高阻測(cè)量時(shí)數(shù)字萬(wàn)用表、皮安表與靜電計(jì)的選擇及應(yīng)用

在電阻測(cè)量領(lǐng)域，數(shù)字萬(wàn)用表是最為常見的測(cè)試儀器，其測(cè)量范圍通常可高達(dá)約 200 MΩ。然而，在眾多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，需要準(zhǔn)確測(cè)量千兆歐（GΩ）甚至更高范圍的電阻，例如表征高兆歐級(jí)電阻、確定絕緣體的電阻率以及測(cè)量印刷電路板的絕緣電阻等。此時(shí)，數(shù)字萬(wàn)用表已無(wú)法滿足測(cè)量需求，而皮安表/電壓源組合則成為實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的有效工具。本文將深入探討高阻測(cè)量中儀器的選擇，并詳細(xì)分析皮安表和靜電計(jì)的區(qū)別及應(yīng)用場(chǎng)景。

高阻測(cè)量方法及儀器需求

恒定電壓法在高阻測(cè)量中的應(yīng)用

高電阻測(cè)量通常采用恒定電壓法，其基本設(shè)置通過(guò)皮安表/電壓源組合實(shí)現(xiàn)。在這種方法中，將一個(gè)已知的恒定電壓施加到待測(cè)電阻兩端，然后測(cè)量通過(guò)電阻的電流。根據(jù)歐姆定律 R=IV（其中 R 為電阻，V 為電壓，I 為電流），即可計(jì)算出電阻值。

數(shù)字萬(wàn)用表的局限性

數(shù)字萬(wàn)用表在電阻測(cè)量方面具有一定的局限性，其通常只能測(cè)量高達(dá) 10 GigaΩ（千兆歐姆）的電阻。當(dāng)待測(cè)電阻大于此值時(shí)，數(shù)字萬(wàn)用表無(wú)法提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，此時(shí)就需要使用類似 B2980A 皮安表等更專業(yè)的設(shè)備。

皮安表在高阻測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

皮安表是超精密的電流表，具備 2 pA 至 20 毫安的量程以及內(nèi)部 1000 V 電源，能夠確保精確的 0.01 fa 和 10 PΩ 測(cè)量能力。在高阻測(cè)量中，高電阻值意味著需要測(cè)量非常小的電流，因?yàn)殡娏髋c電壓除以電阻成正比（I=RV）。皮安表的高靈敏度使其能夠準(zhǔn)確測(cè)量這些微小電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高阻的精確測(cè)量。此外，為了保持電流在皮安表的可檢測(cè)范圍內(nèi)，通常需要一個(gè)相當(dāng)高的電壓源（如 1000 伏）。

皮安表與靜電計(jì)的區(qū)別

定義與基本功能

皮安表：皮安表是專門用于測(cè)量超低電流的精密儀器，其測(cè)量范圍通常涵蓋皮安（pA）甚至飛安（fa）級(jí)別。大多數(shù)皮安表僅具備測(cè)量電流的功能，不具備提供電壓源的能力，但也有一些型號(hào)內(nèi)置了電壓源。

靜電計(jì)：靜電計(jì)是一種高性能的萬(wàn)用表，對(duì)于低電流（<10 nA）和高電阻（>1 GΩ）等敏感器件的測(cè)量至關(guān)重要。靜電計(jì)不僅具備皮安表的電流測(cè)量能力，還增加了測(cè)量電壓的功能。并且，一般來(lái)說(shuō)，靜電計(jì)還配備有電壓源，可以用于給設(shè)備或樣品施加電壓，并測(cè)量通過(guò)它的電流。

工作原理差異

皮安表：皮安表主要基于精密的電流檢測(cè)電路，通過(guò)高精度的放大器和低噪聲設(shè)計(jì)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量微小電流信號(hào)。其核心在于對(duì)電流的精確放大和測(cè)量，不涉及電荷量與作用力的復(fù)雜計(jì)算。

靜電計(jì)：靜電計(jì)的工作原理基于庫(kù)侖定律，即同種電荷之間的作用力與它們之間的距離的平方成反比。靜電計(jì)通過(guò)檢驗(yàn)物體所帶電荷之間的作用力，進(jìn)而計(jì)算出電荷量。它是在驗(yàn)電器的基礎(chǔ)上改造而成的，由靜電計(jì)與電容器兩部分構(gòu)成，電容器上的電勢(shì)差等于靜電計(jì)上所指示的電壓，電壓大小可從靜電計(jì)上的刻度讀出。

皮安表/靜電計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景

新材料測(cè)量需求

隨著科技的不斷發(fā)展，新材料如石墨烯、碳納米管（CNT）、電介質(zhì)、鐵電體、聚合物等不斷涌現(xiàn)。這些新材料具有獨(dú)特的電學(xué)性能，需要更靈敏的測(cè)量?jī)x器來(lái)準(zhǔn)確表征其特性。數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）通常只能測(cè)量低至 10 nA 的電流，對(duì)于小于此值的電流，皮安計(jì)或靜電計(jì)是最佳選擇，甚至是唯一選擇。

高阻絕緣材料測(cè)量

在測(cè)量高阻絕緣材料的電阻時(shí)，由于電阻值極高，電流非常小，需要使用皮安表或靜電計(jì)來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量。例如，在測(cè)量印刷電路板的絕緣電阻時(shí)，為了確保電路板的絕緣性能符合要求，需要精確測(cè)量其高阻值，此時(shí)皮安表/靜電計(jì)就發(fā)揮了重要作用。

靜電實(shí)驗(yàn)與電荷測(cè)量

靜電計(jì)在靜電實(shí)驗(yàn)中具有重要應(yīng)用，可用于檢驗(yàn)物體所帶電荷的種類并且測(cè)量電量。通過(guò)靜電計(jì)可以直觀地觀察到電荷的存在和變化，為靜電現(xiàn)象的研究提供了有力的工具。

在高阻測(cè)量領(lǐng)域，數(shù)字萬(wàn)用表由于其測(cè)量范圍的限制，無(wú)法滿足千兆歐及以上電阻的測(cè)量需求。皮安表憑借其高靈敏度的電流測(cè)量能力，成為高阻測(cè)量的重要工具之一。而靜電計(jì)則在具備皮安表功能的基礎(chǔ)上，增加了電壓測(cè)量和電壓源功能，具有更廣泛的應(yīng)用范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的測(cè)量需求，如測(cè)量電流范圍、是否需要施加電壓等因素，合理選擇皮安表或靜電計(jì)，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，隨著新材料的不斷涌現(xiàn)和科技的不斷進(jìn)步，對(duì)皮安表和靜電計(jì)的性能要求也將不斷提高，未來(lái)這些儀器將朝著更高精度、更寬測(cè)量范圍和更多功能的方向發(fā)展。