離子平板監(jiān)視儀校準(zhǔn)方法

肖天雷 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

兩個(gè)電中性的物體相互接觸或反應(yīng)，會(huì)使一個(gè)物體上的電子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上，導(dǎo)致電荷的平衡被打破，兩個(gè)物體也因此帶上了靜電。當(dāng)這些靜電荷積聚到一定程度時(shí)會(huì)向周圍放電，從而對(duì)外界產(chǎn)生一定的影響。在工業(yè)生產(chǎn)中，靜電可能會(huì)吸附灰塵和雜質(zhì)，靜電放電可能損壞電子器件、產(chǎn)生電磁干擾或者存在火災(zāi)隱患。

為了消除靜電對(duì)產(chǎn)品和生產(chǎn)的不良影響，目前，大多采用離子風(fēng)機(jī)進(jìn)行靜電消除。離子風(fēng)機(jī)利用高壓電源對(duì)針尖施加電壓，從而將電極周圍的空氣電離，再利用風(fēng)扇將其吹至物體表面[1-2]，利用中和法完成靜電消除。該設(shè)備簡(jiǎn)單有效，已被廣泛應(yīng)用于汽車、電子、化工等行業(yè)中。

由此可見(jiàn)，離子風(fēng)機(jī)的靜電消除能力直接關(guān)系到企業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)。通常采用離子平板監(jiān)視儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)離子風(fēng)機(jī)的靜電消除時(shí)間和離子平衡度進(jìn)行校準(zhǔn)。

1 離子平板監(jiān)視儀的構(gòu)成

離子平板監(jiān)視儀又稱靜電消除器檢測(cè)儀、充電平板測(cè)試儀，是ANSI/ESD STM3.1-2015[3]中規(guī)定的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器。它主要由主機(jī)和測(cè)試極板兩部分組成[4]，如圖1所示。主機(jī)由高壓發(fā)生器、電壓測(cè)量單元、計(jì)時(shí)器和控制單元組成，測(cè)試極板包括充電平板和接地平板，兩者由絕緣子隔開(kāi)。

圖1 離子平板監(jiān)視儀結(jié)構(gòu)

工作時(shí)高壓發(fā)生器負(fù)責(zé)對(duì)導(dǎo)電平板充電，而電壓測(cè)量單元會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電平板上的電壓。當(dāng)充電平板電壓低于閾值時(shí)，控制單元啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，開(kāi)始測(cè)量離子風(fēng)機(jī)的靜電消除時(shí)間。隨后將充電平板電壓歸零，再啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，在一定時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)充電平板電壓的變化量，以此測(cè)量離子風(fēng)機(jī)的離子平衡度。

所以，離子平板監(jiān)視儀的輸出電壓、充電平板電壓和衰減時(shí)間這三個(gè)參數(shù)是離子平板監(jiān)視儀校準(zhǔn)的主要內(nèi)容。由于目前還沒(méi)有離子平板監(jiān)視儀的國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范，本文參考ANSI/ESD STM3.1-2015，認(rèn)為校準(zhǔn)中也需要考慮板間電容值和儀器自放電的特性。

2 離子平板監(jiān)視儀的校準(zhǔn)

2.1 輸出電壓

一般情況下，啟動(dòng)電壓（一般為1 000 V）由電壓測(cè)量單元測(cè)量，而平板上的初始充電電壓只需要保證高于測(cè)試的啟動(dòng)電壓即可，所以校準(zhǔn)過(guò)程中并不關(guān)心初始電壓值的具體大小。然而，資料[3]表明，太高的初始電壓會(huì)造成被測(cè)靜電消除時(shí)間的增加。為了得到準(zhǔn)確的靜電消除時(shí)間校準(zhǔn)結(jié)果，必須保證初始充電電壓具有良好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，即每次充電電壓基本相同。

