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基于电磁辐射的静电放电定位探测系统.pdf
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1、2 0 2 3年 第3 7卷 第4期测 试 技 术 学 报V o l.3 7 N o.4 2 0 2 3(总第1 6 0期)J O U R N A L O F T E S T A N D M E A S U R E M E N T T E C H N O L O G Y(S u m N o.1 6 0)文章编号:1 6 7 1-7 4 4 9(2 0 2 3)0 4-0 2 7 7-0 7 基于电磁辐射的静电放电定位探测系统张泽端1,欧阳吉庭1,邓成志1,王荣刚2(1.北京理工大学 物理学院,北京 1 0 0 0 8 1;2.苏州天华超净科技股份有限公司,江苏 苏州 2 1 5 1 2 1)摘
2、 要:静电放电(E S D)是一种常见的工业危害源,对E S D的探测和监控是制定静电防护措施的基础。为了实现对E S D事件的监测定位,并使之应用于各类场景,以E S D电磁辐射为目标源,基于4天线阵列及定位算法,建立了一套紧凑型E S D事件探测系统,并对系统的探测性能和定位精度进行了实验验证。结果表明,该系统可定位3 m范围内,放电能量大于1.5 J的E S D事件,且定位误差小于1 5 c m。紧凑的结构与较低的探测限使该系统具备较好的便携性与通用性。关键词:静电放电;电磁辐射;探测;定位中图分类号:T P 2 0 2.2 文献标识码:A d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s
3、 s n.1 6 7 1-7 4 4 9.2 0 2 3.0 4.0 0 1D e t e c t i o n S y s t e m f o r E S D E v e n t B a s e d o n E l e c t r o m a g n e t i c R a d i a t i o nZ HA N G Z e d u a n1,OU Y A N G J i t i n g1,D E N G C h e n g z h i1,WA N G R o n g g a n g2(1.S c h o o l o f P h y s i c s,B e i j i n g I n s t
4、i t u t e o f T e c h n o l o g y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 1,C h i n a;2.S u z h o u T A&A U l t r a C l e a n T e c h n o l o g y C o.,L t d,S u z h o u 2 1 5 1 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:E l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e(E S D)i s o n e o f t h e m o s t h a z a r d o u s s o u r c e s
5、 i n t h e i n d u s t r y.D e t e c-t i o n a n d m o n i t o r i n g o f E S D s o u r c e i s t h e b a s i s f o r f o r m u l a t i n g e l e c t r o s t a t i c p r o t e c t i o n m e a s u r e s.I n o r-d e r t o r e a l i z e t h e m o n i t o r i n g a n d p o s i t i o n i n g o f E S D e
6、 v e n t s a n d m a k e t h e m a p p l i c a b l e t o v a r i o u s s c e n a r i-o s,t h i s p a p e r t a k e s E S D e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n a s t h e t a r g e t s o u r c e,b a s e d o n a 4-a n t e n n a a r r a y a n d p o s i t i o n i n g a l g o r i t h m,a n d e
