靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓測量不確定度評定

陳鈞，安雪，陳慶瑜，賴金泉，曾博，劉國榮

（威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

在CNAS-CL01-2018 中條款7.6 要求評定測量不確定度，在CNAS-CL01-G003:2021《測量不確定度的要求》條款6.2 寫道：“如果檢測結(jié)果不是用數(shù)值表示或者不是建立在數(shù)值基礎(chǔ)上（如合格/不合格，陰性/陽性，或基于視覺和觸覺等的定性檢測），則實驗室宜采用其他方法評估測量不確定度，例如假陽性或假陰性的概率”。該條款明確要求對定性測量項目也需要進行測量不確定度評定。

電磁兼容（EMC）的抗擾度測試（EMS）項目均為定性測量項目。據(jù)作者了解，對EMS 的不確定度評定，目前僅見對EMS 設(shè)備的校準及其校準不確定度評定，尚無對此類項目的測量不確定度評定。

靜電放電是由于不同電位的物體間的電荷轉(zhuǎn)移引起的。靜電荷通常是由兩種材料的接觸及分離產(chǎn)生的：例如，一個人在地板上行走時會在鞋底接觸然后與地板表面分離時產(chǎn)生靜電。同樣，放入或取出袋子、彈匣或管子的電子設(shè)備會在設(shè)備外殼和金屬引線與容器表面多次接觸和分離時產(chǎn)生靜電荷。雖然在這兩個示例中靜電荷的大小可能不同，但在這兩種情況下都會產(chǎn)生靜電。

靜電放電（Electro-Static Discharge， 簡寫為ESD）測試是電磁兼容抗擾度試驗中一個典型的測試項目，靜電放電測量系統(tǒng)主要有靜電放電試驗發(fā)生器、靜電槍測試設(shè)備等組成，靜電放電發(fā)生器的主要部分包括充電電阻、儲能電容器、分布電容、放電電阻、電壓指示器、放電電極頭等，靜電放電發(fā)生器的主要特性參數(shù)有：輸出電壓、輸出電壓容差、輸出電壓極差、保持時間和操作放電方式。操作放電方式分為接觸放電測試和空氣放電測試，在一般測試中往往優(yōu)先選擇接觸放電的試驗方法，除非接觸放電不適合，我們才會選擇空氣放電的試驗方法。本文對靜電放電（ESD）抗擾度項目的測量不確定度評定進行探索，主要針對靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓的準確性進行不確定度評定，以期為EMS 其它定性測量項目的測量不確定度評定提供思路和參考。

1 靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓不確定度評定

1.1 測量模型

式中：

V—被測靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓；

Vr—高壓計讀取的靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓測量值。

1.2 輸入量影響因素分析

對靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓測量系統(tǒng)進行分析，影響靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓測量值Vr的主要影響因素有：

1）高壓計多次測量引入的標準不確定度u1；

2）靜電發(fā)生器允許誤差引入的標準不確定度u2；

3）高壓計允許誤差引入的標準不確定度u3；

4）靜電槍接觸放電頭與高壓計放電探頭放電接觸點不穩(wěn)定引入的標準不確定度u4；

5）靜電放電環(huán)境條件引入的不確定度u5。

1.3 各輸入量的標準不確定度的評定

輸入量Vr標準不確定度u（Vr）的評定：

1）高壓計多次測量引入的標準測量不確定度u1的評定

高壓計多次測量，即由重復(fù)性或復(fù)現(xiàn)性測量引入的標準測量不確定度采用A 類評定方法進行評定；

本文以4 kV 輸出電壓舉例說明，在重復(fù)性測試條件下對被測設(shè)備進行10 次測量，得到10 個測量值如表1。

表1 高壓計重復(fù)性測試數(shù)據(jù)（單位：kV）

計算10 次測量的平均值=4.06 kV，本文以10 次測量的平均值為最終報出的測試結(jié)果，所以由高壓計多次測量引入的標準測量不確定度 u（Vr）：

這里表示n 次測量的算術(shù)平均值，這里n=10。

2）靜電發(fā)生器允許誤差引入的標準不確定度u2的評定

查靜電搶設(shè)備使用說明書知，靜電發(fā)生器輸出電壓的允許誤差（以4 kV 輸出電壓為例）為±0.20 kV，服從均勻分布，所以由靜電發(fā)生器允許誤差引入的標準不確定度u2：

3）高壓計允許誤差引入的標準不確定度u3的評定

查高壓計設(shè)備使用說明書知，高壓計允許誤差（以4 kV 輸出電壓為例）為±0.06 kV，服從均勻分布，所以由高壓計允許誤差引入的標準不確定度u3：

4）靜電槍接觸放電頭與高壓計放電探頭放電接觸點不穩(wěn)定引入的標準不確定度u4的評定

在讀取靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓時，需要靜電搶槍頭頂端與高壓計放電探頭頂端直接接觸并保持不動，如圖1 所示。

圖1 靜電搶槍頭頂端與高壓計放電探頭頂端接觸示意圖

在每一次的靜電搶槍頭頂端與高壓計放電探頭頂端直接接觸時，由于接觸位置、角度等存在差異性，對測試結(jié)果造成影響，但具體的影響量大小目前尚無具體數(shù)據(jù)可參考。然而，本文作者認為該影響量可能已包含在重復(fù)性測量影響因素（即u1）中，此時，靜電槍接觸放電頭與高壓計放電探頭放電接觸點不穩(wěn)定引入的標準不確定度u4=0。

5）靜電放電環(huán)境條件引入的不確定度的u5評定

GB/T 17626.2-2018 中對靜電放電的環(huán)境條件要求是；環(huán)境溫度范圍為（15 ～35）℃，環(huán)境相對濕度為（30 ～60）%，大氣壓力：（86 ～106）kPa。

在靜電放電的測試中，本文嚴格控制環(huán)境條件符合標準要求并盡可能保持在盡量小的波動范圍內(nèi)，本文認為環(huán)境條件對測試結(jié)果影響很小，可以不納入考慮，因此靜電放電試驗環(huán)境溫濕度和大氣壓條件引入的標準不確定度u5=0。

1.4 合成標準不確定度的評定

數(shù)學(xué)模型：

靈敏系數(shù)：ci=1，i=1

標準不確定度一覽表2。

表2 靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓測量不確定度一覽表 (單位：kV)

合成標準不確定度的計算：

1.5 擴展不確定度的評定

根據(jù)擴展不確定度的計算公式：

通常取包含概率p=95 %，對應(yīng)k=2。

計算得：

所以，擴展不確定度U=0.24（kV）k=2。

2 結(jié)語

測量不確定度是衡量測試水平的一個重要參數(shù)，本文對電磁兼容抗擾度測試項目之一的靜電放電（ESD）進行了測量不確定度評定的探索，主要對靜電放電抗擾度試驗靜電發(fā)生器輸出電壓測量不確定度進行了評定，但是衡量靜電放電(ESD) 測量準確性的參數(shù)還有接觸放電電流波形等參數(shù)，有待于進一步的探索。另外，本文僅對測試系統(tǒng)的測量設(shè)備帶來的測量不確定度進行了評估，并未考慮由被測樣品等引入的測量不確定度，這部分內(nèi)容也同樣有待于進一步的探索。