一种静电电荷衰减测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及静电电荷衰减测试技术，具体涉及一种基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统及其测试方法。

背景技术

在生产生活、军事国防、航空航天等领域中，由于材料静电积累所引发的放电事故层出不穷。为了减少静电积累、降低放电事故发生概率，专家学者们开展了基于静电电荷衰减测试的材料静电衰减特性研究，以达到评估材料静电耗散能力、筛选出合适材料的目的。

由于材料的静电耗散能力与材料本身性质和初始电荷分布相关，通常展现出动态非线性特征，不能简单地通过测量静态电阻率来评价。因此，现阶段常用的动态测试方法是通过某种方式使被测样表面荷电，然后用非接触式电位计测量材料表面电位衰减率，以此来评价材料的静电耗散能力。根据被测试样荷电方式的不同，目前的测试方法可以分为电极充电法、电晕喷电法和摩擦起电法。

电极充电法是通过在与被测试样紧贴的金属电极长施加高压，将电荷从电极注入至被测试样；电晕喷电法是利用电晕放电将电荷喷注至被测试样，从而使其带电；摩擦起电法则驱动标准摩擦棒与样品进行摩擦，使样品表面带电。电极充电法仅适用于测量单层均匀材料的静电衰减性能，对于复合材料则因电极与多层材料之间的电容效应，不能完全反映其静电衰减性能；电晕喷电法设置有专门的屏蔽机构避免电晕放电产生的电荷与电场影响电位计测量，这导致需要额外的机械传动机构将被测试样快速地置于电位计下进行测量，因此电晕喷电法存在放电电压高、机械结构复杂、无法控制被测试样表面充电电位等问题；摩擦起电法需要机械机构驱动摩擦棒，也存在机械结构复杂、无法控制被测试样表面充电电位等问题，同时被测试样摩擦荷电受环境影响很大，实验重复性较差。同时，电荷在被测试样表面的耗散是一种三维动态过程，现有的非接触式电位计探头体积较大、空间分辨率低，仅能测量被测试样表面固定区域的电位变化，无法获得整个被测试样表面的动态电位，无法研究被测试样表面电荷整体的耗散特性。此外，实际应用中的绝大多数材料结构为非平面化结构，而现有的方法和装置均无法实现针对不规则曲率被测试样的表面电位测量。

发明内容

面对现有的静电电荷衰减测试系统机械装置过于复杂，且无法全面准确地测量材料的电荷衰减特性，本发明提出了一种基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统及其测试方法，利用软X射线注电法精确控制被测试样表面充电电位，无需可动机械构件即可实现系统被测试样注电和电位测量的快速切换，通过简单结构精准地控制样品充电电位的同时能够测量不规则曲率、非平面化被测试样表面电荷三维耗散过程。

本发明的一个目的在于提出一种基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统。

本发明的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统包括：软X射线源、阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头、控制电路以及信号调理电路；其中，与被测试样表面共形的阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头保持设定的间距平行正对被测试样的表面；软X射线源从侧面对着阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头与被测试样之间的间隙；阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头连接至信号调理电路，信号调理电路连接至控制电路；

阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头包括感应电极、屏蔽电极、基底和感应电极过孔；其中，基底采用柔性绝缘介质，表面的形状共形匹配被测试样，对柔性绝缘介质注入电荷形成驻极体；在基底面对样品的表面形成屏蔽电极，屏蔽电极具有二维周期性分布的孔洞；在每一个孔洞的中心设置一个感应电极单元，感应电极单元与屏蔽电极之间有间隙没有接触，从而形成二维周期性分布的感应电极；在基底上与每一个感应电极单元相对应的位置设置有感应电极过孔，从而每一个感应电极单元通过引线经相应的感应电极过孔引出；

控制电路包括屏蔽电极转换开关、感应电极转换开关和上位机；其中，屏蔽电极转换开关为三档开关，即上开档、下开档和关闭档，包括一路输入端和两路输出端，屏蔽电极连接至屏蔽电极转换开关的输入端，屏蔽电极转换开关的第一路输出端连高压源，输入端与连接高压源的第一路输出端连通对应下开档，第二路输出端接地，输入端与接地的第二路输出端连通对应上开档，输入端不与输出端连接对应关闭档，此时屏蔽电极悬浮，屏蔽电极转换开关连接至上位机，由上位机控制屏蔽电极转换开关的档位；每一个感应电极单元对应一个感应电极转换开关，每一个感应电极转换开关为两档开关，即上开档和下开档，包括一路输入端和两路输出端，每一个感应电极单元通过引线连接至对应的感应电极转换开关的输入端，每一个感应电极转换开关的第一路输出端接高压源，输入端与接高压源的第一路输出端连通对应下开档，第二路输出端连接至信号调理电路的跨阻放大模块，输入端与接跨阻放大模块的第二路输出端连通对应上开档；所有感应电极转换开关连接至上位机，由上位机统一控制所有感应电极转换开关的档位，保证所有感应电极所接通路相同；

