《静电传感器通用规范》标准解读

马莎 聂丽梅 秦雪

摘 要：从标准需求、结构、采标情况和编制想法等方面介绍了国军标《静电传感器通用规范》。并对标准的主要技术内容进行深度剖析，最后提出了实施标准的建议和措施。

关键词：通用规范；静电；传感器

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）23-0054-02

Abstract： In this paper， the general specification for electrostatic sensors of National military Standard is introduced from the aspects of standard requirement， structure， status of standard collection and ideas of compilation. And the main technical content of the standard in-depth analysis， and finally put forward the implementation of the standard recommendations and measures.

Keywords： generic specification； electrostatic； sensor

引言

靜电给人类社会已经造成了重大损失和危害。据统计，美国从1960年到1975年，由于静电放电引起的火灾爆炸事故就有116起。我国在20世纪中后期，石化企业曾发生30多起较大的静电事故。静电放电过程可形成高电压、强电场、瞬时大电流，其电流波形的上升时间可小于1ns，并伴随有强电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲（ESDEMP）。静电放电电磁脉冲不仅可以对电子设备造成严重干扰和损伤，而且还可能形成潜在性危害，使电子设备的工作可靠性降低，引发重大工程事故。静电一旦形成火花放电，瞬间释放能量，形成高压、瞬态大电流并伴随强电磁辐射，能够对弹药、武器装备、电子元器件等静电敏感物质造成严重危害。因此，要防止静电造成危害，必须把相关的静电参数控制在安全范围之内，所以对静电相关参数进行测量是非常必要的。

1 标准的体系

本规范在参数选择、性能指标充分参照了中国劳保所、日本小金井公司的系列产品的指标体系，为了更好的反映和提升传感器的水平，在涵盖上述产品指标的情况下进行了补充，增加了对温度稳定性和动态特性的考核。

2 标准重要内容的说明

2.1 对传感器名称的说明

GB/T 7665-2005中没有静电传感器的术语，经过查阅国内外相关传感器的标准和样本，主要产品名称有2种：静电电位传感器和静电传感器，大多数采用的名称为静电传感器（electrostatic sensors），所以本规范的产品名称采用了静电传感器。

2.2 对适用范围的说明

2.2.1 军用静电传感器的适用范围

（1）通过对静电的实时监测，为静电防护工程设计和改善产品自身抗静电性能设计提供数据和依据。（2）在军工单位生产现场，判断人体、设备、工装器具等是否可能成为静电放电危害源；检测静电防护器材（器具、工具、设备、材料）的性能和质量；评价静电防护措施的效果。（3）判断军用设备失效是否因静电放电引起，为采取有针对性的措施提供依据。（4）评价静电敏感电子产品的设计和制造质量。

2.2.2 静电测试的方式

（1）接触式测试法

接触式测试法是指测试仪器仪表与静电源直接连接进行测试的方法。在理论上，接触法测量时，准确度应优于非接触法，但是实际上，接触法受外界影响的因素过多，而且多数难以控制，导致最终测试结果与实际结果差距很大，多数用于对准确度要求不是很高的场合。对接触法测量，不能或者难以控制的影响因素主要有：a.被测表面的清洁度；b.实际接触面的面积和表面粗糙度；c.接触时间；d.分离的速度；e.外部电场。其中，外部电场的影响是最不确定的因素，接触式测试大多为手工操作，每个操作者都可能成为带电者并形成外部电场，接触式测试的结果很难再现。接触法测量只能适用于测量金属体的静电电压；而且接触式测试法中，读数会随时间按指数衰减，所以接触式测试法不能实现多点的实时监测，对于大型设备的内部静电测试无能为力。在军用领域基本没有应用的价值。

（2）非接触式测试法

非接触式测试法是指测试仪器仪表部直接与静电源连接进行测试的方法。对于军用领域，多数采用非接触测试法的静电传感器。通过非接触法测试的静电传感器可以实现内部监控：利用小型的传感器探头和智能放大器可实现大型测量设备不方便测量内部工件的静电，并且做到实时监控。

采用非接触式测试法的静电传感器共有四种类型：a.直接感应放大式静电传感器。此类传感器的特点是测试值会随着测试时间的推移指数衰减，而且衰减的速度很难控制；并且该类传感器的零点漂移非常严重，准确度不高，因此该类传感器在军用领域基本没有应用的价值。b.集电式静电传感器。集电式静电传感器在实际使用中存在几个问题：此类传感器敏感探头对气流比较敏感，实际应用中会受到空气流动的影响；该类传感器探头内含有放射性同位素，虽然屏蔽筒内通常已经加入铅防护层，但是传感器探头正面没有防护措施，使用时会对环境和人体产生一定的影响；该类传感器的敏感部分（放射源）采用的放射性同位素的半衰期较短，导致此类传感器的使用寿命受到很大的影响，并且在半衰期内的传感器也会随着时间的推移灵敏度逐渐降低。综上，该类传感器环境耐受力差，不能长期使用，而且性能会随时间的推移降低，而且可能对环境和人体产生影响，所以该类传感器也不适于军用领域。

