應用物理課件：靜電的測量

靜電的測量

8.1紡織靜電測試概論8.2紡織材料靜電性能的定性測試8.3紡織材料帶電特性參數(shù)的測量8.4紡織材料電氣特性參數(shù)的測量

8.1紡織靜電測試概論

在紡織生產(chǎn)加工和纖維制品的使用中，為了估價靜電危害的程度，以便制定出相應的消電措施，并對各種措施進行比較，就需要對物體的帶電情況進行測量。此外，在靜電的應用過程中也需要測量有關(guān)參數(shù)。例如，為保證靜電植絨工藝的順利進行和提高植絨的質(zhì)量，經(jīng)常需要對纖維絨毛的電氣特性參數(shù)進行測量。

紡織靜電的測量主要包括兩方面：一是對帶電體(紡織材料及與之接觸、摩擦的其它物體)帶電特性參數(shù)的測量，包括靜電位、電量、電荷密度、電場強度等；二是對紡織材料本身電氣特性參數(shù)的測量，包括各種比電阻、介電常數(shù)、靜電半衰期和電容等。

8.1.1紡織靜電測量的特點

紡織靜電的測量對象多半是像纖維和織物這樣的高絕緣材料的帶電表面，這種帶電與一般的強電相比，具有高電阻、高電位和小電量、小能量的特點。因此，對于靜電測量的儀表應有特殊要求。例如，測量織物表面上的靜電位時，如用一般磁電式或電磁式儀表直接與被測表面連接，往往電表指針尚未來得及偏轉(zhuǎn)，織物表面所帶微小電荷就早已通過電表泄漏了。事實上，織物因摩擦而產(chǎn)生的靜電位雖可高達數(shù)千伏甚至數(shù)十千伏，但其放電電流卻極其微小，一般多在微安或更小的數(shù)量級。因此，在靜電測量時必須使用相應的具有較高輸入阻抗的高壓測試儀表。其次，紡織靜電測量中的主要帶電特性參數(shù)，如靜電位、帶電量、放電電流等，雖都屬于直流電量，但它們要比導體直流電路中各量的意義復雜得多。對導體來說，其上各處的電位值均相等(相當于處于靜電平衡時)，電路各參量滿足線性規(guī)律如歐姆定律等，因而物理意義相當明確。但作為絕緣體的紡織材料帶電后，各點的靜電位值一般是不相同的，其分布往往是空間的函數(shù)，并與各種幾何因素有關(guān)。同時，當把儀表的測試導線引入待測物體時，也會使原來的靜電位分布發(fā)生變化。所以在紡織材料的靜電測量中，常采用不與帶電體直接接觸的儀表，并應進行多點測量。還須注意的是，由于環(huán)境條件(主要是濕度)對紡織材料的靜電效應有著十分顯著的影響，所以靜電測量的結(jié)果和精確度也會隨周圍環(huán)境條件的不同而改變。因此，在測量前除正確選擇測試儀表外，還應考慮到測試時環(huán)境條件的影響因素，在此基礎上制定出切實可行的測量方案。

此外，在紡織靜電測量，特別是對紡織材料的電氣特性參數(shù)進行測量時，還必須充分注意到纖維及其制品具有輕薄、結(jié)構(gòu)非致密及著色等特點。實驗表明，相同材料和相同結(jié)構(gòu)的織物，由于著色的不同，導致它們的靜電特性及電氣特性產(chǎn)生一定的差異。

由于紡織靜電測量存在著如上所述的特點和困難，所以測量結(jié)果的可靠性和復現(xiàn)性相對說來要差一些。8.1.2紡織靜電測試方法的分類

(1)按測試對象可分為對纖維、紗線、織物、地毯、人體及紡織機械的測量。

(2)按測試場合可分為實驗室測試和生產(chǎn)現(xiàn)場的測試。

(3)按使纖維及其制品帶電的方式不同，又可分為摩擦式帶電和電暈放電式帶電兩種。

(4)按測試參數(shù)劃分，有表示帶電體帶電的特性參數(shù)的測量，包括電荷極性、帶電量(或面電荷密度)、靜電位等；還有對材料電氣特性參數(shù)的測量，如各種比電阻、介電常數(shù)、靜電半衰期等。

(5)按測試精度劃分，大致有定性測試法和定量測試法兩種。定性法一般比較簡單，不需專門的精密儀器，但測量結(jié)果只能大體上表示材料的帶電程度，不能給出物理量。定量法需要使用較專門的、具有一定精度的儀器，測試結(jié)果可用具體物理量表示。