7、 s t a b l i s h e s a c o m p a c t E S D e v e n t d e t e c t i o n s y s t e m.T h e d e t e c t i o n p e r f o r m-a n c e a n d p o s i t i o n i n g a c c u r a c y a r e e x p e r i m e n t a l l y v e r i f i e d.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s-t e m
8、 c a n l o c a t e E S D e v e n t s w i t h d i s c h a r g e e n e r g y g r e a t e r t h a n 1.5 J w i t h i n 3 m,a n d t h e p o s i t i o n i n g e r r o r i s l e s s t h a n 1 5 c m.T h e c o m p a c t s t r u c t u r e a n d l o w e r d e t e c t i o n l i m i t m a k e t h e s y s t e m h
9、 a v e b e t t e r p o r t a b i l i t y a n d v e r s a t i l i t y.K e y w o r d s:e l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e(E S D);e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n;d e t e c t i o n;p o s i t i o n i n g0 引 言静电放电(E l e c t r o s t a t i c D i s c h a r g e,E S D)是指带有不同静电电位的物体互相接触
10、或靠近而引起的电荷转移过程。E S D的危害主要来自其多重效应,包括1:1)热效应:这是火工品和石油等领域的引爆源和点火源,会瞬间引起易燃易爆品或气体的燃烧爆炸,在微电子领域,其热效应也会对电子器件造成热损伤,使器件性能下降甚至失效;2)强电场效应:静电所形成的强电场不仅会对电子仪器中敏感器件的工作造成影响,甚至会使MO S场效应管和J F E T结型场效应管的栅极与衬底间的二氧化硅绝缘层击穿,造成集成电路损坏;3)电磁辐射效应:E S D过程能产生频率范围由H z到GH z的电磁辐射,不仅会对信息通讯设备产生干扰,还会对电子电路造成潜在损伤,收稿日期:2 0 2 2-0 6-0 2 作者简介
11、:张泽端(1 9 9 8-),男,硕士生,主要从事静电放电探测与定位研究。E-m a i l:z h a n g z e d f o x m a i l.c o m。通信作者:欧阳吉庭(1 9 6 6-),男,教授,博士,主要从事静电与等离子体研究。E-m a i l:j t o u y a n g b i t.e d u.c n。使设备寿命和可靠性下降。由于E S D的这些危害,在诸多工业生产领域中,E S D都是需要被严格防控的危险源。除了对E S D过程采取周全的防护措施外,E S D事件探测、识别和定位也是即时了解安全隐患、进一步优化静电防护方案的基础。目前常用的E S D探测方法有光
12、探测技术、声探测技术及电磁辐射探测技术。其中,光探测技术通过探测相机对放电过程中2 3 0 n m4 0 5 n m的紫外线进行捕捉2-3,以此获得E S D图像,但这一探测技术只能探测持续的电晕放电,而且难以对放电位置进行定位。声探测技术使用超声传感器对E S D的声效应进行捕捉,且现已应用于高压变压器的内部故障诊断4-5,但该技术的通用性较差。基于E S D电磁辐射效应的探测技术使用天线对放电过程中产生的电磁辐射进行信号采集,从而判断放电事件的有无,进而使用多天线阵列,利用信号差异实现E S D的定位。与声光探测技术相比,该技术的优势在于使用的电磁信号更为普遍,能探测到声光效应不明显的E
