基于PIC系列单片机的便携式静电测量仪

1 2.
(上接第 74页 )
参考文献
1 虞 和 济 .振 动 诊 断 的 工 程 应 用 . 北 京: 冶 金 工 业 出 版 社 , 1992, 155～ 164.
2 卢文祥 .工程测试与信息处理 .武汉: 华中理工大学出版 (上接第 79页 )
图 4 微弱信号放大电路
社 , 1994, 35～ 65. 3 王胜 .故 障诊 断与 性能 监测 .广 州: 华南 理工 大学 出版 社 ,
Portable Electrometer Based on PIC Series Singlechip
Ta n Zheng hua Hu G uang rui ( Dep. of Electronic Eng. Shanghai J iao Tong Univ . Shanghai 200052 China ) Gan Zhanyo ng (Construction Design Of f ice of Real Estate Management Company N anshi District Shanghai 200010 )
基于 PIC系列单片机的便携式静电测量 仪采用 自行设计的电容式静电传感器 ,并具有自动换档、数据 保持、键入与显示、电池指示和通信等功能 ,既能以较 高的精度测量静电的大小又能区别正负 ,并可采用上 下位机结构形成一个静电测控系统 ,实现静电测量的 智能化和多功能化。
* 本文于 1998年 5月收到。
1 引 言
2 静电测量传感器
静电是同性束缚电荷的积累 ,积累到一定程度时 便会引起危害甚至灾难 ,如静电的放电引起爆炸、干扰 通信等 [1 ] ,而且随着高分子材料的广泛应用 ,静电的危 害问题越来越严重。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。
4 测试数据和误差分析
误差主要来源于传感器 ,在于三点: 1)静电测量采 用非接触性传感器 ,当距离改变时传感器的输出明显 改变 ,因而保证传感器与被测物体之间的准确定位是 减少测量误差的有效手段 ; 2)振梁振幅的波动将引入
表 1 测试数据与 误差
高压电源电压 (V ) 300 500 800 1000 1500 2000 3000 5000 8000
较大的误差 ,这一点可通过传感器的良好设计和加工 改善 ; 3)传感器的非线性。
另外传感器输出经微弱信号放大也会产生误差 , 而分档放大和整流滤波经实测准确度相当高 ,其误差 可忽略 , A /D转换为 8位 ,引入一定的量化误差 ,实测 总的误差为± 6% 。 采用最小二乘法二次曲线拟合 ,拟 合后的误差如表 1所示 ,为± 3% ,获得了较高的测量 准确度。 检测测量误差是将高压源输出直流接在电容 两端 ,一端接一金属极板以产生静电荷 ,然后将静电测 量仪置于极板上测量 ,测量值和高压源的实际输出相 比较来定标和判断测量准确度。
为了提高测量准确度 ,微弱信号放大后再经一级分 档放大 ,如图 5所示。 如有效测量范围为 300～ 10000V, 这就要求放大电路和 A /D工作在 33倍宽的范围内 ,势 必降低准确度 ,尤其是低端的量化误差会很大; 若采用分 档放大则可让信号值处在放大器和 A /D较理想的电压
范围。措施是通过单片机自动调整分档放大的反馈电阻。 反 馈 电 阻采 用 Zico r 公 司 的 非易 失 性 数 字 电位 器 Z9313T,该电位器具有 32个可被滑动端访问的抽头 ,利 用该电位器可方便地实现 32档放大。
Abstract St atic has mo re and m ore i nf luence o n daily manuf act ure and lif e of people, a nd ef fective elect rosta tic m easuri ng i nstrument is demanded urg ent ly. This paper i ntroduces a ki nd of i ntelligent po rtable el ect romet er w it h t he singlechip and focuses. In o rder to m easure st atic ef fectively , a new sta ti c senso r is ma nufactured. Besi des, this paper puts f orw ard an ef f ective m ethod distingui shi ng positiv e f rom negativ e of measurement. The resul t of experi ment show s that thi s desig n is ef fectiv e. Key words St atic Measure met er Sensor si ng lechi p
