[科普中国]-静电系仪表

简述

静电系测量机构只能用来做成测量交直流电压的电压表，特别是测量高电压很方便。因为不采用串联电阻器，可以直接将仪表接入高压电路，并不受外磁场影响。静电式电压表的本身消耗的功率及其微小。周围介质温度变化，仅引起游丝或张丝弹性的变化，这种误差很小，不必采用专门的补偿措施。被测电压频率的变化对仪表读数也几乎没有影响。因此，可将这种仪表用在几MHz的电路中。周围空气湿度对仪表的读数有影响，因为它将改变极板间的电容。外界电场对静电式仪表的影响大，因为它将会在仪表的极板上感应出附加电荷。除了受外电场的影响外，静电式仪表的另一不足之处是灵敏度较低。在交流情况下，利用串联电容扩大静电式电压标度量限。在直流情况下要采用导体或非导体电阻构成的电位器来扩大量限。

静电系仪表的结构与其他系别仪表有较大差异，掌握它的调修规律，应从测量机构的结构特点上去分析可能导致的常见故障。对整个测量机构装配和调整的质量好坏，是保证良好性能的一项重要因素。

影响静电系电压表误差的主要因素有：①被测电压波形；②被测电压的频率；⑧介质极化；④接触电位差；⑤外电场；⑥外磁场；⑦环境温度。1

结构静电系仪表主要用于测量交直流高电压。它利用电容器两极板间的静电作用去推动可动部分偏转的仪表，与其他利用电流产生电磁力的仪表有着本质的区别。

在所有的静电系测量机构中，仪表指针的偏转均与电容的变化相联系，根据电容变化的方法不同，测量机构可分为3种基本形式：

(1)改变电极间的有效面积。

(2)改变电极的距离。

(3)改变电介质的介电系数。

第一种测量机构属于箱式，适合测量20伏至几千伏的电压；第二种测量机构属于平板式，测量几千伏或更高的电压。这两种是最常用的形式。2

原理当直流电压测量机构的转动力矩分别加到固定和可动电极上时，在两极板上将分别有不同性质的正负电荷，形成静电场产生静电作用力。根据异性电荷相吸的原理，可动电极被固定电极吸引发生偏转。显然，被测电压越高，静电作用越大，相应的偏转角也越大。平衡时由指示系统显示出被测电压的数值。当被动部分按一定角度位移时，转矩的数学表达式为

式中，α——可动部分的偏转角；

——电容相对于偏转角的变化率。

显然，静电系测量机构的转矩与所加电压的平方有关，并与电容相对于偏转角的变化率 有关。转矩越大，偏转角α也越大。因此，通过指针的偏转，在标定尺上可以直接可读出电压数值。由于静电系仪表的转矩M很小，为了减少摩擦等问题，因此常采用张丝支撑和光标指示器的结构。

当两电极间施以交流电压时，两极板上的电荷极性也跟着交替变化，在每个瞬间，两极板上的电荷总是异性的。因此，极板间的静电作用始终是互相吸引的。可见，静电系测量机构可用于交流测量。在交流作用下，由于可动部分存在惯性，所以反映的仍是交流电压的平均值，通过设计，标尺可按有效值刻度。3

特点静电系仪表主要特点有：

(1)基本量测量是电压有效值的平方；

(2)频率范围宽，适用于直流到几千赫，甚至于几兆赫的交流；

(3)功耗极小；

(4)内阻抗很高；

(5)读数与外磁场无关但易受外电场干扰；

(6)灵敏度较低，但适用于测量较高的电压；

(7)准确度约为1%～4%；

(8)标尺刻度不均匀。4