非接觸式靜電電位傳感器空間分辨率校準

馮亞輝 滿夢華 魏明

（陸軍工程大學石家莊校區(qū)電磁環(huán)境效應重點實驗室 河北省石家莊市 050003）

1 引言

靜電電位的測試方法分為接觸式測量與非接觸式測量。非接觸式測量是基于靜電感應原理，通過測量帶電體與感應電極之間的畸變靜電場，間接得到帶電體的靜電電位。這種測試方法適用于導體與絕緣體的電位測試，且對被測體影響小。非接觸式測量是靜電電位測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，常用儀表包括各種X場強儀、振容式靜電電壓表、旋葉式靜電電壓表、集電式靜電電壓表等，可用于靜電導體和靜電非導體表面電位測量。非接觸式靜電電位測量在故障檢測領域中復合材料的無損檢測、生物醫(yī)學工程領域中的心電、肌電、呼吸及生理信號檢測、高壓電網(wǎng)的維修檢測等領域均有應用。

根據(jù)傳感器結構的不同, 非接觸式靜電測量系統(tǒng)可分為直接感應式和調制式：直接感應式方法是直接測量的是感應電極所處的靜電場強，通過感應電極與帶電體之間的等效耦合電容與傳感器輸入電容分壓，測試帶電體表面的靜電電位；調制式非接觸靜電電位測試儀表采用機械調制（包括振容式、旋葉式和MEMS微機械式），周期性的改變感應電極與被測帶電體之間的靜電場，實現(xiàn)直流感應信號的交流調制，將測量的直流電信號轉化為交流,經(jīng)過相敏檢波和積分放大，將測量信號轉為直流輸出信號，既減小了信號漂移也改善了低頻特性。此類放大電路簡單且輸出比較穩(wěn)定，但感應電極的機械結構設計復雜，受制于機械調制頻率，因而測試頻率上限低。振動電容式傳感器的振蕩頻率相比旋葉式有所提高，但通常也在1kHz以下，且振動幅度比較小，因此調制深度低、探測靈敏度受到很大限制，主要應用于大氣電場監(jiān)測等對測試結果靈敏度和空間分辨率要求不高的場景。

空間分辨率，也稱幾何分辨率，是指從圖像中能夠分辨特定的最小幾何細節(jié)的能力，它定量的表示為能分辨的兩個細節(jié)特征的最小間距。在醫(yī)學臨床上體現(xiàn)為對小病灶或結構的成像能力，在工業(yè)應用則體現(xiàn)為對細節(jié)特征（氣孔、裂紋）的辨別能力?？臻g分辨率是工業(yè)系統(tǒng)性能的重要表征參數(shù)，同時也是檢測質量保證、設備選型與評價的關鍵因素。影響工業(yè)系統(tǒng)空間分辨率的因素通常有：探測器尺寸、掃描幾何條件、重建矩陣等，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重建算法對空間分辨率也有一定的影響。

靜電檢測裝置在靜電電位測量時，由于受到感應電極屏蔽深度，測試距離和帶電體諸多因素的影響，導致非接觸式靜電電位測試準確度普遍不高。靜電電位空間分辨率不只是距離和空間的概念，還決定是否能準確分辨局部信息和測量精度。一般來說，只有當感應電極上產生的靜電電位改變的范圍大于所設定的空間分辨率時，該變化量才能被準確地檢測出來?？臻g分辨率越小，對局部異常敏感的程度越高，實測精度越有保障。因此，對非接觸式靜電電位傳感器空間分辨率進行校準，能夠在靜電電位測量的準確度方面有所保障。

空間分辨率主要由校準電壓源發(fā)出的交流電脈沖與頻率所決定，容易受測試環(huán)境、采樣速率特性等影響。雖然空間分辨率會對測量精度產生影響，但仍很容易被部分儀器所用者所忽略。目前為止，非接觸式靜電電位傳感器空間分辨率校準的定義和評價方法，尚無規(guī)范可循，那么，如何客觀、準確的對非接觸式靜電電位空間分辨率傳感器進行校準，是本文章擬解決的關鍵問題。

