紡織品靜電壓半衰期測量儀的研制?

范麗思，趙 強，周 星

(1.石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院，河北石家莊050043；2. 陸軍工程大學石家莊校區(qū)，河北石家莊050003)

0 引言

隨著導電纖維的混紡、嵌織及防靜電助劑等新技術的發(fā)展與應用，具有防靜電功能的紡織防護材料、包裝材料以及裝飾材料的品種越來越多，為此，歐美、日本等國家制定了多種紡織品靜電的測試方法[1?3]．為解決多種測試方法并存的局面，需要根據材料的特點和使用的場合選擇相應的測試方法和測試儀器[4,5]．

紡織品在使用過程中，帶電后電荷衰減的快慢直接導致其是否會發(fā)生靜電現象[6]．若纖維材料的導電性較好，電荷一旦產生會很快耗散掉，不會導致電荷積聚而發(fā)生靜電現象；相反，若材料的絕緣性較好，電荷不易導走，就容易產生嚴重的靜電現象．因此，本文參照國家標準GB/T12703.1-2008，模擬使用過程中紡織品帶電后其表面或針對紡織品靜電壓衰減測試需求，采用電暈噴電法，研制了紡織品靜電壓半衰期測量儀．

1 紡織品靜電壓半衰期測試原理

紡織品靜電壓衰減時間測試首先要使被測材料表面上堆積一些電荷，然后利用非接觸式靜電場強計來直接測量材料表面電位衰減率，以此來評價材料的靜電耗散能力．根據被測試樣帶電方式的不同，目前的測試方法可以分為充電法[7]、電暈噴電法[8]和摩擦法[9]．國家標準GB/T12703.1-2008《紡織品靜電性能的評定第1部分:靜電壓半衰期》[10]和日本標準JISL1094-2014《紡織品及針織品帶電性能試驗方法》[11]規(guī)定紡織品靜電壓半衰期檢測裝置結構示意圖如圖1所示．其測試原理是：在旋轉金屬平臺上，用高壓電暈噴電使安裝好的試樣感應帶電，試樣上的電壓穩(wěn)定后斷開高壓電源，通過接地金屬平臺自然衰減，測定試樣所帶的穩(wěn)定的靜電壓值及其衰減至初始值一半所需的時間，這種測試方法具有操作簡單、重復性好等優(yōu)點．

2 紡織品靜電壓半衰期測試儀的設計

根據GB/T 12703.1-2008，試驗臺直徑為200 mm，試樣夾的內框尺寸至少為32 mm×32 mm，電針針尖至試樣表面距離2 mm，感應電極直徑為28.0 mm與試樣上表面距離為15 mm．測試裝置實物如圖2所示．

將小塊被測試樣固定在試樣夾上，對被測試樣表面進行消電處理后，用電機驅動轉動平臺，轉速至少為1 000 r/min，待轉動平穩(wěn)后，由高壓直流電源給針狀電暈電極施加一定的電壓，給被測試樣周期性充電，經30 s或表面電位穩(wěn)定后，切斷高壓電源，同時用記錄儀或示波器測得電位隨時間的衰減曲線，得到靜電衰減時間．

3 靜電電位測試部分

在綜合考慮技術可行性、精度要求等各方面因素要求后，本測試系統(tǒng)采用直接感應式靜電電位傳感器，即運用靜電感應原理，利用探頭與被測帶電體靠近時二者之間產生的畸變電場來間接測試帶電體的靜電電位．測量探頭剖面圖如圖3所示，不銹鋼測量電極和被測織物之間的分布電容為C1，測量電極與金屬電極外筒之間分布電容為C2．

圖3 測量探頭剖面圖Fig 3 Profile of the measuring probe

利用非接觸式測試方法（即測試儀不與帶電體接觸）將測試探頭置于帶電體所產生的電場中，金屬外殼與大地相連接，起到屏蔽外部干擾信號的作用．中心平板電極與被測材料形成耦合電容，由于被測材料帶電后形成的電場作用，中心平板電極上將產生感應電壓，其等效電路如圖4所示．

則初始時刻探頭對地電位U0與被測試樣對地電位Ui關系為:

