集成数字静电电位计制造技术

本实用新型专利技术涉及一种改进的振簧式静电电位测量仪，其主要电路全集成化，以模块方式组合，整机体积小、重量轻、功耗低；静电传感器内部互相电磁屏蔽，Ａ／Ｄ转换器与液晶数字显示器构成一个数字式直流电压表，用以显示测量结果，因而本实用新型专利技术测量精度高、稳定性好，并可与微机连接，进行静电方面的实时测量或控制。（*该技术在2003年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于一种静电电位的测量仪器。在各类静电测量仪器中，利用振动电极进行电位测量的振簧式静电计是比较先进的一种，在国内最早由本技术申请人开发成功，其成果已编入周锡忠编的《静电实验》一书中(如JC－1V型振簧式静电计)。但是该仪器也存在着一些问题在探测头部分，场效应管易被高压火花放电击穿，振簧片与驱动装置的屏蔽效果较差，易相互干扰，以磷铜片作振簧片成本较高，而且硬度较差，容易变形；在电气部分，用变压器二极管等进行相敏检波造成信号衰减较大，放大器与振荡源的温漂、时漂比较严重，调零需用专用电源，扩程只能到1万伏。同时，所有器件均用分立元件，结构不紧凑，示值用机械式指针显示，惯性大，频率响应较差，且不能与微机相通进行实时测量或控制。本技术的目的是要提供一种改进的非接触、振簧式静电电位测量仪，其中作为探测头的静电传感器具有较高的抗干扰能力，主机由各块集成电路构成，以数字显示测量结果，从而提高仪器的测量精度及稳定性。本技术是这样实现的静电传感器与主机用多芯屏蔽线连接，在静电传感器部分，振簧片、驱动装置和跟随器相互电磁屏蔽，置于金属腔体内，振簧片与跟随器之间加一个串联电阻，对瞬时脉冲放电起衰减作用，防止场效应管被高压火花放电击穿，并以黄铜片代替磷铜片作振簧片，降低制造成本。主机由扩程网络、集成放大器、集成相敏检波器、集成振荡器、调零器、负电源变换器、A／D转换器和数字显示器等八个部分组成，由静电传感器接收的测试信号经扩程网络进入集成放大器以后，与集成振荡器输出的作为参考信号的正弦波同时送往相敏检波器，检波后信号传到A／D转换器，A／D转换器采用单片CMOS双积分式大规模集成电路，与数字显示器一同构成一个数字式直流电压表，用以显示测量结果。此外，集成相敏检波器具有相敏检波和信号放大双重功能，由CMOS模拟开关、集成反相器和集成运放器组成，参考信号经过两个集成反相器产生两个相位相反的对称方波，能够控制两组CMOS模拟开关的通断，使被测信号的正负半周分别进入集成运放器的正负输入端，集成运放器的输出端得到被放大的同相脉动电压信号，再经过一个RC低通滤波器变为直流电压信号；集成振荡器采用一片集成运放电路构成文氏桥式振荡源，在其负反馈的一个支路中串接两个背靠背的齐纳二极管，用以稳定振幅，在负反馈的另一支路及正反馈的选频网络中分别设置一个微型多圈电位器，用于振频和振幅的精细微调，电路中的电容和电阻分别采用涤纶电容和金属膜电阻，以提高频率和振幅的稳定性。与现有的静电电位测量仪相比，本技术以数字显示测量结果，直观方便；静电传感器灵敏度高、整机集成化设计，便于在各种测试现场的携带与操作；调零电路不设专用电源，省掉了一组工作负电源；仪器的测量精度较高，且具有较好的稳定性，连续开机3小时，测量误差小于±4％；与微机连接，可进行实时测量或控制。以下结合附图对本技术作进一步的描述。附图说明图1是本技术的工作框图。图中1为静电传感器，2为扩程网络，3为集成放大器，4为集成相敏检波器，5为集成振荡器，6为调零器，7为负电源变换器，8为A／D转换器，9为数字显示器，10为正电源。图2是静电传感器1的剖面图。图中11为振簧片，12为绝缘块，13为金属腔体，14为固定螺丝，15为柱形铁，16为磁杯，17为导电弹簧，18为金属导线，19为传动杆，20为圆铁片，21为线圈，22为串联电阻23为跟随器，24为传感器输出端。图3是集成相敏检波器4的电路图。图中26为模拟开关，27为CMOS模拟开关集成块，28为相敏检波信号输入端，29为相敏参考信号输入端，30为通用运放器，31为集成运放器，32为通微机A／D卡的输出端，33为低通滤波器，34为集成反相器。图4是集成振荡器5的电路图。图中37为齐纳二极管，38为集成运放器，39为集成振荡器输出端，40、41为微型多圈电位器。图5是负电源变换器7的电路图。