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如何以无线方式测量悬浮物体的电压?

2024-02-12 09:00:00 Jonathan Tapson 阅读:
想象一下一颗悬浮在太空中的卫星。你如何测量它的电压?它可能有一个非零电压,这是地理空间电场以及离子和电子电流的结果。

想象一下一颗悬浮在太空中的卫星。你如何测量它的电压?它可能有一个非零电压,这是地理空间电场以及离子和电子电流的结果。CVZednc

上述问题之所以令人不快,有几个原因。我们习惯于认为电压是A点和B点之间的电位差,如果卫星是A点,那么B点在哪里?我们可以想象有一根很长的电线将卫星连接到电压表,但电压表的另一个端子该放在哪里呢?测量结果意味着什么?有没有独立于参考点的绝对电压?CVZednc

事实证明,这些问题有一些简单的答案,它们植根于基本的静电学。在本文中,我们将解读其中的物理原理,然后展示一些令人惊讶的实用传感器和电路,用于测量物体的电压,而无需连接任何导线。CVZednc

无线电压测量的物理原理

所有导电物体都具有一定的电容,我们可以将其分为自电容和相对于其他导体的电容。对于孤立物体,自电容占主导地位;对于导电球体,教科书上的表达式为C=4πεε0R,其中ε0是自由空间的介电常数,ε是相对介电常数,R是球体半径。人类的自电容范围在100-300pF之间,如果我们的静电荷足够大,我们的储能足以炸毁CMOS芯片或引发化学火灾。CVZednc

当导电物体获得电荷q时,它们的电压会发生变化:V=q/C。这回答了上面的一个问题——卫星的电压是其总电荷除以电容。CVZednc

如何测量电荷呢?高斯定律告诉我们,对于导电表面上给定的电荷密度,存在一个垂直于表面的相应电场:CVZednc

E=σ/εn ̂CVZednc

其中n ̂是垂直于表面的单位向量,以下我们称其为电场大小E。电荷密度取决于分布在物体有效表面积A上的总电荷:CVZednc

Σ=q/ACVZednc

我们测量电压的过程如下:CVZednc

  1. 测量垂直于表面的场强E;
  2. 由此得出电荷密度;
  3. 对整个表面A进行外推,得到q;
  4. 将q除以(测量或估算的)自电容C,得到V。

因此,我们的卫星测量问题可以通过对垂直于卫星表面的电场E进行测量并由此计算出V来解决。CVZednc

但是这个电压测量的参考点在哪里呢?线索在于V=q/C。对于太空中的卫星而言,C实际上就是自电容,通常被描述为相对于一个假设的无限半径空心导电球体的电容;该球体实际上就是我们的电压参考。CVZednc

如果物体的电容因与附近导体的互电容而增大,则该物体将相应地影响局部电荷密度、E场幅度和V 参考值。CVZednc

悬浮物体的实用电压测量

进行良好的直流电场测量非常困难。开尔文、库仑和珀尔帖等19世纪著名的科学家都开发了“静电计”,并取得了不同程度的成功。开尔文还发明了一种静电发生器——“开尔文水滴器”——其独创性值得在维基百科上阅读几分钟。CVZednc

20世纪出现了一些相当不错的机电传感器,但进展停滞不前。我们已经拥有了出色的MEMS传感器,可用于加速度、磁场、压力等几乎所有物理变量,但目前还没有用于精确直流电场测量的商用硅传感器。CVZednc

究其原因,这是一个根本性的封装问题。硅传感器的封装必须保护芯片免受污染、氧化和机械损伤。如果我们用常用的塑料材料封装直流电场传感器,材料覆盖层就会获得并保留日常污染物(例如灰尘和空气中的湿气,这些污染物通常带有离子电荷)所产生的静电荷。污染物电荷会影响局部电场。如果我们将传感器封装在导电材料中,导体就会将我们要测量的磁场短路。CVZednc

这是一个未解决的问题。目前最好的传感器都是传统的机电器件,其中电极通过导电快门交替覆盖或暴露在电场中。这会将直流电场转变为交流信号,并消除许多偏移、漂移和污染源,因为它们中大多数都会产生不受快门运动调制的直流信号。然后,交流信号与快门运动同相进行解调。CVZednc

两种标准传感器类型是音叉式和电场磨式,前者的电极安装在振动音叉叉齿上的快门后面;后者则是在电机上安装一个旋转快门,使传感电极交替暴露或覆盖。CVZednc

1显示了集成到传感单元PCB上的微型电场磨。CVZednc

CVZednc

图1:在差分连接的四叶形传感电极上方可以清楚地看到快门。该装置右侧的物体是一个光电探测器,它向解调电路提供快门的位置。传感电极的四片叶子对角连接成两对,因此每对叶子交替地被快门暴露或覆盖。(来源:Iona Tech)CVZednc

实际检测到的信号是随着感应电场的出现和消失,电荷进入和离开传感器板的运动。这些传感器板连接到静电计级运算放大器进行差分放大,然后连接到相敏解调器(解调可以在微控制器中完成)。CVZednc

场磨式传感器需要仔细封装,因为附近的导体会扭曲电场,而附近的绝缘体会聚集静电荷和离子污染,同样会扭曲电场。在实践中,我们发现用精心设计的导电网格覆盖传感器可对其进行保护,而不会对测量产生超出校准范围的影响。CVZednc

