Transcript 第五讲静电测量
静电测量 静电测试的目的： 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。 在实际运行条件下，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。 当发生静电放电危害后进行模拟测试，分析事 故原因，为采取有针对性的措施提供依据。 评价静电敏感电子产品的设计和制造质量。 静电测试的主要内容 静电基本参量测试技术 防静电系统静电性能测试技术 包装材料静电性能测试技术 人体静电参数测试技术 一、静电基本参量测试技术 静电电位测量 1、接触式测量 测试原理 利用等电位原理进行测试，把被测带电体用绝缘电 缆直接连在输入阻抗为1012Ω以上静电电压表的测量电 极上，由静电电压表头直接读出被测带电体的对地电 压，也称为接触式测量。此测试方法仅适用于对静电 导体带电电位的测试，测试误差相对比较小，测量准 确度可以优于2％，但对于某类测试探头无法接触的场 合此类方法不便使用。 测试仪器 接触式静电电压表（或简称静电伏特计）是利用 静电力矩来进行测试的。 C0U 0 U C0 C C0U 0 U e C0 C t R (C C 0 ) 接触式静电计等效电路 U低于带电体的实际电压U0。为减小测试误差，应该 使C《C0，即尽可能地减小仪表的输入电容。例如，量程 在3kV以下的静电电压表，其输入电容C值都不大于30pF。 随测试时间t的增加，表头读数按指数规律衰减。为 了减小由此造成的测量误差，应尽量提高仪表的输入电阻 R，一般静电压表的输入电阻选择在1012Ω以上。 2、非接触式测量 测试原理 运用静电感应或空气电离的原理。前者静电感应原理 是将测试探头靠近带电体，利用探头与被测带电体之间产 生的畸变电场测试带电体的表面电位，实质上是对带电体 表面电场的测试；后者是利用放射性同位素电离空气，在 带电体与测试仪表输入端、输入端与接地端之间分别产生 电阻分压，测试带电体的对地电位。由于这种测试不是直 接同带电体相接触，因此也称非接触式测量，所使用的测 试仪表，又称非接触式测试仪表。 与接触式测量相比，非接触式测量结果受仪表输入电 容、输入电阻的影响较小，测量准确度可优于15％，但受 测试距离、带电体几何尺寸的影响较大。 测试仪器 根据工作原理的不同，该类仪表主要分为静电感应型和电 离型两种。 T L 直接感应式仪表测试原理 CW CwU Ｕb ＝ Cw Cb e t Rb C b 被测带电体 Rb Cb 即使被测电位U不变，测试值Ｕb仍随时间以指数规律衰减， 时间常数为RbCb。为减小测试误差，要求Rb或Cb充分大，但Cb增 大将导致测试灵敏度降低，反而使测试发生困难，因而要求该 类仪表具有很高的输入电阻，这一点同接触式测试仪表是一致 的。即使如此，也只能减缓衰减速度，不能从根本上解决问题， 故该类仪表不能用作固定接入的监测仪表。 振动电容式静电计 振动电容式静电表也称振簧式静电计，主要由 测试探头、交流放大器、振荡器、相敏检波器和 指示器组成。与直接感应式仪表不同，其探头电 极是一个可振动的金属片，在振荡器的驱动下， 探头电极与被测带电体之间的电容周期性变化， 被测带电体在探头电极上感应出一个周期性变化 的电位信号。因为此信号非常微弱，故采用高阻 输入的阻抗变换器来接受信号，再经交流放大和 相敏检波后由直流表显示被测电位，而且还可以 测试电位的极性。 静电电量测量 测量时，将带电体无摩擦的 投入内筒，内筒内表面将感应出 与带电体异面等值的电荷，内筒 外表面和外筒内表面也会带上等 值异面电荷。因此，内外筒间就 有电位差产生。将外筒接地，电 压表指示的内筒电位即两筒的电 位差。在用精密万用电桥或其它 电容测试仪器测得系统电容值C （为内外筒间的电容、电压表输 入电容和装置上并联电容的电容 之和），然后按照公式Q=CU计 算出被测带电体静电电量Q。 