信号调理电路包括跨阻放大模块、差分放大模块、滤波模块、相敏检波模块和模数转换模块；其中，跨阻放大模块连接至差分放大模块，差分放大模块连接至滤波模块，滤波模块连接至相敏检波模块，相敏检波模块连接至模数转换模块，模数转换模块连接至上位机，上位机还连接至相敏检波模块，为相敏检波模块提供参考信号；

静电电荷衰减测试系统具有软X射线注电模式和电位衰减测量模式；

在软X射线注电模式下，被测试样的背面接有接地背电极，被测试样的正面正对阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头，二者的表面平行；软X射线源发射软X射线，软X射线从侧面辐照阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头与被测试样之间的空气间隙；上位机同时控制屏蔽电极转换开关和感应电极转换开关均为下开档，即输入端接通高压源，从而在静电感应探头与被测试样之间形成注电偏置电场；软X射线电离激发的正极性粒子或负极性粒子在注电偏置电场的作用下加速向被测试样的表面运动并被捕获，从而使被测试样表面注入定量的荷电；由于注入的电荷产生的电场会削弱原有的注电偏置电场，当被测试样的表面电位与高压源输出电压相同时，原有的注电偏置电场消失，被测试样的表面不会有电荷注入，从而通过控制高压源的电压精确控制被测试样的表面电位，完成软X射线注电模式注电过程；

在电位衰减测量模式下，上位机控制感应电极转换开关位于上开档，即输入端接通跨阻放大模块，并控制屏蔽电极转换开关在上开档与关闭档高频切换，即屏蔽电极转换开关的输入端在接通接地与接通悬浮高频切换；由于感应电极通过感应电极转换开关连通至跨阻放大模块，电位固定为零电位；当屏蔽电极转换开关接地为通路时，屏蔽电极通过屏蔽电极转换开关接地，电位为零，此时感应电极感应到被测试样的表面电位产生的电场，产生感应电荷；当屏蔽电极悬浮时，其背面的驻极体相当于静电源，驻极体与屏蔽电极之间营造出静电场，从而使屏蔽电极感应出固定的悬浮电位，此时感应电极感应到的是屏蔽电极的电位所产生的电场，而非被测试样的表面电位产生的电场，感应电极被屏蔽电极屏蔽，导致感应电荷变化，产生感应电流信号；由于屏蔽电极在接地和悬浮来回切换，从而将感应电极产生的感应电流信号调制为高频交流信号，感应电流信号的幅值既与被测试样的表面电位与屏蔽电极的悬浮电位的差成线性关系，又与屏蔽电极转换开关的切换频率成正比，感应电流信号的频率与屏蔽电极转换开关的切换频率一致，极大地提高了电位测量灵敏度；感应电流信号传输至跨阻放大模块，跨阻放大模块将感应电流信号转换为感应电压信号，然后传输至差分放大模块；差分放大模块将感应电压信号差分放大，并消除共模干扰，传输至滤波模块；滤波模块滤除噪声，传输至相敏检波模块；相敏检波模块根据上位机提供的参考信号，提取出切换频率的电压信号，传输至模数转换模块；模数转换模块将包含有被测试样的表面电位信息的模拟电压信号转换为数字电压信号后传输至上位机；上位机利用算法将采集的电压信号转换为电位数值，从而得到电荷在被测试样表面整体的衰减特性与耗散通道。

阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头与被测试样的表面的间距大于由被测试样的表面电位所决定的最小放电间距，并小于阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头最小边长的1/5。

感应电极单元与屏蔽电极的间隙小于1mm。屏蔽电极的孔洞和感应电极单元的形状为矩形或圆形，矩形的长度和宽度为2～5mm，圆形的直径为2～5mm。感应电极和屏蔽电极采用标准柔性印刷电路板工艺制备在基底上，结构简单、价格低廉。

高压源输出电压值为被测试样预设充电电位值为1000～5000V，并小于放电电压值。

在电位衰减测量模式下，上位机控制控制屏蔽电极转换开关在上开档与关闭档高频的切换频率为100Hz～2000Hz。

本发明的另一个目的在于提出一种基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试方法。

本发明的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试方法，包括静电电荷衰减测试系统具有软X射线注电模式和电位衰减测量模式：

a)软X射线注电模式：

1)被测试样的背面连接背电极，将被测试样的正面正对阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头，二者的表面平行；

