非接触式静电电位传感器空间分辨率校准

2022-07-07冯亚辉满梦华魏明

电子技术与软件工程 2022年6期

冯亚辉满梦华魏明

（陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应重点实验室河北省石家庄市 050003）

1 引言

静电电位的测试方法分为接触式测量与非接触式测量。非接触式测量是基于静电感应原理，通过测量带电体与感应电极之间的畸变静电场，间接得到带电体的静电电位。这种测试方法适用于导体与绝缘体的电位测试，且对被测体影响小。非接触式测量是静电电位测量系统的发展趋势，常用仪表包括各种X场强仪、振容式静电电压表、旋叶式静电电压表、集电式静电电压表等，可用于静电导体和静电非导体表面电位测量。非接触式静电电位测量在故障检测领域中复合材料的无损检测、生物医学工程领域中的心电、肌电、呼吸及生理信号检测、高压电网的维修检测等领域均有应用。

根据传感器结构的不同, 非接触式静电测量系统可分为直接感应式和调制式：直接感应式方法是直接测量的是感应电极所处的静电场强，通过感应电极与带电体之间的等效耦合电容与传感器输入电容分压，测试带电体表面的静电电位；调制式非接触静电电位测试仪表采用机械调制（包括振容式、旋叶式和MEMS微机械式），周期性的改变感应电极与被测带电体之间的静电场，实现直流感应信号的交流调制，将测量的直流电信号转化为交流,经过相敏检波和积分放大，将测量信号转为直流输出信号，既减小了信号漂移也改善了低频特性。此类放大电路简单且输出比较稳定，但感应电极的机械结构设计复杂，受制于机械调制频率，因而测试频率上限低。振动电容式传感器的振荡频率相比旋叶式有所提高，但通常也在1kHz以下，且振动幅度比较小，因此调制深度低、探测灵敏度受到很大限制，主要应用于大气电场监测等对测试结果灵敏度和空间分辨率要求不高的场景。

空间分辨率，也称几何分辨率，是指从图像中能够分辨特定的最小几何细节的能力，它定量的表示为能分辨的两个细节特征的最小间距。在医学临床上体现为对小病灶或结构的成像能力，在工业应用则体现为对细节特征（气孔、裂纹）的辨别能力。空间分辨率是工业系统性能的重要表征参数，同时也是检测质量保证、设备选型与评价的关键因素。影响工业系统空间分辨率的因素通常有：探测器尺寸、扫描几何条件、重建矩阵等，而数据采集系统和重建算法对空间分辨率也有一定的影响。

静电检测装置在静电电位测量时，由于受到感应电极屏蔽深度，测试距离和带电体诸多因素的影响，导致非接触式静电电位测试准确度普遍不高。静电电位空间分辨率不只是距离和空间的概念，还决定是否能准确分辨局部信息和测量精度。一般来说，只有当感应电极上产生的静电电位改变的范围大于所设定的空间分辨率时，该变化量才能被准确地检测出来。空间分辨率越小，对局部异常敏感的程度越高，实测精度越有保障。因此，对非接触式静电电位传感器空间分辨率进行校准，能够在静电电位测量的准确度方面有所保障。

空间分辨率主要由校准电压源发出的交流电脉冲与频率所决定，容易受测试环境、采样速率特性等影响。虽然空间分辨率会对测量精度产生影响，但仍很容易被部分仪器所用者所忽略。目前为止，非接触式静电电位传感器空间分辨率校准的定义和评价方法，尚无规范可循，那么，如何客观、准确的对非接触式静电电位空间分辨率传感器进行校准，是本文章拟解决的关键问题。

