10.靜電測(cè)試原理與技術(shù)幻燈片

靜電測(cè)試原理與技術(shù)

靜電測(cè)試的目的：為靜電防護(hù)工程設(shè)計(jì)和改善產(chǎn)品自身抗靜電性能設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。在實(shí)際運(yùn)行條件下，判斷人體、設(shè)備、工裝器具等是否可能成為靜電放電危害源。檢測(cè)靜電防護(hù)器材（器具、工具、設(shè)備、材料）的性能和質(zhì)量。評(píng)價(jià)靜電防護(hù)措施的效果。當(dāng)發(fā)生靜電放電危害后進(jìn)行模擬測(cè)試，分析事故原因，為采取有針對(duì)性的措施提供依據(jù)。評(píng)價(jià)靜電敏感電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量。

靜電測(cè)試的主要內(nèi)容靜電基本參量測(cè)試技術(shù)防靜電系統(tǒng)靜電性能測(cè)試技術(shù)包裝材料靜電性能測(cè)試技術(shù)人體靜電參數(shù)測(cè)試技術(shù)靜電測(cè)試的特點(diǎn)靜電測(cè)試與一般的強(qiáng)電或弱電測(cè)試相比，具有自身的特點(diǎn)，只有把握這些特點(diǎn)，才能選擇好適宜的測(cè)試儀器，制定出合適的試驗(yàn)方法和程序，得出準(zhǔn)確的結(jié)果。1.靜電測(cè)試儀器要有小的輸入電容和極高的輸入電阻由于靜電電量很小，所以在靜電測(cè)試過(guò)程中即使有少量電荷從帶電體流入測(cè)試儀表或泄漏掉，都會(huì)造成很大的測(cè)量誤差，而且引入的測(cè)試儀器對(duì)原來(lái)場(chǎng)分布也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。為降低測(cè)試儀器對(duì)靜電測(cè)試的影響，要求測(cè)試儀器具有很小的輸入（耦合）電容和極高的輸入電阻（一般要求不低于1014Ω）。2.靜電測(cè)試結(jié)果往往與測(cè)試方法和測(cè)試電壓等測(cè)試條件有關(guān)目前國(guó)內(nèi)外靜電測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)化尚未全面完成，測(cè)試儀器多種多樣，在實(shí)際工作中往往存在測(cè)試方法不統(tǒng)一，結(jié)果不一致，再現(xiàn)性差等問(wèn)題。這就要求測(cè)試人員盡量采用科學(xué)合理的測(cè)試方法，選用先進(jìn)的測(cè)試儀器并定期進(jìn)行計(jì)量，以避免測(cè)試結(jié)果的過(guò)大誤差。不同的測(cè)試方法、不同的帶電歷史、不同的測(cè)試電壓，將導(dǎo)致不同的測(cè)試結(jié)果，因此，給出測(cè)試結(jié)果時(shí)，必須同時(shí)標(biāo)明其測(cè)試方法和測(cè)試電壓等條件。一、靜電基本參量測(cè)試技術(shù)

靜電電位測(cè)量1、接觸式測(cè)量測(cè)試原理利用等電位原理進(jìn)行測(cè)試，把被測(cè)帶電體用絕緣電纜直接連在輸入阻抗為1012?以上靜電電壓表的測(cè)量電極上，由靜電電壓表頭直接讀出被測(cè)帶電體的對(duì)地電壓，也稱為接觸式測(cè)量。此測(cè)試方法僅適用于對(duì)靜電導(dǎo)體帶電電位的測(cè)試，測(cè)試誤差相對(duì)比較小，測(cè)量準(zhǔn)確度可以優(yōu)于2％，但對(duì)于某類測(cè)試探頭無(wú)法接觸的場(chǎng)合此類方法不便使用。測(cè)試儀器接觸式靜電電壓表（或簡(jiǎn)稱靜電伏特計(jì)）是利用靜電力矩來(lái)進(jìn)行測(cè)試的。

接觸式靜電計(jì)等效電路

U低于帶電體的實(shí)際電壓U0。為減小測(cè)試誤差，應(yīng)該使C《C0，即盡可能地減小儀表的輸入電容。例如，量程在3kV以下的靜電電壓表，其輸入電容C值都不大于30pF。

