本發(fā)明涉及靜電測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及一種靜電場(chǎng)測(cè)試儀。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是電子、IT、航天航空等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速崛起，大量的電子產(chǎn)品采用了集成電路和超大規(guī)模集成電路。但許多電子器件對(duì)靜電極為敏感，通常被稱為靜電敏感器件、靜電放電的能量雖然對(duì)傳統(tǒng)的分離器件影響甚微，但是靜電產(chǎn)生的靜電場(chǎng)和靜電流會(huì)成為器件的致命殺手，使得它們的功能失效或造成難以讓人發(fā)現(xiàn)的“軟擊穿”，造成產(chǎn)品硬件的損壞或不能正常工作，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、壽命、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。為了防止靜電造成危害，首先要利用儀器測(cè)量靜電產(chǎn)生的狀況，然后據(jù)此采取措施消除靜電，因此靜電的測(cè)量與研究變得越來(lái)越重要。

現(xiàn)有常用的靜電檢測(cè)主要應(yīng)用法拉第筒靜電感應(yīng)原理，做成平板式的非接觸型靜電感應(yīng)傳感器，將傳感器上感應(yīng)到的微弱電壓，通過(guò)運(yùn)算放大在終端數(shù)字屏上顯示，以便人們讀取。平板式傳感器有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是電容變化量很小，只有幾個(gè)PF，此特征使它極易受外界干擾，通過(guò)并聯(lián)傳感器的方法雖能夠提高電容變化量，但寄生電容仍會(huì)影響變化量，嚴(yán)重時(shí)寄生電容遠(yuǎn)大于本體電容，使有用信號(hào)被寄生電容噪聲淹沒(méi)，以至傳感器無(wú)法工作。這些寄生電容隨溫度、濕度、位置，以及元器件的性能等因素變化而變化。因此，測(cè)量靜電往往不夠精確，誤差較大，重復(fù)檢測(cè)一致性得不到保證。

CN 102353855 B公開(kāi)了一種便攜式靜電檢測(cè)裝置及其靜電檢測(cè)方法，其靜電感應(yīng)傳感器包括一帶有信號(hào)接收窗口的屏蔽殼體；在殼體內(nèi)部設(shè)置一靜電信號(hào)接收面；在殼體中設(shè)置電路板和一個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)支架；在信號(hào)傳導(dǎo)支架上，設(shè)置帶有振動(dòng)源的振動(dòng)電極片；在振動(dòng)電極片前端設(shè)置平行于金屬質(zhì)靜電信號(hào)接收面的遮掩片；振動(dòng)電極片的后端固定在信號(hào)傳導(dǎo)支架上或經(jīng)振動(dòng)源固定在信號(hào)傳導(dǎo)支架上；其電信號(hào)處理單元至少包括振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)電路，信號(hào)放大電路，整流電路和單片機(jī)電路。其通過(guò)機(jī)械遮斷方式將所感應(yīng)到的靜電電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔冸妷?，供輸出和后續(xù)檢測(cè)/放大單元使用，從根本上解決了靜電的定量檢測(cè)問(wèn)題，且監(jiān)檢測(cè)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性好，提高了靜電檢測(cè)的精度及穩(wěn)定性。但是，該專(zhuān)利公開(kāi)的靜電檢測(cè)裝置不能實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電的正負(fù)進(jìn)行區(qū)別，而且無(wú)法根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種靜電場(chǎng)測(cè)試儀，傳感器驅(qū)動(dòng)電路與靜電場(chǎng)傳感器構(gòu)成一個(gè)整體，用于感應(yīng)靜電場(chǎng)，其工作時(shí)產(chǎn)生兩路信號(hào)，一路是靜電場(chǎng)傳感器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片在交變電壓的作用下開(kāi)始振動(dòng)，并由平板電容振蕩極感應(yīng)出靜電信號(hào)，輸出微弱電流信號(hào)，經(jīng)微弱信號(hào)放大電路、分檔放大電路后經(jīng)過(guò)整流、濾波放大傳送給單片機(jī)的A/D端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過(guò)LCD顯示電路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示；另一路是靜電場(chǎng)傳感器的壓電陶瓷反饋片的反饋信號(hào)，送至傳感器驅(qū)動(dòng)電路中的飽和放大電路，產(chǎn)生方波信號(hào)，該方波信號(hào)既是驅(qū)動(dòng)電路的正反饋，也是靜電正負(fù)判別的依據(jù)，經(jīng)過(guò)移相電路的反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)半波整流后送至單片機(jī)的A/D端口進(jìn)行靜電正負(fù)極性的判別，進(jìn)一步提高靜電相關(guān)特性參數(shù)的完善性；分檔放大電路中采用數(shù)字電位器作為反饋電阻，電位器滑動(dòng)端的抽頭與單片機(jī)的I/O端口連接，通過(guò)單片機(jī)自動(dòng)調(diào)整反饋電阻的阻值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)試精度的靈活調(diào)整。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種靜電場(chǎng)測(cè)試儀，包括依次連接的靜電信號(hào)檢測(cè)單元、信號(hào)調(diào)理單元、單片機(jī)，所述靜電信號(hào)檢測(cè)單元包括靜電場(chǎng)傳感器、傳感器驅(qū)動(dòng)電路，所述靜電場(chǎng)傳感器的反饋端與傳感器驅(qū)動(dòng)電路連接，所述傳感器驅(qū)動(dòng)電路的輸出端與靜電場(chǎng)傳感器的驅(qū)動(dòng)端連接；所述信號(hào)調(diào)理單元包括依次連接的微弱信號(hào)放大電路、分檔放大電路、第一整流電路以及濾波放大電路，所述微弱信號(hào)放大電路的輸入端與靜電場(chǎng)傳感器的有效信號(hào)輸出端連接，所述濾波放大電路的輸出端與單片機(jī)的A/D端口連接，所述第一半波整流電路的輸出端同時(shí)與單片機(jī)的A/D端口連接；還包括靜電極性識(shí)別單元，所述靜電極性識(shí)別單元包括依次連接的移相電路、第二整流電路，所述移相電路的輸入端與傳感器驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接，第二半波整流電路的輸出端與單片機(jī)的A/D端口連接。

