第十章 静电测试技术

（1）电压比较法
Cx
如图所示，交流电压源、被 测电容Cx和标准取样电阻R0两 端的电压有效值，均由测试电 路检出。若交流电压的角频率 为ω，输出电压有效值为U， 取样电阻R0两端的电压有效值 U0，则可求得：
Cx = 1 j ω R (U / U 0 − 1) U0 ω R 0U
10.4 静电电容的测试
研究静电起电规律、判定静电能量的大小、 确定静电源的安全电压，以及分析静电事故 的原因，都要确定设备、工装、物料和人体 的对地电容，因此，静电电容的测试是非常 重要的。静电电容测试方法有交流测试法和 直流测试法。
10.4.1 交流测试法 交流测试法是指采用交流电 源的测试方法，有： • 电压比较法 • 谐振法 • 电桥法
振动电容式静电计：探头是一个可振动的金属片，待测体电位 信号在振荡信号驱动下，探头电极和待测体之间的电容周期性变 化，在探头电极上感应出一个周期性变化的交变信号，即直流信 号被转变成交变信号。交变信号再通过前置放大器、相敏检波器、 积分器获得直流输出信号。
②电离电阻分压静电电位计 又称集电极式。它是利用放射性同位素（α或β射线）使集电 极附近的空气电离，在集电极小孔附近形成稳定的电离区，当探 头靠近被测体时，在被测体与集电极之间、集电极与大地之间形 成等效电阻R1和R2，被测体上电荷通过R1和R2向大地泄漏，通 过测试R2上分压，完成对带电体静电电位的测试。原理图如图所 示，由测试探头、放大器、检波、显示等电路单元构成：
3 1、内筒，2、外筒，3、绝缘 支架，4、监测器 4 2 1
2πε 0ε r L C= ln( R / r )
法拉第筒法工程实用数据 • 法拉第筒：可去掉内外筒的盖子，内筒容积要大于 带电体三倍以上，外筒的高度应比内筒高出10%左右。 • 绝缘支架：绝缘电阻大于1*1012Ω，例如用聚四氟 乙烯。 • 并联电阻：泄漏电阻应在1*1014Ω以上，电容值应 与静电电压表的量程相匹配 • 静电电压表：输入电阻应大于1*1012Ω。
10.2.2 表面电位测试 （1）测试原理：分为静电感应和空气电离两种测试原理，属非 接触测量。 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 体间的畸变电场测试带电体的表面电位，实质上是对带电体表面 电场的测试。 空间电离原理是利用放射线同位素电离空气，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子分压，测试带电 体的对地电位。 由于是非接触测量，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%，但受测试距离、带电体几何尺寸的 影响较大。
10.3.2 绝缘体带电量测试（法拉第筒法）
因为，工程上带电体多为绝缘体，测试表面电位不能准确获得 带电体的电量。法拉第筒法能够测试整体电量。 测试原理如图所示。 测量时带电体无摩擦的投入内筒， 内筒内表面感应出与带电体等量异号 电荷，内外筒间产生电位差，若外筒 接地，则内筒电位即为内外筒的电位 差。根据结构参数可知内外筒的电容 值C，如果通过测试电位差U，那么 按照公式，Q=CU，计算出带电体的 电量。
•直流放大式表面电位计 一般测试仪器选用直流差动放大线路。这种线路仪器的输入阻 抗可以达到1015Ω以上，同时可以补充三极管零点漂移所带来的误 差。测量时，探极上的感应电压使检流计指针偏转，即可指示被 测带电体对地的大小和极性。
•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，避免了直流放大器零点漂 移的影响。
被测带 电体 Rb Cw Cb T
L
Qw = Qb → C wU w = CbU b U = U w +Ub
CwU Ub = e C w + Cb
−
t Rb ( C w + Cb )
当探头与被测带电体相对位置固定，则Cw既定，公式中Cw/(Cw+Cb) 可视为常数，通过探头上测得感应电位Ub，可求出被测带电体的电 压U。显然，通过改变两者间的耦合电容Cw的大小，即可改变仪表 的量程。
感应探头主要由三部分构成：铝制金属屏蔽筒（接地），放射源 F（常用放射性材料，如镭），多孔型集电极小孔。集电极和金 属屏蔽筒之间用聚四氟乙烯等高绝缘材料固定和隔离。等效电路 如图所示
Ri和Ci分别是测试系统（从探头处看进去）的输入电阻和输入电 容；被测带电体到探头之间等效电阻为R1；集电极与探头外壳 （接地）之间的等效电容为R2。由于是交流信号C0、Cs可以被 忽略。
（2）测试仪器： ① 静电感应型的静电电位计： 如图所示，图中T为测试探 头，L为仪表的等效输入电路， Cw是测试探头与被测带电体之 间的耦合电容。由于被测带电 体的电场作用，探头T上将产生 感应电位。由图可知，Cw和Cb串 联，Rb是Cb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：
• 已知电容或者可测电容，那么电量测试变为电压测试。 • 若是电容无法得知，那么可增大仪表的输入电容Cb， 使的Cb》Cd，忽略Cd的影响，Q=CbU。
A