2 非接触式静电电位传感器空间分辨率校准实验

非接触式静电电位传感器空间分辨率校准装置主要由静电电位传感器、高压通用校准电源、分压器和示波器四部分组成，高压通用校准电源的输出信号同时加到静电电位传感器和脉冲分压器的输入端，示波器同时采集分压器和静电电位传感器的低压输出信号，通过参数的测量与比较，对空间分辨率进行校准。非接触式静电电位仪表校准时采用的是一定直径的带电金属平面圆盘，实测中，相同电位的非平面带电体，由于探头对应局部的形状不同，测试仪表的显示值也不同，因而该类仪表的测试准确度难以保证。静电电位传感器在三维方向上对标定电极进行测试，静电电位传感器放置于机械臂的末端法兰盘上，机械臂的主轴可以保证末端执行器达到工作空间的任意位置。两种标定电极分别设计为不同空间精度，不同电极的形状以便对传感器的空间分辨率进行校准。非接触式静电电位传感器空间分辨率校准装置设备间的连接如图1所示。

图1：非接触式静电电位传感器校准装置图

2.1 FLUKE9100通用校准电源的连接

FLUKE9100通用校准电源在使用时，工作台配备的黑线为公共端，红线为电压输出线。电压输出线与BQ25-2脉冲分压器顶端的输入槽相连接，同时与标定电极连接。公共端与地线连接。

2.2 BQ25-2脉冲分压器的连接

脉冲分压器顶端的输入槽与9100电压输出线连接，底端的输出槽与示波器一通道连接，底端与地线连接。

2.3 数字示波器TBS2000的连接

示波器一通道与脉冲分压器底端的输出槽相连接，示波器二通道与静电电位传感器输出端接口相连接。

2.4 非接触式静电电位传感器校准时的连接

非接触式静电电位传感器在进行测试时，机械臂控制在三维方向上移动，均匀扫描标定电极。

标定电极与9100通用校准电源的电压输出线相连接，非接触式高压标准装置底端接地。被校非接触式静电电位传感器测试电极垂直标定电极的中心，传感器输出端接口与示波器二通道连接，被校正传感器与脉冲分压器等接地应可靠。通过“距离调节装置”调节被校传感器与标定电极的距离，调节9100通用校准电源的输出电压，即可进行校准测试。

具体实施操作方法以下步骤所示：

FLUKE9100通用校准电源操作步骤，如果应用其交流电压功能，则按下前面板右侧主要功能键中的“V”键，即进入直流电压功能，屏幕显示直流电压功能菜单。在直流电压功能菜单按下“～V”软键，即可进入交流电压功能菜单。屏幕软键在WAVE FORM按下此键后，屏幕右侧显示五种波形选择软键。它们分别为（由上至下）：正弦波组，方波，脉冲波，三角波和梯形波。所有非正弦信号的频率上限为1KHz。本校准选择方波，设置交流电压为60V，频率为500Hz，当设置频率值时，右侧屏幕显示出频率单位供选择。最后按On键输出交流电。

BQ25-2脉冲分压器操作步骤，脉冲分压器顶端的输入槽与9100高压校准源输出线连接，底端的输出槽与示波器一通道连接，底端与地线连接。

非接触式静电电位传感器校准时的操作步骤，输出端与数字示波器二通道连接，用来测量校正后的波形；接地线与脉冲分压器等接地；被校正静电电位传感器电极垂直于圆盘标定电极中心放置，二者之间的距离分别设置为5cm 、15cm 和25cm，在交流电压为60V，频率设置为500Hz的条件下测量波形。

数字示波器TBS2000操作步骤，打开示波器电源；将示波器的一、二通道分别与脉冲分压器底端的输出槽与静电电位传感器输出端相连接；按下运行键；记录单次的数据，按采集。按模式侧面菜单按钮。旋转通用旋钮选择模式（采样、峰值检测、高分辨率、平均），然后单击通用旋钮以启用高分辨率模式。