（3）振动电容式静电传感器

振动电容式静电传感器的探头电极通过振动使探头电极与被测带电体间的电容呈周期变化，产生一个呈周期变化的电位信号，然后通过静电变换器采集、转换成可用的电信号，从而完成对带电体静电电位的测试。

振动电容式静电传感器优点是灵敏度高、时间稳定性好、使用寿命长等特点，适合长期使用；唯一的缺点工作状态容易受低温高湿的环境影响，结冰和结露都会影响极片的振动。目前，国内外大都采用振动电容式原理测量静电。

（4）旋叶式静电传感器

旋叶式静电传感器运行靠高速电机驱动，功耗较大、体积大、准确度受旋转叶片转速及机械磨损程度影响较大，不适合长期使用；但是旋叶式传感器可以在低温高湿的环境下使用，可以弥补振动电容式静电传感器的不足。因此，军用静电传感器一般包括振动电容式和旋叶式两种，而本规范也仅适用于采用非接触法测试的振动电容式静电传感器和旋叶式静电传感器。

2.3 感应距离的说明

经过大量的试验和理论分析，测量距离的变化对静电传感器的输出有很大的影响，为了保证试验数据的客观与准確，本规范规定了在传感器校准过程中，传感器与极板之间的距离应在感应距离范围内且保持不变。

在感应距离的测试方法中，电压和感应距离变化均会导致传感器的输出发生变化，所以本规范规定在测量范围内对极板施加一个任意不变的电压，在感应距离的范围内均匀的选取包括上限、下限和中间位置的5个点测试传感器输出均满足要求。

2.4 热灵敏度漂移

由于热灵敏度漂移试验中，需要对静电传感器加上限或者下限的载荷，而试验需要在温度试验箱内进行，极板与温度试验箱会产生相互的影响。（1）由于温度试验箱的空间一般相对狭小，温度试验箱的壁板会改变静电场的形状，从而导致静电场不均匀，严重影响测试结果。（2）如果静电发生器向极板施加的电压足够大，在温度试验箱狭小空间内，极板会产生放电的现象，从而严重影响测试结果。（3）极板产生的电场可能会对温度试验箱的电性能产生影响。考虑到测试方法的局限性和成本问题，传感器行业中一般不会采用特殊温度试验箱进行试验。

2.5 响应时间

静电发生器很难直接产生稳定的阶跃信号，所以响应时间的测试参照了热流传感器的测试方法，利用接地的金属板阻隔静电场，然后通过快速移走金属板的方法为传感器提供阶跃信号。阻挡用的金属板的尺寸应大于极板的尺寸，所以本规范中规定金属板的尺寸由相关详细规范规定。在实际操作过程中，金属板的位置不能过于靠近极板，避免发生放电现象。本规范规定金属板应放置在极板与传感器探头的中间位置。

2.6 静态校准

受国内测试设备限制，国内现有的静电发生器最多可以产生±30kV的电压。所以本规范规定量程超过±30kV的静电传感器校准在±30kV的范围内选取测试点。

3 实施本标准的措施及建议

3.1 实施本标准时应根据需求选取试验项目

适用本标准的静电传感器多数使用在军用生产场地、贮存库房、导弹和飞行器等环境下，在实施过程中除传感器必须做的环境试验项目外还应根据静电传感器的实际使用环境慎重选择标准中的“规定时”的项目，不能一味的强调产品的水平而力求全面覆盖。

3.2 试验条件应合理剪裁

本标准规定的技术平台基本代表了静电传感器国内的主流水平，但是制定标准的过程中考虑到行业前景和制订标准的前瞻性，本标准在很多试验条件上进行了适当外延。在标准实施的过程中研制单位应根据产品的实际水平和用户的实际需求对试验条件进行剪裁，以免对科研生产活动造成阻碍。

4 结束语

我单位在静电传感器的开发、研制和生产方面开展了大量的工作，开发研制了静电传感器新品型号课题和多项静电传感器军品配套生产任务，本规范中的大部分测试方法和条件已经过充分的验证，证明了本标准中的测试方法是可行、有效的。本标准中所采用的环境试验方法和条件都是根据各大型号配套工程所提出的试验条件进行规定的，在我所的生产和研制中也进行了几年的验证，方法合理。通过本标准的实施将会提高我国静电传感器的生产水平，更好地为我国建设和重点工程提供可靠的保障，在社会和经济效益方面也会有很大的提高。

参考文献：

[1]于娜，柴寿臣，任国晶，等.振动电容式静电传感器设计[J].传感器与微系统，2010（05）.