Q = CU = (Cd + Cb )U
Cd Cb Q
Q Cb 〉〉 Cd ,∴ Q = CbU
鉴于电量测试是在电压测试基础上，需要电压仪表高阻输入。
10.2 静电电位（电压）的测试
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” ）电位之间的数值。 由于通常将地电位取为零，故带电体表面的静电电位代表了该 处的电压水平。由于电位是电荷成正比的物理量，电位的高低相 对的反映出物体带电的程度，即可用电位（电压）的测量来了解 带电量的大小。 10.2.1 导体电位测试 （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试电 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 叫等电位测试法，也称接触式测量。
10.3 静电电量测试
电量是反映物体带电情况的最本质的物理量之一， 它决定着带电体产生静电放电的概率和危险性。 10.3.1 导体带电量测试 因为导体电荷集中于表面，表面是等势体，可通过 接触式静电电压表先测试其静电电压，然后按照公式 Q=CU计算出带电量Q。C值为带电体对地电容Cd与仪 表输入电容Cb之和。
第十章 静电测试技术
10.1 静电测试的特点 10.2 静电电位（电压）的测试 10.3 静电电量测试 10.4 静电电容的测试 10.5 电阻与电阻率的测试 10.6 高电压的测量 10.7 防静电设施及器具静电性能测试
10.1 静电测试的特点
（1）静电测试仪要有小的输入电容和极高的输入阻抗 由于静电电量很小，所以在静电测试过程中少量的电量从带 电体流入测试仪表或泄漏掉，都会造成很大的测量误差，要求测 试仪器具有很小的输入（耦合）电容和极高的输入电阻（一般要 求不低于1014Ω）。 （2）静电测试结果往往与测试方法和测试电压等测试条件有关 因为目前国内外静电测试方法标准化尚未完成，测试仪器多 种多样，由此导致测试结构不一致，再现性差的问题，因此，给 出测试结果时，必须同时表明其测试方法和测试电压等条件。
（3）静电测试受各种环境条件的影响显著 静电测试受到环境条件的影响，较之普通的强电或弱电测试要 大，而且显著得多。用同样的测试方法和测试仪器、在同一地点 做同样的测试时，如果环境温度、相对湿度、被测物品与环境的 平衡时间等测试条件不同，测试结果不同，所以测试报告中必须 要标注温、湿度等环境条件。 （4）静电放电敏感度测试时，对模拟器输出波形要求严格 由于静电放电敏感度测试是通过模拟的方法，来检查产品在实 际工作过程中可能遇到各种静电放电脉冲电压的冲击，故人们使 用了各种模拟试验的波形。例如IEC标准的人体模型（HBM）、 机器模型（MM）、人体金属模型（BMM）的电流波形参数及模 拟方法。 静电放电过程是一个静电能量注入与电磁脉冲辐射并存的过 程，覆盖的频率从直流到GHz的频段，要求测试静电放电过程的 仪器必须具有1GHz以上的模拟带宽和5GHz以上的采样速率。
Q3-V 高压静电电 压表 Q4-V 高压静电电 压表 Q5-V 静电伏特计
1.5
1.0
20,50,100(kV)
1.0
30,75,150,300,600, 1000,1500,3000(V)
Q2-V
Q3-V
Q4-V
Q8-V
（3）减小测试误差的方法 接触式静电电压表等效电路如图所示。 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，带电体的电 容增大为C0+C，因而接上仪表后，实际 测到的C上电压并不等于接仪表前带电体 的实际电压U0，二者之间的关系如下：
C0 C R A
C0U 0 U= C0 + C
考虑到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： t C0U 0 − R (C +C0 ) U= e C0 + C
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，量程在3kV以下的静电电压表，其 输入电容C值都不大于30pF。 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选择在 1012Ω以上。
设U为被测电位，Ui为测试仪表的直流输入电位，可得：
R1 + R 2 U= Ui R2
这种仪器测试时因受外界电场影响较小，测量精度比感应 式高，但是放射性材料对带电体起到中和静电的作用，因 此，测量值比待测体实际值偏低。另外，探头不应靠近待测 体太近，太近由于局部电荷的过分集中导致空间放电或者表 面放电，放射性材料对人体有一定的危害。
A B 待测 表面 P 电动机 L R Us Ci 放大器 R仪器探头有三个金属片，极片A上有十字开 孔，固定安装在探极上；极片B十字叶片，固定在 微型电动机的轴上，由电机带动作旋转运动；P是 固定安装在感应极片，与测试仪表的输入端相连， A和B对极片P起屏蔽作用。 测试时，在被测带电体的作用下，随着旋转叶片 B的转动，感应极片P上感应出持续的交流信号，然 后再经阻抗变换、交流放大和检波，由表头显示被 测电位。