静电测试原理与技术

静电测试原理与技术静电测试的目的：为静电防护工程设计和改善产品自身抗静电性能设计提供数据和依据。在实际运行条件下，判断人体、设备、工装器具等是否可能成为静电放电危害源。检测静电防护器材（器具、工具、设备、材料）的性能和质量。评价静电防护措施的效果。当发生静电放电危害后进行模拟测试，分析事故原因，为采取有针对性的措施提供依据。评价静电敏感电子产品的设计和制造质量。静电测试的主要内容静电基本参量测试技术防静电系统静电性能测试技术包装材料静电性能测试技术人体静电参数测试技术静电测试的特点静电测试与一般的强电或弱电测试相比，具有自身的特点，只有把握这些特点，才能选择好适宜的测试仪器，制定出合适的试验方法和程序，得出准确的结果。1.静电测试仪器要有小的输入电容和极高的输入电阻由于静电电量很小，所以在静电测试过程中即使有少量电荷从带电体流入测试仪表或泄漏掉，都会造成很大的测量误差，而且引入的测试仪器对原来场分布也会产生很大的影响。为降低测试仪器对静电测试的影响，要求测试仪器具有很小的输入（耦合）电容和极高的输入电阻（一般要求不低于1014Ω）。2.静电测试结果往往与测试方法和测试电压等测试条件有关目前国内外静电测试方法标准化尚未全面完成，测试仪器多种多样，在实际工作中往往存在测试方法不统一，结果不一致，再现性差等问题。这就要求测试人员尽量采用科学合理的测试方法，选用先进的测试仪器并定期进行计量，以避免测试结果的过大误差。不同的测试方法、不同的带电历史、不同的测试电压，将导致不同的测试结果，因此，给出测试结果时，必须同时标明其测试方法和测试电压等条件。3.静电测试受各种环境条件的影响显著静电测试受到环境条件的影响较之普通的强电或弱电测试要大，而且显著得多。用同样的测试方法、同样的测试仪器、在同一地点作同样的测试时，如果环境温度、相对湿度、被测物品与环境的平衡时间等测试条件不同，则测试结果会有很大的差别，环境相对湿度对测试结果的影响尤其显著。因此，测试报告中必须要注明温、湿度等环境条件。一、静电基本参量测试技术静电电位测量1、接触式测量测试原理利用等电位原理进行测试，把被测带电体用绝缘电缆直接连在输入阻抗为1012Ω以上静电电压表的测量电极上，由静电电压表头直接读出被测带电体的对地电压，也称为接触式测量。此测试方法仅适用于对静电导体带电电位的测试，测试误差相对比较小，测量准确度可以优于2％，但对于某类测试探头无法接触的场合此类方法不便使用。测试仪器接触式静电电压表（或简称静电伏特计）是利用静电力矩来进行测试的。接触式静电计等效电路CCUCU000eCCUCUCCRt000)(0U低于带电体的实际电压U0。为减小测试误差，应该使C《C0，即尽可能地减小仪表的输入电容。例如，量程在3kV以下的静电电压表，其输入电容C值都不大于30pF。随测试时间t的增加，表头读数按指数规律衰减。为了减小由此造成的测量误差，应尽量提高仪表的输入电阻R，一般静电压表的输入电阻选择在1012Ω以上。2、非接触式测量测试原理运用静电感应静电感应原理是将测试探头靠近带电体，利用探头与被测带电体之间产生的畸变电场测试带电体的表面电位，实质上是对带电体表面电场的测试；由于这种测试不是直接同带电体相接触，因此也称非接触式测量，所使用的测试仪表，又称非接触式测试仪表。与接触式测量相比，非接触式测量结果受仪表输入电容、输入电阻的影响较小，测量准确度可优于15％，但受测试距离、带电体几何尺寸的影响较大。测试仪器根据工作原理的不同，该类仪表主要分为静电感应型和电离型两种。直接感应式仪表测试原理CWCbRbLT被测带电体Ｕb＝bwwCCUCbbCRte即使被测电位U不变，测试值Ｕb仍随时间以指数规律衰减，时间常数为RbCb。为减小测试误差，要求Rb或Cb充分大，但Cb增大将导致测试灵敏度降低，反而使测试发生困难，因而要求该类仪表具有很高的输入电阻，这一点同接触式测试仪表是一致的。