具體地，所述靜電場(chǎng)傳感器包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片、壓電陶瓷反饋片、平板電容振蕩極、金屬塊以及振梁，所述壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片和壓電陶瓷反饋片各有一面與振梁相接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片和壓電陶瓷反饋片的另一面通過(guò)導(dǎo)線與金屬塊連接，平板電容振蕩極與振梁連接，振梁固定在金屬塊上，金屬塊通過(guò)導(dǎo)線連接在微弱信號(hào)放大電路的接地端。

進(jìn)一步地，所述單片機(jī)的I/O端口還連接有LCD顯示電路、按鍵電路，單片機(jī)的SCI端口同時(shí)與上位機(jī)的通訊端口對(duì)應(yīng)連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、就地顯示，并通過(guò)通訊端口傳送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

再進(jìn)一步地，所述傳感器驅(qū)動(dòng)電路包括以第一運(yùn)算放大器U1為核心的飽和放大電路，以第二運(yùn)算放大器U2、第三運(yùn)算放大器U3為核心的振蕩電路，以及升壓變壓器T1；所述飽和放大電路有兩路輸出信號(hào)，一路輸出信號(hào)與振蕩電路的負(fù)向輸入端輸入連接，所述振蕩電路的輸出端與升壓變壓器T1連接，用以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片；飽和放大電路的另一路輸出信號(hào)與移相電路的輸入端連接，用于對(duì)靜電的正負(fù)極性進(jìn)行判定。

再進(jìn)一步地，所述微弱信號(hào)放大電路由第四運(yùn)算放大器U4、第五運(yùn)算放大器U5以及若干電容器、電阻器構(gòu)成，其中所述第四運(yùn)算放大器U4、第五運(yùn)算放大器U5以級(jí)聯(lián)方式連接。

優(yōu)選地，所述微弱信號(hào)放大電路與靜電場(chǎng)傳感器放置在同一個(gè)屏蔽盒內(nèi)。

更進(jìn)一步地，所述分檔放大電路由第六運(yùn)算放大器U6、電位器Rw以及若干電阻器、電容器構(gòu)成，所述電位器Rw連接在第六運(yùn)算放大器U6的負(fù)向輸入端與輸出端之間，構(gòu)成反饋電阻；所述電位器Rw滑動(dòng)端的抽頭與單片機(jī)連接，通過(guò)單片機(jī)自動(dòng)調(diào)整反饋電阻的阻值。