1—内筒 2—外筒 3－绝缘支架 4－监测器 电阻、电阻率的测量 电阻是与静电泄漏紧密相关的电气参数之一，电阻测试 包括绝缘电阻、接地电阻、静电接地电阻和静电泄漏电阻的 测试；电阻率测试包括表面电阻率和体电阻率的测试。 1. 绝缘材料电阻与电阻率测试 介质材料的试样上安放两个电极，在其间施加一定的直 流电压U时，测量电极间就有电流I流过，电压U与电流I的 比值，称作绝缘电阻R，即R=U/I。 电极间流过的电流I包括沿试样表面流动的泄漏电流Is和 穿过介质内部的电导电流Iv两部分。为详细评价材料的导电 性质，把电压U与表面泄漏电流Is的比值称作表面电阻Rs， 而把电压U与体内电导电流Iv的比值称作体积电阻Rv，即 Rs U I s Rv U Iv 材料绝缘电阻R是其表面电阻Rs和体积电阻Rv的并联 值，这三个电阻值均与测量电极的大小、形状有关，因此 ，给出测量结果时应同时表明测量电极的参数。 为定量描述材料的导电性质，摆脱测量值对测量电极 参数的依赖关系，引入表面电阻率和体电阻率的概念。 表面电阻率定义为单位宽度、单位长度材料的表面 电阻值，即正方形材料两对边间的表面电阻值，单位为欧 姆（），其数值大小与正方形的几何尺寸无关。 体电阻率定义为单位横截面单位长度上材料的体积 电阻值，单位为欧姆·米。 二、防静电系统静电性能测试技术 防静电系统： 防静电碗带、防静电服、防静电鞋、地面、接地设施、 工作台、储物架、小推车等防静电设施及用品，它们都是实 施静电防护必不可缺少的物质手段。因此，对这些防静电设 施进行静电性能测试，以确保投入使用时其性能合格，对静 电防护效果的影响是直接而又具体的。这种测试是静电防护 测试的重要组成部分。 ESD防护腕带、鞋束（足跟带）静电性能测试 欧姆表10k档 电缆扣 鳄鱼夹 腕带内表面导电性能测试图 腕带连接电缆系统电阻测试 测试佩戴腕带时系统电阻图 欧姆表10k档 脚跟带（鞋束）系统电阻测试 ESD防护腕带、鞋束（足跟带）静电性能参数 GJB3007-97 腕带 鞋束 IEC61340-5-1 1998 Rg 1×105(从内表面对地测量) Rg 1×105(未穿戴) 7.5×105 Rg 3.5×107(穿戴) 7.5×105 Rg 3.5×107(穿戴) 7.5×105 Re 5.0×106(腕带连线 端对端测量) 7.5×105 Re 5×106(腕带线) 5×104 Rg 1×108 ESD防护工作服静电性能测试 工作服对静电防护的有效性直接依赖于它的表面电阻。 工作服的内、外表面要能够使人体操作中因摩擦等动作所 产生的电荷顺利地到达于人体表面，并最后通过防静电腕 带、鞋袜等泄漏于大地而提供通路，这就要求工作服的设 计应能保持其在穿着状态下与人体直接或间接接触，并自 身具有良好的表面电阻值。为防万一出现不良接触，必要 时，所穿工作服还应设置专门的接地连接点。服装上任意 两点间的电阻为服装的表面电阻值。 E 接缝 接缝 电极1 A D E A B 仪器 D C B 仪器 电极1 C 电极2 对地连接点 服装对地电阻测试原理图 服装表面(点对点)电阻测试原理图 一般要求工作服的表面电阻为7.5╳105< R< 1╳1010Ω，对 地电阻为7.5╳105< R< 1╳108Ω。 测试电极为圆柱形，直径50mm，重量2kg。 防静电鞋、袜对地电阻测试 防静电鞋、袜，也是提供人体静电荷泄漏通道 的主要措施，且能在一旦腕带发生问题（如断路）时 或在不可能使用碗带的情况下，作为一种基本的人体 接地方式。 仪器 防静电鞋袜在穿戴状态下对 地电阻的要求为5×104～ 1×108Ω。 鞋袜电极 工作椅、存放架、运输小车对地电阻和表面电阻的测试 工作椅应能通过支脚或轮子接地，在正常情况下与工件、人 体接触的表面应由静电耗散材料制作。