8.1.3紡織靜電的測試標準

前已述及，紡織材料的帶電現(xiàn)象及其測量是相當復雜的，影響測量結(jié)果可靠性和復現(xiàn)性的因素很多。所以即使對同一種材料的同一帶電現(xiàn)象，若使用不同的測試儀器或不同的測試方法，或不同的環(huán)境條件，則所獲得的測量值往往會有很大差異，從而嚴重影響了數(shù)據(jù)的可比性。例如，對同一塊毛織物，使用摩擦式靜電儀測出的靜電半衰期要比用感應式靜電儀測出的高三倍；而對同一塊滌綸織物使用相同的儀器測量靜電半衰期，當相對濕度由35%提高到65%時，半衰期數(shù)值也會有很大的下降。為克服這一問題，必須統(tǒng)一測試儀器、測試方法及環(huán)境條件，這就是靜電性能的測試標準。

8.2紡織材料靜電性能的定性測試

定性測試法一般是模仿織物穿著時產(chǎn)生的帶電現(xiàn)象而確定的試驗方法。這種方法能測定織物摩擦后帶電的大概程度，有些還能用一定的數(shù)字表示測定結(jié)果。但必須注意，這些數(shù)字只能用作相對比較，而沒有具體物理意義。定性測試法的優(yōu)點是不需要復雜精密的儀器設備，又能在一定程度上說明物體的靜電效應。但測試時易受其它因素的影響，誤差較大。常用的定性法有放電聲音、煙灰試驗、吸附試驗及張帆試驗等。8.2.1放電聲音測定

這種方法是以織物在摩擦時放電聲音的大小來判斷其帶電程度，大致可分為4級:

P0級：基本上聽不到放電聲音，可判斷為“無靜電”；

P1級：可聽到柔和而微弱的放電聲音，定為“稍有靜電”；

P2級：可聽到普通啪啪放電聲響，定為“有相當?shù)撵o電”；

P3級：有強烈的放電聲響，應判定為“顯著帶電”。8.2.2煙灰試驗

煙灰試驗是將織物與其它材料摩擦后，置于盛放有煙灰的淺碟上方，由于靜電吸附作用，可以觀察到煙灰跳躍到織物表面上的情況，根據(jù)吸灰的程度便能粗略判斷織物的靜電效應。例如在選購衣料時，可用塑料筆桿或梳子在衣料上摩擦幾下使其帶電，然后觀察衣料的吸灰程度，借此可大致看出衣料防靜電性能的好壞。

至于試驗時織物的摩擦時間及距煙灰盤的遠近，各國亦有不同的規(guī)定。一般是將織物經(jīng)15s摩擦后置于煙灰盤上方2mm處作上述試驗，并按吸灰程度把織物帶電性能分為以下4級:

4級：基本不吸灰，定為“無靜電”;

3級：有少量吸灰，定為“稍有靜電”;

2級：吸灰較多，定為“有相當?shù)撵o電”;

1級：嚴重吸灰，定為“有顯著的靜電”。

這種方法與放電聲音測定法都要求操作者有相當?shù)慕?jīng)驗，否則誤差較大。

8.2.3吸塵試驗

吸塵試驗是將碳黑或纖維屑等輕小塵屑放置在專用的塵箱內(nèi)，并借助于風力作用而使塵屑運動循環(huán)；被測織物經(jīng)摩擦帶電后也放在塵箱內(nèi)，經(jīng)一定時間后檢測織物試樣被污染的程度，以此判斷織物的靜電性能。圖8-1是日本島內(nèi)四郎等人用以測定襯衫類織物摩擦帶電后吸附空氣中浮游塵屑的模擬裝置。此處是將待測試樣夾在塵箱的一側(cè)，而試樣背面由磨料和傳送輪組成的機構(gòu)可自動對試樣進行摩擦。這樣做的好處是，試樣在摩擦后不與人體接觸，從而減少了測量誤差。

測試條件和判斷標準亦各有不同。日本左久間邦夫等人對吸灰試驗規(guī)定的測試條件是箱內(nèi)塵屑濃度為1g/m3，風速為0.5m/s，相對濕度控制在50%以下。對織物靜電性能的判斷標準是經(jīng)吸灰試驗后若織物附著塵屑量在460mg/m2以上，則定為“顯著帶電”。圖8-1吸塵試驗裝置示意圖8.2.4張帆試驗

張帆試驗最早由Pick氏所設計，多用于測試裙料或其它外衣料帶電后的吸附性能。之所以稱為“張帆”，是因為把受摩擦的織物張掛于兩根直立的絕緣桿上，與船帆很相似。張帆尺寸一般取1.2×1.5m，材料應采用靜電效應較強的織物，如滌綸等。