2)调整软X射线源的发射角度，使得软X射线能够从侧面辐照阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头与被测试样之间的空气间隙；

3)上位机开启高压源和软X射线源，设置高压源输出电压；

4)软X射线源发射软X射线，上位机同时控制屏蔽电极转换开关和感应电极转换开关均为下开档，即输入端接通高压源一路，从而在静电感应探头与被测试样之间形成注电偏置电场；

5)软X射线电离激发的正极性粒子或负极性粒子在注电偏置电场的作用下加速向被测试样的表面运动并被捕获，从而使被测试样表面注入定量的荷电；

6)由于注入的电荷产生的电场会削弱原有的注电偏置电场，当被测试样的表面电位与高压源输出电压相同时，原有的注电偏置电场消失，被测试样的表面不会有电荷注入，从而通过控制高压源的电压精确控制被测试样的表面电位，完成软X射线注电模式注电过程；

b)电位衰减测量模式：

1)上位机控制感应电极转换开关位于上开档，即输入端接通跨阻放大模块一路，并控制屏蔽电极转换开关在上开档与关闭档高频切换，即屏蔽电极转换开关的输入端在接通接地一路与接通悬浮一路高频切换；

2)由于感应电极通过感应电极转换开关连通至跨阻放大模块，电位固定为零电位；当屏蔽电极转换开关接地为通路时，屏蔽电极通过屏蔽电极转换开关接地，电位为零，此时感应电极感应到被测试样的表面电位，产生感应电荷；

3)当屏蔽电极悬浮时，其背面的驻极体相当于静电源，驻极体与屏蔽电极之间营造出静电场，从而使屏蔽电极感应出固定的悬浮电位，此时感应电极感应到的是屏蔽电极的电位所产生的电场，而非被测试样的表面电位产生的电场，感应电极被屏蔽电极屏蔽，导致感应电荷变化，产生感应电流信号；

4)由于屏蔽电极在接地和悬浮来回切换，从而将感应电极的感应电流信号调制为高频交流信号，感应电流信号的幅值既与被测试样的表面电位与屏蔽电极的悬浮电位的差成正比，又与屏蔽电极转换开关的切换频率成正比，感应电流信号的频率与屏蔽电极转换开关的切换频率一致，极大地提高了电位测量灵敏度；

5)感应电流信号传输至跨阻放大模块，跨阻放大模块将感应电流信号转换为感应电压信号，然后传输至差分放大模块；差分放大模块将感应电压信号差分放大，并消除共模干扰，传输至滤波模块；滤波模块滤除噪声，传输至相敏检波模块；相敏检波模块根据上位机提供的参考信号，提取出切换频率的电压信号，传输至模数转换模块；模数转换模块将包含有被测试样的表面电位信息的模拟电压信号转换为数字电压信号后传输至上位机；

6)上位机利用表面电位反演算法将采集的电压信号转换为电位数值，根据电位数值随时间变化的关系得到衰减曲线，进一步根据每个感应电极所对应的被测试样表面不同位置，绘制成三维电位衰减变化趋势图像，从而得到电荷在被测试样表面整体电位的动态变化即衰减特性，以及得到电荷在被测试样表面的耗散通道。

在步骤a)的3)中，高压源的输出电压值为被测试样预设充电电位值为1000～5000V，并小于放电电压值。

在步骤b)的1)中，上位机控制控制屏蔽电极转换开关在上开档与关闭档高频的切换频率为100Hz～2000Hz。

本发明的优点：

本发明利用软X射线注电法使被测试样荷电，利用阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头测量被测试样表面各点的电位。对于软X射线注电法，利用已注入电荷电场对注电偏置电场的削弱效应，使被测试样的表面电位提高至设置的注电电压，实现了电位的精准控制；对于阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头，利用驻极体的静电场效应，使屏蔽电极带有悬浮电位，并通过使屏蔽电极高频切换接地与悬浮状态，将感应电极的感应电流信号调制为高频交流信号，极大地提高了电位测量灵敏度；进一步地，通过阵列化排布的感应电极实现点对点地测量被测试样表面的电位，从而得到被测试样表面整体电位的三维动态变化。本发明提出的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统仅控制电气开关切换输出通路，无需可动机械构件即可实现系统被测试样注电和电位测量的快速切换；其中阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头可以完成不规则曲率、非平面化被测试样表面电荷三维耗散的动态测量，具有结构简单、通用性高、可控性好等的优点。