对地电阻测试，一般以 支脚架、脚轮等作为接地电极，另一电极接于器具表体的某一 点；表面电阻为器具表面上任意两点之间的电阻数值。测试时 应保持电极与被测表面之间良好的电接触。 工作椅的对地电阻为5╳105～1.0╳1010Ω、表面电阻（点对 点）小于等于1.0╳1010Ω 电极2 电极1 仪器 电极1 电极2 导电薄片材料 对地电阻 表面电阻 仪器 存放架、运输小车的对地电阻为7.5╳105～1.0╳109Ω 测试电极 Φ50 2kg 湿滤纸垫 500VDC兆欧表 物流车 R 板状辅助电极 物流车台面对车轮系统电阻测试 手套、指套对地电阻的测试 在进行操作时，防静电手套、指套的外面直接与工件相 接触，并通过其壁和人体泄漏电荷，所以它必须能够耗散静 电，又要使电荷耗散的速度不能太快以防突发放电，这些只 能依靠它在穿着情况下具有合适的对地电阻，测量时，一般 使用2枚φ20mm的平板形金属电极作为与测试导线相接触的 面积。如果上述规定不能实现时，也可使用接线夹子。 在佩戴情况下,一般要 求手套、指套的对地电 阻为7.5╳105～ 1.0╳1010Ω。 仪表 手套对地电阻的测试 防静电地面对地电阻和表面电阻的测试 防静电地面应采用静电耗散材料并接地良好，其对地电阻 为1╳105～1╳109Ω，表面（点对点）电阻为1╳105～1╳1010Ω。 测试时每4m2随机抽取5点并取中心对四角4次测试结果的 平均值，测试点距地板的边缘不得小于100mm。 500VDC兆欧表 R 接地母线 测试电极 Φ50 2kg 地面（防静电水磨石） 三、防静电包装材料静电性能测试技术 每一种类的静电放电敏感产品，都依其本身设计而具 有一定水平的静电放电敏感电压阈值，当周围环境的静电 电压超过此值时，就有可能造成敏感产品的静电危害。为 此，只能依赖于防静电包装材料，以使其免受包装外部静 电的影响。为保证静电防护得以维持，即从产品制造完毕 到投入安装使用之前的全部历程（包括厂内、外运输、存 储、拆包装），产品的完整性和基本功能不受到损害，作 为防静电包装的材料必须满足必要的静电性能要求，同时 还要具有诸如防震、定位、防尘等功能。 防静电包装材料的静电性能要求 （1）与ESDS产品直接接触的内包装材料，包括填充物 ，应当是不产生静电的材料或是能够耗散静电的材料。所 谓不产生静电的材料是指那些与产品或其它材料发生机械 接触和分离时，所产生的静电电荷很少，不构成对产品的 损害。所谓能够耗散静电的材料，是指其表面电阻率应在 1×105～1×1012Ω/□的范围内，或者其体积电阻率在 1×104 cm ～1×1011 cm 范围内的材料。 （2）在运输或存储过程中，能够具有屏蔽静电的功能 ，它能使外界静电场得到衰减，从而使被其包装的敏感产 品免受静电场渗透造成损害，即它应是静电屏蔽材料。所 谓静电屏蔽材料是指其表面电阻率小于1×104Ω/□或者其 体积电阻率小于1×103的静电导体材料。为了验证和评价 包装用料是否具有上述功能，需对材料的有关静电性能进 行测试。这些性能有： · 抗静电性能 · 耗散静电性能 · 屏蔽静电性能 ESDS产品在传递、包装、贮存和运输阶段，使用或 重复利用的包装材料应经常检查静电耗散性能、屏蔽性能 和摩擦起电性等防静电性能，使其保持基本不变。 包装材料静电泄漏（衰减）性能的测试 通过测试包装材料的静电衰减速度来评价其静电泄漏性 能。使用的测试原理是：人为地对被试材料的确定表面进 行充电后，用场强计或非接触式静电计观察其电荷衰减 （电压下降）情况，记录所用时间，并以从电压起始值下 降至规定值（如10％、或1％、或1/e即36.8％）所需的时 间来度量。例如，有的包装资料规定的衰减时间是从初始 值电压1000V下降到起始值的10％（即100V）所需的时间 最长是2s。 