测试与计算静电电压（电位）的方法

静电电压是带电体表面某点的静电电位与某一指定参考点（通常是地）电位之间的差值。由于通常将地电位取为零，故带电体表面的静电电位即代表了该处的电压水平。由于电位是与电荷成正比的物理量，电位的高低则会反映出物体带电的程度，即可通过测电位（电压）来了解带电量的大小。而且，由于静电电压的测试较其他静电参数的测试易于实现，因而得到了广泛的应用。

1.导体静电电压测试

（1）测试原理

利用等电位原理进行测试。把被测带电体用对地绝缘的电缆直接连在输入阻抗为10¹²Ω以上静电电压表的测量电极上，由静电电压表表头直接读出被测带电体的电位，这种测试方法叫等电位测试法，也称为接触式测量。此测试方法仅适用于对静电导体带电电位的测试，测量准确度可以优于2%，但对于某类测试探头无法进行电接触的对象，这种方法不宜使用。

（2）测试仪器

接触式静电电压表（或简称静电伏特计）通常是利用静电力矩来进行测试的。其常用的也是最传统的是Q-V系列表。其型号、性能见表4-1。

表4-1 常用接触式静电电压表

（续）

（3）测试方法

1）用绝缘电缆将仪表的高压端与待测带电体连接起来，其低压端与仪表的外壳进行良好接地，即可测出导体的静电电位。

2）测试前应先检查仪表输入系统的（包括仪表的输入端和电缆）绝缘情况。其方法是在仪表的输入端加上适当的静电电压，去掉外加电压后，观察表头读数的衰减速度。若衰减得很慢，则说明测试系统绝缘性能良好；否则，说明绝缘性能不良。

3）当测试仪表的输入系统受潮或被污染时，则绝缘性能变坏，高压加不上去，出现严重的漏电现象。因此要使用蘸了酒精的纱布或脱脂棉等擦拭干净，烘干后方可使用。

4）每次测试前必须先对测试仪表调零。为避免直接短路给被测仪表的输入端造成损伤，可通过连接与输入端的外部短路电路进行调零。

（4）减小测试误差的方法

接触式静电电压表等效电路如图4-7所示。

图4-7 接触式静电电压表等效电路

在图4-7中C₀为被测带电体对地电容，C和R分别是仪表的输入电容和输入电阻。当把仪表和被测带电体接触进行测试时，带电体的对地电容增大为C₀+C，因而接上仪表后，实际测得的C上的电压并不等于接仪表前带电体的实际电压U₀，两者之间的关系如下：

从上式可以看出，表头读数U低于带电体的实际电压U₀。为减小测试误差，应该使C＜＜C₀，即尽可能地减小仪表的输入电容。例如，使用量程在3kV以下的静电电压表，其输入电容C值都不大于30pF。

另外，考虑电容C上的电压通过仪表输入电阻而衰减，可得出测试的电压为

从上式可以看出，随测试时间t的增加，表头读数按指数规律衰减。为了减小由此造成的测量误差，应尽量提高仪表的输入电阻R，一般静电电压表的输入电阻应选择在10¹²Ω以上。

2.表面电位测试

（1）测试原理

根据测试原理的不同，可分为静电感应和空气电离两种测试原理。静电感应原理是将测试探头靠近带电体，利用探头与被测带电体之间产生的畸变电场测试带电体的表面电位。其实质上是对带电体表面电场的测试。空气电离原理是利用放射性同位素电离空气，在带电体与测试仪表输入端、输入端与接地端之间分别产生电阻分压，测试带电体的对地电位。由于这种测试不是直接与带电体相接触，因此也称为非接触式测量。其所使用的测试仪表，又称非接触式测试仪表。这类仪表目前在我国市场上比较多，有国内外许多厂家生产的各种类型的非接触式静电电压表。

与接触式测量相比，非接触式测量结果受仪表输入电容、输入电阻的影响较小，测量准确度可优于15%。但这种方法受测试距离、带电体几何尺寸的影响较大。测试数据一般只能作为参考或相对比较。

