据地毯协会的统计，欧美纤维铺地材料消费量占总铺地材料消费量的70%左右。亚洲是一个很有发展潜力的新兴地毯市场，地毯消费量在亚洲的增长速度非常迅猛。从我国的地毯业发展状况来看，2000年我国合成纤维地毯达1.5亿m2,2010年地毯产量超过3亿m2。未经防静电处理的化纤地毯会产生较多静电，易造成人体电击、引发火灾或爆炸、损坏电子产品等危害[1]。近年来，具有更高防静电性能的特殊用途地毯，如航空地毯、汽车内饰地毯或用于安放电子设备的配套地毯等相继问世，对于地毯静电特性的评价和检测存在迫切需求。通过对地毯静电性能进行定性、定量测试和分析，有利于在生产中改良地毯材料，最大程度降低地毯静电的产生。
现代静电学对材料的静电性能检测和研究有多种方法，表征材料静电的指标主要有带静电电荷密度、电阻率(表面和体积)、静电半衰期、静电电位及材料的介电常数等。国外大都采用步行法检测人体静电电位，以此评估地毯产生静电对人体造成不适的风险，同时检测地毯电阻来评价地毯静电衰减性能[2]。如：ISO 6356—2012《铺地织物 静电特性评定：行走试验》，JIS L—1021《铺地纺织物》，AATCC 134—2006(2007)《地毯的静电倾向测定》，DIN54345—3《纺织品的检验静电性能用机器法测定织物地毯电荷》。
目前，地毯的静电检测国内已经制定了相应的国家标准(GB/T 18044—2008《地毯 静电习性评价法 步行试验》、GB/T 23165—2008《地毯 电阻的测定》)与国际标准接轨。本项目收集了大量国内外相关资料和相关标准，对地毯静电检测的关键技术进行深入研究。
2 地毯静电测试机理
通常情况下人体的电阻在几百欧姆至几千欧姆之间，因此，人体本身可视为静电导体。当人在地毯上行走时，鞋子与地毯接触-分离，这些接触-分离产生摩擦使鞋子带电。鞋子上的电荷会传导到人体上进行重新分布，人体静电电位随衣服、鞋子与地毯的接触-分离性质不同，起电的波形亦不相同。
当在规定的条件下，人穿着标准鞋，按照标准规定的步幅，在地毯上步行时，可检测人体的静电电位变化。由于人体的电位变化与地毯电位变化(绝对值)呈线性对应关系，人体静电电位越高，地毯静电电位也会增高。具体测试机理见图1。该地毯静电测试系统符合GB/T 18044—2008《地毯 静电习性评价法 步行试验》的测试机理，可用来评价地毯在使用过程中产生的静电荷电击，并分析其造成的不舒适感及其危险性。
3 地毯静电测试系统的研制
3.1 手持传感器
人体静电不属于人体生物电范畴。用于测量静电的传感器是容性电极，人体电容与手持容性传感器是串联性质，人体静电通过手持容性传感器外电极耦合，利用高输入阻抗放大器作为信号检测的缓冲器，容性传感器具有很高的输出阻抗，只有在输入信号频率较高时，输出阻抗才会下降，容性传感器具有非常稳定且良好的重现性，只有改变结构尺寸和环境的温湿度才会影响其电容性能。因此，选用这种容性耦合器作为采集并记录人体静电电位的传感器。
使用LCR数字电桥(精度0.3%)测量手持电极的电容量 =10.0 pF(环境温度23 ℃，相对湿度25%)。如图2所示，标准电容和测试电极构成电荷-电压转换电路。
标准电容在采样电路里起到电荷-电压转换器的作用，标准电容量的选取决定了测量量程，如果电容容量选择太小，起电电荷大于电容容量就会发生饱和，反之则会影响测试的灵敏度(动态响应)和精度。
3.2 试验用鞋
试验用鞋是步行法地毯静电测试系统的关键之一。测试人员在地毯上行走时始终有一只脚是着地的，迈步抬起的鞋子与地毯发生接触-分离产生静电，另外一只鞋起到隔离人体静电与地毯静电的作用，循环往复，人体静电电位随着步频同步发生变化。为了验证这一点，测试人员手持传感器赤脚在地毯上行走，发现确实检测不到人体静电。
试验用鞋是按照标准ISO 9407：1991 Mondopoint尺寸中的270/100制作。鞋内底前部的中心位置镶嵌一块不锈钢片材料，其前部和后部使用金属铆钉连接，所有的金属铆钉与鞋的外底或底部的不锈钢片与测试人员的脚处于良好导通状态。这样保证了鞋外底材料(磨料)内表面与测试人员脚面密切接触，传递起电电荷至人体进行重新分布。试验用鞋见图3。
3.3 计算机控制系统
计算机采用研华嵌入式工业控制计算机，数据采集与开关量BC6602板卡控制(多功能光电隔离12位A/D)，采用PCI总线支持即插即用、无需地址跳线。8路大功率继电器端子板由BC6602控制，每路开关驱动能力：3A/30VDC，3A/250VAC。每路继电器开关带400 V过压保护压敏电阻(最大承受2 000 W)，通过驱动中间继电器，控制高压真空继电器。
