集成數字靜電電位計的製作方法

2023-06-20 18:17:06 1

專利名稱：集成數字靜電電位計的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種靜電電位的測量儀器。
在各類靜電測量儀器中，利用振動電極進行電位測量的振簧式靜電計是比較先進的一種，在國內最早由本實用新型申請人開發成功，其成果已編入周錫忠編的《靜電實驗》一書中(如JC－1V型振簧式靜電計)。但是該儀器也存在著一些問題在探測頭部分，場效應管易被高壓火花放電擊穿，振簧片與驅動裝置的屏蔽效果較差，易相互幹擾，以磷銅片作振簧片成本較高，而且硬度較差，容易變形；在電氣部分，用變壓器二極體等進行相敏檢波造成信號衰減較大，放大器與振蕩源的溫漂、時漂比較嚴重，調零需用專用電源，擴程只能到1萬伏。同時，所有器件均用分立元件，結構不緊湊，示值用機械式指針顯示，慣性大，頻率響應較差，且不能與微機相通進行實時測量或控制。
本實用新型的目的是要提供一種改進的非接觸、振簧式靜電電位測量儀，其中作為探測頭的靜電傳感器具有較高的抗幹擾能力，主機由各塊集成電路構成，以數字顯示測量結果，從而提高儀器的測量精度及穩定性。
本實用新型是這樣實現的靜電傳感器與主機用多芯屏蔽線連接，在靜電傳感器部分，振簧片、驅動裝置和跟隨器相互電磁屏蔽，置於金屬腔體內，振簧片與跟隨器之間加一個串聯電阻，對瞬時脈衝放電起衰減作用，防止場效應管被高壓火花放電擊穿，並以黃銅片代替磷銅片作振簧片，降低製造成本。主機由擴程網絡、集成放大器、集成相敏檢波器、集成振蕩器、調零器、負電源變換器、A／D轉換器和數字顯示器等八個部分組成，由靜電傳感器接收的測試信號經擴程網絡進入集成放大器以後，與集成振蕩器輸出的作為參考信號的正弦波同時送往相敏檢波器，檢波後信號傳到A／D轉換器，A／D轉換器採用單片CMOS雙積分式大規模集成電路，與數字顯示器一同構成一個數字式直流電壓表，用以顯示測量結果。此外，集成相敏檢波器具有相敏檢波和信號放大雙重功能，由CMOS模擬開關、集成反相器和集成運放器組成，參考信號經過兩個集成反相器產生兩個相位相反的對稱方波，能夠控制兩組CMOS模擬開關的通斷，使被測信號的正負半周分別進入集成運放器的正負輸入端，集成運放器的輸出端得到被放大的同相脈動電壓信號，再經過一個RC低通濾波器變為直流電壓信號；集成振蕩器採用一片集成運放電路構成文氏橋式振蕩源，在其負反饋的一個支路中串接兩個背靠背的齊納二極體，用以穩定振幅，在負反饋的另一支路及正反饋的選頻網絡中分別設置一個微型多圈電位器，用于振頻和振幅的精細微調，電路中的電容和電阻分別採用滌綸電容和金屬膜電阻，以提高頻率和振幅的穩定性。
與現有的靜電電位測量儀相比，本實用新型以數字顯示測量結果，直觀方便；靜電傳感器靈敏度高、整機集成化設計，便於在各種測試現場的攜帶與操作；調零電路不設專用電源，省掉了一組工作負電源；儀器的測量精度較高，且具有較好的穩定性，連續開機3小時，測量誤差小於±4％；與微機連接，可進行實時測量或控制。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的描述。


圖1是本實用新型的工作框圖。圖中1為靜電傳感器，2為擴程網絡，3為集成放大器，4為集成相敏檢波器，5為集成振蕩器，6為調零器，7為負電源變換器，8為A／D轉換器，9為數字顯示器，10為正電源。
圖2是靜電傳感器1的剖面圖。圖中11為振簧片，12為絕緣塊，13為金屬腔體，14為固定螺絲，15為柱形鐵，16為磁杯，17為導電彈簧，18為金屬導線，19為傳動杆，20為圓鐵片，21為線圈，22為串聯電阻23為跟隨器，24為傳感器輸出端。
圖3是集成相敏檢波器4的電路圖。圖中26為模擬開關，27為CMOS模擬開關集成塊，28為相敏檢波信號輸入端，29為相敏參考信號輸入端，30為通用運放器，31為集成運放器，32為通微機A／D卡的輸出端，33為低通濾波器，34為集成反相器。
圖4是集成振蕩器5的電路圖。圖中37為齊納二極體，38為集成運放器，39為集成振蕩器輸出端，40、41為微型多圈電位器。
圖5是負電源變換器7的電路圖。圖中42為正電源輸入端，43為負電源輸出端，44為單片電壓轉換器。
圖6是A／D轉換器8和數字顯示器9的電路圖。圖中45為液晶顯示器背電極，46為通LCD顯示器的輸出端，47為單片A／D集成塊，48為限幅二極體，49為被測電壓輸入端，50、51為A／D晶片中振蕩器引腳。