图 5 信号分档放大电路
( AN 1)不为零时测量反馈信号 ( AN 2) ,当同相时将测 得反馈输入接近 5V,判静电为正 ; 而反相时反馈输入 接近 0V( - 5V 经半波整流为 0V ) ,判为负 ,很容易实 现。 该方法比传统的测量仪器中采用两信号相乘判断 被测量的正负简单且丝毫不影响准确度。
第 1 期
基于 P IC系列单片机的便携式静电测量仪
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3 系统设计
图 1 传感器的 结构图
(起固定作用 ) ,中间长条 5# 为振梁。其工作过程为交 流电压加在 1# 两面使振梁振动 (压电陶瓷在交变电 场作用下产生机械振动 ,将电能转化为机械能 [ 3] ) ,从 而引起 2# 形变产生同频率的交流反馈信号供传感器 驱动电路作输入 (将机械能转化为电能 ) , 3# 亦振动且 振幅最大 ,与电容的另一静止极形成极板距离交变 (即 电容值交变 )的平板电容 ,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。
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仪 器 仪 表 学 报
第 2 1卷
先进水平起到积极作用。 参考文献
1 田 民 波 ,刘 德 令 . 薄 膜科 学 技 术 手 册 . 机 械 工 业 出 版 社 ,
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图 3 传感器驱动 电路
在 Driv e信号驱动下 ,传感器开始工作并由 3# 片 感应出静电信号 ,输出约为 10- 9数量级的微弱电流 , 需由具有高输入阻抗的电路放大 ,设计中将双运放 L F353级联使用 ,如图 4所示。该电路必须和传感器一 同放在屏蔽盒内 ,否则空间电场的干扰会产生很大的 输出 ,影响测量准确度甚至无法测量。
Applica tio ns. Bristol, 1987: 91～ 143. 3 李景德 ,雷 德铭 .电介质 材料物理和应用 .广州: 中山大学出
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传感器中 , 1# 、 2# 各有一面由导线接至测量电路 的地端 ,另一面分别通过导线和传感器驱动电路相连 , 共同构成反馈振荡器。1# 类似于互感耦合反馈振荡器 中的电感初级 , 2# 相当于次级引入正反馈使 电路振 荡。 2# 的另一功能是用于判断静电正负 ,因为 2# 产 生的反馈信号相位是一定的 ,而 3# 产生的有效信号 相位随静电的正负而改变 ,静电为正时与反馈信号的 相位相同 ,静电为负时则相反。
分档放大输出的是交流信号 ,经整流滤波后送到 单片机的 A / D口 ( ANO)进行转换。
在图 2中有效信号分作两路 ,一路用作大小测量 (至 ANO ) ,一路与反馈信号比较相位差别正负 ,即有 效信号和饱和放大 (由正弦变为方波 )及移相后的反馈 信 号分 别 经半 波 整流 送 至单 片机 的 AN1、 AN2 端 ( PIC16C73有 5个 A / D口 ) , 程序中在测得有效信号
10000
测量仪显示值 292 492 785 987 1495 202(% ) - 2. 67 - 1. 60 - 1. 88 - 1. 30 - 0. 33 1. 45 2. 77 1. 64 0. 74 - 1. 55
参考文献
1 管义夫 .静电手册 .北京: 科学出版社 , 1981, 102～ 270. 2 Jean Cro ss. Electro statics: Principles, Pro blems a nd
第 21卷第 1期 仪 器 仪 表 学 报 2000年 2月
基于 PIC系列单片机的便携式静电测量仪*
谭政华 胡光锐 (上海交通大学电子系 上海 200030) 甘占勇 (上海市南市区 房产经营公司建筑设计所 上海 200010)
摘要 静电对人们日常生产和生活的影 响越来越大 ,为此迫切需要有效的 静电测量装置。 本文介 绍了一种由单片机实 现的智能化 便携式静电测量仪 ,着重讨论了其硬件系统设计 ,并研制了一种新型静电传感器。 最后 进行了误差分析 ,给出的测试数 据表明该设 计有效。 关键词 静电 测量仪 传感器 单片 机
静电测量属于微弱信号检测 ,没有很精确有效的感应 材料 ,设计中采用交变的电容 C( t )作为传感器感应静 电。 其原理由下式说明 [2 ]: