一种非接触式静电电压表校准装置及校准方法
【专利摘要】一种非接触式静电电压表校准装置及校准方法，利用直流高压电源和金属平板电极，在电极中心附近局部空间获得标准静电场，其电压可溯源到直流电压标准，采用加重边缘效应的试验方法来检验金属平板电极的边缘效应。承载金属平板电极的玻璃平板支架和保护电阻减少人员被电击的危险，垂直运动机构可调节被校准表的测试距离，采用可拆卸的游标卡尺，便于溯源。
【专利说明】一种非接触式静电电压表校准装置及校准方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非接触式静电电压表和静电电场表的校准装置和校准方法，属于机电一体化的仪器仪表领域。
【背景技术】
[0002]在静电防护测量和静电研究中广泛使用静电电压表，有接触式和非接触式两种类型。其中非接触式静电电压表是常用的一种。它在不与被测表面接触的情况下，利用电场感应原理或其它原理，测量出表面的电压和电场数值。该电压是以无穷远或大地为参考电位的。测量结果显示为电场[伏特/米]，则称为静电电场表(Static Field Meter);测量结果显示为电压[伏特]，则称为非接触式静电电压表，该类表还需要对探头到被测表面的距离进行测量或设置，该距离的长度称为测量距离。
[0003]非接触式静电电压表和静电电场表的测量值是否准确可靠，需要用校准装置进行溯源。静电电压可以溯源到直流高电压标准上。一般校准装置采用标准静电电场的方法，即用一个金属平板形成等电位平面，连接直流高压源维持稳定电位，靠近金属平板中心处的电场近似于平行电场，可作为标准静电场。被校准的仪表在标准静电场中，在设定距离上的读数可以与直流高压源输出电压值相比较，从而达到校准的目的。如图1所示，a是没有测量探头时，金属平板周围的静电场分布图，图1中的b是有测量探头时，金属平板周围的静电场分布图。上述金属平板的面积尺寸大小是影响其中心处标准静电场是否均匀且平行的关键因素，尺寸小时，会增加边缘效应，使中心处电场畸变，影响测量准确度。关于平面电极尺寸与边缘效应有以下方面研究:(I)石家庄军械工程学院魏光辉教授研究了平面电极板尺寸影响的问题，发表了“非接触式静电电压表校准方法，北京理工大学学报，2009年8月，第29卷增刊2期”论文。该论文采用一组固定尺寸的圆盘状平面电极板研究边缘效应影响系数，最后采用Φ600πιπι的电极板获得了 1%测量不确定度的校准。(2)《电磁学计量》下册，国防科工委科技与质量司组织编写，原子能出版社，2002.9，书中提到:“平面的尺寸应该足够大，以减小边界效应引入的不确定度影响。测量距离越大，平面尺寸也越大，对不同的被测对象，平面尺寸的要求也不一样。判断平面的尺寸是否满足要求，可做以下实验:沿平行于电极平面的方向，向边沿平行移动被校准非接触式静电电压表，移动的距离为被校准非接触式静电电压表的测试电极在该方向上尺寸的二分之一倍；比较中心位置与偏心位置两种状态下，被校准非接触式静电电压表的读数。如果读数的变化小于允许误差要求，则平面尺寸满足要求。” (3)北京东方计量测试技术研究所的刘民起草的国家军用标准“GJB/J5972-2007非接触式静电电压表校准规范，国防科工委军标出版发行部出版，军标出字第6872号”提出了边缘效应实验方法，能估计边缘效应的不确定度影响，使得非接触式静电电压表的溯源性具有客观依据，可以正确计算测量不确定度。见图2。
[0004]现有技术存在以下问题:(1)文献(I)采用固定尺寸的金属平板电极作为标准静电场发生器，对于边缘效应产生的影响不能定量评估。(2)裸露的金属平板电极直接连接直流高压源，有人员触电隐患，尤其在读取非接触式静电电压表读数时，人员必须接近带电金属导体，危险更大。(3)测试距离是被校准仪器前端到金属平板之间的平行间距，测量比较困难，调节机构需要周期校准或检定，整体送检成本较高，运输困难。(4)上述文献(2)和
(3)的边缘效应试验是相同的方法，需要精密的平行移动机构。该方法要求被校准的表平行于平面电极移动，从中心向边缘移动，平行移动装置的设计要确保平行，其移动过程是否平行，对装置机械结构设计提出了难题。
【发明内容】
[0005]本发明解决技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种非接触式静电电压表校准装置及校准方法，不需要平行移动的机构，消除了平行移动带来的误差影响，简化机械结构设计，并且在垂直运动的距离测量上，采用了可拆卸的游标卡尺，使长度溯源得以简化，降低检定费用。使用玻璃平板支架承载金属平板电极，以及使用保护电阻减少人员被电击的危险。通过摄像头获得被校准非接触式静电电压表读数，使操作人员远离危险的带电金属平板。
[0006]本发明的校准装置能满足非接触式静电电压表和静电电场表校准需求，在计量校准机构使用，有很强的实用性。