各国推荐采用的包装材料静电衰减性能测试方法 国 别 推荐采 用方法 采用标准 典型测试仪器或装置 美 国 充电法 FED-STD-101C中推荐 的静电衰减测试装置 中 国 充电法 MIL-B81705C,FED-STD101C GJB2005-96 英 国 喷电法 BS-7056 JCI-155 电 荷 衰 减 测 试仪 日 本 喷电法 不详 S-5109静电衰减测试 仪 无 美国生产的ACL500型静 电放电（ESD）模拟器及 静电屏蔽检测表 测电压法是指电容探头上的感应信号以电压的形式输出 显示，通过电压值的大小反映材料屏蔽性能的好坏，即感应 信号电压值越低，材料的屏蔽性能越好。该测试方法中的典 型测试仪器为美国生产的ACL500型静电放电（ESD）模拟 器及静电屏蔽检测表，该仪器包括ESD模拟器、静电屏蔽检 测传感器、不锈钢放电头、基准板和测试导线。其测试结果 由传感器上装有一排标有10、20、30、40、50、100、200、 300伏的发光二极管(LED)来指示，代表测量到最大电压的 LED保持发光 。 四、人体静电参数测试技术 人体由于自身的活动及与周围物体的接触分离，在干 燥环境中常常有几千伏甚至几万伏的静电。当没有形成 火花放电时，自身往往不会有异常感觉。但是，在静电 危险场所，人体作为带电的静电导体，一旦形成能量比 较集中的火花放电，其后果是不堪设想的。因此，国内 外学者普遍认为人体静电是静电防护工程中主要危害源 之一。所以，进行人体静电参数测试，具有十分重要的 应用价值。人体静电参数包括人体静电电位、人体对地 电阻、人体对地电容。 人体静电电位测试 近30年来研制的静电电位仪表，按其测试原理可分为接触 式和非接触式两大类型。接触式静电电位仪表输入电阻小、阻 尼大，不能对人体等静电导体的动态电位进行测试，也无法判 断被测人体的电位极性；非接触式静电电位测试仪表以日本的 MH型人体静电电位仪和美制263型高速静电表为代表，其输入 电阻（大于1014Ω）提高了，但仪表指示值μb仍随时间衰减， 使得测试结果误差很大。DWJ-81型静电电位仪通过将感应探 头换成振动电容式或旋转式，解决了仪器最终指示值不随时间 衰减的问题，同时机械振动的频率限制了仪器对静电电位信号 的正确响应。 ZPD-1型静电电位动态测试仪 采用 “信号自屏蔽－电荷耦合” 测试原理，即根据 静电电压的特点，利用静电信号高压电极本身作为传感器 电极，使屏蔽深度与仪器灵敏度要求相一致，避免了一般 静电仪器用接地屏蔽所带来的问题，在提高仪器灵敏度的 同时，仪器的抗干扰能力也得到增强。“电荷耦合”是指 仪器输入端接收的是电荷量，且使电荷量与被测电位成正 比，通过对电荷量的测试得到被测电位的数值。 峰值和极性显示 GY-2型传感器 放大器 动态波形显示 ZPD-1型静电电位动态测试仪 记录仪 人体静电电容测试 测试时，人应赤足并将双足用金属箔包裹，金属箔与 静电电容测试仪表相连。人双足站在绝缘板上，板厚与鞋 底厚度相同。这样，金属箔与地之间的电容量即为人体静 电电容。 在测试过程中，当人体采取双脚站立、单脚站立或下 蹲等不同体姿时，所得电容数值有所不同。据国外给出的 实测数据资料，人体电容范围在50～250pF之间，其中80 ％的人其人体电容为100pF左右。 人体对地电阻测试 1、佩戴腕带时人体对地电阻的测试 测试时，被测人手握直径25mm、长度75mm的圆柱形不锈 钢电极，该电极用导线与欧姆计连接。测出的电阻包括腕带与 人体皮肤间的接触电阻、安全限流电阻和接地导线电阻等3个 部分。使用不同的测试电压时，测试结果在电压低于10V时差 别很大，但20V以后便趋于稳定。 2、穿静电鞋袜时人体对地电阻的测试 测试时，要求仪表能提供10～30V的额定开路电压，鞋袜 试 验 电 极 由 3 0 0 mm×300mm的不锈钢板制成，它被电气连接 到试验仪表上。被试验人双脚按规定穿好静电鞋袜，用手指压 紧仪表的接触板。所测电阻包括防静电鞋袜电阻、人体自身电 阻和人体与鞋袜的接触电阻3个部分。