（2）测试仪器

根据工作原理的不同，该类仪表主要分为静电感应型和电离型两种。

1）用感应型静电电压表测量。

静电感应式仪表测试原理如图4-8所示。图中T为测试探头，L为仪表的等效输入电路，C_W是测试探头与被测带电体之间的耦合电容，R_b和C_b分别为仪表的输入电阻和输入电容。由于被测带电体的电场作用，探头T上将产生感应电位。由图中电路可知，C_W是与C_b串联的，而R_b是C_b的泄漏电阻，若被测带电体的对地电位为U（U保持不变），则探头对地电位为

图4-8 直接感应式仪表测试原理

可见，探头T上的感应电位U_b随着测试时间t而衰减。当探头与被测带电体相对位置固定，则C_W即确定。公式中的C_W/C_W+C_b可视为常数，通过探头上测得的感应电位U_b可求出被测带电体的电压U。显然，通过改变探头与被测带电体之间的距离，也即改变两者之间的耦合电容C_w的大小，即可改变仪表的量程。(www.xing528.com)

鉴于探头上的感应信号非常微弱，必须进行放大，才能由静电电压表显示。静电电压表可根据放大方式分为直流放大和交流放大，而交流放大又分为振动电容式和旋转叶片式。

用这种方法测试得到的数值，仅表示探头相对的局部面积上的电位平均值。对绝缘体而言，不同的位置可以有不同的电位，不能用测试值代表被测带电体的电位。

另外，从公式中还可以看出，即使被测电位U不变，测试值U_b仍随时间以指数规律衰减，时间常数为R_b（C_b+C_W）。为减小测试误差，要求R_b或C_b充分大，但C_b增大后又将导致测试灵敏度降低，反而使测试发生困难。因而要求该类仪表具有很高的输入电阻，这一点同接触式测试仪表是一致的。即使如此，也只能减缓衰减速度，不能从根本上解决问题，故该类仪表不能用做固定接入的监测仪表。

其他常用静电感应型的表面电位计还有

①直流放大式表面电位计。

一般测试仪器选用直流差动放大电路。这种电路仪器的输入阻抗可以达到10¹⁵Ω以上，同时还可以补充晶体管零点漂移所带来的误差。测量时，探头上的感应电位使指针偏移，即可指示被测带电体对地电位的大小和极性。

②旋转叶片式静电计。

由测试探头、放大器和显示仪表等组成。所不同的是测试探头部位有一个十字形的旋转叶片，将固定叶片的感应直流信号变成交变信号，然后再经交流放大。这样避免了直流放大器零点漂移的影响。

③振动电容式静电计。

振动电容式静电计也称振簧式静电计，主要由测试探头、交流放大器、振荡器、相敏检波器和指示器组成，如图4-9所示。与直接感应式仪表不同，其探头电极是一个可振动的金属片，在振荡器的驱动下，探头电极与被测带电体之间的电容周期性变化，被测带电体在探头电极上感应出一个周期性变化的电位信号。因为此信号非常微弱，故采用高输入阻抗的变换器来接收信号，再经交流放大和相敏检波后由直流表显示被测电位，而且还可以测试电位的极性。

2）用电离型电阻分压静电电位计测量。

这种仪表是利用放射性同位素产生的射线电离空气，借助电阻分压原理测试带电体的静电电位，根据这种原理制成的仪表也属于电离型的非接触式仪表。其测试工作原理及等效电路分别如图4-10和图4-11所示。

图4-9 振动电容式静电计

图4-10 电离式电分压静电电位计工作原理图

图4-11 电离式电阻分压静电电位计等效电路

图4-10中，测试探头由：铅制金属屏蔽筒（接地）、放射源F（通常选用镭、镅等放射性材料）和多孔型集电极小窗J三个部分组成。在集电极J与金属屏蔽筒之间用聚四氟乙烯等高绝缘材料固定并隔离。

放射源产生的α或β射线通过小窗射出，使集电极附近的空气发生电离，在集电极小窗附近形成一个稳定的电离区。当仪表探头引入带电体附近，在带电体电场的作用下，电荷定向运动，在带电体与测试仪表的集电极以及集电极与大地（屏蔽筒接大地）之间分别形成等效电阻R₁和R₂，被测带电体上的电荷通过R₁和R₂向大地泄漏。这时，通过测试电阻R₂上的分压，完成对带电体静电电位的测试。