試驗方法如下：讓測定人員穿著由待測衣料制作的衣裝，在“帆”上摩擦以產(chǎn)生靜電荷，直到外衣被吸附于“帆”上為止；然后測定人員離“帆”踏步，真到脫離吸附時。記錄脫離吸附所需時間，即可作為判斷試樣靜電效應強弱的依據(jù)。也可以觀察測定者從被吸附到10min后時的情況。測定人員必須著橡膠底鞋，以使人體與地絕緣；又因為“帆”也是與地絕緣的，故每次測定前都應消除“帆”上所帶靜電。

張帆試驗與其它靜電測試一樣，其結(jié)果隨環(huán)境條件特別是相對濕度而異。如圖8-2是衰減時間與空氣相對濕度之間的關(guān)系。由圖8-2可看出，尼龍織物在低濕度條件(如RH30%)下的衰減時間可達10min；而當相對濕度提高到65%時，其衰減時間接近于棉織物在RH30%時的情況。因此，在進行張帆試驗時，為獲得具有可比性的測試結(jié)果，必須把濕度的變化控制在一個較小的范圍內(nèi)。

張帆試驗的方法帶有很大的主觀性，因為外衣脫離吸附的時間是靠測定人員判斷的，不同人員對靜電的反應是不盡相同的，同時也與測試人員的熟練程度及經(jīng)驗有關(guān)。圖8-2各種外衣料的衰減時間隨相對濕度變化的情況8.2.5吸附金屬片試驗

這種方法是使待測織物經(jīng)摩擦帶電后，與一塊絕緣金屬角鐵發(fā)生靜電吸附，測量織物從開始被吸附直到因電荷衰減不再被吸附的時間，以此判斷試樣的靜電效應強弱。一般說來，服裝類的帶電織物與人體的纏附，主要是由于帶電織物接近人體時，在人體表面感應出異號電荷而引起的。如果把金屬板置于帶電織物附近，那么與人體一樣也能因感應帶電而使金屬板吸附織物；但用金屬板代替人體來模擬纏附試驗會更客觀、更準確些，因為這樣可以避免人的很多主觀因素的影響。本試驗方法的主要裝置是如圖8-3所示的角鐵狀試驗板制成，尺寸和彎度如圖8-3所示。另需不銹鋼板制作的接地板以及白松木料制作的摩擦板若干塊。

試驗時先將待測試樣用夾子夾在試驗板上端，此時試樣由于自身重力作用而自然下垂如圖8-4(a)所示。然后將夾有試樣的試驗板沿長邊方向平放在塑料板上(板下為接地板)，用摩擦板對試樣反復連續(xù)摩擦12次；摩擦結(jié)束后立即再將試驗板以短邊為底平放在接地板上，此時試樣由于靜電吸附作用而貼在試驗板上，如圖8-4(b)所示。再用絕緣鑷子夾住試樣右下角掀起試樣，使之脫離試樣板，直掀到與該板垂直的位置上，如圖8-4(c)所示。經(jīng)過1s后放開試樣，因試樣上帶有靜電荷而被吸附在試驗板上，如圖8-4(d)所示，這時開始用秒表記錄時間；然后每隔30秒，用絕緣鑷子夾住試樣下角，使其脫離試驗板，直掀到與該板垂直的位置，經(jīng)1s后再放開試樣；如此反復操作，直到試樣因靜電荷衰減不再吸附，并由于自重而自然下垂為止，如圖8-4(e)所示，這時秒表所記錄的時間正好為試樣脫離吸附所需時間。根據(jù)這一時間的長短可判斷織物試樣靜電效應的強弱。本試驗法的具體規(guī)范可參見美國紡織化學與染色工作者協(xié)會標準AATCC-115-1980，或日本工業(yè)標準JISL-1094-1980。圖8-3金屬片吸附試驗所用的試驗板圖8-4金屬片吸附試驗的主要步驟

8.3紡織材料帶電特性參數(shù)的測量

紡織靜電的定量測試包括對帶電體(紡織材料或與之接觸、摩擦的其它物體)的帶電特性參數(shù)及對材料本身電氣性能參數(shù)的測試。前者有靜電壓(對地靜電位)、帶電量和電量密度；后者有比電阻、介電常數(shù)和半衰期。

8.3.1靜電壓的測量

靜電壓是靜電測量中基本和常用的測量指標。因為靜電壓的高低反映了物體的帶電程度，是衡量靜電危害的一個重要方面。同時靜電壓的測量不論是在實驗條件還是在生產(chǎn)現(xiàn)場，都比其它參數(shù)的測量容易實現(xiàn)，所以這種測量應用很廣泛。在靜電壓的測量中，若被測物是帶電導體，可將儀表直接與之連接進行測量，這叫直接接觸式測量，相應的儀表叫接觸式靜電電壓表。但對紡織材料這樣的絕緣體，則不宜使用接觸式儀表。因為探頭與測試物體的直接接觸，往往會改變待測物體的帶電狀態(tài)，引起較大的測量誤差。同時紡織材料帶電后，各處帶電情況差異較大，用接觸式儀表測量出的結(jié)果代表性很差。為此，常采用非接觸式儀表，這種儀表測量時不與帶電體相連，而是將探頭接近帶電體到規(guī)定距離，由于靜電感應原理，探頭上感應出一定的靜電壓，然后由儀表讀數(shù)。由于這種測量方法不需連線，所以特別適合于紡織生產(chǎn)現(xiàn)場的測試。

