無線電壓測量的物理原理

所有導(dǎo)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(dǎo)體的電容。對于孤立物體，自電容占主導(dǎo)地位；對于導(dǎo)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(shù)，ε是相對介電常數(shù)，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(xué)火災(zāi)。

當(dāng)導(dǎo)電物體獲得電荷q時，它們的電壓會發(fā)生變化：V = q / C。這回答了上述問題之一——衛(wèi)星的電壓是其總電荷除以其電容。

我們?nèi)绾螠y量電荷？高斯定律告訴我們，對于導(dǎo)電表面上給定的電荷密度，存在垂直于表面的相應(yīng)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(wèi)星測量問題可以通過垂直于衛(wèi)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(guān)系V = q / C。對于太空中的衛(wèi)星，C實際上是自電容，通常被描述為相對于假設(shè)的無限半徑空心導(dǎo)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(dǎo)體的互電容而增加的情況下，該物體將相應(yīng)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(jì)的科學(xué)家，如開爾文、庫侖和珀爾帖，都開發(fā)了“靜電計”，并取得了不同程度的成功。開爾文還發(fā)明了一種靜電發(fā)生器——“開爾文滴水器”——其純粹的獨創(chuàng)性值得在維基百科上閱讀幾分鐘。

20世紀(jì)出現(xiàn)了一些相當(dāng)?shù)臋C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(dǎo)電材料中，導(dǎo)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(xiàn)在擁有的的傳感器都是傳統(tǒng)的機電設(shè)備，其中電極通過導(dǎo)電快門交替覆蓋或暴露在場中。這將直流場轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘?，并消除了許多偏移、漂移和污染源，因為其中大多數(shù)會產(chǎn)生不受快門移動調(diào)制的直流信號。然后，交流信號與快門移動同相進行解調(diào)。

兩種標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(cè)的物體是光電探測器，它將快門的位置提供給解調(diào)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(yīng)場的出現(xiàn)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(diào)器（解調(diào)可以在微控制器中完成）。

現(xiàn)場研磨傳感器需要仔細包裝，因為附近的導(dǎo)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(fā)現(xiàn)用精心設(shè)計的導(dǎo)電網(wǎng)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(zhǔn)中所能考慮的范圍。

ESD無線控制

衛(wèi)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(jì) 80 年代采用 CMOS 技術(shù)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(zhì)上就是將視線內(nèi)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(dǎo)電地板失去導(dǎo)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(shù)進步是對腕帶的持續(xù)監(jiān)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(jīng)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(wèi)星變成了系繩意大利面的噩夢。然后是汽車工業(yè)，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(yè)安全隱患。

Iona Tech 的執(zhí)行官達安·史蒂文森 (Daan Stevenson) 經(jīng)過慘痛的教訓(xùn)才明白了這一點。他當(dāng)時正在為科羅拉多州丹佛市一家現(xiàn)已倒閉的無人機初創(chuàng)公司開發(fā)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(fā)出警報，會怎樣？有了可穿戴人體電壓表，我們就可以完全移動并保證 ESD 安全，而無需系繩或任何其他用具。

這個閑置的問題導(dǎo)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(xué)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(yè)物聯(lián)網(wǎng) (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(shù)人員穿著 ESD 工作服，它提供了用于測量的導(dǎo)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(shù)人員手臂上佩戴的可穿戴式人體電壓監(jiān)測器（Iona Tech StatIQ Band）。該設(shè)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(yīng)用都將成為可能。您可以評估工作環(huán)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(shè)備之前發(fā)出警報是避免損壞的好方法，但也會產(chǎn)生巴甫洛夫響應(yīng)，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(jiān)視器（3M 711 靜電電壓表）的傳統(tǒng)有線測量進行比較。

圖 3受試者在導(dǎo)電地板上行走，然后在普通的地毯地板上行走。測量結(jié)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(zhǔn)確性。

此類設(shè)備的另一種可能性是檢測 ESD 事件。當(dāng)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(dāng)發(fā)生 ESD 放電時，這對于對正在處理的任何電子設(shè)備做出通過/失敗/返工決策非常有用。

其他應(yīng)用

除了電子 ESD 之外，在許多領(lǐng)域中檢測靜態(tài)電壓累積具有實際價值。燃油和化學(xué)火災(zāi)通常是由 ESD 引發(fā)的，其后果比 PCB 故障要嚴(yán)重得多。然后是閃電，這是的 ESD 事件。我們經(jīng)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(jù)測量的場強來押注下爆炸的時間。

該技術(shù)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(chǎn)生電壓警報或聯(lián)鎖燃油泵的機會很大。