優(yōu)選地，所述電位器Rw的型號(hào)為Z9313T。

優(yōu)選地，所述第一整流電路和第二整流電路均選用常規(guī)的半波整流電路。

優(yōu)選地，所述單片機(jī)的型號(hào)為PIC16C73。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明中采用傳感器驅(qū)動(dòng)電路與靜電場(chǎng)傳感器構(gòu)成一個(gè)整體，用于感應(yīng)靜電場(chǎng)，其工作時(shí)產(chǎn)生兩路信號(hào)，一路是靜電場(chǎng)傳感器的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片在交變電壓的作用下開(kāi)始振動(dòng)，并由平板電容振蕩極感應(yīng)出靜電信號(hào)，輸出微弱電流信號(hào)，經(jīng)微弱信號(hào)放大電路、分檔放大電路后經(jīng)過(guò)整流、濾波放大傳送給單片機(jī)的A/D端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過(guò)LCD顯示電路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示；另一路是靜電場(chǎng)傳感器的壓電陶瓷反饋片的反饋信號(hào)，送至傳感器驅(qū)動(dòng)電路中的飽和放大電路，產(chǎn)生方波信號(hào)，該方波信號(hào)既是驅(qū)動(dòng)電路的正反饋，也是靜電正負(fù)判別的依據(jù)，經(jīng)過(guò)移相電路的反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)半波整流后送至單片機(jī)的A/D端口進(jìn)行靜電正負(fù)極性的判別，進(jìn)一步提高靜電相關(guān)特性參數(shù)的完善性；分檔放大電路中采用數(shù)字電位器作為反饋電阻，電位器滑動(dòng)端的抽頭與單片機(jī)連接，通過(guò)單片機(jī)自動(dòng)調(diào)整反饋電阻的阻值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)試精度的靈活調(diào)整。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明中靜電場(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明中的傳感器驅(qū)動(dòng)電路圖。

圖4是本發(fā)明中的微弱信號(hào)放大電路圖。

圖5是本發(fā)明中的分檔放大電路圖。

圖6是本發(fā)明中的半波整流電路圖。

圖7是本發(fā)明中的濾波放大電路圖。

圖8是本發(fā)明中的移相電路圖。

附圖中各模塊的名稱為：

110-靜電場(chǎng)傳感器，111-壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片，112-壓電陶瓷反饋片，113-平板電容振蕩極，114-金屬塊，115-振梁，120-傳感器驅(qū)動(dòng)電路，210-微弱信號(hào)放大電路，220-分檔放大電路，230-第一整流電路，240-濾波放大電路，300-單片機(jī)，410-移相電路，420-第二整流電路，500-LCD顯示電路，600-按鍵電路，700-上位機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

根據(jù)附圖1所示，一種靜電場(chǎng)測(cè)試儀，包括靜電信號(hào)檢測(cè)單元、信號(hào)調(diào)理單元、靜電極性識(shí)別單元、單片機(jī)300。其中單片機(jī)300的型號(hào)為PIC16C73，是一種基于RISC結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比嵌入式控制器，其總線結(jié)構(gòu)采取數(shù)據(jù)總線和指令線分離的哈佛結(jié)構(gòu)，具有很高的流水處理速度。

所述靜電信號(hào)檢測(cè)單元包括靜電場(chǎng)傳感器110、傳感器驅(qū)動(dòng)電路120；靜電場(chǎng)傳感器110的反饋端與傳感器驅(qū)動(dòng)電路120連接，所述傳感器驅(qū)動(dòng)電路120的輸出端與靜電場(chǎng)傳感器110的驅(qū)動(dòng)端連接。

所述信號(hào)調(diào)理單元包括依次連接的微弱信號(hào)放大電路210、分檔放大電路220、第一整流電路230以及濾波放大電路240，所述微弱信號(hào)放大電路210的輸入端與靜電場(chǎng)傳感器110的有效信號(hào)輸出端連接，所述濾波放大電路240的輸出端與單片機(jī)300的AN0端口連接，所述第一半波整流電路230的輸出端同時(shí)與單片機(jī)的AN1端口連接。

所述靜電極性識(shí)別單元包括依次連接的移相電路410、第二整流電路420，所述移相電路410的輸入端與傳感器驅(qū)動(dòng)電路120的輸出端連接，第二整流電路420的輸出端與單片機(jī)的AN2端口連接。

如圖2所示，靜電場(chǎng)傳感器110包括壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片111、壓電陶瓷反饋片112、平板電容振蕩極113、金屬塊114以及振梁115，振梁115的一端與金屬塊114連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片111、壓電陶瓷反饋片112各有一面與振梁115相接，平板電容振蕩極113與振梁114連接，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片111、壓電陶瓷反饋片112的另一面通過(guò)導(dǎo)線與金屬塊114連接，金屬塊114通過(guò)導(dǎo)線L24連接至信號(hào)調(diào)理單元的接地端。