[0007]本发明公开了 一种非接触式静电电压表校准装置及其校准方法，在金属平板电极中心附近产生局部平行静电场，使被校准的非接触式静电电压表和电场表的示值误差溯源到直流高电压标准上。通过垂直于平面的运动机构和游标卡尺，使被校准非接触式静电电压表的测量距离溯源到长度几何量标准上。为评定金属平板电极边缘效应引入的测量不确定度，本发明提出了增加边缘效应的试验方法。为方便距离测量装置的溯源，本发明提出了可拆卸游标卡尺的垂直运动结构。为使金属平板电极保持平面度，并且保持对支架和大地绝缘性能，本发明采用玻璃基板粘贴薄金属板的方法。
[0008]本发明的技术方案是:一种非接触式静电电压表校准装置，由土(O?10)kV直流高压源(I)、保护电阻(2)、选择开关(3)、高压导线(4)、中心金属电极板(5)、边缘金属电极板(6)、玻璃基板支架(7)、搭接板(8)、游标卡尺(9)、垂直运动机构(10)和被校准非接触式静电电压表(20)组成；直流高压电源(I)输出连接保护电阻(2)的一端，保护电阻(2)另一端通过高压导线(4)连接选择开关(3)的左边引脚，选择开关(3)的右边引脚连接直流高压源(I)的地线，选择开关(3)的中间引脚通过高压导线(4)连接中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6),中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)粘贴在玻璃基板支架(7)的同一侧，搭接板(8 )把玻璃基板支架(7 )和垂直运动机构(10 )固定在一起，游标卡尺(9 )安装在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上；所述直流高压电源(I)能输出稳定直流电压，输出电流大于1mA，设定值的允许误差小于被校准非接触式静电电压表(20)最大允许误差限的1/3，分辨力小于IOV ;所述直流高压源(I)输出的电压经过保护电阻(2)和选择开关(3 )分别独立地输出到中心金属电极板(5 )和边缘金属电极板(6 ),使金属电极板产生稳定的静电电位，此电位是相对于直流高压源(I)的地电位而言的，中心金属电极板(5 )在其中心附近产生局部平行静电场，在边缘金属电极板(6 )产生不平行的静电场，由此不平行的静电场造成被校准非接触式静电电压表(20)读数的影响称为边缘效应，当中心金属电极板(5)与边缘金属电极板(6)不等电位时，这种边缘效应会增加。
[0009]所述选择开关(3)由5个独立的单刀双掷开关组成，每个开关的中间电极通过高压导线(4)连接I个中心金属电极板(5)和4个边缘金属电极板(6)，所有开关的右边引脚接在一起，再接直流高压电源(I)的地线，所有开关的左边引脚接在一起，再接保护电阻(2)。
[0010]所述中心金属电极板(5)是圆盘形状，所述边缘金属电极板(6)由4块相互绝缘的金属板组成，呈圆环状分布在中心金属电极板(5 )的上下左右，且与中心金属电极板(5 )绝缘，所有中心金属板(5)之间的绝缘间隙大于1cm。
[0011]所述玻璃基板支架(7)由底座(71)、直角连接器(72)、玻璃平板(73)、玻璃通孔
(74),绝缘把手(75)和固定孔(76)组成；直角连接器(72)把底座(71)和玻璃平板(73)固定在一起，使玻璃平板(73)垂直于地面，2个绝缘把手(75)分别安装在玻璃平板(73)的左右上边角上，固定孔(76)是底座(71)上的长条状圆角通孔，与搭接板(8)固定时调节搭接板位置，所述玻璃通孔(74)在每块金属电极板粘贴的位置下面，每块中心金属电极板(5)下面至少有3个通孔，其中有一个通孔用于连接高压导线(4)，其它通孔用于粘接金属电极板。
[0012]所述玻璃平板(73)是面积大于60cmX60cm的方形玻璃板，表面电阻率大于IO14 Ω sqrt,体电阻率大于IO14 Ωπι，表面平整不易变形。
[0013]所述垂直运动机构(10)由基座(11 )、丝杠导轨(12)、手轮(13)和仪表平台(14)组成；基座(11)上的安装孔(15)是长条状通孔可用螺栓与搭接板(8)连接，可调苄基座(11)与玻璃板支架(7)的相对位置，可调节丝杠导轨(12)与玻璃平板(73)的垂直度，丝杠导轨
(12)固定安装在基座(11)上，仪表平台(14)在丝杠导轨(12)上能沿着导轨方向前后运动，运动范围满足被校准非接触式静电电压表测量距离范围要求，手轮(13)连接丝杠导轨(12 )中的丝杠，能带动丝杠转动，仪表平台(14)承载被校准非接触式静电电压表(20 )，使被校准非接触式静电电压表(20)正对中心金属电极板(5)的中心，且被校准非接触式静电电压表(20)的前端伸出垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)。
[0014]所述仪表平台(14)由运动支架(16)、夹具(17)、弹簧片(18)、摄像头座(19)组成，运动支架(16)能够承载被校准非接触式静电电压表(20)在中心金属电极板(5)的中心法线上垂直运动，夹具(17)固定被校准非接触式静电电压表(20)，可调节夹具宽度适应不同宽度的被校准非接触式静电电压表(20)，弹簧片(19)固定被校准非接触式静电电压表
