guān)閉高壓源并記錄此時(shí)的最大電壓值。關(guān)閉高壓源后，金屬轉(zhuǎn)盤仍然繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過程中，計(jì)算機(jī)對(duì)試樣表面的靜電電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的時(shí)間（60s）后，計(jì)算機(jī)記錄此時(shí)試樣表面殘留的靜電電壓值，通過輸出控制信號(hào)，關(guān)閉電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)停止。

（2）定壓法：對(duì)試樣進(jìn)行加壓的過程與定時(shí)法相同。在試樣表面靜電電壓衰減的過程中，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄并分析電壓值的變化，當(dāng)靜電電壓值衰減到最大電壓值的一半時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄對(duì)應(yīng)的衰減時(shí)間，同時(shí)通過電路控制關(guān)閉電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，試驗(yàn)停止。如果半衰期大于60s，則記錄此時(shí)試樣表面殘留的靜電電壓值，試驗(yàn)停止。

為了驗(yàn)證儀器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，選擇了金屬銅片A、普通織物B和添加抗靜電劑的織物C進(jìn)行了試驗(yàn)并使用定壓法對(duì)試樣的靜電衰減半衰期進(jìn)行了測(cè)量。在試驗(yàn)過程中為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，每種試樣分別測(cè)試三次，最后結(jié)果取三次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：絕緣材料在感應(yīng)靜電后放電困難，容易造成電荷的積累；導(dǎo)體金屬銅片，在接地的一瞬間所帶電荷以非常快的速度被釋放掉；添加抗靜電劑的織物半衰期明顯小于普通的織物材料，在接地后電荷很快被釋放，不易產(chǎn)生電荷積累，這也正好符合了防靜電織物的特性[8][9]。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)基于計(jì)算機(jī)控制的織物感應(yīng)靜電衰減性能測(cè)試儀進(jìn)行了介紹，儀器包括主機(jī)模塊、計(jì)算機(jī)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三個(gè)主要組成部分。主機(jī)模塊采用了穩(wěn)定可調(diào)的±5kV 的高壓直流電源。通過計(jì)算機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)和高壓電源自動(dòng)開關(guān)，保證了試驗(yàn)過程的安全方便。為了更準(zhǔn)確地對(duì)織物感應(yīng)靜電的靜電衰減性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文分別使用了定時(shí)法和定壓法進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該儀器具有良好的穩(wěn)定性，能夠正確評(píng)價(jià)織物的靜電衰減性能，可用于紡織品和服裝的靜電衰減性能檢測(cè)，為防靜電材料的研制提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB/T 12703.1-2008《紡織品 靜電性能的評(píng)定 第一部分：靜電壓半衰期》[S]

[2]王書平，劉存禮，范麗思.用靜電電荷衰減時(shí)間評(píng)價(jià)材料靜電性能存在的問題[J]. 河北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，27（z1）：110-112.

[3]劉真.簡(jiǎn)述紡織品功能性的考核標(biāo)準(zhǔn)和方法[J].中國纖檢，2015（14）：58-59.

[4]孫可平，李義鵬，王紅巖.帶電絕緣體靜電放電能量測(cè)試實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27（4）：89-91.

[5]靳振崗.多功能靜電電荷衰減測(cè)試系統(tǒng)[D].北京：北京理工大學(xué)，2015：8-18.

[6]黎暉， 魏光輝，劉掬.靜電衰減時(shí)間測(cè)試方法與儀器研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008， 37（5）：16-18.

[7]張龍， 魏光輝， 馬輝. 靜電電荷衰減性能測(cè)試方法研究分析[J]. 包裝工程， 2006， 27（4）：135-136.

[8]姜遜，顧艷，鐘菊祥.紡織品靜電壓半衰期檢測(cè)結(jié)果的影響因素[J].上海紡織科技，2013， 41（4）：51-52.