隨測(cè)試時(shí)間t的增加，表頭讀數(shù)按指數(shù)規(guī)律衰減。為了減小由此造成的測(cè)量誤差，應(yīng)盡量提高儀表的輸入電阻R，一般靜電壓表的輸入電阻選擇在1012Ω以上。2、非接觸式測(cè)量測(cè)試原理運(yùn)用靜電感應(yīng)靜電感應(yīng)原理是將測(cè)試探頭靠近帶電體，利用探頭與被測(cè)帶電體之間產(chǎn)生的畸變電場(chǎng)測(cè)試帶電體的表面電位，實(shí)質(zhì)上是對(duì)帶電體表面電場(chǎng)的測(cè)試；由于這種測(cè)試不是直接同帶電體相接觸，因此也稱非接觸式測(cè)量，所使用的測(cè)試儀表，又稱非接觸式測(cè)試儀表。與接觸式測(cè)量相比，非接觸式測(cè)量結(jié)果受儀表輸入電容、輸入電阻的影響較小，測(cè)量準(zhǔn)確度可優(yōu)于15％，但受測(cè)試距離、帶電體幾何尺寸的影響較大。測(cè)試儀器根據(jù)工作原理的不同，該類儀表主要分為靜電感應(yīng)型和電離型兩種。

直接感應(yīng)式儀表測(cè)試原理CW

Cb

Rb

LT被測(cè)帶電體Ｕb＝

即使被測(cè)電位U不變，測(cè)試值Ｕb仍隨時(shí)間以指數(shù)規(guī)律衰減，時(shí)間常數(shù)為RbCb。為減小測(cè)試誤差，要求Rb或Cb充分大，但Cb增大將導(dǎo)致測(cè)試靈敏度降低，反而使測(cè)試發(fā)生困難，因而要求該類儀表具有很高的輸入電阻，這一點(diǎn)同接觸式測(cè)試儀表是一致的。即使如此，也只能減緩衰減速度，不能從根本上解決問(wèn)題，故該類儀表不能用作固定接入的監(jiān)測(cè)儀表。

振動(dòng)電容式靜電計(jì)

振動(dòng)電容式靜電表也稱振簧式靜電計(jì)，主要由測(cè)試探頭、交流放大器、振蕩器、相敏檢波器和指示器組成。與直接感應(yīng)式儀表不同，其探頭電極是一個(gè)可振動(dòng)的金屬片，在振蕩器的驅(qū)動(dòng)下，探頭電極與被測(cè)帶電體之間的電容周期性變化，被測(cè)帶電體在探頭電極上感應(yīng)出一個(gè)周期性變化的電位信號(hào)。因?yàn)榇诵盘?hào)非常微弱，故采用高阻輸入的阻抗變換器來(lái)接受信號(hào)，再經(jīng)交流放大和相敏檢波后由直流表顯示被測(cè)電位，而且還可以測(cè)試電位的極性。靜電電量測(cè)量測(cè)量時(shí)，將帶電體無(wú)摩擦的投入內(nèi)筒，內(nèi)筒內(nèi)表面將感應(yīng)出與帶電體異面等值的電荷，內(nèi)筒外表面和外筒內(nèi)表面也會(huì)帶上等值異面電荷。因此，內(nèi)外筒間就有電位差產(chǎn)生。將外筒接地，電壓表指示的內(nèi)筒電位即兩筒的電位差。在用精密萬(wàn)用電橋或其它電容測(cè)試儀器測(cè)得系統(tǒng)電容值C（為內(nèi)外筒間的電容、電壓表輸入電容和裝置上并聯(lián)電容的電容之和）.然后按照公式Q=CU計(jì)算出被測(cè)帶電體靜電電量Q。1—內(nèi)筒2—外筒3－絕緣支架4－監(jiān)測(cè)器電阻、電阻率的測(cè)量電阻是與靜電泄漏緊密相關(guān)的電氣參數(shù)之一，電阻測(cè)試包括絕緣電阻、接地電阻、靜電接地電阻和靜電泄漏電阻的測(cè)試；電阻率測(cè)試包括表面電阻率和體電阻率的測(cè)試。1.絕緣材料電阻與電阻率測(cè)試介質(zhì)材料的試樣上安放兩個(gè)電極，在其間施加一定的直流電壓U時(shí)，測(cè)量電極間就有電流I流過(guò)，電壓U與電流I的比值，稱作絕緣電阻R，即R=U/I。

電極間流過(guò)的電流I包括沿試樣表面流動(dòng)的泄漏電流Is和穿過(guò)介質(zhì)內(nèi)部的電導(dǎo)電流Iv兩部分。為詳細(xì)評(píng)價(jià)材料的導(dǎo)電性質(zhì)，把電壓U與表面泄漏電流Is的比值稱作表面電阻Rs，而把電壓U與體內(nèi)電導(dǎo)電流Iv的比值稱作體積電阻Rv，即材料絕緣電阻R是其表面電阻Rs和體積電阻Rv的并聯(lián)值，這三個(gè)電阻值均與測(cè)量電極的大小、形狀有關(guān)，因此，給出測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)同時(shí)表明測(cè)量電極的參數(shù)。為定量描述材料的導(dǎo)電性質(zhì)，擺脫測(cè)量值對(duì)測(cè)量電極參數(shù)的依賴關(guān)系，引入表面電阻率和體電阻率的概念。

