基于计算机控制的织物感应静电衰减测试仪的研制

赵相彬

摘要：本文主要介绍了基于计算机控制的织物感应静电衰减测试仪的研制关键技术。仪器采用可调稳定的±5kV高压直流电源，在计算机控制下，实现自动开关电机和高压电源，操作安全方便。为了对织物在高压电源下感应的静电电量、静电电压衰减的半衰期和残留的静电电荷量进行检测，本文分别使用了定时法和定压法。试验结果表明仪器具有良好的稳定性，能够准确可靠地对织物的静电衰减性能进行评价。

关键词：静电；计算机控制；半衰期；静电衰减性能；稳定性

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）26-0250-03

Development of Fabric Electrostatic Decay Tester Based on Computer Control

ZHAO Xiang-bin

（Office of Admissions and Employment， Shandong Foreign Trade Vocational College， Qingdao 266100， China）

Abstract： This paper mainly introduces the key technologies of the development of fabric electrostatic decay tester based on computer control. The instrument uses a stable and adjustable ±5kV high voltage DC power. Under the control of the computer， it can realize automatic switch motors and high-voltage power supply， which is safe and convenient. The amount of the fabric induction electrostatic charge， half-life of the static voltage attenuation and electrostatic residues are detected by constant time method and constant pressure method. The results show the fabric electrostatic decay tester has a good stability and can well evaluate the fabric static decay property.

Key words： Electrostatic； Computer Control； Half-life Period； Static Decay Property； Stability

静电衰减性能作为一个重要的指标主要用来对织物防静电性能进行衡量，通常静电衰减性能好的织物能在短时间内完成静电的产生和消散过程。静电衰减的半衰期（当外界作用撤除后，织物感应的静电电压衰减为初始电压的一半所需要的时间）作为衡量织物防静电性能的定量参数，是衡量物体泄露电荷快慢，能否诱发静电灾害的重要物理参量[1，2]。

静电具有非常大的危害性，当人体积累一定量的静电电压后，若接触门把手等接地物体时就会产生放电，给人体带来不适感甚至会造成巨大的危害。为了更好地评价织物的静电衰减性能[3]，为后期防静电材料的研制提供参考，因此我们开发了基于计算机控制的织物感应静电衰减测试仪。通过使用计算机来控制电机和高压源的开关，可保证仪器在使用过程中安全可靠。

1 织物感应静电衰减性能测试原理

根据被测试样带电方式的不同，静电衰减性能的测量方法包括电晕喷电法、充电法和摩擦法[4]。本文介绍的仪器主要采用电晕喷电法：在试验的过程中，电晕喷电装置和电位测量装置固定不动，被测试样运动。使用电晕喷电法测量织物的静电衰减性能操作简单且可重复试验，能对被测试样实现非破坏性的测量[5]。

测试开始时，首先使用电晕喷电装置对被测试样进行定时间放电，当试样感应的电压达到最大值并稳定后，计算机记录该最大电压值并通过控制输出自动关闭高压电源。迅速将被测试样接地使其开始自然放电，通过计算机实时监测试样表面的静电电压值，当静电电压值衰减到最大电压值的一半时记录衰减时间或达到规定的衰减时间时记录静电电压值，并以此作为评估被测材料防静电性能的重要参数。

2 仪器设计

在对仪器进行整体设计时，主要从主机模块、计算机控制模块和数据处理模块三大部分完成设计。仪器的整体结构如图1所示。

2.1 仪器主机模块

仪器主机采用对被测试样实现非破坏性测量的电晕喷电测量方法，主机的测试装置包括：高压源与喷电装置、机械转动装置和电位测量装置三部分。

高压源与喷电装置的主要作用是对试样进行充电。为避免实验室电压不稳对试验结果造成较大影响，仪器使用24V直流电作为输入电压，通过自激振荡电路将直流电转为交流电并在升压变压器的作用下升压为交流电压，之后再经过倍压整流电路输出可调稳定的±5kV高压直流电源。该仪器中喷电电极与试样之间放电距离设计为20mm。

机械转动装置由电机和金属转盘组成。当金属转盘在电机的驱动下开始转动，被测试样与电位测量装置之间位置发生变化导致电容量变化，从而感应出持续的交流信号。为保证仪器在试验过程中保证整体平衡且有稳定的输出信号，在仪器主机模块的设计中特选择了转速稳定在 1500r/min的直流电机。

电位测量装置用来测量被测试样感应出的静电电压，在仪器的设计中使用电位检测探头来测量静电电压的大小，电位检测探头与试样的间距为15mm。试验过程中，试样的尺寸裁剪为60mm×80mm，在试验过程中试样的有效测量面积相对较小，同时作为高压源的喷电装置与用于测量感应静电电压的电位测量装置间的距离较大，因此喷电装置产生的电场不会对试验结果产生影响。