圖7是本實用新型的面板圖。圖中52為數字顯示器，53為電源開關，54為頻率微調鈕，55校正鈕，56為量程鈕，57為調零鈕，58為校正電源開關，59為校正電源接線柱，60為信號輸入插座。
如圖2所示，靜電傳感器1上除了面對被測帶電體的振簧片11是敞開的之外，其餘部分均密閉於金屬腔體13內，腔體13由三個依次為振簧片室、驅動器室和跟隨器室的相互電磁屏蔽的隔離室構成。中間驅動器室中的電磁驅動裝置由柱形鐵15、線圈21、磁杯16、圓鐵片20和傳動杆19組成，圓鐵片20焊在傳動杆19上，傳動杆19的一端用螺絲14固定在腔體13上，使圓鐵片20不與柱形鐵15和磁杯16接觸，當處於正弦交變磁場中時能夠上下自由振動，並通過傳動杆19和用有機玻璃或聚四氟乙烯製成的絕緣塊12帶動振簧片11振動，這時振簧片11與被測帶電體表面之間的電容量隨之產生周期性變化，振簧片11上感應出一個周期性變化的電壓訊號，通過金屬小彈簧17和金屬導線18送至跟隨器室中的阻抗變換器。這裡，振簧片11可用薄型黃銅片製成，其成本較低，且有較好的機械性能。腔體13由鑄鐵製成，其加工比較容易。為避免場效應管在高壓火花放電時被損壞，在其柵極加上一個串聯電阻22。
如圖了所示，集成相敏檢波器4由CMOS模擬開關27及集成運放器30、31組成。CMOS模擬開關27是由PMOS和NMOS場效應管並聯組成的互補式開關，與通常採用的二極體或三極體相敏檢波相比，其開關特性好、功耗小，不用電感元件、元器件少，電路較簡單、調試方便。用作參考信號的正弦波由輸入端29輸入後，先經通用運算放大器30(如741型)進行過零檢測，由集成反相器34a、34b產生兩個相位相反的對稱方波，控制兩組開關交替通斷在輸入信號的正半周，模擬開關26a、26d、導通，26b、26c關斷，相當於電阻R2左端接地，R4左端接輸入信號，信號經同相放大，由集成運放器31、輸出正半周波形；在輸入信號的負半周，開關狀態與正半周相反，變為模擬開關26b、26c導通，26a、26d關斷，電阻R4左端接地，R2左端接輸入信號，電路成了反相放器，將信號的負半周反相後輸出，這樣在集成運放器31的輸出端得到同相的脈動信號電壓，再經過由電阻R6、電容C1組成的低通濾波器33，檢出波形的直流電平，送住A／D轉換器8或經輸出端32送往微機A／D卡。R5、R3分別為集成運效器引的正、負反饋電阻。由此可知集成相敏檢波器4不僅具有相敏檢波的功能，而且能使檢波後的信號放大，這就使得集成放大器3的放大倍數不必調得很大(原有儀器需四級放大)，因而更為穩定。集成運放器31採用低漂移、高精度的集成運算放大器OP07CH，可大大減小電路的溫漂和時漂，提高測試的精確度和穩定性。
圖4所示的集成振蕩器5連接於靜電傳感器1和集成相敏檢波器4，採用一片低漂移、高精度的集成運放器38(如OP07CH)構成文氏電橋正弦波發生器，其振蕩頻率由電路中的電阻、電容等元件數值決定。信號通過集成運放器38由集成振蕩器輸出端39輸出。37a、37b為兩個背靠背的齊納二極體，串接於電路負反饋的一個支路中，用以穩定振幅。兩隻微型多圈電位器40、41分別設置於電路負反饋的另一個支路及正反饋的選頻網絡中，可用來對振蕩頻率和振幅作精細微調，使振簧片11處於最佳振動狀態，從而有效地抑制電路中由頻漂而造成的不穩定性。
圖5的負電源變換器7通過正電源輸入端42和負電源輸出端43與電路相連接，作用於集成放大器3、集成相敏檢波器4、集成振蕩器5及調零器6，其主要元件為一個八引腳單片電壓轉換器44(如7660集成片)和兩個電容器C3、C4。這樣就可使調零器6的正負電源直接取自工作電路電源，而不需要設置調零專用電源。
如圖6所示，A／D轉換器8與液晶顯示器9組成一個精密的數字式直流電壓表，用以直觀地顯示測量結果。A／D轉換器8採用單片位CMOS雙積分式的大規模集成電路MAX130CPL或ICL7106CPL，其輸入阻抗高達1010Ω，對輸入信號無衰減作用，外圍元件少，功耗低，工作電流小於2mA，具有自動調零和自動顯示極性的功能。A／D轉換器的輸入端49上設置了兩個過壓保護二極體48a、48b，以防止產生高壓擊穿。在A／D集成晶片47的兩個振蕩引腳50、51之間採用晶振作時鐘，以最大限度地排除來自交流網絡的50Hz或60Hz共摸幹擾。電晶體T1、T2、T3及C5和R14－R24等有關的阻容元件組成一個電源電壓過低顯示電路，接於A／D晶片47的公共電極引腳與數字顯示器9的「LO BAT」引腳之間，當9V電池的直流電壓過低時，液晶顯示器9的液晶屏上即可顯示「LO BAT」，以提醒使用者及時更換電池。