附图说明

图1为本发明的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统的一个实施例的结构框图；

图2为本发明的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统的一个实施例的阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头的示意图，其中，(a)为正视图，(b)为侧视图；

图3为本发明的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统的一个实施例的软X射线注电模式下的电场分布图；

图4为本发明的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统的一个实施例的电位衰减测量模式下的电场分布图；

图5为根据本发明的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试方法的一个实施例测量被测试样的表面电位衰减时，不同位置的感应电极输出随时间的变化示意图，其中，(a)为阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头位置的示意图，(b)为不同位置感应电极经放大滤波后的信号图，(c)为经相敏检波模块解调后的信号图，(d)为经上位机计算得到的不同位置的电位衰减曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试系统包括：软X射线源、阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头、控制电路以及信号调理电路；与被测试样表面共形的阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头保持设定的间距平行正对被测试样的表面；软X射线源对着被测试样；阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头连接至信号调理电路，信号调理电路连接至控制电路；

如图2所示，阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头包括感应电极1、屏蔽电极2、基底3和感应电极过孔4；其中，基底3采用柔性绝缘介质，表面的形状与共形匹配被测试样，对柔性绝缘介质注入电荷5形成驻极体；在基底3面对样品的表面形成屏蔽电极2，屏蔽电极2具有二维周期性分布的孔洞；在每一个孔洞的中心设置一个感应电极单元，感应电极单元与屏蔽电极2没有接触，从而形成二维周期性分布的感应电极1；在基底3上与每一个感应电极单元相对应的位置设置有感应电极过孔4，从而每一个感应电极单元通过引线经相应的感应电极过孔4引出；

控制电路包括屏蔽电极转换开关、感应电极转换开关和上位机；其中，屏蔽电极转换开关为三档开关，即上开档、下开档和关闭档，包括一路输入端和两路输出端，屏蔽电极连接至屏蔽电极转换开关的输入端，屏蔽电极转换开关的第一路输出端连高压源，输入端与连接高压源的第一路输出端连通对应下开档，第二路输出端接地，输入端与接地的第二路输出端连通对应上开档，输入端不与输出端连接对应关闭档，此时屏蔽电极悬浮，屏蔽电极转换开关连接至上位机，由上位机控制屏蔽电极转换开关的档位；每一个感应电极单元对应一个感应电极转换开关，每一个感应电极转换开关为两档开关，即上开档和下开档，包括一路输入端和两路输出端，每一个感应电极单元通过引线连接至对应的感应电极转换开关的输入端，每一个感应电极转换开关的第一路输出端接高压源，输入端与接高压源的第一路输出端连通对应下开档，第二路连接至信号调理电路的跨阻放大模块，输入端与接跨阻放大模块的第二路输出端连通对应上开档；所有感应电极转换开关连接至上位机，由上位机统一控制所有感应电极转换开关的档位，保证所有感应电极所接通路相同；

信号调理电路包括跨阻放大模块、差分放大模块、滤波模块、相敏检波模块和模数转换模块；其中，跨阻放大模块连接至差分放大模块，差分放大模块连接至滤波模块，滤波模块连接至相敏检波模块，相敏检波模块连接至模数转换模块，模数转换模块连接至上位机，上位机还连接至相敏检波模块，为相敏检波模块提供参考信号。

在本实施例中，阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头与被测试样的表面的间距为2cm；屏蔽电极的孔洞和感应电极单元均为矩形，感应电极与屏蔽电极的间隙为0.2mm；高压源的输出电压值为3000V；在电位衰减测量模式下，上位机控制控制屏蔽电极转换开关在上开档与关闭档高频切换频率为500Hz。

本实施例的基于驻极体和射线注电法的静电电荷衰减测试方法，包括静电电荷衰减测试系统具有软X射线注电模式和电位衰减测量模式：

a)软X射线注电模式，如图3所示：

1)被测试样的背面连接背电极，将被测试样的正面正对阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头，二者的表面平行；

2)调整软X射线源的发射角度，使得软X射线能够从侧面辐照阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头与被测试样之间的空气间隙；

3)上位机开启高压源和软X射线源，设置高压源输出电压；

4)软X射线源发射软X射线，上位机同时控制屏蔽电极转换开关和感应电极转换开关均为下开档，即输入端接通高压源一路，从而在静电感应探头与被测试样之间形成注电偏置电场；