表面電阻率定義為單位寬度、單位長(zhǎng)度材料的表面電阻值，即正方形材料兩對(duì)邊間的表面電阻值，單位為歐姆（），其數(shù)值大小與正方形的幾何尺寸無(wú)關(guān)。

體電阻率定義為單位橫截面單位長(zhǎng)度上材料的體積電阻值，單位為歐姆·米。二、防靜電系統(tǒng)靜電性能測(cè)試技術(shù)防靜電系統(tǒng)：

防靜電碗帶、防靜電服、防靜電鞋、地面、接地設(shè)施、工作臺(tái)、儲(chǔ)物架、小推車等防靜電設(shè)施及用品，它們都是實(shí)施靜電防護(hù)必不可缺少的物質(zhì)手段。因此，對(duì)這些防靜電設(shè)施進(jìn)行靜電性能測(cè)試，以確保投入使用時(shí)其性能合格，對(duì)靜電防護(hù)效果的影響是直接而又具體的。這種測(cè)試是靜電防護(hù)測(cè)試的重要組成部分。

ESD防護(hù)腕帶、鞋束（足跟帶）靜電性能測(cè)試

腕帶內(nèi)表面導(dǎo)電性能測(cè)試圖歐姆表10k檔電纜扣鱷魚夾腕帶連接電纜系統(tǒng)電阻測(cè)試

測(cè)試佩戴腕帶時(shí)系統(tǒng)電阻圖歐姆表10k檔腳跟帶（鞋束）系統(tǒng)電阻測(cè)試

GJB3007-97IEC61340-5-11998腕帶Rg1×105(從內(nèi)表面對(duì)地測(cè)量)7.5×105

Rg3.5×107(穿戴)7.5×105

Re5.0×106(腕帶連線端對(duì)端測(cè)量)Rg1×105(未穿戴)7.5×105

Rg3.5×107(穿戴)7.5×105

Re5×106(腕帶線)鞋束5×104

Rg1×108ESD防護(hù)腕帶、鞋束（足跟帶）靜電性能參數(shù)

ESD防護(hù)工作服靜電性能測(cè)試

工作服對(duì)靜電防護(hù)的有效性直接依賴于它的表面電阻。工作服的內(nèi)、外表面要能夠使人體操作中因摩擦等動(dòng)作所產(chǎn)生的電荷順利地到達(dá)于人體表面，并最后通過(guò)防靜電腕帶、鞋襪等泄漏于大地而提供通路，這就要求工作服的設(shè)計(jì)應(yīng)能保持其在穿著狀態(tài)下與人體直接或間接接觸，并自身具有良好的表面電阻值。為防萬(wàn)一出現(xiàn)不良接觸，必要時(shí)，所穿工作服還應(yīng)設(shè)置專門的接地連接點(diǎn)。服裝上任意兩點(diǎn)間的電阻為服裝的表面電阻值。儀器接縫電極1對(duì)地連接點(diǎn)ACBDE服裝對(duì)地電阻測(cè)試原理圖服裝表面(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))電阻測(cè)試原理圖儀器接縫電極1ACBDE電極2

一般要求工作服的表面電阻為7.5x105<R<1x1010Ω，對(duì)地電阻為7.5x105<R<1x108Ω。

測(cè)試電極為圓柱形，直徑50mm，重量2kg。

防靜電鞋、襪對(duì)地電阻測(cè)試

防靜電鞋、襪，也是提供人體靜電荷泄漏通道的主要措施，且能在一旦腕帶發(fā)生問(wèn)題（如斷路）時(shí)或在不可能使用碗帶的情況下，作為一種基本的人體接地方式。儀器鞋襪電極防靜電鞋襪在穿戴狀態(tài)下對(duì)地電阻的要求為5×104～1×108Ω。工作椅、存放架、運(yùn)輸小車對(duì)地電阻和表面電阻的測(cè)試

工作椅應(yīng)能通過(guò)支腳或輪子接地，在正常情況下與工件、人體接觸的表面應(yīng)由靜電耗散材料制作。對(duì)地電阻測(cè)試，一般以支腳架、腳輪等作為接地電極，另一電極接于器具表體的某一點(diǎn)；表面電阻為器具表面上任意兩點(diǎn)之間的電阻數(shù)值。測(cè)試時(shí)應(yīng)保持電極與被測(cè)表面之間良好的電接觸。工作椅的對(duì)地電阻為5x105～1.0x1010Ω、表面電阻（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）小于等于1.0x1010Ω