擴程網絡2主要起衰減作用，共分4檔，其中×1、×10、×102三檔適用于振簧片11與被測帶電體距離為5－10CM的一般場合，這時被測電位不可過高。由於本實用新型的靜電電位測量範圍可這20萬伏，所以設置了×103檔，振簧片11與被測帶電體表面可相距15－20CM，能在被測電位超過2萬伏的情況下，確保不產生強電場擊穿放電。電路的靈敏度提供了通過拉長測量距離提高放大倍數的可能性，因此由跟隨器23輸出的電壓信號，可象×1檔一樣，不經衰減直接加到集成放大器3的輸入端。
由於本實用新型是以電信號輸出測試結果，因此可直接與微機連接，進行各種實時測量或控制。另外，若電池加限流電阻，並且膠封或蠟封密閉，則可製成本質安全型的靜電電位計，能夠勝任易燃、易爆等危險場所的靜電測試工作。
權利要求1.一種非接觸的振簧式靜電電位測量儀，包括用多芯屏蔽線連接的靜電傳感器1和主機兩個部分，其中靜電傳感器帶有振簧片11、驅動裝置和跟隨器23，主機由一組具有振蕩、放大及相敏檢波等功能的電子元器件組成，其特徵在於，主機由擴程網絡2、集成交流放大器3、集成相敏檢波器4、集成振蕩器5、調零器6、負電源變換器7、A/D轉換器8及數字顯示器9八個部分組成，由靜電傳感器1接收的測試信號經擴程網絡2進入集成放大器3放大後，與集成振蕩器5輸出的作為參考信號的正弦波同時送往集成相敏檢波器4，檢波後的信號傳到A/D轉換器8，A/D轉換器採用單片CMOS雙積分式大規模集成電路，與數字顯示器9一同構成一個數字式直流電壓表。
2.按權利要求1的靜電電位測量儀，其特徵在於靜電傳感器1的振簧片11、驅動裝置和跟隨器23依次分別置於三個相互電磁屏蔽的隔離室中。
3.按權利要求2的靜電電位測量儀，其特徵在於靜電傳感器1的捺簧片11片用薄型黃銅片製成。
4.按權利要求2或3的靜電電位測量儀，其特徵在於靜電傳感器1中振簧片11與跟隨器23之間有一個串聯電阻22。
5.按權利要求1的靜電電位測量儀，其特徵在於具有相敏檢波和信號放大雙重功能的集成相敏檢波器4，採用以兩組場效應管26並聯成互補式開關的CMOS模擬開關27、集成反相器34、集成運放器31及R2、R3、R4、R5電阻構成，參考信號經過兩個集成反相器34a、34b產生兩個相位相反的對稱方波，進入CMOS模擬開關27和R2R4電阻、集成運放器31的正負輸入端和電阻R3、R5後得到被放大的同相脈動電壓信號，通過一個RC低通濾波器33變為直流電壓信號。
6.按權利要求1的靜電電位測量儀，其特徵在於集成振蕩器5採用一片集成運放電路構成文氏橋式振蕩源，在其負反饋的一個支路中串接兩個背靠背的齊納二極體37a、37b，用以穩定振幅，在負反饋的另一個支路及正反饋的選頻網絡中分別設置一個微型多圈電位器40、41，用于振頻和振幅的精細微調。
7.按權利要求1的靜電電位測量儀，其特徵在於採用集成電路的單片電壓轉換器44及兩個電容器C3、C4將正電源變為負電源，調零器6的正負電源直接取自工作電路電源。
8.按權利要求1的靜電電位測量儀，其特徵在於A／D轉換器8的輸入端49設置了兩個過壓保護二極體48a、48b，A／D集成晶片47的兩個振蕩引腳50、51間採用晶振作時鐘源，電晶體T1、T2、T3及有關阻容元件組成的電源電壓過低顯示電路，接於A／D蕊片的公共電極引腳與顯示器9的「LO BAT」腳之間。
9.按權利要求1或5至8的任何一種靜電電位測量儀，其特徵在於在主機的電池部分加限流電阻後全部膠封或蠟封。
專利摘要本實用新型涉及一種改進的振簧式靜電電位測量儀，其主要電路全集成化，以模塊方式組合，整機體積小、重量輕、功耗低；靜電傳感器內部互相電磁屏蔽，A/D轉換器與液晶數字顯示器構成一個數字式直流電壓表，用以顯示測量結果，因而本實用新型測量精度高、穩定性好，並可與微機連接，進行靜電方面的實時測量或控制。
文檔編號G01R29/00GK2165453SQ9322593
公開日1994年5月18日 申請日期1993年6月1日 優先權日1993年6月1日
發明者周子平, 應淑貞 申請人:復旦大學, 應淑貞