湿度が低い環境下では、あらゆる物体が静電気を帯びて「パチッ」と放電が発生するということが度々発生します。それらの物体がどの程度の静電気を帯びているのかを測定したくなる時があります。そこで、静電気の極性と大きさを簡単に測定することが可能な表面電位計を製作したいと思いました。静電気を測定する手法には多くの種類があります。今回は、プロペラのように回転するシャッター板が特徴的なField Mill と呼ばれる電界センサーを製作し、帯電した物体の表面電位を試みました。
±10kV までの電位測定を行うことが可能な表面電位計を設計・製作しました。製作した表面電位計はUSBバスパワーで動作し、100mm×100mm 程度の帯電した物体における表面電位の大きさと極性を連続して測定することができるようになっています。測定した表面電位は16×2 行のキャラクタLCD 上に表示されます。
製作した表面電位計の電界センサーはField Mill 型という方式を採用しています。このセンサーは機械的なシャッター構造を持っており、これにより電界をチョッピングしてその大きさと極性を検出します。また、検知電極の直近にIV変換回路を設けることで、ノイズに弱い微小電流をできるだけ直ぐに電圧に変換できるような構成としています。
ブロック図
表面電位計のハードウェア構成を示します。帯電した物体周辺の電界を検出するための電界センサーとRaspberry Pi Pico を利用したAD 変換・信号処理部から構成されています。
製作した表面電位計では、Raspberry Pi Pico に内蔵されている12bit-ADC を用いてアナログ信号のサンプリングを行う構成としています。ADC によりサンプリングされたデータはRaspberry Pi Pico のCPU0 によって同期検波演算が行われ電界の大きさが算出されます。
回路図
ソースコード、資料
こちらの同人誌にて、Raspberry Pi Picoで表面電位計を製作する方法について詳しく解説しています。
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