图中42为正电源输入端，43为负电源输出端，44为单片电压转换器。图6是A／D转换器8和数字显示器9的电路图。图中45为液晶显示器背电极，46为通LCD显示器的输出端，47为单片A／D集成块，48为限幅二极管，49为被测电压输入端，50、51为A／D芯片中振荡器引脚。图7是本技术的面板图。图中52为数字显示器，53为电源开关，54为频率微调钮，55校正钮，56为量程钮，57为调零钮，58为校正电源开关，59为校正电源接线柱，60为信号输入插座。如图2所示，静电传感器1上除了面对被测带电体的振簧片11是敞开的之外，其余部分均密闭于金属腔体13内，腔体13由三个依次为振簧片室、驱动器室和跟随器室的相互电磁屏蔽的隔离室构成。中间驱动器室中的电磁驱动装置由柱形铁15、线圈21、磁杯16、圆铁片20和传动杆19组成，圆铁片20焊在传动杆19上，传动杆19的一端用螺丝14固定在腔体13上，使圆铁片20不与柱形铁15和磁杯16接触，当处于正弦交变磁场中时能够上下自由振动，并通过传动杆19和用有机玻璃或聚四氟乙烯制成的绝缘块12带动振簧片11振动，这时振簧片11与被测带电体表面之间的电容量随之产生周期性变化，振簧片11上感应出一个周期性变化的电压讯号，通过金属小弹簧17和金属导线18送至跟随器室中的阻抗变换器。这里，振簧片11可用薄型黄铜片制成，其成本较低，且有较好的机械性能。腔体13由铸铁制成，其加工比较容易。为避免场效应管在高压火花放电时被损坏，在其栅极加上一个串联电阻22。如图了所示，集成相敏检波器4由CMOS模拟开关27及集成运放器30、31组成。CMOS模拟开关27是由PMOS和NMOS场效应管并联组成的互补式开关，与通常采用的二极管或三极管相敏检波相比，其开关特性好、功耗小，不用电感元件、元器件少，电路较简单、调试方便。用作参考信号的正弦波由输入端29输入后，先经通用运算放大器30(如741型)进行过零检测，由集成反相器34a、34b产生两个相位相反的对称方波，控制两组开关交替通断在输入信号的正半周，模拟开关26a、26d、导通，26b、26c关断，相当于电阻R2左端接地，R4左端接输入信号，信号经同相放大，由集成运放器31、输出正半周波形；在输入信号的负半周，开关状态与正半周相反，变为模拟开关26b、26c导通，26a、26d关断，电阻R4左端接地，R2左端接输入信号，电路成了反相放器，将信号的负半周反相后输出，这样在集成运放器31的输出端得到同相的脉动信号电压，再经过由电阻R6、电容C1组成的低通滤波器33，检出波形的直流电平，送住A／D转换器8或经输出端32送往微机A／D卡。R5、R3分别为集成运效器引的正、负反馈电阻。由此可知集成相敏检波器4不仅具有相敏检波的功能，而且能使检波后的信号放大，这就使得集成放大器3的放大倍数不必调得很大(原有仪器需四级放大)，因而更为稳定。集成运放器31采用低漂移、高精度的集成运算放大器OP07CH，可大大减小电路的温漂和时漂，提高测试的精确度和稳定性。图4所示的集成振荡器5连接于静电传感器1和集成相敏检波器4，采用一片低漂移、高精度的集成运放器38(如OP07CH)构成文氏电桥正弦波发生器，其振荡频率由电路中的电阻、电容等元件数值决定。信号通过集成运放器38由集成振荡器输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触的振簧式静电电位测量仪，包括用多芯屏蔽线连接的静电传感器１和主机两个部分，其中静电传感器带有振簧片１１、驱动装置和跟随器２３，主机由一组具有振荡、放大及相敏检波等功能的电子元件组成，其特征在于，主机由扩程网络２、集成交流放大器３、集成相敏检波器４、集成振荡器５、调零器６、负电源变换器７、Ａ／Ｄ转换器８及数字显示器９八个部分组成，由静电传感器１接收的测试信号经扩程网络２进入集成放大器３放大后，与集成振荡器５输出的作为参考信号的正弦波同时送往集成相敏检波器４，检波后的信号传到Ａ／Ｄ转换器８，Ａ／Ｄ转换器采用单片ＣＭＯＳ双积分式大规模集成电路，与数字显示器９一同构成一个数字式直流电压表。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周子平，应淑贞，
申请(专利权)人：复旦大学，应淑贞，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]