高阻測量時數字萬用表、皮安表與靜電計的選擇及應用

在電阻測量領域，數字萬用表是最為常見的測試儀器，其測量范圍通常可高達約 200 MΩ。然而，在眾多實際應用場景中，需要準確測量千兆歐（GΩ）甚至更高范圍的電阻，例如表征高兆歐級電阻、確定絕緣體的電阻率以及測量印刷電路板的絕緣電阻等。此時，數字萬用表已無法滿足測量需求，而皮安表/電壓源組合則成為實現精確測量的有效工具。本文將深入探討高阻測量中儀器的選擇，并詳細分析皮安表和靜電計的區別及應用場景。

高阻測量方法及儀器需求

恒定電壓法在高阻測量中的應用

高電阻測量通常采用恒定電壓法，其基本設置通過皮安表/電壓源組合實現。在這種方法中，將一個已知的恒定電壓施加到待測電阻兩端，然后測量通過電阻的電流。根據歐姆定律 R=IV（其中 R 為電阻，V 為電壓，I 為電流），即可計算出電阻值。

數字萬用表的局限性

數字萬用表在電阻測量方面具有一定的局限性，其通常只能測量高達 10 GigaΩ（千兆歐姆）的電阻。當待測電阻大于此值時，數字萬用表無法提供準確的測量結果，此時就需要使用類似 B2980A 皮安表等更專業的設備。

皮安表在高阻測量中的優勢

皮安表是超精密的電流表，具備 2 pA 至 20 毫安的量程以及內部 1000 V 電源，能夠確保精確的 0.01 fa 和 10 PΩ 測量能力。在高阻測量中，高電阻值意味著需要測量非常小的電流，因為電流與電壓除以電阻成正比（I=RV）。皮安表的高靈敏度使其能夠準確測量這些微小電流，從而實現對高阻的精確測量。此外，為了保持電流在皮安表的可檢測范圍內，通常需要一個相當高的電壓源（如 1000 伏）。

皮安表與靜電計的區別

定義與基本功能

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

靜電計：靜電計是一種高性能的萬用表，對于低電流（<10 nA）和高電阻（>1 GΩ）等敏感器件的測量至關重要。靜電計不僅具備皮安表的電流測量能力，還增加了測量電壓的功能。并且，一般來說，靜電計還配備有電壓源，可以用于給設備或樣品施加電壓，并測量通過它的電流。

工作原理差異

皮安表：皮安表主要基于精密的電流檢測電路，通過高精度的放大器和低噪聲設計，能夠準確測量微小電流信號。其核心在于對電流的精確放大和測量，不涉及電荷量與作用力的復雜計算。

靜電計：靜電計的工作原理基于庫侖定律，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。靜電計通過檢驗物體所帶電荷之間的作用力，進而計算出電荷量。它是在驗電器的基礎上改造而成的，由靜電計與電容器兩部分構成，電容器上的電勢差等于靜電計上所指示的電壓，電壓大小可從靜電計上的刻度讀出。

皮安表/靜電計的應用場景

新材料測量需求

隨著科技的不斷發展，新材料如石墨烯、碳納米管（CNT）、電介質、鐵電體、聚合物等不斷涌現。這些新材料具有獨特的電學性能，需要更靈敏的測量儀器來準確表征其特性。數字萬用表（DMM）通常只能測量低至 10 nA 的電流，對于小于此值的電流，皮安計或靜電計是最佳選擇，甚至是唯一選擇。

高阻絕緣材料測量

在測量高阻絕緣材料的電阻時，由于電阻值極高，電流非常小，需要使用皮安表或靜電計來準確測量。例如，在測量印刷電路板的絕緣電阻時，為了確保電路板的絕緣性能符合要求，需要精確測量其高阻值，此時皮安表/靜電計就發揮了重要作用。

靜電實驗與電荷測量

靜電計在靜電實驗中具有重要應用，可用于檢驗物體所帶電荷的種類并且測量電量。通過靜電計可以直觀地觀察到電荷的存在和變化，為靜電現象的研究提供了有力的工具。

在高阻測量領域，數字萬用表由于其測量范圍的限制，無法滿足千兆歐及以上電阻的測量需求。皮安表憑借其高靈敏度的電流測量能力，成為高阻測量的重要工具之一。而靜電計則在具備皮安表功能的基礎上，增加了電壓測量和電壓源功能，具有更廣泛的應用范圍。在實際應用中，應根據具體的測量需求，如測量電流范圍、是否需要施加電壓等因素，合理選擇皮安表或靜電計，以確保測量結果的準確性和可靠性。同時，隨著新材料的不斷涌現和科技的不斷進步，對皮安表和靜電計的性能要求也將不斷提高，未來這些儀器將朝著更高精度、更寬測量范圍和更多功能的方向發展。