离子平板监视仪校准方法

肖天雷 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

两个电中性的物体相互接触或反应，会使一个物体上的电子转移到另一个物体上，导致电荷的平衡被打破，两个物体也因此带上了静电。当这些静电荷积聚到一定程度时会向周围放电，从而对外界产生一定的影响。在工业生产中，静电可能会吸附灰尘和杂质，静电放电可能损坏电子器件、产生电磁干扰或者存在火灾隐患。

为了消除静电对产品和生产的不良影响，目前，大多采用离子风机进行静电消除。离子风机利用高压电源对针尖施加电压，从而将电极周围的空气电离，再利用风扇将其吹至物体表面[1-2]，利用中和法完成静电消除。该设备简单有效，已被广泛应用于汽车、电子、化工等行业中。

由此可见，离子风机的静电消除能力直接关系到企业生产和产品质量，需要定期进行校准。通常采用离子平板监视仪作为标准器，对离子风机的静电消除时间和离子平衡度进行校准。

1 离子平板监视仪的构成

离子平板监视仪又称静电消除器检测仪、充电平板测试仪，是ANSI/ESD STM3.1-2015[3]中规定的校准标准器。它主要由主机和测试极板两部分组成[4]，如图1所示。主机由高压发生器、电压测量单元、计时器和控制单元组成，测试极板包括充电平板和接地平板，两者由绝缘子隔开。

图1 离子平板监视仪结构

工作时高压发生器负责对导电平板充电，而电压测量单元会实时监测充电平板上的电压。当充电平板电压低于阈值时，控制单元启动计时器，开始测量离子风机的静电消除时间。随后将充电平板电压归零，再启动计时器，在一定时间内监测充电平板电压的变化量，以此测量离子风机的离子平衡度。

所以，离子平板监视仪的输出电压、充电平板电压和衰减时间这三个参数是离子平板监视仪校准的主要内容。由于目前还没有离子平板监视仪的国家校准规范，本文参考ANSI/ESD STM3.1-2015，认为校准中也需要考虑板间电容值和仪器自放电的特性。

2 离子平板监视仪的校准

2.1 输出电压

一般情况下，启动电压（一般为1 000 V）由电压测量单元测量，而平板上的初始充电电压只需要保证高于测试的启动电压即可，所以校准过程中并不关心初始电压值的具体大小。然而，资料[3]表明，太高的初始电压会造成被测静电消除时间的增加。为了得到准确的静电消除时间校准结果，必须保证初始充电电压具有良好的准确性和重复性，即每次充电电压基本相同。

大多数进口的离子平板监视仪都带有比例输出端子，通常为200:1，即充电平板上的电压与该端子输出的电压成比例关系。校准时可以直接将数字多用表接入该端子进行示值读取，比较仪器显示值与数字多用表测量值的大小，得出示值误差，并多次记录平板充电时输出的电压值以计算标准差。

对于没有比例输出端子的设备，只能直接测量充电平板上的电压，一般可以使用非接触式静电电压表进行校准，直接多次读取平板电压的测量值。校准时需要保证周围没有易带静电的物体，也没有空气流动，以免影响校准结果。

2.2 充电平板电压

充电平板电压的测量能力关系到计时器启动电压的准确性以及离子平衡度校准的准确性。静电电压的测量是离子平板监视仪工作的基础[5]，是非常重要的一个参数。

大多数情况下，校准人员无法判断充电平板和内部高压源的连接情况，贸然接入外部高压源可能会导致仪器的损坏。所以，可以在平板充电状态下，使用数字高压表比较其测量值和仪器的显示值。这里要注意的是所选用的高压表一般为高内阻高压表[6]，否则会带走充电平板上的部分电荷，导致无法准确测量目标电压值。

另一种方法是采用静电高压发生器，将充电平板与静电高压发生器的平板平行放置，两者法线中心对齐，并保持合理的距离，比较高压发生器的示值和仪器的显示值。

2.3 衰减时间

离子风机的静电消除时间由标准器的计时器直接测量，因而时间测量的准确性直接关系到校准结果，通常采用示波器进行校准。校准时可以将示波器直接与比例输出端子连接，或者利用高响应速率的非接触式静电电压表与示波器连接，然后对充电平板进行放电，利用示波器的曲线描绘放电时间，从而完成对仪器时间测量能力的校准。