(20)，能随弹簧座升降适应不同厚度的被校准非接触式静电电压表(20)，摄像头座(19)安装在运动支架(16)上，用于升降调节，适应不同被校准非接触式静电电压表的显示窗口，安装摄像头便于对被校准非接触式静电电压表(20)读数。
[0015]所述游标卡尺(9 )为数显卡尺，游标卡尺(9 )的尺身固定在基座(11)上，游标卡尺(9)的游标显示部分固定在垂直运动机构(10)的仪表平台(14)上，整体结构能够拆卸，以便定期送计量机构溯源。
[0016]9、根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述保护电阻(2)安装于全封闭的绝缘支架内，其阻值设计满足相关计算公式如下:
【权利要求】
1.一种非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:由直流高压源(I)、保护电阻(2)、选择开关(3)、高压导线(4)、中心金属电极板(5)、边缘金属电极板(6)、玻璃基板支架(7)、搭接板(8 )、游标卡尺(9 )、垂直运动机构(10 )和被校准非接触式静电电压表(20 )组成；直流高压电源(I)输出连接保护电阻(2)的一端，保护电阻(2)另一端通过高压导线(4)连接选择开关(3)的左边引脚，选择开关(3)的右边引脚连接直流高压源(I)的地线，选择开关(3)的中间引脚通过高压导线(4)连接中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)，中心金属电极板(5 )和边缘金属电极板(6 )粘贴在玻璃基板支架(7 )的同一侧,搭接板(8 )把玻璃基板支架(7)和垂直运动机构(10)固定在一起,游标卡尺(9)安装在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上；所述直流高压电源(I)能输出稳定直流电压，输出电流大于1mA，设定值的允许误差小于被校准非接触式静电电压表(20)最大允许误差限的1/3，分辨力小于IOV ;所述直流高压源(I)输出的电压经过保护电阻(2)和选择开关(3)分别独立地输出到中心金属电极板(5 )和边缘金属电极板(6 ),使金属电极板产生稳定的静电电位，此电位是相对于直流高压源(I)的地电位而言的，中心金属电极板(5)在其中心附近产生局部平行静电场，在边缘金属电极板(6 )产生不平行的静电场，由此不平行的静电场造成被校准非接触式静电电压表(20)读数的影响称为边缘效应，当中心金属电极板(5)与边缘金属电极板(6)不等电位时，这种边缘效应会增加。
2.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述选择开关(3)由5个独立的单刀双掷开关组成，每个开关的中间电极通过高压导线(4)连接I个中心金属电极板(5)和4个边缘金属电极板(6)，所有开关的右边引脚接在一起，再接直流高压电源(I)的地线，所有开关的左边引脚接在一起，再接保护电阻(2 )。
3.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述中心金属电极板(5)是圆盘形状，所述边缘金属电极板(6)由4块相互绝缘的金属板组成，呈圆环状分布在中心金属电极板(5)的上下左右,且与中心金属电极板(5)绝缘,所有中心金属板(5)之间的绝缘间隙大于1cm。
4.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述玻璃基板支架(7)由底座(71)、直角连接器(72)、玻璃平板(73)、玻璃通孔(74)、绝缘把手(75)和固定孔(76)组成；直角连接器(72)把底座(71)和玻璃平板(73)固定在一起，使玻璃平板(73)垂直于地面，2个绝缘把手(75)分别安装在玻璃平板(73)的左右上边角上，固定孔(76)是底座(71)上的长条状圆角通孔，与搭接板(8)固定时调节搭接板位置，所述玻璃通孔(74)在每块金属电极板粘贴的位置下面，每块中心金属电极板(5)下面至少有3个通孔，其中有一个通孔用于连接高压导线(4)，其它通孔用于粘接金属电极板。
5.根据权利要求4所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述玻璃平板(73)是面积大于60cmX60cm的方形玻璃板，表面电阻率大于IO14 Ω sqrt,体电阻率大于1014Ωπι，表面平整不易变形。
6.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述垂直运动机构(10)由基座(11 )、丝杠导轨(12)、手轮(13)和仪表平台(14)组成；基座(11)上的安装孔(15 )是长条状通孔可用螺栓与搭接板(8 )连接，可调苄基座(11)与玻璃板支架(7 )的相对位置，可调节丝杠导轨(12)与玻璃平板(73)的垂直度，丝杠导轨(12)固定安装在基座(11)上，仪表平台(14)在丝杠导轨(12)上能沿着导轨方向前后运动，运动范围满足被校准非接触式静电电压表测量距离范围要求，手轮(13)连接丝杠导轨(12)中的丝杠，能带动丝杠转动，仪表平台(14)承载被校准非接触式静电电压表(20)，使被校准非接触式静电电压表(20 )正对中心金属电极板(5 )的中心,且被校准非接触式静电电压表(20 )的前端伸出垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)。