1．非接觸式靜電電壓表

非接觸式儀表大多是基于靜電感應原理，也有的是利用放射性射線對空氣的電離作用。按照對探頭感應或接收到的信號放大的方式，可將非接觸式儀表分為直流放大式和交流放大式兩類。

1)直流放大式

這是直接感應式儀表。用這種儀表測量靜電壓的等效電路原理圖如圖8-5所示。圖中A為待測織物，T為儀表探頭，R和C分別為儀表輸入電阻和輸入電容；C0是探頭與待測織物之間的電容，設u0是待測織物對地的實際靜電壓，而由于靜電壓的儀表探頭T上出現(xiàn)的靜電壓為u，則根據(jù)串聯(lián)電容器上的分壓原理和導體上的靜電壓的衰減規(guī)律可得

由式(8-1)可看出以下幾點：

(1)當探頭位置一定時，C0/(C0+C)可視作常量，因而可通過檢測出探頭上的感應靜電壓u，而求出待測織物上的實際電壓u0。并且，當改變探頭到待測織物的距離時，就相當于改變了常數(shù)C0/(C0+C)，亦即改變了量限。所以在非接觸式儀表中，一般都是通過改變探頭到帶電體之間的距離來實現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換。(8-1)圖8-5

(2)用這種方法測出的靜電壓應是帶電織物表面與探頭相對的那一小部分面積上的靜電壓的平均值。所以，當探頭面積比較大時，被測面積也較大，測量的準確程度便隨之降低。同時這也會使待測物體所受影響增大，導致儀表穩(wěn)定性變差。由于這些原因，儀表探頭的面積不宜過大。

(3)由于電容C上的感應電荷通過輸入電阻R泄漏，致使其上的靜電壓u隨時間衰減而產(chǎn)生測量誤差，測量過程越長，誤差越大。為減少測量誤差，應使儀表有較高的輸入電阻，以增大放電時間常數(shù)。一般說來，這種儀表的放電時間常數(shù)(即R與C的乘積)不應小于180s。

(4)由式(8-1)還可看出，為使儀表探頭電極上的靜電壓u(即儀表上讀到的電壓值)盡量接近待測織物的實際電壓值u0，必須要求C<<C0，但為了保證電容器C上的感應電荷經(jīng)電阻R泄漏的放電時間不致太短，C值又不宜過小。當然，再考慮到存在著帶電體對地電容C′，還要求滿足條件(C+C0)<<C′。總之，C、C0及C′之間的關(guān)系比較復雜，在設計儀表時需綜合考慮、調(diào)整，此處不再贅述。

由于直感式儀表探頭上感應出的靜電壓信號相當微弱，所以在實際測量機構(gòu)中都要加置各種直流放大器，以便將信號經(jīng)放大后顯示出來。

直感式儀表的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶、測量方便、并能區(qū)分所測帶電體的極性。缺點是不適宜作連續(xù)測量，穩(wěn)定性較差。

2)集電式靜電電壓表

集電式靜電電壓表又稱放射性探頭式靜電電壓表，其探頭構(gòu)造如圖8-6所示。在接地的金屬圓筒內(nèi)裝有集電器，其前部鍍有放射源(如鐳或镅)，所發(fā)出的α、β射線由前面小窗射出。集電器與金屬圓筒間用聚四氟乙烯填充，以使二者充分絕緣。圖8-6集電式電壓表的結(jié)構(gòu)簡圖測量原理如下：當探頭前面無帶電體存在時，放射源發(fā)出的α、β射線使周圍空氣電離，與此同時還存在著離子的復合作用；但當達到平衡后，在集電器周圍就會形成一穩(wěn)定的電離區(qū)。這時，如把探頭引入帶電體(如圖8-6中的帶電織物)的電場中，則電離區(qū)某種符號的離子便受電場力推斥而向集電片發(fā)生定向運動，形成離子電流。顯然，該電流的方向和大小直接與帶電體的極性和電壓高低有關(guān)。再將離子電流進行直流放大，最后轉(zhuǎn)換成電壓由表頭顯示讀數(shù)。集電式儀表測量精度較之直感式為高，但放射源的防護比較復雜。

