本發(fā)明涉及靜電測試領域，尤其涉及一種靜電場測試儀。

背景技術：

隨著科學技術的飛速發(fā)展，尤其是電子、IT、航天航空等高新技術產(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傳統(tǒng)的分離器件影響甚微，但是靜電產(chǎn)生的靜電場和靜電流會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)濟性。為了防止靜電造成危害，首先要利用儀器測量靜電產(chǎn)生的狀況，然后據(jù)此采取措施消除靜電，因此靜電的測量與研究變得越來越重要。

現(xiàn)有常用的靜電檢測主要應用法拉第筒靜電感應原理，做成平板式的非接觸型靜電感應傳感器，將傳感器上感應到的微弱電壓，通過運算放大在終端數(shù)字屏上顯示，以便人們讀取。平板式傳感器有一個重要特點，就是電容變化量很小，只有幾個PF，此特征使它極易受外界干擾，通過并聯(lián)傳感器的方法雖能夠提高電容變化量，但寄生電容仍會影響變化量，嚴重時寄生電容遠大于本體電容，使有用信號被寄生電容噪聲淹沒，以至傳感器無法工作。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，測量靜電往往不夠精確，誤差較大，重復檢測一致性得不到保證。

CN 102353855 B公開了一種便攜式靜電檢測裝置及其靜電檢測方法，其靜電感應傳感器包括一帶有信號接收窗口的屏蔽殼體；在殼體內(nèi)部設置一靜電信號接收面；在殼體中設置電路板和一個信號傳導支架；在信號傳導支架上，設置帶有振動源的振動電極片；在振動電極片前端設置平行于金屬質(zhì)靜電信號接收面的遮掩片；振動電極片的后端固定在信號傳導支架上或經(jīng)振動源固定在信號傳導支架上；其電信號處理單元至少包括振動源驅(qū)動電路，信號放大電路，整流電路和單片機電路。其通過機械遮斷方式將所感應到的靜電電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔冸妷?，供輸出和后續(xù)檢測/放大單元使用，從根本上解決了靜電的定量檢測問題，且監(jiān)檢測數(shù)據(jù)的可重復性好，提高了靜電檢測的精度及穩(wěn)定性。但是，該專利公開的靜電檢測裝置不能實現(xiàn)對靜電的正負進行區(qū)別，而且無法根據(jù)實際需求靈活調(diào)整測量精度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供了一種靜電場測試儀，傳感器驅(qū)動電路與靜電場傳感器構成一個整體，用于感應靜電場，其工作時產(chǎn)生兩路信號，一路是靜電場傳感器的壓電陶瓷驅(qū)動片在交變電壓的作用下開始振動，并由平板電容振蕩極感應出靜電信號，輸出微弱電流信號，經(jīng)微弱信號放大電路、分檔放大電路后經(jīng)過整流、濾波放大傳送給單片機的A/D端口進行轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過LCD顯示電路實現(xiàn)實時顯示；另一路是靜電場傳感器的壓電陶瓷反饋片的反饋信號，送至傳感器驅(qū)動電路中的飽和放大電路，產(chǎn)生方波信號，該方波信號既是驅(qū)動電路的正反饋，也是靜電正負判別的依據(jù)，經(jīng)過移相電路的反饋信號經(jīng)過半波整流后送至單片機的A/D端口進行靜電正負極性的判別，進一步提高靜電相關特性參數(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，電位器滑動端的抽頭與單片機的I/O端口連接，通過單片機自動調(diào)整反饋電阻的阻值，進而實現(xiàn)測試精度的靈活調(diào)整。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種靜電場測試儀，包括依次連接的靜電信號檢測單元、信號調(diào)理單元、單片機，所述靜電信號檢測單元包括靜電場傳感器、傳感器驅(qū)動電路，所述靜電場傳感器的反饋端與傳感器驅(qū)動電路連接，所述傳感器驅(qū)動電路的輸出端與靜電場傳感器的驅(qū)動端連接；所述信號調(diào)理單元包括依次連接的微弱信號放大電路、分檔放大電路、第一整流電路以及濾波放大電路，所述微弱信號放大電路的輸入端與靜電場傳感器的有效信號輸出端連接，所述濾波放大電路的輸出端與單片機的A/D端口連接，所述第一半波整流電路的輸出端同時與單片機的A/D端口連接；還包括靜電極性識別單元，所述靜電極性識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)動電路的輸出端連接，第二半波整流電路的輸出端與單片機的A/D端口連接。

具體地，所述靜電場傳感器包括壓電陶瓷驅(qū)動片、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)動片和壓電陶瓷反饋片的另一面通過導線與金屬塊連接，平板電容振蕩極與振梁連接，振梁固定在金屬塊上，金屬塊通過導線連接在微弱信號放大電路的接地端。

進一步地，所述單片機的I/O端口還連接有LCD顯示電路、按鍵電路，單片機的SCI端口同時與上位機的通訊端口對應連接，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、就地顯示，并通過通訊端口傳送至上位機進行進一步的數(shù)據(jù)處理。

再進一步地，所述傳感器驅(qū)動電路包括以第一運算放大器U1為核心的飽和放大電路，以第二運算放大器U2、第三運算放大器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，一路輸出信號與振蕩電路的負向輸入端輸入連接，所述振蕩電路的輸出端與升壓變壓器T1連接，用以驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動片；飽和放大電路的另一路輸出信號與移相電路的輸入端連接，用于對靜電的正負極性進行判定。