大多數(shù)進(jìn)口的離子平板監(jiān)視儀都帶有比例輸出端子，通常為200:1，即充電平板上的電壓與該端子輸出的電壓成比例關(guān)系。校準(zhǔn)時(shí)可以直接將數(shù)字多用表接入該端子進(jìn)行示值讀取，比較儀器顯示值與數(shù)字多用表測(cè)量值的大小，得出示值誤差，并多次記錄平板充電時(shí)輸出的電壓值以計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)于沒(méi)有比例輸出端子的設(shè)備，只能直接測(cè)量充電平板上的電壓，一般可以使用非接觸式靜電電壓表進(jìn)行校準(zhǔn)，直接多次讀取平板電壓的測(cè)量值。校準(zhǔn)時(shí)需要保證周圍沒(méi)有易帶靜電的物體，也沒(méi)有空氣流動(dòng)，以免影響校準(zhǔn)結(jié)果。

2.2 充電平板電壓

充電平板電壓的測(cè)量能力關(guān)系到計(jì)時(shí)器啟動(dòng)電壓的準(zhǔn)確性以及離子平衡度校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。靜電電壓的測(cè)量是離子平板監(jiān)視儀工作的基礎(chǔ)[5]，是非常重要的一個(gè)參數(shù)。

大多數(shù)情況下，校準(zhǔn)人員無(wú)法判斷充電平板和內(nèi)部高壓源的連接情況，貿(mào)然接入外部高壓源可能會(huì)導(dǎo)致儀器的損壞。所以，可以在平板充電狀態(tài)下，使用數(shù)字高壓表比較其測(cè)量值和儀器的顯示值。這里要注意的是所選用的高壓表一般為高內(nèi)阻高壓表[6]，否則會(huì)帶走充電平板上的部分電荷，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)電壓值。

另一種方法是采用靜電高壓發(fā)生器，將充電平板與靜電高壓發(fā)生器的平板平行放置，兩者法線中心對(duì)齊，并保持合理的距離，比較高壓發(fā)生器的示值和儀器的顯示值。

2.3 衰減時(shí)間

離子風(fēng)機(jī)的靜電消除時(shí)間由標(biāo)準(zhǔn)器的計(jì)時(shí)器直接測(cè)量，因而時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到校準(zhǔn)結(jié)果，通常采用示波器進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)可以將示波器直接與比例輸出端子連接，或者利用高響應(yīng)速率的非接觸式靜電電壓表與示波器連接，然后對(duì)充電平板進(jìn)行放電，利用示波器的曲線描繪放電時(shí)間，從而完成對(duì)儀器時(shí)間測(cè)量能力的校準(zhǔn)。

2.4 板間電容

根據(jù)ANSI/ESD STM3.1-2015中的要求，離子平板監(jiān)視儀充電平板的尺寸應(yīng)為15 cm×15 cm，且充電平板和接地平板之間的電容應(yīng)為20 pF±2 pF。板間電容的大小間接表明了充電平板的放電能力。按照ANSI/ESD STM3.1-2015中附錄A的要求，測(cè)量板間電容需要使用一臺(tái)電壓源和一臺(tái)庫(kù)侖表。電壓源在輸出100 V時(shí)的最大允差應(yīng)小于1%，庫(kù)侖表的準(zhǔn)確度應(yīng)小于5%，且分辨力至少為0.02 nC。

測(cè)量過(guò)程中，首先用電壓源將充電平板充電至U（一般取100 V），然后用庫(kù)侖表探頭接觸平板，測(cè)量其攜帶的電荷量Q，根據(jù)公式C=Q/U計(jì)算板間電容的大小，測(cè)量共進(jìn)行10次，以平均值作為測(cè)量結(jié)果。誤差的主要來(lái)源是電壓源輸出電壓的準(zhǔn)確度、庫(kù)侖表測(cè)量電荷的準(zhǔn)確度以及庫(kù)侖表的分辨力。此外，應(yīng)保證沒(méi)有多余物體靠近充電板，并且充電平板與接地平板之間的絕緣性良好。否則測(cè)得的電容值會(huì)偏小，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響離子風(fēng)機(jī)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

2.5 自放電特性

離子平板監(jiān)視儀的自放電特性指充電平板在充電后，沒(méi)有外界作用的情況下，一段時(shí)間內(nèi)板間電壓值的變化量。在兩電極板間絕緣子被污染，或者外界濕度過(guò)高等情況下，充電平板非常容易自發(fā)地向外界釋放電荷。如果發(fā)生在離子風(fēng)機(jī)的校準(zhǔn)過(guò)程中，就相當(dāng)于自身與離子風(fēng)機(jī)一起對(duì)平板進(jìn)行放電，減小了靜電消除時(shí)間的測(cè)量值，所以有必要對(duì)該參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

在規(guī)定的校準(zhǔn)環(huán)境下，即沒(méi)有外界干擾、空氣擾動(dòng)、多余物體靠近的情況下，對(duì)離子平板監(jiān)視儀的平板進(jìn)行充電，然后開(kāi)始記錄5 min內(nèi)儀器的電壓示值，其變化值不應(yīng)大于初始電壓的10%。

3 離子平板監(jiān)視儀校準(zhǔn)實(shí)例

3.1 校準(zhǔn)環(huán)境

以某單位送檢的離子平板監(jiān)視儀為例，環(huán)境溫度顯示21 ℃，環(huán)境濕度為45% RH，符合小于50%RH的要求。校準(zhǔn)區(qū)域無(wú)無(wú)用物體，且禁止空氣擾動(dòng)。該儀器具有比例輸出端子，比例為200:1，方便進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.2 輸出電壓

通過(guò)數(shù)字多用表連接比例輸出端子測(cè)量被測(cè)設(shè)備的充電起始電壓，正向和負(fù)向各測(cè)量10次，標(biāo)準(zhǔn)器示值和設(shè)備顯示值之差就是示值誤差，并以測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差作為該設(shè)備輸出電壓的重復(fù)性。以被測(cè)設(shè)備輸出正向電壓為例，被測(cè)設(shè)備示值1 052 V，標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)應(yīng)示值1 054.33 V，標(biāo)準(zhǔn)差為1.54 V。其不確定度的評(píng)定如表1所示。

表1 輸出電壓不確定度評(píng)定

3.3 充電平板電壓

使用靜電電壓發(fā)生器搭配數(shù)字多用表作為標(biāo)準(zhǔn)器，將標(biāo)準(zhǔn)器的示值與被測(cè)設(shè)備顯示值之差作為測(cè)量誤差。以標(biāo)準(zhǔn)值1 000 V為例，此時(shí)被測(cè)設(shè)備示值為999 V，其不確定度的評(píng)定如表2所示。

表2 充電平板電壓不確定度評(píng)定

3.4 衰減時(shí)間

由于設(shè)備具有比例輸出端子，故使用數(shù)字示波器直接連接被測(cè)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)示波器抓取充電平板的放電波形，根據(jù)該波形得到的時(shí)間值和設(shè)備顯示值之差即為測(cè)量誤差。以被測(cè)設(shè)備示值6.4 s為例，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器示值為6.4 s，其不確定度的評(píng)定如表3所示。

表3 衰減時(shí)間不確定度評(píng)定

3.5 板間電容和自放電特性

根據(jù)本文3.4中的方法，測(cè)得板間電容數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 板間電容測(cè)量結(jié)果

設(shè)定被測(cè)設(shè)備功能為測(cè)量靜電消除時(shí)間，使平板充電至起始電壓。測(cè)得5 min內(nèi)電壓變化為3%，滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著越來(lái)越多的行業(yè)認(rèn)識(shí)到靜電防護(hù)和控制的重要性，離子風(fēng)機(jī)的校準(zhǔn)必不可少。而離子平板監(jiān)視儀作為離子風(fēng)機(jī)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器，其本身的校準(zhǔn)也必須得到充分的關(guān)注。目前，國(guó)家尚無(wú)相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范，所以本文根據(jù)ANSI/ESD STM3.1-2015中的相關(guān)要求和建議，對(duì)離子平板監(jiān)視儀輸出電壓、充電平板電壓、衰減時(shí)間、板間電容和自放電特性的校準(zhǔn)必要性和校準(zhǔn)方法進(jìn)行了分析和介紹，并給出了校準(zhǔn)實(shí)例。對(duì)于不同型號(hào)的離子平板監(jiān)視儀，校準(zhǔn)項(xiàng)目可能略有不同，可作為該類儀器校準(zhǔn)溯源的參考。