3)交流放大式

交流放大式靜電儀按信號調(diào)制的方法可分為振動電容式和旋轉(zhuǎn)葉片式兩種。

(1)振動電容式。如圖8-7所示，振動電容式儀表探頭的探極是一可振動的金屬片P。由于機械振動，探極與被測帶電體之間的電容在周期性地變化，于是在被測帶電體的靜電感應作用下，在探極上產(chǎn)生一周期性變化的電壓信號。這種信號很微弱，需高輸入阻抗的阻抗變換器接收，并由它輸入至量程轉(zhuǎn)換器，然后再送到交流放大器予以放大。圖中振蕩器的作用是，將其產(chǎn)生的交流信號分兩路輸出：一路輸入探頭部分，作為使探極發(fā)生振動的電源；另一路輸入相敏檢波器作為其參考電源，使相敏檢波器不僅能將自放大器輸入的信號予以解調(diào)，還能判別輸入電壓信號的極性，并根據(jù)極性輸出正的或負的直流信號。顯示儀表接收相敏檢波器的輸入信號，顯示出被測帶電體的電壓極性和大小。圖8-7振動電容式儀表的原理結(jié)構(gòu)框圖

(2)旋轉(zhuǎn)葉片式儀表。由于振動電容式儀表的動態(tài)電容器的結(jié)構(gòu)相當復雜，所以改用一個恒速微電機帶動扇形葉片，以便獲得變化的電容量。如圖8-8所示，旋轉(zhuǎn)葉片式靜電儀的探頭內(nèi)有兩個作成葉片狀的電極；由恒速微電機帶動的旋轉(zhuǎn)電極X和感應電極C。在待測帶電體的靜電感應作用下，又由于極片X不停地轉(zhuǎn)動導致兩極間電容作周期性變化，就會在極片C上感應出持續(xù)的交流信號電壓。該信號通過高輸入阻抗的放大器F進行放大，然后再由整流裝置J將交流電壓解調(diào)為直流，驅(qū)動顯示部分M給出測量結(jié)果。圖8-8旋轉(zhuǎn)葉片式靜電儀的原理旋葉式儀表結(jié)構(gòu)較簡單，并且與振動電容式儀表一樣，克服了直流放大器零飄較大的缺點，具有靈敏度高、能用于連續(xù)測量的優(yōu)點，因而得到廣泛應用，國內(nèi)已研制出不少這種類型的產(chǎn)品。

使用非接觸式靜電電壓表時，一般應注意以下事項:

①除特殊結(jié)構(gòu)的專用儀表外，帶電體的表面都應比儀表探極表面大幾倍，測量才比較準確。

②探頭與待測物體間不應有帶電粉塵或金屬、介質(zhì)。

③測量過程中必須保持探頭與待測量表面垂直，且保持二者間規(guī)定的距離。

④開始測試時，儀表探頭應自遠而近地向帶電體趨近；若發(fā)現(xiàn)儀表超出滿量程值，必須及時更換合適的量程擋。

⑤測量儀表要調(diào)零，測后要檢查是否回零。儀器用完后必須將探頭用保護罩加以保護。

2.接觸式靜電電壓表

典型的接觸式儀表是QV象限式靜電電壓表，其結(jié)構(gòu)原理如圖8-9所示。

圖中A、B是兩個相互絕緣的、固定的金屬盒，C是懸于金屬絲上可能轉(zhuǎn)動的金屬片。當測量探頭接觸帶電體時，電極A、B之間就形成一電場，金屬片C由于靜電感應而帶電，并在A、B內(nèi)受到電場力作用而偏轉(zhuǎn)，從而帶動懸絲及其上的小鏡一起偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)力矩與被測電壓的平方成反比。當偏轉(zhuǎn)力矩與懸絲的反作用力矩相平衡時，偏轉(zhuǎn)角度即表示被測電壓的高低，該角度可由固定在懸絲上的小鏡通過光標顯示出來。圖8-9接觸式靜電儀的原理圖圖8-10接觸式儀表測量的等效電路接觸式儀表測量的等效電路如圖8-10所示。其中C0是帶電體A對地電容，C和R分別是儀表的輸入電容和輸入電阻。當把儀表與帶電體進行接觸測量時，A對地電容增大為C0+C，因而接上儀表后實際測到的C上的電壓u并不等于接上儀表前帶電體的實際電壓u0，二者之間的關(guān)系為

C0u0=(C0+C)u

(8-2)

亦即測量電壓

再注意到C上的電壓通過儀表輸入電阻而衰減，即可得出測量的電壓(8-3)

由式8-4可得出以下結(jié)論：

(1)表頭讀數(shù)u低于帶電體的實際電壓值。為減小測量誤差，應使C<<C0，即盡可能減小儀表輸入電容。例如，對于量限在3kV以下的QV表，其C值都不大于30pF。

