完全无线测量物体电压

无线电压测量的物理原理

所有导电物体都具有一定的电容，我们可以将其分为自电容和相对于其他导体的电容。对于孤立物体，自电容占主导地位；对于导电球体，这是教科书表达式C = 4 πεε 0 R，其中ε 0是自由空间的介电常数，ε是相对介电常数，R是球体的半径。人类的自电容范围为 100-300 pF，如果我们带足够的静电，这将为我们提供足够的能量来炸毁 CMOS 芯片或点燃化学火灾。

当导电物体获得电荷q时，它们的电压会发生变化：V = q / C。这回答了上述问题之一——卫星的电压是其总电荷除以其电容。

我们如何测量电荷？高斯定律告诉我们，对于导电表面上给定的电荷密度，存在垂直于表面的相应电场：

E = σ/ε n ?

其中n?是垂直于表面的单位向量；此后我们将称场大小为E。电荷密度取决于分布在物体有效表面积A上的总电荷：

Σ = q/A

我们测量电压的过程如下：

测量垂直于表面的场大小E

这给了我们电荷密度

外推整个表面A以获得q

将q除以（测量或估计的）自电容C即可得到V

因此，我们的卫星测量问题可以通过垂直于卫星表面的电场测量E并从中计算V来解决。

但是这个电压测量的参考在哪里呢？线索在于关系V = q / C。对于太空中的卫星，C实际上是自电容，通常被描述为相对于假设的无限半径空心导电球体的电容；该球体实际上是我们的电压参考。

在物体的电容因与附近导体的互电容而增加的情况下，该物体将相应地影响局部电荷密度、E场幅度和V参考。

对浮动物体进行实用的电压测量_

进行良好的直流电场测量非常困难。19世纪的科学家，如开尔文、库仑和珀尔帖，都开发了“静电计”，并取得了不同程度的成功。开尔文还发明了一种静电发生器——“开尔文滴水器”——其纯粹的独创性值得在维基百科上阅读几分钟。

20世纪出现了一些相当的机电传感器，但进展停滞不前。我们拥有出色的 MEMS 传感器，可用于加速度、磁场、压力等几乎所有物理变量；但目前还没有用于直流电场测量的商用硅传感器。

究其原因，是包装的根本问题。硅传感器必须进行封装，以保护芯片免受污染、氧化和机械损坏。如果我们将直流电场传感器封装在常用的塑料材料中，则材料盖会获取并保留来自日常污染物（例如灰尘和空气中的水分）的静电荷，这些污染物通常带有离子电荷。污染物电荷会影响局部电场。如果我们将传感器封装在导电材料中，导体就会使我们尝试测量的磁场短路。

这是一个未解决的问题。我们现在拥有的的传感器都是传统的机电设备，其中电极通过导电快门交替覆盖或暴露在场中。这将直流场转变为交流信号，并消除了许多偏移、漂移和污染源，因为其中大多数会产生不受快门移动调制的直流信号。然后，交流信号与快门移动同相进行解调。

两种标准传感器类型是音叉式，其中电极安装在安装在振动音叉的尖齿上的快门后面；电场磨机在电动机上有一个旋转快门，交替暴露或覆盖传感电极。

在差分连接的三叶草形传感电极上方可以清楚地看到快门。该装置右侧的物体是光电探测器，它将快门的位置提供给解调电路。三叶草的四片叶子对角连接成两对，使每一对交替地被快门曝光或覆盖。资料艾奥纳科技

检测到的实际信号是随着感应场的出现和消失，传感器板上和离开传感器板的电荷运动。这些板连接到静电计级运算放大器以进行差分放大，然后连接到相敏解调器（解调可以在微控制器中完成）。

现场研磨传感器需要仔细包装，因为附近的导体会扭曲电场，而附近的绝缘体会聚集静电荷和离子污染，也会扭曲电场。在实践中，我们发现用精心设计的导电网格覆盖传感器可以对其进行保护，而不会影响测量超出校准中所能考虑的范围。

ESD无线控制

卫星的例子很有趣，但是我们实际上可以用这个方法做什么呢？在 Iona Tech，我们专注于解决电子制造中防止静电放电 (ESD) 损坏的问题。自 20 世纪 80 年代采用 CMOS 技术以来，ESD 一直是一个问题，解决该问题的方法大多可以追溯到那个时代，本质上就是将视线内的所有东西接地。工人接地、工作站接地、机器接地、部件接地。

由于这些方法有时会失败（手腕系带断裂、导电地板失去导电性、电刷触点失效），因此需要使用加湿器和电离器来支持接地，以中和源头上的静电积聚。过去几十年来的技术进步是对腕带的持续监控，它测量腕带上的阻抗负载，并推断腕带是否正确佩戴和操作。

这些方法并不适合所有人。它们不适用于流动性很重要的情况，而且出于某种原因，工程师尤其不能坐以待毙。他们总是从一个工作站移动到另一个工作站，或者去取更多的咖啡，如果在每次移动之前和之后都需要系绳，他们会很恼火。正如一位 ESD 经理告诉我们的那样，“物理定律显然不适用于工程师。”

其他问题情况是航空航天制造，其中集成大型卫星变成了系绳意大利面的噩梦。然后是汽车工业，在移动的传送带上组装高度计算机化的汽车，传送带周围的系绳是主要的职业安全隐患。

Iona Tech 的执行官达安·史蒂文森 (Daan Stevenson) 经过惨痛的教训才明白了这一点。他当时正在为科罗拉多州丹佛市一家现已倒闭的无人机初创公司开发原型自主无人机地面站。他在落基山山麓海拔高、空气干燥的户外工作，不断地煎炸电路板；他只有糟糕的接地选择，根本没有腐殖化或电离的选择。

他提出了一个问题：如果我们测量人们是否变得充电，并在充电时发出警报，会怎样？有了可穿戴人体电压表，我们就可以完全移动并保证 ESD 安全，而无需系绳或任何其他用具。

这个闲置的问题导致了对 ESD 真正无线控制的五年探索，其中包括美国国家科学基金会的一项研究该问题的拨款。该解决方案采用如下所示的微型可穿戴电场磨机的形式。这些已集成到工业物联网 (IIoT) 模块中，称为 StatIQ Band，佩戴在上臂的带子上，如下图所示。

图 2技术人员穿着 ESD 工作服，它提供了用于测量的导电平面，类似于直接皮肤接触。资料艾奥纳科技

图 2显示了电子装配技术人员手臂上佩戴的可穿戴式人体电压监测器（Iona Tech StatIQ Band）。该设备无法在聚酯等静电服装材料上正常工作。可以看到电场磨机，由的镀金盖保护。

一旦您能够以简单方便的方式测量您的身体电压，各种应用都将成为可能。您可以评估工作环境中的所有物品（地毯、服装、椅子以及您接触到的所有物品）对电荷生成的影响。

您可以评估地板和电离的效果。在触摸正在操作的电子设备之前发出警报是避免损坏的好方法，但也会产生巴甫洛夫响应，以便您在拿起烙铁或示波器探头之前自动触摸接地点。

图 3显示了一个测量示例，将浮置体上电压测量与使用电荷板监视器（3M 711 静电电压表）的传统有线测量进行比较。