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無線測量物體電壓

2026年08月13日 08:58:20人氣：8來源：廣州頂源電子科技股份有限公司

　　無線電壓測量的物理原理

　　所有導電物體都具有一定的電容，我們可以將其分為自電容和相對于其他導體的電容。對于孤立物體，自電容占主導地位；對于導電球體，這是教科書表達式C = 4 πεε 0 R，其中ε 0是自由空間的介電常數，ε是相對介電常數，R是球體的半徑。人類的自電容范圍為 100-300 pF，如果我們帶足夠的靜電，這將為我們提供足夠的能量來炸毀 CMOS 芯片或點燃化學火災。

　　當導電物體獲得電荷q時，它們的電壓會發生變化：V = q / C。這回答了上述問題之一——衛星的電壓是其總電荷除以其電容。

　　我們如何測量電荷？高斯定律告訴我們，對于導電表面上給定的電荷密度，存在垂直于表面的相應電場：

　　E = σ/ε n ?

　　其中n?是垂直于表面的單位向量；此后我們將稱場大小為E。電荷密度取決于分布在物體有效表面積A上的總電荷：

　　Σ = q/A

　　我們測量電壓的過程如下：

　　測量垂直于表面的場大小E

　　這給了我們電荷密度

　　外推整個表面A以獲得q

　　將q除以(測量或估計的)自電容C即可得到V

　　因此，我們的衛星測量問題可以通過垂直于衛星表面的電場測量E并從中計算V來解決。

　　但是這個電壓測量的參考在哪里呢？線索在于關系V = q / C。對于太空中的衛星，C實際上是自電容，通常被描述為相對于假設的無限半徑空心導電球體的電容；該球體實際上是我們的電壓參考。

　　在物體的電容因與附近導體的互電容而增加的情況下，該物體將相應地影響局部電荷密度、E場幅度和V參考。

　　對浮動物體進行實用的電壓測量_

　　進行良好的直流電場測量非常困難。19世紀的科學家，如開爾文、庫侖和珀爾帖，都開發了“靜電計”，并取得了不同程度的成功。開爾文還發明了一種靜電發生器——“開爾文滴水器”——其純粹的性值得在維基百科上閱讀幾分鐘。

　　20世紀出現了一些相當的機電傳感器，但進展停滯不前。我們擁有出色的 MEMS 傳感器，可用于加速度、磁場、壓力等幾乎所有物理變量；但目前還沒有用于直流電場測量的商用硅傳感器。

　　究其原因，是包裝的根本問題。硅傳感器必須進行封裝，以保護芯片免受污染、氧化和機械損壞。如果我們將直流電場傳感器封裝在常用的塑料材料中，則材料蓋會獲取并保留來自日常污染物(例如灰塵和空氣中的水分)的靜電荷，這些污染物通常帶有離子電荷。污染物電荷會影響局部電場。如果我們將傳感器封裝在導電材料中，導體就會使我們嘗試測量的磁場短路。

　　這是一個未解決的問題。我們現在擁有的的傳感器都是傳統的機電設備，其中電極通過導電快門交替覆蓋或暴露在場中。這將直流場轉變為交流信號，并消除了許多偏移、漂移和污染源，因為其中大多數會產生不受快門移動調制的直流信號。然后，交流信號與快門移動同相進行解調。

　　兩種標準傳感器類型是音叉式，其中電極安裝在安裝在振動音叉的尖齒上的快門后面；電場磨機在電動機上有一個旋轉快門，交替暴露或覆蓋傳感電極。

　　在差分連接的三葉草形傳感電極上方可以清楚地看到快門。該裝置右側的物體是光電探測器，它將快門的位置提供給解調電路。三葉草的四片葉子對角連接成兩對，使每一對交替地被快門曝光或覆蓋。資料艾奧納科技

　　檢測到的實際信號是隨著感應場的出現和消失，傳感器板上和離開傳感器板的電荷運動。這些板連接到靜電計級運算放大器以進行差分放大，然后連接到相敏解調器(解調可以在微控制器中完成)。

　　現場研磨傳感器需要仔細包裝，因為附近的導體會扭曲電場，而附近的絕緣體會聚集靜電荷和離子污染，也會扭曲電場。在實踐中，我們發現用精心設計的導電網格覆蓋傳感器可以對其進行保護，而不會影響測量超出校準中所能考慮的范圍。