2.4 板间电容

根据ANSI/ESD STM3.1-2015中的要求，离子平板监视仪充电平板的尺寸应为15 cm×15 cm，且充电平板和接地平板之间的电容应为20 pF±2 pF。板间电容的大小间接表明了充电平板的放电能力。按照ANSI/ESD STM3.1-2015中附录A的要求，测量板间电容需要使用一台电压源和一台库仑表。电压源在输出100 V时的最大允差应小于1%，库仑表的准确度应小于5%，且分辨力至少为0.02 nC。

测量过程中，首先用电压源将充电平板充电至U（一般取100 V），然后用库仑表探头接触平板，测量其携带的电荷量Q，根据公式C=Q/U计算板间电容的大小，测量共进行10次，以平均值作为测量结果。误差的主要来源是电压源输出电压的准确度、库仑表测量电荷的准确度以及库仑表的分辨力。此外，应保证没有多余物体靠近充电板，并且充电平板与接地平板之间的绝缘性良好。否则测得的电容值会偏小，同时会严重影响离子风机校准的准确性。

2.5 自放电特性

离子平板监视仪的自放电特性指充电平板在充电后，没有外界作用的情况下，一段时间内板间电压值的变化量。在两电极板间绝缘子被污染，或者外界湿度过高等情况下，充电平板非常容易自发地向外界释放电荷。如果发生在离子风机的校准过程中，就相当于自身与离子风机一起对平板进行放电，减小了静电消除时间的测量值，所以有必要对该参数进行校准。

在规定的校准环境下，即没有外界干扰、空气扰动、多余物体靠近的情况下，对离子平板监视仪的平板进行充电，然后开始记录5 min内仪器的电压示值，其变化值不应大于初始电压的10%。

3 离子平板监视仪校准实例

3.1 校准环境

以某单位送检的离子平板监视仪为例，环境温度显示21 ℃，环境湿度为45% RH，符合小于50%RH的要求。校准区域无无用物体，且禁止空气扰动。该仪器具有比例输出端子，比例为200:1，方便进行校准。

3.2 输出电压

通过数字多用表连接比例输出端子测量被测设备的充电起始电压，正向和负向各测量10次，标准器示值和设备显示值之差就是示值误差，并以测量标准差作为该设备输出电压的重复性。以被测设备输出正向电压为例，被测设备示值1 052 V，标准器对应示值1 054.33 V，标准差为1.54 V。其不确定度的评定如表1所示。

表1 输出电压不确定度评定

3.3 充电平板电压

使用静电电压发生器搭配数字多用表作为标准器，将标准器的示值与被测设备显示值之差作为测量误差。以标准值1 000 V为例，此时被测设备示值为999 V，其不确定度的评定如表2所示。

表2 充电平板电压不确定度评定

3.4 衰减时间

由于设备具有比例输出端子，故使用数字示波器直接连接被测设备进行校准。通过示波器抓取充电平板的放电波形，根据该波形得到的时间值和设备显示值之差即为测量误差。以被测设备示值6.4 s为例，此时标准器示值为6.4 s，其不确定度的评定如表3所示。

表3 衰减时间不确定度评定

3.5 板间电容和自放电特性

根据本文3.4中的方法，测得板间电容数据如表4所示。

表4 板间电容测量结果

设定被测设备功能为测量静电消除时间，使平板充电至起始电压。测得5 min内电压变化为3%，满足要求。

4 结语

随着越来越多的行业认识到静电防护和控制的重要性，离子风机的校准必不可少。而离子平板监视仪作为离子风机校准的标准器，其本身的校准也必须得到充分的关注。目前，国家尚无相应的校准规范，所以本文根据ANSI/ESD STM3.1-2015中的相关要求和建议，对离子平板监视仪输出电压、充电平板电压、衰减时间、板间电容和自放电特性的校准必要性和校准方法进行了分析和介绍，并给出了校准实例。对于不同型号的离子平板监视仪，校准项目可能略有不同，可作为该类仪器校准溯源的参考。