如需调节位置和标度，分别旋转相应的按钮调节，比较两组数据。水平位置旋钮可将触发点位置相对于采集波形记录向左或向右调整。按位置旋钮，将触发点恢复至屏幕中心（中心垂直刻度线）。垂直控件可为每个通道设置垂直设置（位置和标度），并打开或关闭单个波形。垂直位置旋钮可为每个通道波形调整垂直位置。按位置旋钮可移动波形，以让接地参考电平位于屏幕中心刻度线上。

实验按照上述操作流程进行实验，设定校准信号为交流60V，校准频率为500Hz，校准距离为15cm，首先以第一种标定电极为校准电极，可以通过信号一通道得到校准电压源输出的信号，信号二通道得到传感器测得的通过校准电极的信号。如图2所示。然后以相同的测试条件与输出信号，以第二种标定电极为校准电极，测得的信号如图3所示。

图2：信号一二通道所测信号

图3：信号一二通道所测信号

根据以上所测图像得到校准件边缘CT数据轮廓变化，获得边缘响应函数，对边缘响应函数求导得到点扩散函数，通过对点扩散函数进行傅里叶变换得到调制传递函数，最终由传递调制函数获得系统的空间分辨率。

3 仿真与分析

设计的标定电极分为两种，第一种标定电极是利用印刷电路板工艺实现了类似叉指电容结构的标定电极，通过 SMA 接头连接外部信号源，接受直流或交流激励信号。能够灵活控制直流激励信号的电压幅值、交流信号的电压和频率等参数，从而实现待测静电信号可调。标定电极厚度为0.5微米，在标定电极中，激励信号与地电位分别连接相同宽度的直导线，信号线与地线平行间隔排列，间距与导线同宽，线宽和间距相同，分别是10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180微米，此间距参数定义为静电电位分布的空间精度。该标定电极中设计了不同空间精度的静电电位区域，以0.1毫米的步长递减排列了从1毫米到0.2毫米的9种空间精度区域，从实现了静电分布空间精度的递进遍历。然后将该标定电极安装到校准装置上，能够根据实验需要将标定电极调整成任意空间姿态，实现静电电位三维空间分布的灵活控制。

第二种标定电极是利用印刷电路板工艺实现了以孔洞矩阵为基础样式的标定电极，电极通过SMA 接头连接外部信号源，接受直流信号或交流激励信号。标定电极板厚为1.6毫米，以1毫米空间精度的孔洞矩阵为例，该标定电极板顶层以X、Y轴为18*10个孔洞，相邻孔洞的圆心距为2毫米，内孔贯穿三层结构，外孔仅穿透第一层。孔洞区域设置为空间精度为1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4毫米，以0.1毫米的步长递减排列了从1毫米到0.4毫米的7种空间精度区域，从而实现了静电分布空间精度的递进遍历。然后将该标定电极安装到校准装置上，能够根据实验需要将标定电极调整成任意空间姿态，实现静电电位三维空间分布的灵活控制，从而不仅仅限制在XY方向上。

利用COMSOL有限元分析软件对标定电极进行了三维建模和静电仿真，此标定电极在交流电压激励下，不同空间精度的静电电位区域的电势不同，空间精度越大的区域电势越高。因此传感器在对标定电极校准时会出现明显的差异，能够满足传感器空间分辨率校准的要求。

利用有限元分析软件对标定电极的1mm精度区域进行了三维建模和静电仿真，此标定电极在交流电压激励下，静电电位的电势，电场强度与空间等电位面分布结果如图4所示。

图4：标定电极电势分布图

表面静电电位分布的梯度随着法向距离的增加而快速衰减，并且随着空间精度的提升而降低，法向距离达到2倍的空间精度时基本衰减为零。这就要求测试系统的感应电极到待测件表面的法向距离在空间精度的2倍以内，距离越小则电位分布梯度越大，感应信号越强。另一方面，感应电极的直径也是限制测试空间精度的一个瓶颈，电极越粗则感应空间的面积越大，电位梯度由于空域滤波效应而越低，测试结果的空间分辨率就显著降低。