7.根据权利要求6所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述仪表平台(14)由运动支架(16)、夹具(17)、弹簧片(18)、摄像头座(19)组成，运动支架(16)能够承载被校准非接触式静电电压表(20 )在中心金属电极板(5 )的中心法线上垂直运动，夹具(17 )固定被校准非接触式静电电压表(20 )，可调节夹具宽度适应不同宽度的被校准非接触式静电电压表(20 )，弹簧片(19 )固定被校准非接触式静电电压表(20 )，能随弹簧座升降适应不同厚度的被校准非接触式静电电压表(20 )，摄像头座(19 )安装在运动支架(16 )上，用于升降调节，适应不同被校准非接触式静电电压表的显示窗口，安装摄像头便于对被校准非接触式静电电压表(20)读数。
8.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述游标卡尺(9)为数显卡尺，游标卡尺(9)的尺身固定在基座(11)上，游标卡尺(9)的游标显示部分固定在垂直运动机构(10)的仪表平台(14)上，整体结构能够拆卸，以便定期送计量机构溯源。
9.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于:所述保护电阻(2)安装于全封闭的绝缘支架内，其阻值设计满足相关计算公式如下:
10.一种非接触式静电电压表校准方法，其特征在于:依次包括边缘效应试验、示值误差校准、测试距离校准步骤；所述边缘效应试验是为了确定或评定由中心金属电极板(5)直径不够大而引入的测量不确定度，将边缘金属电极板(6)的四个独立金属电极板分别连接高电压或接地，造成不对称的边缘电场分布，以增大边缘效应，在边缘电场分布对称与不对称情况下，被校准非接触式静电电压表(20)位置不变，分别获得两次测量读数，取测量读数之差作为边缘效应引入的测量不确定度，是示值误差校准时的测量不确定度来源之一；所述示值误差校准是以直流高压源输出为标准电压Vs与被校准非接触式静电电压表(20)的读数\相比较，获得示值误差Λ Vx=Vx-Vs,示值误差校准是在被校准非接触式静电电压表(20)的技术要求所规定的测试距离条件下进行的，此测试距离是以被校准非接触式静电电压表(20)前端接触中心金属电极板(5)时为参考点，用游标卡尺(9)显示来调节垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)所移动的距离，若被校准非接触式静电电压表(20)有测试距离指示器，则用被校准非接触式静电电压表(20)指示器调节测试距离；所述测试距离校准是为了获得被校准非接触式静电电压表(20)能够准确测量电压时的实际测试距离，当被校准非接触式静电电压表(20)读数与直流高压源(I)的输出电压相等时，被校准非接触式静电电压表(20)前端到中心金属电极板(5)的距离为实际测试距离。
11.根据权利要求10所述的一种非接触式静电电压表校准方法，其特征在于:所述边缘效应试验是加重边缘效应的试验，以边缘效应的变化所造成被校准非接触式静电电压表(20)读数之差，作为边缘效应引入的测量不确定度，获得读数之差的步骤如下: (1)操作选择开关(3)，将所有中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)接地，被校准非接触式静电电压表(20)放在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上，使被校准非接触式静电电压表(20)前端伸出平台Icm以上，端面平行于中心金属电极板(5)，转动手轮(13)，移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端接触中心金属电极板(5)，此时把游标卡尺(9)的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺(9)的读数； (2)再转动手轮(13)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端离开中心金属电极板(5)，按游标卡尺(9)的显示到达被校准非接触式静电电压表(20)规定的测试距离，若被校准非接触式静电电压表(20)有测试距离指示器，则以其指示器为准，此时记录游标卡尺的读数，调节被校准非接触式静 电电压表(20)显示清零； (3)操作选择开关(3)，将中 