静电放电(ESD)的无线控制

卫星的例子很有趣,但这种方法到底能用来做什么呢?Iona Tech公司专注于防止电子产品制造中ESD损坏的问题。自20世纪80年代采用CMOS技术以来,ESD一直是个问题,而解决这个问题的方法大多可以追溯到那个时代——基本上就是把所有能看到的东西接地。工人接地、工作站接地、机器接地、元器件接地。CVZednc

由于这些方法偶尔会失效——手腕系带断裂、导电地板失去导电性、电刷触点失效——因此接地工作需要加湿器和电离器的支持,从源头上中和静电积聚。过去几十年中最大的技术进步是对腕带的持续监控,这可以测量腕带上的阻抗负载,并推断腕带是否正确佩戴和工作。CVZednc

这些方法并不非对每个人都有效。在移动性很重要的情况下,这些方法就不起作用了——出于某种原因,工程师尤其坐不住。他们总是要从一个工作站移动到另一个工作站,或者去拿咖啡,如果每次移动前后都需要系绳,他们就会很恼火。正如一位ESD经理告诉我们那样,“物理定律显然不适用于工程师”。CVZednc

其他存在问题的情况还有航空航天制造业,在那里,集成一颗大型卫星涉及错综复杂的系绳。还有汽车制造业,在移动的传送带上组装高度计算机化的汽车,系绳在其周围是个重大的职业安全隐患。CVZednc

Iona Tech公司首席执行官Daan Stevenson就深有体会。他当时正在为科罗拉多州丹佛市一家现已倒闭的无人机初创公司开发自主无人机地面站原型。他在落基山山麓高海拔而又空气干燥的户外工作,不断地烧毁电路板——他只有糟糕的接地选择,根本没有加湿或电离的选择。CVZednc

他提出了一个问题:如果我们只是测量人们是否带电,并在带电时发出警报,会怎么样?有了可穿戴人体电压表,我们就可以实现完全的移动性并确保ESD安全,而无需系绳或任何其他辅助工具。CVZednc

这个闲置的问题引发了我们对真正无线控制ESD的五年探索,包括获得美国国家科学基金会的资助来研究这个问题。解决方案就是图2所示的微型可穿戴电场磨。它们被集成到一个名为StatIQ臂带的工业物联网(IIoT)模块中,佩戴在上臂的带子上。CVZednc

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图2:技术人员穿着防静电工作服,为测量提供一个导电平面,类似于直接皮肤接触。(来源:Iona Tech)CVZednc

2显示了电子装配技术人员手臂上佩戴的可穿戴式人体电压监测器(Iona Tech StatIQ臂带)。该设备无法在聚酯等带静电的服装材料上正常工作。图中可以看到电场磨由一个很小的镀金盖保护。CVZednc

一旦能够以简单方便的方式测量人体电压,各种应用都将成为可能。用户可以评估工作环境中的所有物品(地毯、服装、椅子以及用户能接触到的所有物品)对电荷产生的影响。CVZednc

可以评估地板和电离的效果。在接触正在操作的电子产品之前发出警报是避免损坏的好方法,但同时也会产生条件反射,使用户在拿起烙铁或示波器探头之前自动接触接地点。CVZednc

3显示了一个测量示例,将悬浮人体电压测量与使用电荷板监视器(3M 711静电电压表)进行的传统有线测量进行了比较。CVZednc

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图3:受试者在导电地板上行走,然后在铺有地毯的普通地板上行走。测量结果显示了两种情况下摩擦起电的差异,同时也说明了悬浮电压测量的准确性。CVZednc

使用这类设备的另一种可能性是检测ESD事件。当人体对电路放电时,其电压会急剧下降。检测这种高dv/dt事件并测量其幅度,就能直接测量放电对象吸收的能量。这有助于在发生ESD放电时,对正在处理的任何电子设备做出通过/失败/返工的决定。CVZednc

其他应用

除了电子产品ESD之外,检测静态电压积聚在许多领域中都具有实际价值。燃油和化学火灾通常是由ESD引发的,其后果比PCB故障要严重得多。还有闪电,这是最大的ESD事件。我们经常坐在实验室里,把StatIQ臂带放在窗边,看着落基山上的雷暴滚滚而来,并根据测量到的场强来打赌下一次雷鸣的时间。CVZednc

这项技术不仅适用于人体电压测量。在许多情况下,了解车辆或飞机上的静电积累也非常重要。例如,加油车在输送燃油时必须注意接地和联接;如果检测到危险电压,产生电压警报或联锁燃油泵的时机就非常重要。CVZednc

此外,在航空航天制造等行业,能够创建电子封装的电荷或电压历史可追溯记录也具有巨大价值,因为在这些行业中,一块PCB的价值就可能高达10万美元,而且在生产和安装过程中可能会经过多个承包商之手。CVZednc

测量悬浮物体的电压似乎是不可能的,直到静电理论被解开,必要的传感器被制造出来。一旦实现,它就将为仪器仪表领域带来无限可能。CVZednc

Jonathan Tapson是Iona Tech公司首席技术官(CTO)。CVZednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Completely wireless measurement of the voltage of objects,由Franklin Zhao编译。)CVZednc

本文为《电子技术设计》2024年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里CVZednc

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