基于静电控制扭摆方案的导体表面电势测量研究

本项目我们提出了一种静电扭摆方案来测量导体表面电势随时间的波动以及其空间分布。项目期间按照设计搭建了一套静电扭摆系统，并且基于该系统实现了弱力测量与执行机标定技术。目前本系统的导体表面电势测量精度为0.5mV/Hz^1/2，主要受限于自准直仪的分辨率水平。拟采用高精度的电容位移传感方式进一步提高电势测量精度。导体表面电势测量技术与高精度扫描技术仍在实验中。该系统实现了探针的悬挂，放宽了实现系统对待测样品的限制，为今后开展对Patch效应的研究提供了高效的平台。现在实验主要完成了原理性验证，为后续继续开展深入的研究奠定了基础。 2100433B

导体表面电势随时间的涨落变化和随空间的非均匀分布称之为Patch效应，该效应是地面和空间高精度引力实验中重要的误差源。在美国斯坦福大学的引力探针GP-B实验和空间引力波探测LISA计划中Patch效应都是最主要噪声来源之一，因此研究Patch效应的产生机理及其抑制方法具有重要的科学意义和应用背景。本项目提出了一种静电控制扭摆系统来研究导体表面的Patch效应。该方案将基于高精度静电控制扭摆系统，结合Kelvin探针方案扫描测量和传统扭秤方案高灵敏度的特点，来实现对导体表面电势分布的精确测量。该系统预计在空间分辨率0.1mm量级上测量精度达到10微伏/Hz^1/2。基于该系统我们可开展Patch效应物理机制的探索研究，为地面和空间的高精度引力实验研究提供指导。

高精度的引力实验中主要开展物体之间的相互作用和相互规律的检验，实验中要求检验质量表面电势的涨落引入的扰动力必须小于实验的探测精度。因此研究和测量导体表面电势对于高精度的引力实验而言具有重要的意义。在本项目的资助下，我们开展了对导体表面电势测量的研究，取得了主要进展有：(1)完成了基于扭摆的测量导体表面电势的实验方案设计和误差分析；(2)完成了导体表面电势测量的整个实验系统，自由摆热噪声、电容位移传感和静电控制各环节指标满足预期要求，整个系统探测力矩达到7×10-14Nm/Hz1/2；（3）完成了静态测量，检验质量电荷分布测量精度已经达到15×10-6V/Hz1/2。我们将在此平台上进一步深入开展检验质量电荷分布及其影响研究。

非牛顿引力实验检验、引力波探测、高精度空间惯性传感器和弱力检测等都需要深入研究检验物体的扰动力来源。对于近距离高精度实验和空间引力实验研究而言，检验质量表面电势分布的影响是其主要限制之一，必须深入研究。表面电势分布称之为Patch效应，它是美国引力探针B卫星项目最终结果主要限制之一，也是空间引力波探测LISA和下一代地面引力波探测器的主要误差来源之一。因此，Patch效应研究具有重要科学意义和应用背景！项目组在已发展成熟的精密静电控制扭摆弱力传感研究基础上，利用电容位移传感和静电控制扭摆作为弱力探测器，利用源导体扫描方案精确测量检验质量表面电势的空间分布，预期测量空间分辨率达到0.1mm量级，测量精度达到10微伏/Hz^1/2，通过不同环境参量条件和不同材料的实验研究归纳和总结出Patch效应的物理机制以及对其抑制的解决方案，为高精度空间惯性传感器研制和引力实验研究提供提导!

对物体静电位（也就是物体的对地电压）的测量是最基本和最常用的测量。这首先是因为静电位的高低反映了物体的带电程度．是衡量静电危害的重要方面。许多生产工艺都规定了不致引起静电危害的静电电位的临界值，也就是说，利用静电位可直接判断其静电安全性。有些情况下，静电位虽不足以作为判断静电危害的标准，但作为相对比较仍是有效的。其次，静电位的测量不论是在实验室条件还是在生产现场，都比其他参数的测量容易实现，所用仪表的构造也比较简单。

静电位静电位测量仪表

在静电电位的测量中，有两种类型的方法和仪表。一类称接触式测量。是将仪表与带电体直接连接而测量的，相应的仪表叫接触式静电电位计，常用于对导体电位的测量。接触式仪表在测量电容较小的带电体时引入的测量误差较大；在进行远距离测量时，连接电缆的电容也会使测量精度降低；特别是该种仪表一般都需要工频电源，因而不适于在易燃爆场所使用。

还有一类测量叫非接触测量，所使用的仪表叫非接触式仪表。这种仪表测量时不与带电体（导体或绝缘体）连接，而是将探头接近带电体到规定的距离，由于静电感应的原理，探头上感应出一定的静电位，然后由仪表读数。在许多工业部门，都广泛应用非接触式仪表。

