一种静电场测试仪的制作方法

本发明涉及静电测试领域，尤其涉及一种静电场测试仪。

背景技术：

随着科学技术的飞速发展，尤其是电子、IT、航天航空等高新技术产业的飞速崛起，大量的电子产品采用了集成电路和超大规模集成电路。但许多电子器件对静电极为敏感，通常被称为静电敏感器件、静电放电的能量虽然对传统的分离器件影响甚微，但是静电产生的静电场和静电流会成为器件的致命杀手，使得它们的功能失效或造成难以让人发现的“软击穿”，造成产品硬件的损坏或不能正常工作，直接影响产品质量、寿命、可靠性和经济性。为了防止静电造成危害，首先要利用仪器测量静电产生的状况，然后据此采取措施消除静电，因此静电的测量与研究变得越来越重要。

现有常用的静电检测主要应用法拉第筒静电感应原理，做成平板式的非接触型静电感应传感器，将传感器上感应到的微弱电压，通过运算放大在终端数字屏上显示，以便人们读取。平板式传感器有一个重要特点，就是电容变化量很小，只有几个PF，此特征使它极易受外界干扰，通过并联传感器的方法虽能够提高电容变化量，但寄生电容仍会影响变化量，严重时寄生电容远大于本体电容，使有用信号被寄生电容噪声淹没，以至传感器无法工作。这些寄生电容随温度、湿度、位置，以及元器件的性能等因素变化而变化。因此，测量静电往往不够精确，误差较大，重复检测一致性得不到保证。

CN 102353855 B公开了一种便携式静电检测装置及其静电检测方法，其静电感应传感器包括一带有信号接收窗口的屏蔽壳体；在壳体内部设置一静电信号接收面；在壳体中设置电路板和一个信号传导支架；在信号传导支架上，设置带有振动源的振动电极片；在振动电极片前端设置平行于金属质静电信号接收面的遮掩片；振动电极片的后端固定在信号传导支架上或经振动源固定在信号传导支架上；其电信号处理单元至少包括振动源驱动电路，信号放大电路，整流电路和单片机电路。其通过机械遮断方式将所感应到的静电电压转变为交变电压，供输出和后续检测/放大单元使用，从根本上解决了静电的定量检测问题，且监检测数据的可重复性好，提高了静电检测的精度及稳定性。但是，该专利公开的静电检测装置不能实现对静电的正负进行区别，而且无法根据实际需求灵活调整测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种静电场测试仪，传感器驱动电路与静电场传感器构成一个整体，用于感应静电场，其工作时产生两路信号，一路是静电场传感器的压电陶瓷驱动片在交变电压的作用下开始振动，并由平板电容振荡极感应出静电信号，输出微弱电流信号，经微弱信号放大电路、分档放大电路后经过整流、滤波放大传送给单片机的A/D端口进行转换，并经过LCD显示电路实现实时显示；另一路是静电场传感器的压电陶瓷反馈片的反馈信号，送至传感器驱动电路中的饱和放大电路，产生方波信号，该方波信号既是驱动电路的正反馈，也是静电正负判别的依据，经过移相电路的反馈信号经过半波整流后送至单片机的A/D端口进行静电正负极性的判别，进一步提高静电相关特性参数的完善性；分档放大电路中采用数字电位器作为反馈电阻，电位器滑动端的抽头与单片机的I/O端口连接，通过单片机自动调整反馈电阻的阻值，进而实现测试精度的灵活调整。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种静电场测试仪，包括依次连接的静电信号检测单元、信号调理单元、单片机，所述静电信号检测单元包括静电场传感器、传感器驱动电路，所述静电场传感器的反馈端与传感器驱动电路连接，所述传感器驱动电路的输出端与静电场传感器的驱动端连接；所述信号调理单元包括依次连接的微弱信号放大电路、分档放大电路、第一整流电路以及滤波放大电路，所述微弱信号放大电路的输入端与静电场传感器的有效信号输出端连接，所述滤波放大电路的输出端与单片机的A/D端口连接，所述第一半波整流电路的输出端同时与单片机的A/D端口连接；还包括静电极性识别单元，所述静电极性识别单元包括依次连接的移相电路、第二整流电路，所述移相电路的输入端与传感器驱动电路的输出端连接，第二半波整流电路的输出端与单片机的A/D端口连接。