3.4 地毯静电性能校验测量系统
根据GB/T 18044—2008附录E中检验校准测量系统的方法，设计了静态和动态校验系统，由计算机控制产生不同的电压输出方式，对仪器的数据采样进行标定，确保仪器测量系统的准确性。该系统已获得国家发明专利授权(专利号2013 1 04614690)。校准系统见图4。
静态校准。将手持电极与校准系统的输出端连接，调整高压电源输出值，通过计算机控制输出正负电压，启动计算机“校准程序”，按照软件提示步骤进行标定，标定点分别为0 V、±1 kV、±2 kV、±3 kV、±4 kV、±5 kV、±10 kV和±20 kV；调整放大电路的放大倍数和计算机软件的参数设置。动态标定校准系统输出产生(1±0.01)kV，频率为2 Hz，占空比为50%的矩形高压脉冲，进行动态标定。
4 步行法地毯静电测试及数据分析
根据GB/T 18044-2008第8条规定，选择尺寸为2 000 mm×1 000 mm的试样，在(23±2)℃的温度和(25±2)%的相对湿度条件下测试，试样至少在此条件下预处理7天。测试结果见表1。在整个试验过程中，操作人员应始终保持身体面对同一方向，以每秒2步的速度在试样上行走。操作人员应以向前走和向后走的方式尽可能多地走遍整个试样，但应避免拖脚蹭走和原地转动。行走时应使鞋底抬起到50 mm～80 mm，并使鞋底始终保持与试样平行。标准规定每次行走过程中当峰值电压不再上升或保持了60 s时，任意一种情况发生，就立即停止行走。检测5个最高波谷的值(见图5)。行走3次为一组试验，需要4块地毯进行测试，对同一系列地毯样品测得60个数据，最终得出测试数据的平均值、标准偏差和变异系数。
4.1 数据分析
观察图6的试验数据可以发现，地毯表面电阻与人体步行产生的人体静电电位存在一定的关联性。地毯表面电阻越大，产生的人体静电位越大。对于表面电阻数量级相近的地毯，由于地毯的厚度、密度、弹性、表面摩擦因数等参数的不同，会造成人体在地毯上步行产生的人体静电电位的差异。
4.2 影响人体静电电位测试结果的因素
一些材料测试通常会使用标准物质，如纺织品摩擦静电压测试用的标准磨料。人体不是标准物质，通过人体静电电位测试来反映地毯的静电特性，由于个体差异会导致测试过程产生较大差异[3-4]。
(1)人体电容。人体的电位与人体自身的电容密切相关，人体的电容与人的身高、体重、体姿、性别、衣着及鞋子等因素有关。人体电容是表示人体贮藏静电电荷的能力。虽然国内外资料提供的测试和计算结果各异，但一般人体电容值在50 pF～250 pF之间。其中80%的人体电容为100 pF左右。在步行法测试中，测试人员穿着专用鞋测量的人体电容基本在320 pF～370 pF之间。
(2)人体体重。在测试过程中，人体体重较大，在行走时对毯面施加的压力较大，会赋予地毯纤维更多电子能量，产生更高的静电电荷，从而产生较高的人体电位。从表2中可以看出测试人员的身高、体重、人体电容等对测试数据结果影响较大。
(3)剩余电荷。如果地毯或铺地物上存在剩余电荷，它会形成电场，人站在上面即使不走也会感应静电电压，这样无法真实反映人与地毯摩擦过程的静电特性。所以，在试验前必须对试样进行放电预处理。
由于GB/T 18044—2008没有规定试验人员的筛选，但我国公共安全行业标准GA 96-1995《铺地纺织品静电性能参数及测量方法》规定试验人员为身高(1.70±0.05) m，体重(65±5) kg，而早期的ISO 6356 《铺地织物静电习性评价行走试验》规定测试人员不论性别，从10人或多于10人通过“行走”初试，从中选出经行走产生的人体电压最接近所有初试者平均人体电压的两人作为测试人员。所以建议在修订GB/T 18044—2008《地毯 静电习性评价法 步行试验》时，对测试人员的筛选方面应参照GA 96—1995标准进行的规定，尽量减小由于人体差异导致的测试数据偏差。
5 结束语
地毯静电性能检测关键技术研究及仪器研制依据GB/T18044—2008和ISO 6356—2012进行，测试员手持传感器，穿着标准鞋在地毯上行走，检测人体静电电位，从而评估地毯产生静电对人体造成不适的风险。动态和静态校准系统确保了仪器准确性。地毯静电性能测试仪为评价地毯的防静电性能提供检测手段。该研究成果对保障我国地毯(铺地物)静电防护安全、促进地毯行业可持续发展及提升我国相关产业国际竞争力具有积极的意义。