13、S D,探测限广,且不受放电类型制约,通用性好。结合多天线阵列和定位算法,可以比较准确地定位E S D事件的空间位置。国内外也对该技术展开了较多的研究。例如,M o o r e等6-7研究开发了4阵元天线阵列的可移动式变电站放电检测系统,可以发现变压器中的放电辐射并对其进行定位。T u n g k a n a w a n i c h等8利用4个电容加载式宽带测试天线在实验室内实现了对水平距离6 m处的局部放电定位。D h a r a等9通过4个超宽带超高频传感器对空气绝缘变电站内的局部放电实现了定位。文献1 0-1 1 利用该技术分别进行了1 0 m与2 5 m范围的探测实验,并实现了对变电站
14、内局部放电的定位。张红兵等1 2使用高频传感器阵列确定了高压开关柜的局部放电位置,最远定位距离达1 5 m。张悦、胡小锋等1 3-1 4进行了对电晕放电的定位实验,实现了最远4 4 m的远距离定位。此外,还出现了基于此原理的产品设备,如贝尔实验室研发的T-1 0 0探测装置,S a n k i公司开发的E S-8 1 V以及C r e-d e n c e公司的C TM 0 4 1等。但上述E S D探测系统普遍存在以下问题:首先,目前大部分研究是针对如变电站或变压器这类高压设施的放电探测,放电电压较高(一般达到几万伏)、放电能量较大,其系统并不适用于探测强度相对弱的E S D;其次,探测阵列尺
15、寸较大,其探头间距普遍达到了几米甚至十几米,系统占用很大空间,在一定程度上限制了该系统的使用场合;此外,定位误差较大,普遍大于2 0 c m,不适合于精度要求更高的E S D事件的探测。基于此,本文以准确定位、低探测限与小体积为目标,设计了一种紧凑型E S D探测装置,通过实验测试了装置的相关性能,通过4天线的组合,实现了对E S D事件的定位。1 实验装置与方法本文研究包括E S D的电磁辐射谱和E S D事件的定位。实验装置如图 1 所示,包括天线A或多天线阵列、示波器和E S D信号源。辐射探测所选用的天线为频率范围2 0 MH z 5 1 2 MH z的单极天线,输入阻抗为5 0,最大
16、增益为6 d B i。图 1 实验装置F i g.1 E x p e r i m e n t a l s e t u p天线A的方向可设置为方向1和方向2,方向1为竖直放置天线,使信号垂直入射;方向2为水平放置天线,使信号水平入射。天线A与E S D源的间距为L。天线接收的信号数据通过示波器读出。定位实验使用4天线阵列,阵列构造如图 2。其中1根置于坐标原点O(0,0,0),另外3根分别放置在P1(k,0,0),P2(0,k,0)和P3(0,0,k)。通过示波器记录原点O天线与P1,P2,P3之间的信号时间差异,分别为ti=tO-P i(i=1,2,3);再结合适当的算法,计算得到E S D源
17、的空间位置。图 2 本实验中的4天线阵列F i g.2 A r r a y o f 4 a n t e n n a相比以往的矩形天线阵列9-1 0,1 4,本文中的天872测 试 技 术 学 报2 0 2 3年第4期线阵列方案具有更高的定位准确性和计算效率。本文采用的E S D源是1 5 0 p F和3 3 0 的人体金属模型(H B MM)1 5,其放电电极为针-板结构,激励源是最高为2 k V的直流电压,能够产生与G B/T 1 7 6 2 6.2标准一致的放电电流波形。实际放电回路如图 3 所示。图 3 E S D源的放电回路F i g.3 D i s c h a r g e c i r
18、 c u i t o f E S D s o u r c e2 实验结果与讨论2.1 E S D电磁辐射的特征与测量2.1.1 典型的E S D辐射谱根据G B/T 1 7 6 2 6.2标准,H B MM的E S D电流波形的典型特征参数为1 5:第1个脉冲上升沿为0.7 n s 1 n s,峰值电流为3.7 5 A/k V,3 0 n s时的电流大小为2 A/k V,6 0 n s时为1 A/k V。例如,对于2 k V的放电,峰值电流为7.5 A,3 0 n s与6 0 n s时的电流为4 A与2 A。由于是脉冲电流,E S D能产生强烈的电磁辐射。典型的辐射谱如图 4 所示,辐射由天线
19、A(方向1)在3 m处测试。可以看到,辐射频率集中在2 0 MH z 2 5 0 MH z,主频4 0 MH z左右。不同E S D电压的辐射谱不同,E S D辐射谱场强会随着E S D电压的增大而增大,呈非线性关系。图 4 典型的E S D电磁辐射谱F i g.4 T y p i c a l e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n s2.1.2 E S D辐射的强度和探测灵敏度在实际测量中,背景的干扰信号是不可避免的。由于E S D电压决定辐射强度,而天线都有一定灵敏度(本文选用装置为2 0 0 mV),因此,E S D辐射必须超过背景