5)软X射线电离激发的正极性粒子或负极性粒子在注电偏置电场的作用下加速向被测试样的表面运动并被捕获，从而使被测试样表面注入定量的荷电；

6)由于注入的电荷产生的电场会削弱原有的注电偏置电场，当被测试样的表面电位与高压源输出电压相同时，原有的注电偏置电场消失，被测试样的表面不会有电荷注入，从而通过控制高压源的电压精确控制被测试样的表面电位，完成软X射线注电模式注电过程；

b)电位衰减测量模式，如图4所示：

1)上位机控制感应电极转换开关位于上开档，即输入端接通跨阻放大模块一路，并控制屏蔽电极转换开关在上开档与关闭档高频切换，即屏蔽电极转换开关的输入端在接通接地一路与接通悬浮一路高频切换；

2)由于感应电极通过感应电极转换开关连通至跨阻放大模块，电位固定为零电位；当屏蔽电极转换开关接地为通路时，屏蔽电极通过屏蔽电极转换开关接地，电位为零，此时感应电极感应到被测试样的表面电位，产生感应电荷；

3)当屏蔽电极悬浮时，其背面的驻极体相当于静电源，驻极体与屏蔽电极之间营造出静电场，从而使屏蔽电极感应出固定的悬浮电位，此时感应电极感应到的是屏蔽电极的电位所产生的电场，而非被测试样的表面电位产生的电场，感应电极被屏蔽电极屏蔽，导致感应电荷变化，产生感应电流信号；

4)由于屏蔽电极在接地和悬浮来回切换，从而将感应电极的感应电流信号调制为高频交流信号，感应电流信号的幅值与被测试样的表面电位与屏蔽电极的悬浮电位的差成正比，感应电流信号的幅值与屏蔽电极转换开关的切换频率成正比，感应电流信号的频率与屏蔽电极转换开关的切换频率一致，极大地提高了电位测量灵敏度；

5)感应电流信号传输至跨阻放大模块，跨阻放大模块将感应电流信号转换为感应电压信号，然后传输至差分放大模块；差分放大模块将感应电压信号差分放大，并消除共模干扰，传输至滤波模块；滤波模块滤除噪声，传输至相敏检波模块；相敏检波模块根据上位机提供的参考信号，提取出切换频率的电压信号，传输至模数转换模块；模数转换模块将包含有被测试样的表面电位信息的模拟电压信号转换为数字电压信号后传输至上位机；

6)上位机利用表面电位反演算法将采集的电压信号转换为电位数值，根据电位数值随时间变化的关系得到衰减曲线，进一步根据每个感应电极所对应的被测试样表面不同位置，绘制成三维电位衰减变化趋势图像，从而得到电荷在被测试样表面整体的电位的动态变化即衰减特性，以及得到电荷在被测试样表面的耗散通道。

本发明的软X射线注电法能够实现规则结构被测样的注电，如图3(a)和图3(b)所示，并能够实现非规则结构被测试样的注电，如图3(c)和图3(d)所示。

本发明的软X射线注电法能够实现规则结构被测样的表面电位测量，图4(a)和图4(b)所示，并能够实现非规则结构被测试样的表面电位测量，如图4(c)和图4(d)所示。

本发明在测量被测试样的表面电位衰减时，不同位置的感应电极输出随时间的变化如图5所示。当屏蔽电极转换开关以频率f在接地通路和悬浮通路切换时，屏蔽电极以频率f接地/悬浮，使感应电极感应被测试样的表面电位V

E＝α

其中，α

Q(t)＝ε

其中，ε

其中，R为跨阻放大模块的反馈阻抗，F为放大系数。因此，静电感应探头灵敏度S为：

可以看出感应电极输出的信号的幅值与被测试样的表面电位呈线性关系，并且幅值与切换频率成正比，因此感应电极输出的信号的灵敏度与被测试样的表面电位和屏蔽电极转换开关的切换频率成正比，极大地提高了电位测量灵敏度。图5(b)和图5(c)分别展示了探头测量信号经过放大滤波后的波形和经过相敏检波模块解调后的波形。经过解调后的波形与被测试样的表面电位成线性关系，因此上位机利用算法将采集的电压信号反演出电位数值。图5(d)展示了被测试样表面不同位置电位的衰减曲线。虽然不同位置的初始电位均为一致，但是由于材料微观结构并未均匀一致，不同位置的电荷耗散速率不同。电阻率小的位置电荷更容易耗散，形成电荷耗散通道。因此通过比较图5(d)中的衰减曲线，可以知道第一感应电极和第二感应电极处的材料电导率较低，电荷更容易耗散，而第三感应电极处材料电导率较高，电荷耗散速率较慢。通过阵列化共形非接触式驻极体静电感应探头获得被测试样表面不同位置处的电位衰减曲线，绘制三维电位衰减变化趋势图，可以得到被测试样表面整体电位的动态变化，观测出电荷在被测试样表面的耗散通道。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。