假定R_i和C_i分别为测试仪表的输入电阻和输入电容，U₀和U_i分别为被测电位和测试仪表的输入电位。由仪表的等效电路得出测试仪表的直流输入电位为

该信号经放大后输入显示仪表，校准后即可代表被测带电体的静电电位和带电极性。

利用这种仪表进行静电测试，受外界电场影响较小，精度较感应式高，但是放射性材料对带电体有中和静电的作用，因此，测量值比物体实际带电电位要低。

3.静电电压表使用方法及注意事项

1）测量前，首先应检查电源电压是否符合规定的标准，仪器外壳（包括探头外屏蔽筒）接地是否良好。仪器要经多次调零后，方可进行测试。

2）测试探头应放置在与被测带电体表面垂直的某一固定的空间位置上（按仪器说明书的要求）。为避免被测带电体与探头外壳之间发生火花放电，开始测量时，探头必须放置在远离带电体的位置上。进行测试时，应逐渐接近带电体，最后调整到准确测挡的位置。

3）测试表面电位时，一般带电体表面应离接地体足够远。如带电体是薄片或薄膜状，且其背面又靠近接地体，当探头移向接地体附近时，由于局部电荷的过于集中，就会有产生空间放电或表面放电的危险。

4）当带电体的被测部位是较大的平板时，其测量值是准确的。但当带电体被测表面具有一定的曲率半径时，测量值就与实际的电位值有较大差别。在这种情况下，所测得的数值必须进行矫正，才能与实际情况相吻合。

5）应当考虑测试仪器标定装置对测试结果的影响。为提高测试准确度，任何仪器都需要定期进行标定（量值传递）。对于非接触式测试仪器，还必须考虑标定极尺寸效应。实验结果表明，当被测带电体的面积大于标定极板的面积时，测量值较实际值高，反之偏低。

6）应当注意屏蔽筒曲率对高压测试线性度的影响。由于屏蔽筒接地，在测试探头接近被测带电体的过程中，会使屏蔽筒的尖端电场强度增强。在测试高电压时，容易产生电晕放电，空间电荷在探头的前方形成带电屏蔽层，降低了仪表的测试敏感度，使仪表的显示值低于其真实值，产生高压非线性失真。反之，若空间电荷直接进入感应电极，则会导致测试值的单方向漂移，使仪表不能正常工作。为了防止电晕放电，应使测试探头尽量远离被测带电体，屏蔽筒的表面应当光滑，探头口部的曲率半径应当大一些，尽量采用圆弧形截面的屏蔽筒口。

7）应当注意仪表电容对测试准确度的影响。一般说来，被测带电体与测试探头的屏蔽筒之间以及被测带电体与测试探头的感应电极之间分别会形成分布电容C_p和C_W。测试时，C_p直接与带电体的对地电容C并联，而C_W与测试仪表的输入电容串联后也与带电体的对地电容并联，这两个电容并联后，被测带电体的实际电位有所降低。为保证测试准确度，要求尽量减小测试探头的几何尺寸，使C＞＞C_p+C_W。

8）应当注意探头屏蔽深度对测试准确度的影响。感应式静电电压表实质上是对被测带电体某一局部电场的测试，因而必须尽量减小外电场对测试信号的干扰和影响。通常的方法是把该类仪表及其探头安装在接地屏蔽的壳体内。显然外屏蔽套筒过深会降低仪器的测试灵敏度，过浅又会降低测试的准确度，因此要求深浅应适当，一般选用60°的测试立体角。此外，针对测试不同的电荷或电场分布情况，探头电极可做成不同的形状。如板状电极适用于平面带电体的测试，球形电极适用于体分布的带电体的电位测试，而针状电极适用于带电体局部带电情况的测试（非均匀电场分布）。

9）由于电离型电阻分压测试仪器是通过放射性同位素使空气电离而工作。在有风的场合或测量移动速度过快时，均会带来较大的误差。此外，空气被电离后的离子与带电体的电荷相复合，会降低带电体电位，因此测试时间不宜过长。