2.2计算机控制模块

为了保证试验过程安全方便，织物感应静电衰减测试仪使用计算机来控制高压源与电机的自动开关。在计算机控制模块中使用BAOTRON BC6602板卡实现仪器与计算机的通信。BAOTRON BC6602具有16路单端模拟输入通道和2路接地端。试验过程中，仪器检测到织物表面感应的静电电压值并将该信号输出给板块，板卡在接收到信号后，通过A/D转换装置将该信号转换成计算机可识别的相对应的数字信号，同时计算机输出的数字信号也可以通过A/D转换对应的控制信号输出给仪器，进而实现对仪器高压源和电机的控制。

在计算机控制模块的设计中，在输出电机停止转动的控制信号和强制试验停止的控制信号时，高压关闭的控制信号也同时输出，充分保证试验过程的安全可靠。

2.3 数据处理模块

织物感应静电测试仪器的动作响应及数据采集都是通过计算机来实现的，仪器数据采集与处理部分的程序采用VB语言实现，计算机系统能够实时显示织物在感应高压及接地后自然放电过程中电压的变化，通过计算机处理，得到织物感应静电衰减的半衰期或衰减到规定时间时织物表面的静电残余量。试验过程中，程序运行的主界面如图3所示。

3 试验及结果分析

根据标准GB/T 12703.1-2008《纺织品静电性能的评定 第1部分：静电压半衰期》的规定，测量织物感觉静电衰减性能的试验环境条件为：温度（20±2 ） ℃，相对湿度（35± 5 ） %RH。为了保证试验结果的有效性，在试验之前，试样需要在上述要求的试验条件下平衡至少24h。

测量静电衰减性能主要有两种方法，分别是定时法和定压法。不同试样的静电衰减性能存在差异，因此在试验过程中可以选择合适的测量方法[6][7]。在计算机的控制作用下，上述两种测量方法的具体测量过程如下：

（1）定时法：对被测试样进行定时间加压（根据标准要求加压时间设为30s），30s后在计算机控制下自动关闭高压源并记录此时的最大电压值。关闭高压源后，金属转盘仍然继续转动，在此过程中，计算机对试样表面的静电电压值进行实时检测并记录。当达到规定的时间（60s）后，计算机记录此时试样表面残留的静电电压值，通过输出控制信号，关闭电机转动，试验停止。

（2）定压法：对试样进行加压的过程与定时法相同。在试样表面静电电压衰减的过程中，计算机实时记录并分析电压值的变化，当静电电压值衰减到最大电压值的一半时，计算机自动记录对应的衰减时间，同时通过电路控制关闭电机的转动，试验停止。如果半衰期大于60s，则记录此时试样表面残留的静电电压值，试验停止。

为了验证仪器的准确性和稳定性，选择了金属铜片A、普通织物B和添加抗静电剂的织物C进行了试验并使用定压法对试样的静电衰减半衰期进行了测量。在试验过程中为保证试验结果的有效性，每种试样分别测试三次，最后结果取三次试验结果的平均值，试验结果见表1。

根据试验结果可以看出：绝缘材料在感应静电后放电困难，容易造成电荷的积累；导体金属铜片，在接地的一瞬间所带电荷以非常快的速度被释放掉；添加抗静电剂的织物半衰期明显小于普通的织物材料，在接地后电荷很快被释放，不易产生电荷积累，这也正好符合了防静电织物的特性[8][9]。

4 结论

本文主要对基于计算机控制的织物感应静电衰减性能测试仪进行了介绍，仪器包括主机模块、计算机模块和数据处理模块三个主要组成部分。主机模块采用了稳定可调的±5kV 的高压直流电源。通过计算机控制模块的设计，实现了电机和高压电源自动开关，保证了试验过程的安全方便。为了更准确地对织物感应静电的静电衰减性能进行评价，本文分别使用了定时法和定压法进行了试验。试验结果表明该仪器具有良好的稳定性，能够正确评价织物的静电衰减性能，可用于纺织品和服装的静电衰减性能检测，为防静电材料的研制提供指导。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准. GB/T 12703.1-2008《纺织品 静电性能的评定 第一部分：静电压半衰期》[S]

[2]王书平，刘存礼，范丽思.用静电电荷衰减时间评价材料静电性能存在的问题[J]. 河北大学学报：自然科学版，2007，27（z1）：110-112.

[3]刘真.简述纺织品功能性的考核标准和方法[J].中国纤检，2015（14）：58-59.

[4]孙可平，李义鹏，王红岩.带电绝缘体静电放电能量测试实验技术研究[J].广东工业大学学报，2010，27（4）：89-91.

[5]靳振岗.多功能静电电荷衰减测试系统[D].北京：北京理工大学，2015：8-18.

[6]黎晖， 魏光辉，刘掬.静电衰减时间测试方法与仪器研制[J].仪表技术与传感器，2008， 37（5）：16-18.

[7]张龙， 魏光辉， 马辉. 静电电荷衰减性能测试方法研究分析[J]. 包装工程， 2006， 27（4）：135-136.

[8]姜逊，顾艳，钟菊祥.纺织品静电压半衰期检测结果的影响因素[J].上海纺织科技，2013， 41（4）：51-52.