20、噪声才能被测量。为了保证后续实验所测得数据的准确性,实验测量了在背景干扰信号下的最小E S D电压,它随探测距离和储能电容值而变化。图 5 所示为电容1 5 0 p F时,天线A(方向1)在不同距离L的最小E S D电压(图5(a),以及在3 m处不同电容时的最小电压(图5(b),误差为3 V。(a)不同距离(b)不同电容图 5 天线探测的最小E S D电压F i g.5 M i n i m u m E S D v o l t a g e可以看出,在5 m范围内,2 1 6 V以上的E S D信号强度就已经超过了环境干扰的强度(见图5(a)。由于一般E S D的电压要大于该数值,因此,本实验条
21、件下,环境干扰对测量造成的影响可以忽略。如图 5(b)所示,增大储能电容,最小E S D电压可以更低,从1 0 0 p F的1 7 6 V降低到5 0 0 p F的8 2 V。实际上,天线探测的最小辐射信号由E S D的能量(E=C U2/2)决定。本文选用天线的最小E S D能量为1.5 J左右,低于药剂1 6或电子器件1 7的静电能量阈值。因此,该装置具有较低的E S D电压或静电能量探测下限。972(总第1 6 0期)基于电磁辐射的静电放电定位探测系统(张泽端等)天线阵列的定位距离是由每根天线对E S D信号的探测距离决定的,因此,需要研究天线接收的信号强度随距离变化的灵敏度,确定天线的
22、探测范围。实验记录了天线A(方向1)在不同距离L下接收到的信号幅值,如图 6 所示。图 6 不同距离下的信号幅值F i g.6 S i g n a l a m p l i t u d e a t d i f f e r e n t d i s t a n c e s可以看出,天线所接收的电压信号幅值随距离存在规律性衰减,幅值与距离基本成反比关系。相应地,辐射平均功率与距离成平方反比关系,符合电磁辐射能量传输的基本特性。为了获得明显且稳定的信号波形,实验中将示波器的触发电平设定为2 0 0 mV,根据幅值与距离的关系可以计算出,该装置可在2 0 m范围内获得稳定明显的E S D信号,可覆盖定位所
23、需的范围,满足后续定位实验的需求。2.1.3 探测方向的影响实际定位探测中,E S D的发生位置是随机的,这就要求探测天线可以从任意方向(角度)探测到E S D信号,确保不存在探测盲区。图 7 不同天线方向的信号幅值F i g.7 S i g n a l a m p l i t u d e i n d i f f e r e n t a n t e n n a d i r e c t i o n s图 7 所示为天线A在方向1和方向2极端方向上不同距离L下探测的幅值。其中,E S D电压为2 k V,电容为1 5 0 p F。可以看出,2种天线方向下,所测得的信号幅值存在一定差异,方向2的测量
24、值要低于方向1。这是由于实验所使用的天线为单极天线,它对垂直入射信号的接收能力最强,为4.1 6 V,而对平行入射信号的接收能力最弱,为1.2 5 V,但方向2的信号依然明显,都显著高于天线的探测低限(灵敏度)。转动天线方向,探测信号的幅值将在这2个值之间变化,说明该装置所用天线在探测方向上不存在盲区,能探测到任意角度的E S D信号,其性能可以满足全向定位工作。优化装置可以选择灵敏度更高的天线,进一步降低探测下限。2.1.4 辐射信号传播时间与距离的线性度本定位方案将利用E S D辐射信号在2根天线之间的传播时间差,因此,该时差的线性度对于定位准确度至关重要,需要通过实验确认信号传播时间与距
25、离的绝对线性关系。利用天线阵列中的天线O与天线P1进行实验,E S D源置于天线阵列坐标系下的(6 m,0,0)处,记录两天线在不同间距k下的信号时间差。根据无源定位技术的原理,获取信号时差需要对信号波形设定一个特征点用作比较1 8,因此,本文将信号波形数据的绝对值最大值点作为特征点进行信号间的比较和测量。测量结果如图 8 所示,结果显示,天线间的信号时间差与距离的线性度良好,接近理论值k/c(c为真空光速),但实验数据也存在一定的误差,大致为0.5 n s或以下。这一误差将给定位测量带来一定的不确定性,距离误差值大致1 5 c m。图 8 不同距离下的时间差F i g.8 T i m e d
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