人体静电对复卷机控制系统的影响

李天利

(陕西科技大学，陕西西安，710021)

1 静电

1.1 静电和静电放电

静电是物体所带相对静止不动、单极性的电荷。静电起电机理一般分为接触、分离、摩擦三个过程，在此过程中引起电荷转移，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成静电。静电源与其他物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压，也就是静电放电 (ESD)是具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移［1］。

静电具有高电位 (数万伏)、低电量 (毫微库仑)、作用时间短 (微秒或纳秒)、与湿度有关的特点。静电的基本物理特性有:①力学效应:同性排斥，异性相吸;②放电效应:ESD伴随着产生热，宽频带电磁辐射，瞬间放电电流峰会可达几安以上;③感应效应:感应电压可达数万伏。

1.2 人体静电及其能量

1.2.1 人体静电［2］

人体通过衣服摩擦、在地面上行走和与家具以及器具的接触和分离、还有其他的静电感应等途径，让任何带电物体都很容易将所携带的电荷转移到导电的人体皮肤上，使得人体成为复卷机电气控制室内最主要的静电放电源。一个物体上所积累的电荷储存在该物体的电容中，人体电容是存在的，该电容被称之为自由空间电容，其第二平板即为地球。一个人体在自由空间中的电容约为50 pF。除此以外，人体电容还包括脚底与地面之间的电容 (约100 pF)，如果人体接近墙壁等周围的某些物体，还会增加50～100 pF的电容。所以人体电容等于人体自由空间电容与平板电容之和，在50～250 pF之间变化。人体电容也可用经验公式 (1)计算。

式中，C为人体电容，pF;H为人体高度，cm;K为鞋底材料的介质常数;A为两只鞋底的总面积，cm2;D为鞋底厚度，cm。

人体电阻是非线性的，根据研究结果，当人体有有完好的角质外层并且很干燥时，人体电阻大约10 kΩ，当角质外层破坏时，人体电阻降为0.8～1.0 kΩ［3］，因此人体电阻值约在0.8～10 kΩ 之间。此外，人体电阻和人体产生放电的位置也有关，若手指尖放电，人体电阻约为10 kΩ;若手掌放电，人体电阻约为1 kΩ;若在手持的金属物体上放电，人体电阻约为500 Ω;若放电发生在较大的金属物体上，人体电阻可以减小为50 Ω。

人体静电放电的等效电路的电容和电阻是串联的。通常，人体不会感受到静电电压在3.5 kV以下所产生的放电，只有电压达到25 kV，人体才会感到疼痛。

1.2.2 人体静电的能量及放电规律

按照电工理论［3］，人体带电时所具有的能量按公式 (2)计算。

式中，W为人体带电具有的能量，J;C为人体对地电容，F;U为人体静电电压，V。

带静电的人体接触其他导电物体 (设其电阻为R)形成回路时就可放电，放电的规律为指数规律［3］:

式中，R为人体电阻和人体所接触导体的等效电阻，Ω;U为人体静电电压初始值，V。RC=τ为静电放电的时间常数，s。

放电电流的大小为［3］:

式中，i(t)为人体放电电流，A。

2 人体静电对复卷机控制系统的影响

无论复卷机的电气控制设备［4］是直流传动还是交流传动，都采用调速装置，辅助控制中采用继电器、接触器、热继电器、空气开关等设备，上位机采用工控机或工业用一般台式机，控制器件采用可编程序控制器 (PLC)。为了保证复卷机的正常平稳运行，上述设备、元器件的性能必须在复卷机的运行过程中稳定可靠。但是如果带有静电的人体 (或其他物体)接触了这些设备而放电，会造成以下的影响。

(1)对控制设备的分立元器件造成损害，从而使相应的设备控制失灵或性能下降。表1所列为半导体器件的静电破坏电压［5］。从表1可以看出，常见分离元器件的静电破坏电压都比较有限，难以承受带有静电的人体的接触放电，虽然调速设备自身带有静电防护，但也不能确保万无一失。

