自制静电监测器 - 静电场检测器

静电监测仪，也称为静电场计或静电电压表，是一种用于测量物体表面或周围环境中静电荷（静电）存在及其强度的设备。这类仪器通常分为接触式仪表和非接触式（场式仪表）。接触式仪表通过与物体表面直接接触来测量电荷，而非接触式仪表则利用静电感应技术远距离测量电荷。另一种分类方式是根据测量持续时间，即在不同位置进行瞬时检测和全天候连续监测系统。

在这个项目中，我将介绍一种连续静电监测电路设计，您可以自行搭建或进行修改。该设计侧重于非接触式静电场传感、实时电压测量和输出信号。

该设备由三个基本部分组成：探测器、电子元件以及用于显示和记录结果的单元。现在我将逐一解释每个部分。

关于 Arduino 代码，这里简单说明几点。首先发送一段字符串，作为信号通知 Windows 应用程序接收 Arduino 发送的数据。然后，波特率设置为 9600。最后，我们可以根据检测到的信号强度和电位器 P3 的位置来调整这两个值。代码最后会将数值发送到我们在 Windows 应用程序中定义的三个仪器。

关于 Arduino 代码，这里简单说明几点。首先发送一段字符串，作为信号通知 Windows 应用程序接收 Arduino 发送的数据。然后，波特率设置为 9600。最后，我们可以根据检测到的信号强度和电位器 P3 的位置来调整这两个值。代码最后会将数值发送到我们在 Windows 应用程序中定义的三个仪器。

首先，进入“接口”菜单，选择与 Arduino 对应的 COM 端口，波特率设置为 9600，然后点击“连接”，再点击“编辑”。接着进入“仪器框”，选择我们将要使用的三个仪器（圆流量计、液位计和立式流量计）。现在进入“设计切换”菜单，双击每个仪器，分别设置它们的颜色和量程。最后，点击“开始趋势”，即可开始测试和测量。

为此，我可以通过摩擦起电法在塑料尺上产生静电荷。摩擦起电法是将塑料尺与某些材料（在本例中为羊毛布）摩擦。首先，我将测试一些轻薄的小纸片上是否存在静电荷，这些纸片会在静电荷的作用下被吸引。

现在让我们来测试一下我之前介绍的这个装置的功能。正如我一开始提到的，使用这种类型的探测器，如果想要立即检测到电荷，就必须将物体（尺子）在金属板上移动。应用程序中的仪器会显示一个瞬间的大幅偏转，这表明探测器金属板附近存在电荷。除此之外，这种类型的探测器对正电荷和负电荷的反应相同。现在我将向您展示一个特殊的例子，即如何连续监测由网球拍形状的灭蚊器产生的静电荷。按下按钮后，会产生一个高压静电场，在该静电场的作用下，由一定间距的金属网格组成的电容器会被充电。如果我们连接电容器的电极，它就会放电，产生高压火花。

现在，关于应用程序中的仪器，我们看到一个非常有趣的例子。

也就是说，静电荷的强度会随着源与极板之间的距离而不断变化，即使源静止不动，仪器也会持续显示电流值。事实上，这是所谓的场式静电荷检测器独有的特性。现在我将解释为什么在这种特殊情况下会如此。这种灭蚊器的工作原理如下：首先，我们有一个交流信号源。然后，该信号通过一个功率MOSFET传输到高压变压器的初级线圈，在次级线圈上产生交流高压。之后，该电压通过二极管和电容器进行整流。

产生静电场并为信号充电的最终电压波形并非理想的直线。因此，我们的探测器检测的是直流电压的这些微小波动，而这些微小变化模拟了静电荷源的持续运动（振动）。

我想提醒您，这不是专业设备，您在应用程序上看到的数值只是经验值，因此我们需要一台经过商业校准的设备进行比较，并准确标记刻度。

最后，做一个简短的总结。这款简易静电监测器采用平行板检测器和TL071运算放大器电路来测量静电场，并通过Arduino和PC软件进行实时可视化。虽然它并非专业设备，但却是研究静电特性的绝佳教学工具。