如圖3所示，傳感器驅(qū)動(dòng)電路120包括以第一運(yùn)算放大器U1為核心的飽和放大電路，以第二運(yùn)算放大器U2、第三運(yùn)算放大器U3為核心的振蕩電路，以及升壓變壓器T1；所述飽和放大電路有兩路輸出信號(hào)V32和V33，輸出信號(hào)V32與振蕩電路的負(fù)向輸入端輸入連接，所述振蕩電路的輸出端與升壓變壓器T1連接，升壓變壓器T1的輸出端V34通過(guò)導(dǎo)線L21與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片111連接，作為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片111的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

靜電場(chǎng)傳感器110與傳感器驅(qū)動(dòng)電路120構(gòu)成一個(gè)整體，用于感應(yīng)靜電場(chǎng)，工作時(shí)將產(chǎn)生兩路信號(hào)：當(dāng)升壓變壓器T1產(chǎn)生的交流信號(hào)加在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)片111的兩面后，振梁115振動(dòng)，從而引起壓電陶瓷反饋片112形變并產(chǎn)生同頻率的交流反饋信號(hào)，交流反饋信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線L22與傳感器驅(qū)動(dòng)電路120的輸入端V31連接，以作為傳感器驅(qū)動(dòng)電路120的正反饋；同時(shí)，平板電容振蕩極113振動(dòng)且振幅最大，與電容的另一靜止極形成極板距離交變，靜電場(chǎng)不變而電容值改變導(dǎo)致極板上電荷的改變，于是產(chǎn)生交變的電流輸出信號(hào)，該交變電流信號(hào)即為靜電場(chǎng)傳感器110的有效信號(hào)輸出端。

進(jìn)一步地，所述單片機(jī)的I/O端口與LCD顯示電路、按鍵電路相連接，單片機(jī)的I/O端口同時(shí)與上位機(jī)的通訊端口對(duì)應(yīng)連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、就地顯示，并通過(guò)通訊端口傳送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

靜電場(chǎng)傳感器110開(kāi)始工作后，平板電容振蕩極113感應(yīng)出靜電信號(hào)，其輸出的有效信號(hào)是約為10^-9數(shù)量級(jí)的微弱電流，如圖4所示，該微弱電流通過(guò)導(dǎo)線L23與微弱信號(hào)放大電路210的輸入端V41連接，經(jīng)由第四運(yùn)算放大器U4、第五運(yùn)算放大器U5級(jí)聯(lián)放大后輸出，該微弱信號(hào)放大電路210必須和靜電傳感器110一同放置在屏蔽盒內(nèi)，以避免空間電場(chǎng)的干擾，影響測(cè)量精度。

為了進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度，微弱信號(hào)放大后在經(jīng)一級(jí)分檔放大，如圖5所示，微弱信號(hào)放大電路210的輸出端V42與分檔放大電路220的輸入端V51連接，經(jīng)由電容器C25、電容器C26、電阻器R22組成的RC電路延時(shí)后，再經(jīng)過(guò)第六運(yùn)算放大器U6放大，并且采用電位器Rw作為反饋電阻，電位器Rw采用Z9313T，該電位器具有32個(gè)可被滑動(dòng)端訪問(wèn)的抽頭，該32個(gè)抽頭由單片機(jī)300控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接入不同的反饋電阻值，實(shí)現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，進(jìn)而適應(yīng)不同精度的需求。

分檔放大電路220的輸出是交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)圖6所示的半波整流電路后整流后，靜電傳感器110的有效信號(hào)分作兩路，一路直接送至單片機(jī)300的AN1端口，用作靜電信號(hào)正負(fù)判定的觸發(fā)信號(hào)；另一路經(jīng)過(guò)圖7所示的濾波放大電路后送至單片機(jī)300的AN0端口，用作靜電大小的測(cè)量；傳感器驅(qū)動(dòng)電路120中飽和放大電路的輸出信號(hào)V33經(jīng)過(guò)圖8所示的移相電路410后再經(jīng)過(guò)半波整流送至單片機(jī)300的AN2端；當(dāng)檢測(cè)到單片機(jī)300的AN1端不為零時(shí)測(cè)量AN2端的信號(hào)，當(dāng)同相時(shí)測(cè)得移相電路410的反饋輸出接近5V，判定靜電為正；而反相時(shí)測(cè)得移相電路410反饋輸出接近0V，判定靜電為負(fù)，此種判定方法易實(shí)現(xiàn)，準(zhǔn)確度高。

單片機(jī)300的I/O端口還連接有LCD顯示電路500、按鍵電路600、上位機(jī)700，不僅可以實(shí)時(shí)顯示靜電電量及極性，還可以通過(guò)上位機(jī)700實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋、數(shù)據(jù)保持、鍵入等功能。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，但凡采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行非創(chuàng)造性勞動(dòng)而作出的變化，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。