(2)隨著測量時間的增加，表頭讀數(shù)按指數(shù)規(guī)律衰減。為減小這方面的誤差，應提高儀表的輸入電阻R，如QV表的輸入電阻一般不低于1016～1018Ω。

接觸式儀表雖不宜測量紡織材料的靜電壓，但常與法拉第筒配合用于測量纖維或織物的帶電量。(8-4)8.3.2靜電量的測定

在所有表征紡織材料帶電性能的物理量中，電量是最基本的。因為，其它參量都是由于電荷的存在或移動而產(chǎn)生的。所以，在對紡織材料的靜電性能進行評價時，電量(或電量密度)是一個很重要的指標。對紡織材料帶電量的測定一般是在實驗室外條件下利用法拉第筒法進行的。

1．測量原理

圖8-11是利用法拉第筒法測量電量的原理圖。兩個彼此絕緣的帶電金屬圓筒構(gòu)成了法拉第筒，其中外圓筒接地，內(nèi)圓筒與靜電電壓表連接。當把帶電纖維或織物投入內(nèi)筒后，由于靜電感應，內(nèi)筒外壁對接地外筒的靜電壓迅速上升(相當于外筒構(gòu)成電容器充電)，并達到穩(wěn)定值u。設內(nèi)、外筒間電容量為C0，靜電壓表的輸入電容為C2，則內(nèi)筒外壁帶有電量

Q=(C0+C2)u

(8-5)

因為帶電體的電力線被封閉在內(nèi)筒，所以這時的電量也就是待測帶電體的電量。圖8-11法拉第筒法測電量的原理圖為保證測量的準確性，必須考慮到以下兩個因素：

(1)由測量原理可知，帶電織物在內(nèi)筒中所產(chǎn)生的電場必須被全部封閉于其中，若有外漏，則會引起測量結(jié)果的較大誤差。為此，在設計制作法拉第筒時應注意使兩筒放試樣的開口盡量小一些，或在筒口加蓋。但在很多情況下(如測量織物防靜電工作服的電量時)，筒口過小或加蓋是很不方便的。對于開口的法拉第筒，為了使電力線基本上被局限在筒內(nèi)，可采用增大筒的方法，最佳尺寸的選擇可按下述原則進行：

對于置放在法拉第內(nèi)筒中心的點電荷，經(jīng)理論計算，可求出進入筒內(nèi)的電力線占帶電體發(fā)出的全部電力線的比率為

式中L為法拉第筒的高度，D為筒的直徑。

由式(8-6)可列出不同尺寸比時η的數(shù)值，如表8-1所示。

結(jié)果表明，法拉第筒的高度為直徑的2倍以上時，逸出內(nèi)筒的電力線不超過全部電力線的10%，因而用于測量時不會發(fā)生較大的誤差。(8-6)表8-1法拉第筒的高度和直徑取不同尺寸比時η的數(shù)值

(2)為保證測量的穩(wěn)定性，應在法拉第筒與測量儀表間并聯(lián)泄漏極低的電容器C1，如圖8-12所示。如聚苯乙烯、陶瓷等作為介質(zhì)的電容器，其電容應比儀表的輸入電容C2和內(nèi)、外筒間電容C0大很多，一般取100pF～10μF之間。并聯(lián)電容器C1可使整個測量系統(tǒng)的C值增大，從而使電壓表的示值下降，所以也起到擴大電量測量范圍的作用，故C1又叫分路電容器。

考慮到分路電容及連接導線的分布電容C3，則整個測量系統(tǒng)的電容應為

C=C0+C1+C2+C3

(8-7)

帶電體的電量則為

Q=Cu=(C0+C1+C2+C3)u

(8-8)圖8-12法拉第筒法測電量的裝置

2．織物摩擦電荷密度的測定

織物摩擦電荷密度的測定由摩擦裝置和法拉第筒裝置共同完成。摩擦裝置由墊板、墊座摩擦布和摩擦棒等組成，如圖8-13(a)、(b)所示。具體規(guī)范可參考日本工業(yè)標準JISL-1094-1980。

試驗方法如下：

(1)在待測織物縱、橫方向各取尺寸為250、270mm的試樣三塊，如圖8-13(b)所示，將試樣布的長邊留260mm、留縫邊10mm，縫成套狀，將絕緣棒插入縫好的套內(nèi)置于墊板上，勿使之折皺。圖8-13織物摩擦電荷密度的測定方法

(2)雙手握持摩擦棒兩端，用自身體重的一部分均勻加于棒上，將棒從前面向自己面前拉動以摩擦試樣，摩擦頻率為1次/s，反復摩擦10次。

(3)摩擦結(jié)束后立即握持棒的一端，如圖8-13(c)所示，使試樣保持與墊板平行的狀態(tài)并將其提起，從墊板上揭離試樣，約1s后迅速投入法拉第筒。在些過程中必須注意使試樣離開人體或其它物體300mm以上。