具体地，所述静电场传感器包括压电陶瓷驱动片、压电陶瓷反馈片、平板电容振荡极、金属块以及振梁，所述压电陶瓷驱动片和压电陶瓷反馈片各有一面与振梁相接，压电陶瓷驱动片和压电陶瓷反馈片的另一面通过导线与金属块连接，平板电容振荡极与振梁连接，振梁固定在金属块上，金属块通过导线连接在微弱信号放大电路的接地端。

进一步地，所述单片机的I/O端口还连接有LCD显示电路、按键电路，单片机的SCI端口同时与上位机的通讯端口对应连接，进而实现数据记录、就地显示，并通过通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

再进一步地，所述传感器驱动电路包括以第一运算放大器U1为核心的饱和放大电路，以第二运算放大器U2、第三运算放大器U3为核心的振荡电路，以及升压变压器T1；所述饱和放大电路有两路输出信号，一路输出信号与振荡电路的负向输入端输入连接，所述振荡电路的输出端与升压变压器T1连接，用以驱动压电陶瓷驱动片；饱和放大电路的另一路输出信号与移相电路的输入端连接，用于对静电的正负极性进行判定。

再进一步地，所述微弱信号放大电路由第四运算放大器U4、第五运算放大器U5以及若干电容器、电阻器构成，其中所述第四运算放大器U4、第五运算放大器U5以级联方式连接。

优选地，所述微弱信号放大电路与静电场传感器放置在同一个屏蔽盒内。

更进一步地，所述分档放大电路由第六运算放大器U6、电位器Rw以及若干电阻器、电容器构成，所述电位器Rw连接在第六运算放大器U6的负向输入端与输出端之间，构成反馈电阻；所述电位器Rw滑动端的抽头与单片机连接，通过单片机自动调整反馈电阻的阻值。

优选地，所述电位器Rw的型号为Z9313T。

优选地，所述第一整流电路和第二整流电路均选用常规的半波整流电路。

优选地，所述单片机的型号为PIC16C73。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明中采用传感器驱动电路与静电场传感器构成一个整体，用于感应静电场，其工作时产生两路信号，一路是静电场传感器的压电陶瓷驱动片在交变电压的作用下开始振动，并由平板电容振荡极感应出静电信号，输出微弱电流信号，经微弱信号放大电路、分档放大电路后经过整流、滤波放大传送给单片机的A/D端口进行转换，并经过LCD显示电路实现实时显示；另一路是静电场传感器的压电陶瓷反馈片的反馈信号，送至传感器驱动电路中的饱和放大电路，产生方波信号，该方波信号既是驱动电路的正反馈，也是静电正负判别的依据，经过移相电路的反馈信号经过半波整流后送至单片机的A/D端口进行静电正负极性的判别，进一步提高静电相关特性参数的完善性；分档放大电路中采用数字电位器作为反馈电阻，电位器滑动端的抽头与单片机连接，通过单片机自动调整反馈电阻的阻值，进而实现测试精度的灵活调整。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明中静电场传感器的结构示意图。

图3是本发明中的传感器驱动电路图。

图4是本发明中的微弱信号放大电路图。

图5是本发明中的分档放大电路图。

图6是本发明中的半波整流电路图。

图7是本发明中的滤波放大电路图。

图8是本发明中的移相电路图。

附图中各模块的名称为：

110-静电场传感器，111-压电陶瓷驱动片，112-压电陶瓷反馈片，113-平板电容振荡极，114-金属块，115-振梁，120-传感器驱动电路，210-微弱信号放大电路，220-分档放大电路，230-第一整流电路，240-滤波放大电路，300-单片机，410-移相电路，420-第二整流电路，500-LCD显示电路，600-按键电路，700-上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

根据附图1所示，一种静电场测试仪，包括静电信号检测单元、信号调理单元、静电极性识别单元、单片机300。其中单片机300的型号为PIC16C73，是一种基于RISC结构的高性价比嵌入式控制器，其总线结构采取数据总线和指令线分离的哈佛结构，具有很高的流水处理速度。

所述静电信号检测单元包括静电场传感器110、传感器驱动电路120；静电场传感器110的反馈端与传感器驱动电路120连接，所述传感器驱动电路120的输出端与静电场传感器110的驱动端连接。