傳感器在恒定直流電場下，靜電傳感器采集的信號一般都比較微弱，所以采集到的信號需要進行一定的放大處理．靜電衰減測試儀信號放大電路原理圖如圖5所示．

圖5為測試儀中靜電電位測試電路的主要組成部分．采用同軸電纜與測量探頭直接相連，第一級采用高輸入阻抗運算放大器CA3140構成的同相放大器做跟隨器，CA3140為MOSFET器件，具有極高的輸入阻抗，因此，對輸入級和輸出級之間起到較好的隔離作用．次級放大電路采用高精度的OP07運算放大器組成反相放大器，通過選擇反饋電阻可以實現三種不同的放大倍數．在本放大電路中為防止開關電源高次諧波對測量結果造成的影響．采用12 V的開關電源接DCDC轉換模塊，將12 V的直流電源轉換成正負9 V的純凈電源給兩個放大器供電．

圖5 信號放大電路原理圖Fig 5 Schematic diagram of signal amplifier circuit

4 數據采集部分

將被測紡織品放于轉盤上，啟動電動機，待轉盤轉動平穩(wěn)后，在針電極上加10 kV的高壓．加高壓30 s后斷開高壓，試驗臺繼續(xù)旋轉至靜電壓衰減至一半以下，即可停止試驗，記錄高壓斷開試樣靜電壓及其衰減至一半所需要的時間．將經過放大電路后的信號接入示波器，試樣轉動經過測量探頭下方時測得的電壓波形如圖6所示，測量波形近似為半個正弦波．測量波形中振蕩噪聲為儀器機箱抖動所致，可以通過平滑濾波方法加以濾除．

在斷開高壓后，截取被測材料帶電后的衰減過程如圖7所示．取衰減波形中的峰值，將所測的峰值連接起來，所形成的衰減圖形便是紡織品靜電衰減波形．在衰減波形上找到斷開高壓時瞬間靜電壓的一半，此時對應的時間與斷開高壓時瞬間靜電壓對應的時間之差為所需測得的半衰期．

圖6 試樣靜電壓波形Fig 6 Electrostatic voltage waveform of sample

圖7 靜電電壓衰減測量波形Fig 7 Static voltage decay waveform of the sample

為實現儀器的自動化測量和控制，選用NI公司生產的USB-4716采集卡(采用率最高可達200 kHz)來完成測試數據的采集以及控制信號的處理．利用高速USB接口與USB-4716相連，由上位計算機讀取試樣，通過測量探頭下方時測得的波形并加以平滑濾波，將濾波后的峰值相連得到被測材料的衰減曲線，如圖8所示．

圖8 被測材料靜電衰減測量曲線Fig 8 Water phantom calculation geometry

紡織品靜電壓半衰期測量儀的電壓分辨率由數據采集卡的精度決定，USB-4716采集卡精度為16位，所以電壓分辨率為1/216．紡織品靜電壓半衰期測量儀的時間分別率由轉臺的周期決定，試樣夾每經過探頭下方一次，采集到一次峰值．紡織品靜電壓半衰期測量儀采用的電機轉速為1 800轉/分鐘，如果采用一塊試樣，每秒鐘采集到的電壓峰值為30次，所以時間分辨率為33.33 ms．為提高時間分別率，可以采用多塊試樣，本紡織品靜電壓半衰期測量儀安裝三塊試樣，每塊試樣通過測量探頭下方時測得一次峰值，時間分辨率減小為大約11.11 ms，具體時間值有上位機軟件定時器計算得到．

5 結論

本文針對紡織品靜電壓半衰期測試需求，參照國家標準GB/T 12703.1-2008研制了紡織品靜電壓半衰期測試儀．測試儀主要包括測試平臺、測量探頭、信號放大和數據采集模塊，整個測試系統(tǒng)由上位計算機控制．主機模塊采用了穩(wěn)定可調的±10 kV的高壓直流電源對被測試樣電暈噴電．通過計算機控制模塊的設計，實現了電機和高出壓電源自動開關，保證了試驗過程的安全方便．同時采用了多級運算放大器進行信號處理，對測試系統(tǒng)進行了優(yōu)化，保證了儀器的測試精度和響應速度．試驗結果表明該儀器具有良好的穩(wěn)定性，能夠正確評價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，為防靜電材料的研制提供指導．