静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压测量不确定度评定

陈钧，安雪，陈庆瑜，赖金泉，曾博，刘国荣

（威凯检测技术有限公司，广州 510663）

引言

在CNAS-CL01-2018 中条款7.6 要求评定测量不确定度，在CNAS-CL01-G003:2021《测量不确定度的要求》条款6.2 写道：“如果检测结果不是用数值表示或者不是建立在数值基础上（如合格/不合格，阴性/阳性，或基于视觉和触觉等的定性检测），则实验室宜采用其他方法评估测量不确定度，例如假阳性或假阴性的概率”。该条款明确要求对定性测量项目也需要进行测量不确定度评定。

电磁兼容（EMC）的抗扰度测试（EMS）项目均为定性测量项目。据作者了解，对EMS 的不确定度评定，目前仅见对EMS 设备的校准及其校准不确定度评定，尚无对此类项目的测量不确定度评定。

静电放电是由于不同电位的物体间的电荷转移引起的。静电荷通常是由两种材料的接触及分离产生的：例如，一个人在地板上行走时会在鞋底接触然后与地板表面分离时产生静电。同样，放入或取出袋子、弹匣或管子的电子设备会在设备外壳和金属引线与容器表面多次接触和分离时产生静电荷。虽然在这两个示例中静电荷的大小可能不同，但在这两种情况下都会产生静电。

静电放电（Electro-Static Discharge， 简写为ESD）测试是电磁兼容抗扰度试验中一个典型的测试项目，静电放电测量系统主要有静电放电试验发生器、静电枪测试设备等组成，静电放电发生器的主要部分包括充电电阻、储能电容器、分布电容、放电电阻、电压指示器、放电电极头等，静电放电发生器的主要特性参数有：输出电压、输出电压容差、输出电压极差、保持时间和操作放电方式。操作放电方式分为接触放电测试和空气放电测试，在一般测试中往往优先选择接触放电的试验方法，除非接触放电不适合，我们才会选择空气放电的试验方法。本文对静电放电（ESD）抗扰度项目的测量不确定度评定进行探索，主要针对静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压的准确性进行不确定度评定，以期为EMS 其它定性测量项目的测量不确定度评定提供思路和参考。

1 静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压不确定度评定

1.1 测量模型

式中：

V—被测静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压；

Vr—高压计读取的静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压测量值。

1.2 输入量影响因素分析

对静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压测量系统进行分析，影响静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压测量值Vr的主要影响因素有：

1）高压计多次测量引入的标准不确定度u1；

2）静电发生器允许误差引入的标准不确定度u2；

3）高压计允许误差引入的标准不确定度u3；

4）静电枪接触放电头与高压计放电探头放电接触点不稳定引入的标准不确定度u4；

5）静电放电环境条件引入的不确定度u5。

1.3 各输入量的标准不确定度的评定

输入量Vr标准不确定度u（Vr）的评定：

1）高压计多次测量引入的标准测量不确定度u1的评定

高压计多次测量，即由重复性或复现性测量引入的标准测量不确定度采用A 类评定方法进行评定；

本文以4 kV 输出电压举例说明，在重复性测试条件下对被测设备进行10 次测量，得到10 个测量值如表1。

表1 高压计重复性测试数据（单位：kV）

计算10 次测量的平均值=4.06 kV，本文以10 次测量的平均值为最终报出的测试结果，所以由高压计多次测量引入的标准测量不确定度 u（Vr）：

这里表示n 次测量的算术平均值，这里n=10。

2）静电发生器允许误差引入的标准不确定度u2的评定

查静电抢设备使用说明书知，静电发生器输出电压的允许误差（以4 kV 输出电压为例）为±0.20 kV，服从均匀分布，所以由静电发生器允许误差引入的标准不确定度u2：

3）高压计允许误差引入的标准不确定度u3的评定

查高压计设备使用说明书知，高压计允许误差（以4 kV 输出电压为例）为±0.06 kV，服从均匀分布，所以由高压计允许误差引入的标准不确定度u3：

4）静电枪接触放电头与高压计放电探头放电接触点不稳定引入的标准不确定度u4的评定

在读取静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压时，需要静电抢枪头顶端与高压计放电探头顶端直接接触并保持不动，如图1 所示。

图1 静电抢枪头顶端与高压计放电探头顶端接触示意图

在每一次的静电抢枪头顶端与高压计放电探头顶端直接接触时，由于接触位置、角度等存在差异性，对测试结果造成影响，但具体的影响量大小目前尚无具体数据可参考。然而，本文作者认为该影响量可能已包含在重复性测量影响因素（即u1）中，此时，静电枪接触放电头与高压计放电探头放电接触点不稳定引入的标准不确定度u4=0。

5）静电放电环境条件引入的不确定度的u5评定

GB/T 17626.2-2018 中对静电放电的环境条件要求是；环境温度范围为（15 ～35）℃，环境相对湿度为（30 ～60）%，大气压力：（86 ～106）kPa。

在静电放电的测试中，本文严格控制环境条件符合标准要求并尽可能保持在尽量小的波动范围内，本文认为环境条件对测试结果影响很小，可以不纳入考虑，因此静电放电试验环境温湿度和大气压条件引入的标准不确定度u5=0。

1.4 合成标准不确定度的评定

数学模型：

灵敏系数：ci=1，i=1

标准不确定度一览表2。

表2 静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压测量不确定度一览表 (单位：kV)

合成标准不确定度的计算：

1.5 扩展不确定度的评定

根据扩展不确定度的计算公式：

通常取包含概率p=95 %，对应k=2。

计算得：

所以，扩展不确定度U=0.24（kV）k=2。

2 结语

测量不确定度是衡量测试水平的一个重要参数，本文对电磁兼容抗扰度测试项目之一的静电放电（ESD）进行了测量不确定度评定的探索，主要对静电放电抗扰度试验静电发生器输出电压测量不确定度进行了评定，但是衡量静电放电(ESD) 测量准确性的参数还有接触放电电流波形等参数，有待于进一步的探索。另外，本文仅对测试系统的测量设备带来的测量不确定度进行了评估，并未考虑由被测样品等引入的测量不确定度，这部分内容也同样有待于进一步的探索。