所述信号调理单元包括依次连接的微弱信号放大电路210、分档放大电路220、第一整流电路230以及滤波放大电路240，所述微弱信号放大电路210的输入端与静电场传感器110的有效信号输出端连接，所述滤波放大电路240的输出端与单片机300的AN0端口连接，所述第一半波整流电路230的输出端同时与单片机的AN1端口连接。

所述静电极性识别单元包括依次连接的移相电路410、第二整流电路420，所述移相电路410的输入端与传感器驱动电路120的输出端连接，第二整流电路420的输出端与单片机的AN2端口连接。

如图2所示，静电场传感器110包括压电陶瓷驱动片111、压电陶瓷反馈片112、平板电容振荡极113、金属块114以及振梁115，振梁115的一端与金属块114连接，压电陶瓷驱动片111、压电陶瓷反馈片112各有一面与振梁115相接，平板电容振荡极113与振梁114连接，压电陶瓷驱动片111、压电陶瓷反馈片112的另一面通过导线与金属块114连接，金属块114通过导线L24连接至信号调理单元的接地端。

如图3所示，传感器驱动电路120包括以第一运算放大器U1为核心的饱和放大电路，以第二运算放大器U2、第三运算放大器U3为核心的振荡电路，以及升压变压器T1；所述饱和放大电路有两路输出信号V32和V33，输出信号V32与振荡电路的负向输入端输入连接，所述振荡电路的输出端与升压变压器T1连接，升压变压器T1的输出端V34通过导线L21与压电陶瓷驱动片111连接，作为压电陶瓷驱动片111的驱动信号。

静电场传感器110与传感器驱动电路120构成一个整体，用于感应静电场，工作时将产生两路信号：当升压变压器T1产生的交流信号加在压电陶瓷驱动片111的两面后，振梁115振动，从而引起压电陶瓷反馈片112形变并产生同频率的交流反馈信号，交流反馈信号通过导线L22与传感器驱动电路120的输入端V31连接，以作为传感器驱动电路120的正反馈；同时，平板电容振荡极113振动且振幅最大，与电容的另一静止极形成极板距离交变，静电场不变而电容值改变导致极板上电荷的改变，于是产生交变的电流输出信号，该交变电流信号即为静电场传感器110的有效信号输出端。

进一步地，所述单片机的I/O端口与LCD显示电路、按键电路相连接，单片机的I/O端口同时与上位机的通讯端口对应连接，进而实现数据记录、就地显示，并通过通讯端口传送至上位机进行进一步的数据处理。

静电场传感器110开始工作后，平板电容振荡极113感应出静电信号，其输出的有效信号是约为10^-9数量级的微弱电流，如图4所示，该微弱电流通过导线L23与微弱信号放大电路210的输入端V41连接，经由第四运算放大器U4、第五运算放大器U5级联放大后输出，该微弱信号放大电路210必须和静电传感器110一同放置在屏蔽盒内，以避免空间电场的干扰，影响测量精度。

为了进一步提高测量准确度，微弱信号放大后在经一级分档放大，如图5所示，微弱信号放大电路210的输出端V42与分档放大电路220的输入端V51连接，经由电容器C25、电容器C26、电阻器R22组成的RC电路延时后，再经过第六运算放大器U6放大，并且采用电位器Rw作为反馈电阻，电位器Rw采用Z9313T，该电位器具有32个可被滑动端访问的抽头，该32个抽头由单片机300控制，进而实现接入不同的反馈电阻值，实现不同的放大倍数，进而适应不同精度的需求。

分档放大电路220的输出是交流信号，经过图6所示的半波整流电路后整流后，静电传感器110的有效信号分作两路，一路直接送至单片机300的AN1端口，用作静电信号正负判定的触发信号；另一路经过图7所示的滤波放大电路后送至单片机300的AN0端口，用作静电大小的测量；传感器驱动电路120中饱和放大电路的输出信号V33经过图8所示的移相电路410后再经过半波整流送至单片机300的AN2端；当检测到单片机300的AN1端不为零时测量AN2端的信号，当同相时测得移相电路410的反馈输出接近5V，判定静电为正；而反相时测得移相电路410反馈输出接近0V，判定静电为负，此种判定方法易实现，准确度高。

单片机300的I/O端口还连接有LCD显示电路500、按键电路600、上位机700，不仅可以实时显示静电电量及极性，还可以通过上位机700实现自动换挡、数据保持、键入等功能。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。