高阻测量时数字万用表、皮安表与静电计的选择及应用

在电阻测量领域，数字万用表是最为常见的测试仪器，其测量范围通常可高达约 200 MΩ。然而，在众多实际应用场景中，需要准确测量千兆欧（GΩ）甚至更高范围的电阻，例如表征高兆欧级电阻、确定绝缘体的电阻率以及测量印刷电路板的绝缘电阻等。此时，数字万用表已无法满足测量需求，而皮安表/电压源组合则成为实现精确测量的有效工具。本文将深入探讨高阻测量中仪器的选择，并详细分析皮安表和静电计的区别及应用场景。

高阻测量方法及仪器需求

恒定电压法在高阻测量中的应用

高电阻测量通常采用恒定电压法，其基本设置通过皮安表/电压源组合实现。在这种方法中，将一个已知的恒定电压施加到待测电阻两端，然后测量通过电阻的电流。根据欧姆定律 R=IV（其中 R 为电阻，V 为电压，I 为电流），即可计算出电阻值。

数字万用表的局限性

数字万用表在电阻测量方面具有一定的局限性，其通常只能测量高达 10 GigaΩ（千兆欧姆）的电阻。当待测电阻大于此值时，数字万用表无法提供准确的测量结果，此时就需要使用类似 B2980A 皮安表等更专业的设备。

皮安表在高阻测量中的优势

皮安表是超精密的电流表，具备 2 pA 至 20 毫安的量程以及内部 1000 V 电源，能够确保精确的 0.01 fa 和 10 PΩ 测量能力。在高阻测量中，高电阻值意味着需要测量非常小的电流，因为电流与电压除以电阻成正比（I=RV）。皮安表的高灵敏度使其能够准确测量这些微小电流，从而实现对高阻的精确测量。此外，为了保持电流在皮安表的可检测范围内，通常需要一个相当高的电压源（如 1000 伏）。

皮安表与静电计的区别

定义与基本功能

皮安表：皮安表是专门用于测量超低电流的精密仪器，其测量范围通常涵盖皮安（pA）甚至飞安（fa）级别。大多数皮安表仅具备测量电流的功能，不具备提供电压源的能力，但也有一些型号内置了电压源。

静电计：静电计是一种高性能的万用表，对于低电流（<10 nA）和高电阻（>1 GΩ）等敏感器件的测量至关重要。静电计不仅具备皮安表的电流测量能力，还增加了测量电压的功能。并且，一般来说，静电计还配备有电压源，可以用于给设备或样品施加电压，并测量通过它的电流。

工作原理差异

皮安表：皮安表主要基于精密的电流检测电路，通过高精度的放大器和低噪声设计，能够准确测量微小电流信号。其核心在于对电流的精确放大和测量，不涉及电荷量与作用力的复杂计算。

静电计：静电计的工作原理基于库仑定律，即同种电荷之间的作用力与它们之间的距离的平方成反比。静电计通过检验物体所带电荷之间的作用力，进而计算出电荷量。它是在验电器的基础上改造而成的，由静电计与电容器两部分构成，电容器上的电势差等于静电计上所指示的电压，电压大小可从静电计上的刻度读出。

皮安表/静电计的应用场景

新材料测量需求

随着科技的不断发展，新材料如石墨烯、碳纳米管（CNT）、电介质、铁电体、聚合物等不断涌现。这些新材料具有独特的电学性能，需要更灵敏的测量仪器来准确表征其特性。数字万用表（DMM）通常只能测量低至 10 nA 的电流，对于小于此值的电流，皮安计或静电计是**选择，甚至是唯一选择。

高阻绝缘材料测量

在测量高阻绝缘材料的电阻时，由于电阻值极高，电流非常小，需要使用皮安表或静电计来准确测量。例如，在测量印刷电路板的绝缘电阻时，为了确保电路板的绝缘性能符合要求，需要精确测量其高阻值，此时皮安表/静电计就发挥了重要作用。

静电实验与电荷测量

静电计在静电实验中具有重要应用，可用于检验物体所带电荷的种类并且测量电量。通过静电计可以直观地观察到电荷的存在和变化，为静电现象的研究提供了有力的工具。

在高阻测量领域，数字万用表由于其测量范围的限制，无法满足千兆欧及以上电阻的测量需求。皮安表凭借其高灵敏度的电流测量能力，成为高阻测量的重要工具之一。而静电计则在具备皮安表功能的基础上，增加了电压测量和电压源功能，具有更广泛的应用范围。在实际应用中，应根据具体的测量需求，如测量电流范围、是否需要施加电压等因素，合理选择皮安表或静电计，以确保测量结果的准确性和可靠性。同时，随着新材料的不断涌现和科技的不断进步，对皮安表和静电计的性能要求也将不断提高，未来这些仪器将朝着更高精度、更宽测量范围和更多功能的方向发展。