儀器電極1電極2導(dǎo)電薄片材料對(duì)地電阻儀器電極1表面電阻電極2存放架、運(yùn)輸小車的對(duì)地電阻為7.5x105～1.0x109Ω測(cè)試電極Φ502kg500VDC兆歐表R板狀輔助電極物流車濕濾紙墊物流車臺(tái)面對(duì)車輪系統(tǒng)電阻測(cè)試手套、指套對(duì)地電阻的測(cè)試

在進(jìn)行操作時(shí)，防靜電手套、指套的外面直接與工件相接觸，并通過(guò)其壁和人體泄漏電荷，所以它必須能夠耗散靜電，又要使電荷耗散的速度不能太快以防突發(fā)放電，這些只能依靠它在穿著情況下具有合適的對(duì)地電阻，測(cè)量時(shí)，一般使用2枚φ20mm的平板形金屬電極作為與測(cè)試導(dǎo)線相接觸的面積。如果上述規(guī)定不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，也可使用接線夾子。在佩戴情況下,一般要求手套、指套的對(duì)地電阻為7.5x105～1.0x1010Ω。儀表手套對(duì)地電阻的測(cè)試

防靜電地面對(duì)地電阻和表面電阻的測(cè)試

防靜電地面應(yīng)采用靜電耗散材料并接地良好，其對(duì)地電阻為1x105～1x109Ω，表面（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）電阻為1x105～1x1010Ω。測(cè)試時(shí)每4m2隨機(jī)抽取5點(diǎn)并取中心對(duì)四角4次測(cè)試結(jié)果的平均值，測(cè)試點(diǎn)距地板的邊緣不得小于100mm。R地面（防靜電水磨石）接地母線100VDC兆歐表測(cè)試電極Φ502kg三、人體靜電參數(shù)測(cè)試技術(shù)

人體由于自身的活動(dòng)及與周圍物體的接觸分離，在干燥環(huán)境中常常有幾千伏甚至幾萬(wàn)伏的靜電。當(dāng)沒(méi)有形成火花放電時(shí)，自身往往不會(huì)有異常感覺(jué)。但是，在靜電危險(xiǎn)場(chǎng)所，人體作為帶電的靜電導(dǎo)體，一旦形成能量比較集中的火花放電，其后果是不堪設(shè)想的。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為人體靜電是靜電防護(hù)工程中主要危害源之一。所以，進(jìn)行人體靜電參數(shù)測(cè)試，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。人體靜電參數(shù)包括人體靜電電位、人體對(duì)地電阻、人體對(duì)地電容。人體靜電電位測(cè)試近30年來(lái)研制的靜電電位儀表，按其測(cè)試原理可分為接觸式和非接觸式兩大類型。接觸式靜電電位儀表輸入電阻小、阻尼大，不能對(duì)人體等靜電導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)電位進(jìn)行測(cè)試，也無(wú)法判斷被測(cè)人體的電位極性；非接觸式靜電電位測(cè)試儀表以日本的MH型人體靜電電位儀和美制263型高速靜電表為代表，其輸入電阻（大于1014Ω）提高了，但儀表指示值μb仍隨時(shí)間衰減，使得測(cè)試結(jié)果誤差很大。DWJ-81型靜電電位儀通過(guò)將感應(yīng)探頭換成振動(dòng)電容式或旋轉(zhuǎn)式，解決了儀器最終指示值不隨時(shí)間衰減的問(wèn)題，同時(shí)機(jī)械振動(dòng)的頻率限制了儀器對(duì)靜電電位信號(hào)的正確響應(yīng)。ZPD-1型靜電電位動(dòng)態(tài)測(cè)試儀

采用“信號(hào)自屏蔽－電荷耦合”測(cè)試原理，即根據(jù)靜電電壓的特點(diǎn)，利用靜電信號(hào)高壓電極本身作為傳感器電極，使屏蔽深度與儀器靈敏度要求相一致，避免了一般靜電儀器用接地屏蔽所帶來(lái)的問(wèn)題，在提高儀器靈敏度的同時(shí)，儀器的抗干擾能力也得到增強(qiáng)?！半姾神詈稀笔侵竷x器輸入端接收的是電荷量，且使電荷量與被測(cè)電位成正比，通過(guò)對(duì)電荷量的測(cè)試得到被測(cè)電位的數(shù)值。GY-2型傳感器放大器峰值和極性顯示動(dòng)態(tài)波形顯示記錄儀ZPD-1型靜電電位動(dòng)態(tài)測(cè)試儀

人體靜電電容