即使如此，也只能减缓衰减速度，不能从根本上解决问题，故该类仪表不能用作固定接入的监测仪表。振动电容式静电计振动电容式静电表也称振簧式静电计，主要由测试探头、交流放大器、振荡器、相敏检波器和指示器组成。与直接感应式仪表不同，其探头电极是一个可振动的金属片，在振荡器的驱动下，探头电极与被测带电体之间的电容周期性变化，被测带电体在探头电极上感应出一个周期性变化的电位信号。因为此信号非常微弱，故采用高阻输入的阻抗变换器来接受信号，再经交流放大和相敏检波后由直流表显示被测电位，而且还可以测试电位的极性。静电电量测量测量时，将带电体无摩擦的投入内筒，内筒内表面将感应出与带电体异面等值的电荷，内筒外表面和外筒内表面也会带上等值异面电荷。因此，内外筒间就有电位差产生。将外筒接地，电压表指示的内筒电位即两筒的电位差。在用精密万用电桥或其它电容测试仪器测得系统电容值C（为内外筒间的电容、电压表输入电容和装置上并联电容的电容之和）.然后按照公式Q=CU计算出被测带电体静电电量Q。1—内筒2—外筒3－绝缘支架4－监测器电阻、电阻率的测量电阻是与静电泄漏紧密相关的电气参数之一，电阻测试包括绝缘电阻、接地电阻、静电接地电阻和静电泄漏电阻的测试；电阻率测试包括表面电阻率和体电阻率的测试。1.绝缘材料电阻与电阻率测试介质材料的试样上安放两个电极，在其间施加一定的直流电压U时，测量电极间就有电流I流过，电压U与电流I的比值，称作绝缘电阻R，即R=U/I。电极间流过的电流I包括沿试样表面流动的泄漏电流Is和穿过介质内部的电导电流Iv两部分。为详细评价材料的导电性质，把电压U与表面泄漏电流Is的比值称作表面电阻Rs，而把电压U与体内电导电流Iv的比值称作体积电阻Rv，即sIURsvIURv材料绝缘电阻R是其表面电阻Rs和体积电阻Rv的并联值，这三个电阻值均与测量电极的大小、形状有关，因此，给出测量结果时应同时表明测量电极的参数。为定量描述材料的导电性质，摆脱测量值对测量电极参数的依赖关系，引入表面电阻率和体电阻率的概念。表面电阻率定义为单位宽度、单位长度材料的表面电阻值，即正方形材料两对边间的表面电阻值，单位为欧姆（），其数值大小与正方形的几何尺寸无关。体电阻率定义为单位横截面单位长度上材料的体积电阻值，单位为欧姆·米。二、防静电系统静电性能测试技术防静电系统：防静电碗带、防静电服、防静电鞋、地面、接地设施、工作台、储物架、小推车等防静电设施及用品，它们都是实施静电防护必不可缺少的物质手段。因此，对这些防静电设施进行静电性能测试，以确保投入使用时其性能合格，对静电防护效果的影响是直接而又具体的。这种测试是静电防护测试的重要组成部分。ESD防护腕带、鞋束（足跟带）静电性能测试腕带内表面导电性能测试图欧姆表10k档电缆扣鳄鱼夹腕带连接电缆系统电阻测试测试佩戴腕带时系统电阻图欧姆表10k档脚跟带（鞋束）系统电阻测试GJB3007-97IEC61340-5-11998腕带Rg1×105(从内表面对地测量)7.5×105Rg3.5×107(穿戴)7.5×105Re5.0×106(腕带连线端对端测量)Rg1×105(未穿戴)7.5×105Rg3.5×107(穿戴)7.5×105Re5×106(腕带线)鞋束5×104Rg1×108ESD防护腕带、鞋束（足跟带）静电性能参数ESD防护工作服静电性能测试工作服对静电防护的有效性直接依赖于它的表面电阻。工作服的内、外表面要能够使人体操作中因摩擦等动作所产生的电荷顺利地到达于人体表面，并最后通过防静电腕带、鞋袜等泄漏于大地而提供通路，这就要求工作服的设计应能保持其在穿着状态下与人体直接或间接接触，并自身具有良好的表面电阻值。为防万一出现不良接触，必要时，所穿工作服还应设置专门的接地连接点。服装上任意两点间的电阻为服装的表面电阻值。仪器接缝电极1对地连接点ACBDE服装对地电阻测试原理图服装表面(点对点)电阻测试原理图仪器接缝电极1ACBDE电极2一般要求工作服的表面电阻为7.5x105R1x1010Ω，对地电阻为7.5x105R1x108Ω。