人体静电放电电流密度高、电压高、时间短，使器件的电压电流变化率大而引起器件、导体局部过热击穿，造成永久损坏。公式 (3)中τ=RC是人体静电放电的时间常数，这个值很小，例如R=10 kΩ (人体电阻和人体所接触导体的等效电阻)，C=250 pF时，τ=RC=2.5 μs，按照电路理论一般经过3～4τ(即大约10 μs，计算时取的R和C的值都大，所以实际放电的时间会远小于10 μs)放电就会结束［3］。若带电人体的静电电压U=10 kV，按公式 (4)计算出放电的电流初始值 (t=0时)为1 A，则电流电压变化率分别为:这个值已远超器件的承受能力。会引起器件、导体局部过热击穿，造成永久损坏，从而使复卷机控制失灵。

表1 半导体器件的静电破坏电压

(2)对控制设备中的集成电路造成损害，从而使相应的设备控制失灵或性能下降。高密度集成电路组件，不论是MOS器件，还是双极性器件都可能因静电电场和静电放电电流引起失效，或造成难以被人们发现的“软故障”，给整机留下隐患，直接影响产品的质量寿命和性能。

(3)对计算机造成影响。当人体静电触及电子计算机时，对计算机放电，有可能使计算机输入单元错误采集，造成计算机运算和判断出错而产生错误输出，例如如果静电放电时刚好引起“断纸检测”光电传感器的输入通道误输入，就可能造成复卷机的立即停机。另外静电放电还会有可能使计算机的用户程序紊乱、干扰数据总线使数据无法传送或传送不准确等。

(4)人体所带静电的能量具有一定的危险。例如R=10 kΩ (人体电阻和人体所接触导体的等效电阻)，C=250 pF时按照公式 (2)计算得W=12.5 mJ=1250 μJ，对于某些危险品100 ～300 μJ的能量就可使其发火［6］。因此人体动作所产生的静电是不容忽视的问题。

带电人体的静电造成的危害是严重的，但因其具有的瞬时性的特点，给工作人员排查问题造成了困难，不仅硬件人员很难查出，有时还会使软件人员误认为是软件故障，从而造成工作上的麻烦。

3 复卷机控制系统中防止人体静电的方法

带有静电的人体对复卷机的控制系统有安全威胁，因此需采取有效措施加以防范。

(1)做好复卷机控制系统的接地。接地可达到两个目的:①当进入系统的信号供电电源或系统设备本身出现问题时，能有效地承受过载电流并可以迅速将过载电流导入大地。因此当带有静电的人体通过系统放电时，接地便可有效保护控制系统免遭伤害。②接地能够为系统提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点即参考零电位。图1所示是一种复卷机控制系统的接地图，可参考使用。

图1 复卷机电控接地图

(2)复卷机操作人员要正确使用各种防静电防护用品 (如防静电鞋、防静电工作服、防静电手套等)，不得穿戴合成纤维及丝绸物。

(3)复卷机操作人员在进入控制室之前，应先充分放电，方法是徒手触摸接地金属物。

(4)敏感的器件不能随意包装，备用的器件应立即放到黑色的永久性的防静电包装袋内，装入包装袋内的器件不要晃动以减少摩擦生电。

(5)通过调整控制室内的相对湿度来减少静电的产生，以减少人体带电的机会。经过实验所得的表2［7］数据证明，湿度高时产生静电电压较低，但是湿度越高对控制室的调速装置和其他元器件不利，因此，要合理控制控制室中的湿度，使得既可防止静电又可不影响复卷机工作。

(6)复卷机控制室要铺设防静电地板。

4 结论

静电放电的产生是无法避免的，但静电放电的危害却是可以预防和控制的。复卷机控制系统的静电防护尤其是防止人体的静电放电是一个需要长期坚持的系统工程，只要建立有效防护措施，做好人员培训、认真执行各项技术措施、管理到位，静电危害就可以降低到最小甚至可以避免，使复卷机控制系统安全可靠地工作。以上方法虽以复卷机为例进行说明，但对于纸机控制系统也同样适用。

表2 典型的相对湿度与人体活动带静电的关系

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