曾育鋒，程倍珊

（華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

日常生活中，靜電除塵、靜電分選和靜電復(fù)印等領(lǐng)域都需要對(duì)粉體或者是塵粒進(jìn)行荷電。測(cè)量出不同粉體的荷電量，對(duì)上述技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用的改進(jìn)具有十分重要的意義。本實(shí)驗(yàn)中使用自制的利用電暈放電原理的荷電系統(tǒng)對(duì)微小顆粒進(jìn)行荷電，配合使用法拉第杯的方法對(duì)荷電后的顆粒進(jìn)行荷電量的測(cè)量。

1 基本原理

1.1 荷電系統(tǒng)

采用電暈放電的方法對(duì)微粒進(jìn)行荷電［1］，其裝置如圖1所示。在兩電極間加上自制的500kV高壓電場(chǎng)［2］，并將陰極板接地，陽(yáng)極板作為尖端，與陰極板之間形成火花放電而電離空氣，產(chǎn)生大量的正離子和負(fù)離子，負(fù)離子受到陽(yáng)極板吸引而向陽(yáng)極板運(yùn)動(dòng)，負(fù)離子被導(dǎo)入地下；正離子在加速電場(chǎng)的作用下加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)微粒進(jìn)入電暈電場(chǎng)時(shí)，微粒與運(yùn)動(dòng)的帶電離子碰撞并俘獲這些自由離子而荷電［3］。

圖1 荷電系統(tǒng)

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

根據(jù)靜電計(jì)原理設(shè)計(jì)法拉第杯［4］，測(cè)量經(jīng)過(guò)高壓離子荷電系統(tǒng)荷電之后的帶電微粒的電量。

1.2.1 法拉第杯工作原理

根據(jù)靜電計(jì)原理［5］，法拉第杯由不銹鋼制成，如圖2所示。內(nèi)筒高16cm、直徑為5.5cm，外筒高18cm、直徑6cm。內(nèi)外筒間由一層絕緣木塊隔開，使內(nèi)外筒有均勻間隙。法拉第杯與測(cè)試電路之間通過(guò)BNC接頭（同軸電纜連接器）連接起來(lái)。帶電微粒進(jìn)入法拉第杯后，由于接觸起電，會(huì)使內(nèi)筒帶電，內(nèi)外筒之間產(chǎn)生電勢(shì)差，通過(guò)電纜屏蔽線將電壓信號(hào)傳給測(cè)量電路［6］。帶電的微粒進(jìn)入法拉第杯的內(nèi)杯中，引起測(cè)量線路中的電容器C0充電［7］，使內(nèi)外筒上的電壓V0發(fā)生變化。由于測(cè)量部分中采用場(chǎng)效應(yīng)管運(yùn)算放大器電路，電容器上將產(chǎn)生與粉體同樣的電荷量，因此可由測(cè)量電壓V0來(lái)測(cè)定粉體帶電量Q0，Q0＝C0V0。

圖2 法拉第杯

1.2.2 電路工作原理

本裝置利用儀用放大器［8］，將法拉第筒中的電壓信號(hào)V0放大。本裝置中的放大電路放大倍數(shù)為3 000倍，將電壓信號(hào)V0由mV級(jí)放大到V級(jí)。同時(shí)利用單片機(jī)內(nèi)置的AD芯片采樣［9］，將模擬信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，利用液晶顯示出電壓與總電量。

圖3為系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

2 測(cè)量流程

儀器由微粒發(fā)生器、荷電系統(tǒng)、微粒收集器、法拉第杯以及電天平和運(yùn)放電路組成，系統(tǒng)流程如圖4所示。微粒（實(shí)驗(yàn)用沙子）由微粒發(fā)生器進(jìn)入荷電系統(tǒng)后，與高壓電場(chǎng)電暈放電產(chǎn)生的正離子碰撞帶電，積累在微粒收集器中，積累一定量微粒后，打開閘門后微粒進(jìn)入法拉第杯，由于接觸起電［10］，內(nèi)外筒之間形成電勢(shì)差，電壓信號(hào)傳遞給運(yùn)放電路，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理輸出微?？偟膸щ娏縌0；由電子天平測(cè)出微粒的總質(zhì)量，結(jié)合定標(biāo)曲線即可得出微粒數(shù)目，進(jìn)而得到單個(gè)微粒的帶電量。

圖4 系統(tǒng)流程圖

3 測(cè)量結(jié)果及分析

3.1 微粒質(zhì)量與微粒數(shù)目定標(biāo)曲線

為確定微粒樣品數(shù)目與質(zhì)量的關(guān)系曲線，需要對(duì)兩者的關(guān)系進(jìn)行定標(biāo)［11］，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到其擬合曲線，如圖5所示，圖中m為一定量微粒的質(zhì)量，N為粒數(shù)。由定標(biāo)曲線可知，當(dāng)微粒個(gè)數(shù)達(dá)到4 000個(gè)以上時(shí)，該擬合曲線具有較大的精確度。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

利用本系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)量，得到一系列數(shù)據(jù)，如表1所示，表中q為微粒電量。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 （續(xù)）

對(duì)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與誤差分析［12］，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下：

單個(gè)微粒所帶電量為

其相對(duì)不確定度為

觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然存在一定偏差，但測(cè)量結(jié)果中數(shù)量級(jí)均比較穩(wěn)定，測(cè)得的電量基本保持在104e這個(gè)數(shù)量級(jí)上。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用高壓電暈荷電方法使微粒帶電，并通過(guò)法拉第杯測(cè)量系統(tǒng)以及電子天平，測(cè)量計(jì)算得到單個(gè)微粒的帶電量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量裝置設(shè)計(jì)獨(dú)特，測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確，適合生產(chǎn)生活中的各種應(yīng)用。

圖5 擬合曲線

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