2 非接觸式靜電電位傳感器空間分辨率校準實驗

非接觸式靜電電位傳感器空間分辨率校準裝置主要由靜電電位傳感器、高壓通用校準電源、分壓器和示波器四部分組成，高壓通用校準電源的輸出信號同時加到靜電電位傳感器和脈沖分壓器的輸入端，示波器同時采集分壓器和靜電電位傳感器的低壓輸出信號，通過參數(shù)的測量與比較，對空間分辨率進行校準。非接觸式靜電電位儀表校準時采用的是一定直徑的帶電金屬平面圓盤，實測中，相同電位的非平面帶電體，由于探頭對應局部的形狀不同，測試儀表的顯示值也不同，因而該類儀表的測試準確度難以保證。靜電電位傳感器在三維方向上對標定電極進行測試，靜電電位傳感器放置于機械臂的末端法蘭盤上，機械臂的主軸可以保證末端執(zhí)行器達到工作空間的任意位置。兩種標定電極分別設計為不同空間精度，不同電極的形狀以便對傳感器的空間分辨率進行校準。非接觸式靜電電位傳感器空間分辨率校準裝置設備間的連接如圖1所示。

圖1：非接觸式靜電電位傳感器校準裝置圖

2.1 FLUKE9100通用校準電源的連接

FLUKE9100通用校準電源在使用時，工作臺配備的黑線為公共端，紅線為電壓輸出線。電壓輸出線與BQ25-2脈沖分壓器頂端的輸入槽相連接，同時與標定電極連接。公共端與地線連接。

2.2 BQ25-2脈沖分壓器的連接

脈沖分壓器頂端的輸入槽與9100電壓輸出線連接，底端的輸出槽與示波器一通道連接，底端與地線連接。

2.3 數(shù)字示波器TBS2000的連接

示波器一通道與脈沖分壓器底端的輸出槽相連接，示波器二通道與靜電電位傳感器輸出端接口相連接。

2.4 非接觸式靜電電位傳感器校準時的連接

非接觸式靜電電位傳感器在進行測試時，機械臂控制在三維方向上移動，均勻掃描標定電極。

標定電極與9100通用校準電源的電壓輸出線相連接，非接觸式高壓標準裝置底端接地。被校非接觸式靜電電位傳感器測試電極垂直標定電極的中心，傳感器輸出端接口與示波器二通道連接，被校正傳感器與脈沖分壓器等接地應可靠。通過“距離調節(jié)裝置”調節(jié)被校傳感器與標定電極的距離，調節(jié)9100通用校準電源的輸出電壓，即可進行校準測試。

具體實施操作方法以下步驟所示：

FLUKE9100通用校準電源操作步驟，如果應用其交流電壓功能，則按下前面板右側主要功能鍵中的“V”鍵，即進入直流電壓功能，屏幕顯示直流電壓功能菜單。在直流電壓功能菜單按下“～V”軟鍵，即可進入交流電壓功能菜單。屏幕軟鍵在WAVE FORM按下此鍵后，屏幕右側顯示五種波形選擇軟鍵。它們分別為（由上至下）：正弦波組，方波，脈沖波，三角波和梯形波。所有非正弦信號的頻率上限為1KHz。本校準選擇方波，設置交流電壓為60V，頻率為500Hz，當設置頻率值時，右側屏幕顯示出頻率單位供選擇。最后按On鍵輸出交流電。

BQ25-2脈沖分壓器操作步驟，脈沖分壓器頂端的輸入槽與9100高壓校準源輸出線連接，底端的輸出槽與示波器一通道連接，底端與地線連接。

非接觸式靜電電位傳感器校準時的操作步驟，輸出端與數(shù)字示波器二通道連接，用來測量校正后的波形；接地線與脈沖分壓器等接地；被校正靜電電位傳感器電極垂直于圓盤標定電極中心放置，二者之間的距離分別設置為5cm 、15cm 和25cm，在交流電壓為60V，頻率設置為500Hz的條件下測量波形。

數(shù)字示波器TBS2000操作步驟，打開示波器電源；將示波器的一、二通道分別與脈沖分壓器底端的輸出槽與靜電電位傳感器輸出端相連接；按下運行鍵；記錄單次的數(shù)據(jù)，按采集。按模式側面菜單按鈕。旋轉通用旋鈕選擇模式（采樣、峰值檢測、高分辨率、平均），然后單擊通用旋鈕以啟用高分辨率模式。

如需調節(jié)位置和標度，分別旋轉相應的按鈕調節(jié)，比較兩組數(shù)據(jù)。水平位置旋鈕可將觸發(fā)點位置相對于采集波形記錄向左或向右調整。按位置旋鈕，將觸發(fā)點恢復至屏幕中心（中心垂直刻度線）。垂直控件可為每個通道設置垂直設置（位置和標度），并打開或關閉單個波形。垂直位置旋鈕可為每個通道波形調整垂直位置。按位置旋鈕可移動波形，以讓接地參考電平位于屏幕中心刻度線上。