心金属电极板(5)连接保护电阻(2)，将边缘金属电极板(6)其中的一个电极也连接保护电阻(2)，其余三个电极接地，设置直流高压源(I)输出电压为被校准非接触式静电电压表(20)量程的上限，输出电压，被校准非接触式静电电压表(20)的读数为V1 ； (4)再操作选择开关(3)，使所有中心金属电极板(5)、边缘金属电极板(6)接保护电阻(2)获得高电压，被校准非接触式静电电压表(20)读数为Vtl ； (5)若AV=V1-Vtl小于被校准非接触式静电电压表(20)的最大允许误差极限的1/3，则中心金属电极板(5)的边缘效应可以忽略不计，否则Λ V作为测量不确定度来源之一； (6 )依次变换边缘金属电极板(6 )中的四个独立电极的连接状态，使一个电极连接保护电阻(2)，另外三个电极接地，均按上述步骤(2)~(5)做边缘效应试验，在边缘金属电极板(6)的四个电极的不同连接状态下，测量4次，取Λ V最大的情况。
12.根据权利要求10所述的非接触式静电电压表校准方法，其特征在于:所述示值误差校准实现步骤如下: (I)操作选择开关(3)，将所有中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)接地，被校准非接触式静电电压表(20)放在在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上，使被校准非接触式静电电压表(20)前端伸出平台Icm以上，端面平行于中心金属电极板(5)，转动手轮(13)，移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端接触中心金属电极板(5)，此时把游标卡尺(9)的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺(9)的读数； (2)再转动手轮(13)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端离开中心金属电极板(5)，按游标卡尺(9)的显示到达被校准非接触式静电电压表(20)规定的测试距离，若被校准非接触式静电电压表(20)有测试距离指示器，则以其指示器为准，此时记录游标卡尺的读数，调节被校准非接触式静电电压表(20)显示清零； (3)操作选择开关(3)，将所有中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)连接保护电阻(2)，设置直流高压源(I)输出Vs，记录被校准非接触式静电电压表(20)的读数Vx，计算示值误差AVx=Vx-Vs ； (4)示值误差校准的测量不确定包括由边缘效应引入的测量不确定度，由直流高压源最大允许误差引入的测量不确定度和由测量距离不规范引入的测量不确定度。
13.根据权利要求10所述的非接触式静电电压表校准方法，其特征在于，所述测试距离校准实现步骤如下: (1)操作选择开关(3)，将所有中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)接地，被校准非接触式静电电压表(20)放在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上，使被校准非接触式静电电压表(20)前端伸出平台Icm以上，端面平行于中心金属电极板(5)，转动手轮(13)，移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端接触中心金属电极板(5)，此时把游标卡尺(9)的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺(9)的读数； (2)再转动手轮(13)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端离开中心金属电极板(5)，按游标卡尺(9)的显示接近被校准非接触式静电电压表(20)规定的测试距离，或接近测试距离指示器指定距离，调节被校准非接触式静电电压表(20)显示清零； (3)直流高压源(I)输出1000V时，调节手轮(13)，前后移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)读数等于1000V，此时记录游标卡尺(9)读数S1, S1作为1000V情况下的测试距离校准结果； (4)再将直流高压源(I)输出-1000V，调节手轮(13)，前后移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)读数等于-1000V，此时记录游标卡尺(9)读数S2，S2作为-1000V情况下的测试距离校准结果。
【文档编号】G01R35/00GK103499798SQ201310303386
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】刘民, 袁亚飞, 罗宇轩, 佟雷, 王鹤展 申请人:北京东方计量测试研究所