(4)讀取試樣投入法拉第筒后的靜電壓u，用電容計測量系統(tǒng)的總電容C，按式(8-8)計算每塊試樣帶電量Q，再由式(8-9)換算成試樣的面電荷密度值σ(μc/m2)

式中S為試樣的有效摩擦面積。

(5)實際操作時應對每塊試樣進行多次測量，且每次測量前應除去試樣、摩擦棒及墊板上殘留的靜電荷。

3．防靜電工作服摩擦帶電量的測定

防靜電工作服摩擦帶電量的測定也是利用法拉第筒進行的。測定按以下方法進行：

(1)如圖8-14所示，穿著防護靜電工作服的操作者站在絕緣臺上，其泄漏電阻應在1014Ω以上。(8-9)

(2)操作者用左右手握著被測工作服的前衣襟下邊，左右交替各5次共計10次與內(nèi)襯衣相摩擦。摩擦的具體方法是將工作服左右前衣襟向前后緊拉擺動，目的是使工作服背部(后衣襟)與內(nèi)襯衣能產(chǎn)生摩擦。

(3)摩擦結(jié)束后將工作服脫下，立即投入法拉第筒內(nèi)。讀取儀表指示的工作服帶電的靜電電壓值u，按式(8-8)計算工作服帶電量。

(4)實際操作時應進行多次測量。每次測量前應除去工作服上的殘留靜電，操作者接地。圖8-14防靜電工作服的靜電測定

8.4紡織材料電氣特性參數(shù)的測量

在紡織靜電測定中，常需測定材料的比電阻、介電常數(shù)和靜電半衰期等電氣特性參數(shù)。

8.4.1比電阻的測量

比電阻是表征紡織材料導電性能的物理量。根據(jù)以前的討論知道，材料上起電和流散達到動態(tài)平衡時的飽和帶電量以及反映材料上靜電荷衰減快慢程度的半衰期，都直接與比電阻有關(guān)，所以它是衡量紡織材料靜電效應強弱的重要指標。測定材料的比電阻對于判斷靜電危害的程度及制定消電措施都是很重要的。

1．纖維比電阻的測定

纖維比電阻有質(zhì)量比電阻和體積比電阻。質(zhì)量比電阻可用專門儀器Y-196型質(zhì)量比電阻儀測定，也可采用ZC-36型超高阻計測定。但測質(zhì)量比電阻時，制作試樣很復雜，需將纖維一根根理直后再平行排列，拉成一定寬度的束狀，同時還要切束稱重，操作相當麻煩，容易增加人為因素而影響測試結(jié)果的準確性。因此，現(xiàn)在多改為測量散纖維的體積比電阻，并有專門儀器YG-321型纖維比電阻儀可供使用。以下介紹這種儀器的結(jié)構(gòu)原理和使用方法。

1)結(jié)構(gòu)原理

YG-321型纖維比電阻儀由纖維測試盒和高阻表兩部分組成。纖維測試盒為一長方形不銹鋼盒，用以放置待測纖維。由于散亂的纖維在沒有一定密度和形狀的情況下是不可能測出其比電阻的，所以纖維盒開口的一端連有加壓裝置，搖動壓力裝置的手柄可能改變夾持纖維的電極板的面積，以達到規(guī)定的待測纖維的體積密度。該體積密度是由所謂標準填充度F0表征的，其意義如下：

先假定測量盒內(nèi)的纖維是均勻物質(zhì)，其中不含有空氣，則纖維的體積比電阻就是其體積電阻率ρ，且(8-10)式中R是纖維的電阻值，S是夾持纖維束的兩電極板的面積，L是電極間距。

然而實際上纖維束并非均勻物質(zhì)，其間有空氣存在，所以纖維實際占據(jù)的體積不是纖維盒的體積SL，而是纖維束的總質(zhì)量M與纖維的質(zhì)量密度K的比值M/K。纖維的實際體積與纖維盒的體積(即纖維束的表觀體積)之比稱為纖維填充度，以F表示(8-11)

YG-321型纖維比電阻儀的S=24cm2，L=2cm，并規(guī)定纖維盒中盛放試樣的質(zhì)量M=15g，故得

依定義，纖維的體積比電阻

可見，只要利用儀器的高阻部分測出纖維電阻R，再根據(jù)各種纖維的密度K，即可求出纖維的體積比電阻。(8-12)(8-13)