實驗按照上述操作流程進行實驗，設定校準信號為交流60V，校準頻率為500Hz，校準距離為15cm，首先以第一種標定電極為校準電極，可以通過信號一通道得到校準電壓源輸出的信號，信號二通道得到傳感器測得的通過校準電極的信號。如圖2所示。然后以相同的測試條件與輸出信號，以第二種標定電極為校準電極，測得的信號如圖3所示。

圖2：信號一二通道所測信號

圖3：信號一二通道所測信號

根據(jù)以上所測圖像得到校準件邊緣CT數(shù)據(jù)輪廓變化，獲得邊緣響應函數(shù)，對邊緣響應函數(shù)求導得到點擴散函數(shù)，通過對點擴散函數(shù)進行傅里葉變換得到調制傳遞函數(shù)，最終由傳遞調制函數(shù)獲得系統(tǒng)的空間分辨率。

3 仿真與分析

設計的標定電極分為兩種，第一種標定電極是利用印刷電路板工藝實現(xiàn)了類似叉指電容結構的標定電極，通過 SMA 接頭連接外部信號源，接受直流或交流激勵信號。能夠靈活控制直流激勵信號的電壓幅值、交流信號的電壓和頻率等參數(shù)，從而實現(xiàn)待測靜電信號可調。標定電極厚度為0.5微米，在標定電極中，激勵信號與地電位分別連接相同寬度的直導線，信號線與地線平行間隔排列，間距與導線同寬，線寬和間距相同，分別是10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180微米，此間距參數(shù)定義為靜電電位分布的空間精度。該標定電極中設計了不同空間精度的靜電電位區(qū)域，以0.1毫米的步長遞減排列了從1毫米到0.2毫米的9種空間精度區(qū)域，從實現(xiàn)了靜電分布空間精度的遞進遍歷。然后將該標定電極安裝到校準裝置上，能夠根據(jù)實驗需要將標定電極調整成任意空間姿態(tài)，實現(xiàn)靜電電位三維空間分布的靈活控制。

第二種標定電極是利用印刷電路板工藝實現(xiàn)了以孔洞矩陣為基礎樣式的標定電極，電極通過SMA 接頭連接外部信號源，接受直流信號或交流激勵信號。標定電極板厚為1.6毫米，以1毫米空間精度的孔洞矩陣為例，該標定電極板頂層以X、Y軸為18*10個孔洞，相鄰孔洞的圓心距為2毫米，內孔貫穿三層結構，外孔僅穿透第一層?？锥磪^(qū)域設置為空間精度為1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4毫米，以0.1毫米的步長遞減排列了從1毫米到0.4毫米的7種空間精度區(qū)域，從而實現(xiàn)了靜電分布空間精度的遞進遍歷。然后將該標定電極安裝到校準裝置上，能夠根據(jù)實驗需要將標定電極調整成任意空間姿態(tài)，實現(xiàn)靜電電位三維空間分布的靈活控制，從而不僅僅限制在XY方向上。

利用COMSOL有限元分析軟件對標定電極進行了三維建模和靜電仿真，此標定電極在交流電壓激勵下，不同空間精度的靜電電位區(qū)域的電勢不同，空間精度越大的區(qū)域電勢越高。因此傳感器在對標定電極校準時會出現(xiàn)明顯的差異，能夠滿足傳感器空間分辨率校準的要求。

利用有限元分析軟件對標定電極的1mm精度區(qū)域進行了三維建模和靜電仿真，此標定電極在交流電壓激勵下，靜電電位的電勢，電場強度與空間等電位面分布結果如圖4所示。

圖4：標定電極電勢分布圖

表面靜電電位分布的梯度隨著法向距離的增加而快速衰減，并且隨著空間精度的提升而降低，法向距離達到2倍的空間精度時基本衰減為零。這就要求測試系統(tǒng)的感應電極到待測件表面的法向距離在空間精度的2倍以內，距離越小則電位分布梯度越大，感應信號越強。另一方面，感應電極的直徑也是限制測試空間精度的一個瓶頸，電極越粗則感應空間的面積越大，電位梯度由于空域濾波效應而越低，測試結果的空間分辨率就顯著降低。

4 結論

綜上所述，通過實驗可證明文章的可行性，按照上述流程可以對非接觸式靜電電位空間分辨率進行校準，從而大大提升了測試的準確度，填補了非接觸式靜電電位傳感器空間分辨率校準這一領域的空白，為非接觸式測試的評估進一步提供了依據(jù)。