　　ESD無線控制

　　衛星的例子很有趣，但是我們實際上可以用這個方法做什么呢？在 Iona Tech，我們專注于解決電子制造中防止靜電放電 (ESD) 損壞的問題。自 20 世紀 80 年代采用 CMOS 技術以來，ESD 一直是一個問題，解決該問題的方法大多可以追溯到那個時代，本質上就是將視線內的所有東西接地。工人接地、工作站接地、機器接地、部件接地。

　　由于這些方法有時會失敗(手腕系帶斷裂、導電地板失去導電性、電刷觸點失效)，因此需要使用加濕器和電離器來支持接地，以中和源頭上的靜電積聚。過去幾十年來的技術進步是對腕帶的持續監控，它測量腕帶上的阻抗負載，并推斷腕帶是否正確佩戴和操作。

　　這些方法并不適合所有人。它們不適用于流動性很重要的情況，而且出于某種原因，工程師尤其不能坐以待斃。他們總是從一個工作站移動到另一個工作站，或者去取更多的咖啡，如果在每次移動之前和之后都需要系繩，他們會很惱火。正如一位 ESD 經理告訴我們的那樣，“物理定律顯然不適用于工程師。”

　　其他問題情況是航空航天制造，其中集成大型衛星變成了系繩意大利面的噩夢。然后是汽車工業，在移動的傳送帶上組裝高度計算機化的汽車，傳送帶周圍的系繩是主要的職業安全隱患。

　　Iona Tech 的執行官達安·史蒂文森 (Daan Stevenson) 經過慘痛的教訓才明白了這一點。他當時正在為科羅拉多州丹佛市一家現已倒閉的無人機初創公司開發原型自主無人機地面站。他在落基山山麓海拔高、空氣干燥的戶外工作，不斷地煎炸電路板；他只有糟糕的接地選擇，根本沒有腐殖化或電離的選擇。

　　他提出了一個問題：如果我們測量人們是否變得充電，并在充電時發出警報，會怎樣？有了可穿戴人體電壓表，我們就可以移動并保證 ESD 安全，而無需系繩或任何其他用具。

　　這個閑置的問題導致了對 ESD 真正無線控制的五年探索，其中包括美國國家科學基金會的一項研究該問題的撥款。該解決方案采用如下所示的微型可穿戴電場磨機的形式。這些已集成到工業物聯網 (IIoT) 模塊中，稱為 StatIQ Band，佩戴在上臂的帶子上，如下圖所示。

　　圖 2技術人員穿著 ESD 工作服，它提供了用于測量的導電平面，類似于直接皮膚接觸。資料艾奧納科技

　　圖 2顯示了電子裝配技術人員手臂上佩戴的可穿戴式人體電壓監測器(Iona Tech StatIQ Band)。該設備無法在聚酯等靜電服裝材料上正常工作。可以看到電場磨機，由的鍍金蓋保護。

　　一旦您能夠以簡單方便的方式測量您的身體電壓，各種應用都將成為可能。您可以評估工作環境中的所有物品(地毯、服裝、椅子以及您接觸到的所有物品)對電荷生成的影響。

　　您可以評估地板和電離的效果。在觸摸正在操作的電子設備之前發出警報是避免損壞的好方法，但也會產生巴甫洛夫響應，以便您在拿起烙鐵或示波器探頭之前自動觸摸接地點。

　　圖 3顯示了一個測量示例，將浮置體上電壓測量與使用電荷板監視器(3M 711 靜電電壓表)的傳統有線測量進行比較。

　　圖 3受試者在導電地板上行走，然后在普通的地毯地板上行走。測量結果表明兩種情況下摩擦起電的差異，并說明了浮動電壓測量的準確性。

　　此類設備的另一種可能性是檢測 ESD 事件。當您的身體向電路放電時，其電壓會急劇下降。檢測這種高 dv/dt 事件并測量其幅度，可以讓我們直接測量放電匯吸收的能量。當發生 ESD 放電時，這對于對正在處理的任何電子設備做出通過/失敗/返工決策非常有用。

　　其他應用

　　除了電子 ESD 之外，在許多領域中檢測靜態電壓累積具有實際價值。燃油和化學火災通常是由 ESD 引發的，其后果比 PCB 故障要嚴重得多。然后是閃電，這是的 ESD 事件。我們經常坐在實驗室里，將 StatIQ Band 放在窗戶上，觀看落基山的雷暴滾滾而來，并根據測量的場強來押注下爆炸的時間。

　　該技術不僅適用于人體電壓測量。在許多情況下，了解車輛或飛機上的靜電積累非常重要。例如，加油車在輸送燃油時必須注意接地和連接；如果檢測到危險電壓，則產生電壓警報或聯鎖燃油泵的機會很大。

關鍵詞：工作站電感器微控制器

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