2)測試步驟

(1)儀器調(diào)試。將放電—測試開關(guān)打到放電位置，倍率選擇開關(guān)置于“∞”處，將儀器妥善接地后，開啟電源開關(guān)。預熱30分鐘后，慢慢調(diào)節(jié)“∞”調(diào)節(jié)旋扭，使電表指針指向“∞”。將倍率選擇開關(guān)撥到“滿度”位置，調(diào)節(jié)“滿度”旋扭，使電表指針指向“1”處不動。然后反復調(diào)節(jié)“∞”和“滿度”，以保證儀器測試精度。

(2)試樣準備。取被測試樣50g，置于標準溫濕度條件下平衡4h以上，然后將試樣采用精度為0.01g的天平稱取兩份，每份重約15g，作測試用。

(3)測試。用鑷子將纖維試樣均勻填入纖維測試盒內(nèi)，并轉(zhuǎn)動加壓手柄，使定位指針指向定位刻度線上，此時電極面積為24cm2。將放電—測試開關(guān)打在放電位置，等數(shù)秒后極板上的殘留電荷全部消散，即可撥至測試位置。再撥動倍率選擇開關(guān)直到電表上有較清晰的讀數(shù)為止，當測試電壓為100V時，表盤讀數(shù)乘以倍率即為被測纖維在標準密度條件下的電阻值；當測試電壓為50V時，應將讀數(shù)除以2再乘倍率。

2.織物比電阻的測試

織物比電阻(表面比電阻ρs和體積比電阻ρv)的測量與一般板狀絕緣材料比電阻的測試相似，可使用通用的超高阻儀器如ZC-36超高阻計及附屬的同軸三電極測量系統(tǒng)。

1)結(jié)構(gòu)和測量原理

ZC-36型超大型高阻計是一種直讀式儀表，最高量限電阻為1017Ω。該儀器由直流高壓測試電源、測試放電裝置(包括輸入短路開關(guān))、高阻抗直流放大器、指示儀表和電源等五部分組成。其面板上的調(diào)節(jié)器如圖8-15所示。圖8-15ZC-36型超高阻計面板圖儀器作為高阻測試時的主要原理如圖8-16所示，被測織物與高阻抗直流放大器的輸入電阻R0串聯(lián)，并跨接于直流高壓測試電源上(由直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生)。高阻抗直流放大器將輸入電阻上的分壓信號u0經(jīng)放大后輸出至指示儀表，由儀表直讀出被測織物電阻值Rx，由于滿足條件Rx>>R0，則有

當用本儀器測量織物的表面電阻Rs或體積電阻Rv時，應與同軸三電極系統(tǒng)配合使用。三電極系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和尺寸是按國家標準制作的，其示意和接線圖如圖8-17和8-18所示。兩圖中，圓柱狀電極1為測量電極，圓盤狀的電極2為高壓電極，圓環(huán)狀電極3為保護電極，4為待測織物。

(8-14)圖8-16高阻測試原理圖8-17測量Rs時三極電極的接線圖8-18測量Rv時三電極的接線當把儀器上的Rs/Rv轉(zhuǎn)換開關(guān)打到Rs處時，保護電極一端加上測試電壓，測量電極接低壓端，高壓電極則接地，如圖8-17所示。從高阻計上讀出試樣的表面電阻值Rs，再按下式考慮其表面比電阻ρs：

式中D2=5.4cm，是保護電極內(nèi)直徑；D1=5.0cm，是測量電極的直徑。把轉(zhuǎn)換開關(guān)打到Rv處，則在高壓電極一端加上測試電壓，測量電極接低壓端，而保護電極接地，如圖8-18所示。這時從儀表上讀出的電阻是Rv值，再按下式計算體積比電阻

(8-15)

式中h為織物試樣的厚度，可用織物測厚儀測定，單位是cm。2)測試步驟

(1)按照ZC-36型超高阻計儀器使用說明書的要求作好測試前的準備工作。

(2)將試樣置于屏蔽盒內(nèi)，上面放好環(huán)形電極和柱狀電極，測量端紅頭接線與柱狀電極連接，另一黑頭導線與環(huán)狀電極連接，轉(zhuǎn)換開關(guān)視測量需要打到Rs或Rv。(8-16)

(3)選擇測試電壓，根據(jù)被測電阻適當選擇倍率，放電-測試開關(guān)撥到測試位置，充電15s后，輸入開關(guān)由短路撥向開路，進行讀數(shù)，則所測電阻值為

Rs=(表頭讀數(shù)×106)×(倍率)×(電壓系統(tǒng))其單位是Ω

測完后，應將輸入開關(guān)再撥回短路，放電-測試開關(guān)打向放電，經(jīng)一分鐘放電后取出被測試樣。

(4)對同一試樣應進行多次測量，最后取其平均值。

(5)按式(8-15)或式(8-16)計算織物比電阻值。8.4.2