再進一步地，所述微弱信號放大電路由第四運算放大器U4、第五運算放大器U5以及若干電容器、電阻器構成，其中所述第四運算放大器U4、第五運算放大器U5以級聯(lián)方式連接。

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

更進一步地，所述分檔放大電路由第六運算放大器U6、電位器Rw以及若干電阻器、電容器構成，所述電位器Rw連接在第六運算放大器U6的負向輸入端與輸出端之間，構成反饋電阻；所述電位器Rw滑動端的抽頭與單片機連接，通過單片機自動調(diào)整反饋電阻的阻值。

優(yōu)選地，所述電位器Rw的型號為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，所述單片機的型號為PIC16C73。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明中采用傳感器驅(qū)動電路與靜電場傳感器構成一個整體，用于感應靜電場，其工作時產(chǎn)生兩路信號，一路是靜電場傳感器的壓電陶瓷驅(qū)動片在交變電壓的作用下開始振動，并由平板電容振蕩極感應出靜電信號，輸出微弱電流信號，經(jīng)微弱信號放大電路、分檔放大電路后經(jīng)過整流、濾波放大傳送給單片機的A/D端口進行轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過LCD顯示電路實現(xiàn)實時顯示；另一路是靜電場傳感器的壓電陶瓷反饋片的反饋信號，送至傳感器驅(qū)動電路中的飽和放大電路，產(chǎn)生方波信號，該方波信號既是驅(qū)動電路的正反饋，也是靜電正負判別的依據(jù)，經(jīng)過移相電路的反饋信號經(jīng)過半波整流后送至單片機的A/D端口進行靜電正負極性的判別，進一步提高靜電相關特性參數(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，電位器滑動端的抽頭與單片機連接，通過單片機自動調(diào)整反饋電阻的阻值，進而實現(xiàn)測試精度的靈活調(diào)整。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明中靜電場傳感器的結構示意圖。

圖3是本發(fā)明中的傳感器驅(qū)動電路圖。

圖4是本發(fā)明中的微弱信號放大電路圖。

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-靜電場傳感器，111-壓電陶瓷驅(qū)動片，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)動電路，210-微弱信號放大電路，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，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。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

根據(jù)附圖1所示，一種靜電場測試儀，包括靜電信號檢測單元、信號調(diào)理單元、靜電極性識別單元、單片機300。其中單片機300的型號為PIC16C73，是一種基于RISC結構的高性價比嵌入式控制器，其總線結構采取數(shù)據(jù)總線和指令線分離的哈佛結構，具有很高的流水處理速度。

所述靜電信號檢測單元包括靜電場傳感器110、傳感器驅(qū)動電路120；靜電場傳感器110的反饋端與傳感器驅(qū)動電路120連接，所述傳感器驅(qū)動電路120的輸出端與靜電場傳感器110的驅(qū)動端連接。

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

所述靜電極性識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)動電路120的輸出端連接，第二整流電路420的輸出端與單片機的AN2端口連接。

如圖2所示，靜電場傳感器110包括壓電陶瓷驅(qū)動片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)動片111、壓電陶瓷反饋片112的另一面通過導線與金屬塊114連接，金屬塊114通過導線L24連接至信號調(diào)理單元的接地端。

如圖3所示，傳感器驅(qū)動電路120包括以第一運算放大器U1為核心的飽和放大電路，以第二運算放大器U2、第三運算放大器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V32和V33，輸出信號V32與振蕩電路的負向輸入端輸入連接，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通過導線L21與壓電陶瓷驅(qū)動片111連接，作為壓電陶瓷驅(qū)動片111的驅(qū)動信號。

靜電場傳感器110與傳感器驅(qū)動電路120構成一個整體，用于感應靜電場，工作時將產(chǎn)生兩路信號：當升壓變壓器T1產(chǎn)生的交流信號加在壓電陶瓷驅(qū)動片111的兩面后，振梁115振動，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，交流反饋信號通過導線L22與傳感器驅(qū)動電路120的輸入端V31連接，以作為傳感器驅(qū)動電路120的正反饋；同時，平板電容振蕩極113振動且振幅最大，與電容的另一靜止極形成極板距離交變，靜電場不變而電容值改變導致極板上電荷的改變，于是產(chǎn)生交變的電流輸出信號，該交變電流信號即為靜電場傳感器110的有效信號輸出端。

進一步地，所述單片機的I/O端口與LCD顯示電路、按鍵電路相連接，單片機的I/O端口同時與上位機的通訊端口對應連接，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、就地顯示，并通過通訊端口傳送至上位機進行進一步的數(shù)據(jù)處理。

靜電場傳感器110開始工作后，平板電容振蕩極113感應出靜電信號，其輸出的有效信號是約為10^-9數(shù)量級的微弱電流，如圖4所示，該微弱電流通過導線L23與微弱信號放大電路210的輸入端V41連接，經(jīng)由第四運算放大器U4、第五運算放大器U5級聯(lián)放大后輸出，該微弱信號放大電路210必須和靜電傳感器110一同放置在屏蔽盒內(nèi)，以避免空間電場的干擾，影響測量精度。

為了進一步提高測量準確度，微弱信號放大后在經(jīng)一級分檔放大，如圖5所示，微弱信號放大電路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電路延時后，再經(jīng)過第六運算放大器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個可被滑動端訪問的抽頭，該32個抽頭由單片機300控制，進而實現(xiàn)接入不同的反饋電阻值，實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，進而適應不同精度的需求。

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

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

上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非對本發(fā)明保護范圍的限制，但凡采用本發(fā)明的設計原理，以及在此基礎上進行非創(chuàng)造性勞動而作出的變化，均應屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。