接触式静电电位计

典型的接触式仪表是QV系列静电电压表，结构原理如下图1所示。

图1中A、B是两个固定且相互绝缘的金属盒，C是悬于金属丝上可以转动的金属片。当测量探头接触带电体时，电极以A、B之间就形成电场，金属片C由于静电感应而带电，并在A、B间受到电场力作用而偏转，从而带动悬丝及其上面的小镜一起偏转，偏转力矩与被测电压的平方成正比。当偏转力矩与悬丝的反作用力矩相平衡时，偏转角度即表示被测电压的高低，角度可由同定在悬丝上的小镜通过光标显示出来。

接触式仪表测量的等效电路如上右所示。其中，C₀是带电体的对地电容，C和R分别是仪表的输入电容和输入电阻。当把仪表与带电体进行接触测量时，带电体的对地电容增大为C₀ C，因而接上仪表后在C上测量到的静电压U并不等于接上仪表前带电体的实际静电压U₀，二者之间的关系为

接触式仪表主要用于导体静电位的测量，如人体电位的测量；也常与法拉第筒配合测量绝缘体的带电量。

非接触式仪表

非接触式仪表的测量原理是基于静电感应或空气电离。前者是将探极置于带电体附近，直接测量其表面电应（实质上是对带电体表面电场的测量）；后者是利用放射性同位素电离空气，电阻分压，测量带电体的对地电位。相应地，非接触式仪表可分为静电感应型和电离型（又称集电型）两大类。在静电感应型中，又根据对探极感应到的信号进行放大和调制的方式分为直接感应式、旋叶交流放大式和振动电容交流放大式等几种。以下介绍一种非接触式静电电位计——直接感应式仪表。

这种仪表测量静电位采用电容分压原理，如图所示。

图2中A为待测物体，T为测量探头（极板），R和C分别是仪表的输入电阻和输入电容，C₁是极板的对地电容，C₀是极板与待测物体间的电容；C₀与C和C₁构成一电容分压器。设U₀是待测物对地的实际静电位，U是极板上感应到的静电位，则由电容分压原理、并考虑到极板上的部分感应电荷经由R向大地泄放的规律可得

①当探头位置一定时，C₀/(C₀ C)可视作常量，因而可通过检测极板的感应电位U而求出待测物的实际静电位U₀。而且，当改变极板到物体的距离时，就相当于改变了常数C₀/(C₀ C)，即改变了量程。所以，在非接触仪表中，一股都是通过改变极板（探头）到待测物体的距离来实现量程的转换。

②由于电容C上的感应电荷通过仪表输入电阻R泄漏，致使其上的静电位U随时间衰减而产生测量误差；测量过程越长、误差越大。为减小测量误差，须使R和C充分大．以增大放电时间常数。但Cc过大时将使U减小．反而使测量发生困难。为便于测量，一般是将测量的电位U作为信号加以直流放大后再进行显示。

③由于C₀在测量时不能每次都保持固定不变，因而也是直接感应法测量静电位的主要误差来源之一。为此，在测量时探头与待测物体间的距离应尽可能的保持稳定。

直接感应式仪表的优点是结构简单，体积和重量可以做得很小，便于携带，测量方便。缺点是稳定性较差，且因采用直流差动式放大电路，导致零点飘移严重，不适于作连续测量，精度也较差。目前，国内工业生产中使用的直感式仪表有JD-B型电位计、V₀-1型静电检测器、BYJ-3型静电伏特计等。

静电位静电位的测量方法

利用上面介绍的接触式或非接触式仪表即可对物体的静电位进行测量。根据被测对象和测量场合的不同，可分别采用直接测量和探极测量的方法。

对带电的导体或人体可直接用接触式仪表与之连接，测量其静电位。对加工物料、设备工装、人体的裸露部位，以及可以插入探头且与探头之间无带电体或绝缘体的部位，均可用非接触式仪表直接测量其静电位。

在密封的容器、输送液体或粉体的管道内，以及不便插入探头、或无法避免探头与待测部位间存在带电体或绝缘体的场合，都不能用仪表直接测量。此时，可将被绝缘的探极设法伸到待测部位，再用引线接到容器或管道外部的集电板上，然后用接触式仪表或非接触式仪丧测量集电扳的电位，从而间接测出待测部位的静电位。这种方法就叫探极测量法。

在用探极法进行测量时，应注意以下几个问题。首先应保证整个测量装置有足够高的绝缘性，要求装置的放电时间常数τ>180s，即达到静电绝缘的规定；与此同时，装置的对地电容应尽量小；只有这样，才能提高测量的准确度，减小误差。其次，所采用的探极应尽量减小对待测电场的影响，不使待测电场发生明显畸变，为此宜采用针状、棒状或球状的金属探极。此外，当探极上有来自待测带电体的传导电流时，所检测到的电位要比实际电位低，例如，在带电液体或堆积的带电粉尘内部放置探极时，传导电流就会从带电体流向探极，传导电流的大小取决于带电体的电量、电导率、探极的尺寸、形状等因素。