测试电极为圆柱形，直径50mm，重量2kg。防静电鞋、袜对地电阻测试防静电鞋、袜，也是提供人体静电荷泄漏通道的主要措施，且能在一旦腕带发生问题（如断路）时或在不可能使用碗带的情况下，作为一种基本的人体接地方式。仪器鞋袜电极防静电鞋袜在穿戴状态下对地电阻的要求为5×104～1×108Ω。工作椅、存放架、运输小车对地电阻和表面电阻的测试工作椅应能通过支脚或轮子接地，在正常情况下与工件、人体接触的表面应由静电耗散材料制作。对地电阻测试，一般以支脚架、脚轮等作为接地电极，另一电极接于器具表体的某一点；表面电阻为器具表面上任意两点之间的电阻数值。测试时应保持电极与被测表面之间良好的电接触。工作椅的对地电阻为5x105～1.0x1010Ω、表面电阻（点对点）小于等于1.0x1010Ω仪器电极1电极2导电薄片材料对地电阻仪器电极1表面电阻电极2存放架、运输小车的对地电阻为7.5x105～1.0x109Ω测试电极Φ502kg500VDC兆欧表R板状辅助电极物流车湿滤纸垫物流车台面对车轮系统电阻测试手套、指套对地电阻的测试在进行操作时，防静电手套、指套的外面直接与工件相接触，并通过其壁和人体泄漏电荷，所以它必须能够耗散静电，又要使电荷耗散的速度不能太快以防突发放电，这些只能依靠它在穿着情况下具有合适的对地电阻，测量时，一般使用2枚φ20mm的平板形金属电极作为与测试导线相接触的面积。如果上述规定不能实现时，也可使用接线夹子。在佩戴情况下,一般要求手套、指套的对地电阻为7.5x105～1.0x1010Ω。仪表手套对地电阻的测试防静电地面对地电阻和表面电阻的测试防静电地面应采用静电耗散材料并接地良好，其对地电阻为1x105～1x109Ω，表面（点对点）电阻为1x105～1x1010Ω。测试时每4m2随机抽取5点并取中心对四角4次测试结果的平均值，测试点距地板的边缘不得小于100mm。R地面（防静电水磨石）接地母线500VDC兆欧表测试电极Φ502kg三、人体静电参数测试技术人体由于自身的活动及与周围物体的接触分离，在干燥环境中常常有几千伏甚至几万伏的静电。当没有形成火花放电时，自身往往不会有异常感觉。但是，在静电危险场所，人体作为带电的静电导体，一旦形成能量比较集中的火花放电，其后果是不堪设想的。因此，国内外学者普遍认为人体静电是静电防护工程中主要危害源之一。所以，进行人体静电参数测试，具有十分重要的应用价值。人体静电参数包括人体静电电位、人体对地电阻、人体对地电容。人体静电电位测试近30年来研制的静电电位仪表，按其测试原理可分为接触式和非接触式两大类型。接触式静电电位仪表输入电阻小、阻尼大，不能对人体等静电导体的动态电位进行测试，也无法判断被测人体的电位极性；非接触式静电电位测试仪表以日本的MH型人体静电电位仪和美制263型高速静电表为代表，其输入电阻（大于1014Ω）提高了，但仪表指示值μb仍随时间衰减，使得测试结果误差很大。DWJ-81型静电电位仪通过将感应探头换成振动电容式或旋转式，解决了仪器最终指示值不随时间衰减的问题，同时机械振动的频率限制了仪器对静电电位信号的正确响应。ZPD-1型静电电位动态测试仪采用“信号自屏蔽－电荷耦合”测试原理，即根据静电电压的特点，利用静电信号高压电极本身作为传感器电极，使屏蔽深度与仪器灵敏度要求相一致，避免了一般静电仪器用接地屏蔽所带来的问题，在提高仪器灵敏度的同时，仪器的抗干扰能力也得到增强。“电荷耦合”是指仪器输入端接收的是电荷量，且使电荷量与被测电位成正比，通过对电荷量的测试得到被测电位的数值。GY-2型传感器放大器峰值和极性显示动态波形显示记录仪ZPD-1型静电电位动态测试仪人体静电电容测试测试时，人应赤足并将双足用金属箔包裹，金属箔与静电电容测试仪表相连。人双足站在绝缘板上，板厚与鞋底厚度相同。这样，金属箔与地之间的电容量即为人体静电电容。在测试过程