一种非接触式静电电压表校准装置及校准方法，利用直流高压电源和金属平板电极，在电极中心附近局部空间获得标准静电场，其电压可溯源到直流电压标准，采用加重边缘效应的试验方法来检验金属平板电极的边缘效应。承载金属平板电极的玻璃平板支架和保护电阻减少人员被电击的危险，垂直运动机构可调节被校准表的测试距离，采用可拆卸的游标卡尺，便于溯源。
1.一种非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：由直流高压源(1)、保护电阻(2)、选择开关(3)、高压导线(4)、中心金属电极板(5)、边缘金属电极板(6)、玻璃基板支架(7)、搭接板(8)、游标卡尺(9)、垂直运动机构(10)和被校准非接触式静电电压表(20)组成；直流高压电源(1)输出连接保护电阻(2)的一端，保护电阻(2)另一端通过高压导线(4)连接选择开关(3)的左边引脚，选择开关(3)的右边引脚连接直流高压源(1)的地线，选择开关(3)的中间引脚通过高压导线(4)连接中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)，中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)粘贴在玻璃基板支架(7)的同一侧，搭接板(8)把玻璃基板支架(7)和垂直运动机构(10)固定在一起，游标卡尺(9)安装在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上；所述直流高压电源(1)能输出稳定直流电压，输出电流大于
1mA，设定值的允许误差小于被校准非接触式静电电压表(20)最大允许误差限的1/3，分辨力小于10V；所述直流高压源(1)输出的电压经过保护电阻(2)和选择开关(3)分别独立地输出到中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)，使中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)产生稳定的静电电位，此电位是相对于直流高压源(1)的地电位而言的，中心金属电极板(5)在其中心附近产生局部平行静电场，在边缘金属电极板(6)产生不平行的静电场，由此不平行的静电场造成被校准非接触式静电电压表(20)读数的影响称为边缘效应，当中心金属电极板(5)与边缘金属电极板(6)不等电位时，这种边缘效应会增加。
2.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述选择开关(3)由5个独立的单刀双掷开关组成，每个开关的中间电极通过高压导线(4)连接1个中心金属电极板(5)和4个边缘金属电极板(6)，所有开关的右边引脚接在一起，再接直流高压电源(1)的地线，所有开关的左边引脚接在一起，再接保护电阻(2)。
3.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述中心金属电极板(5)是圆盘形状，所述边缘金属电极板(6)由4块相互绝缘的金属板组成，呈圆环状分布在中心金属电极板(5)的上下左右，且与中心金属电极板(5)绝缘，所有金属板之间的绝缘间隙大于1cm。
4.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述玻璃基板支架(7)由底座(71)、直角连接器(72)、玻璃平板(73)、玻璃通孔(74)、绝缘把手(75)和固定孔(76)组成；直角连接器(72)把底座(71)和玻璃平板(73)固定在一起，使玻璃平板(73)垂直于地面，2个绝缘把手(75)分别安装在玻璃平板(73)的左右上边角上，固定孔(76)是底座(71)上的长条状圆角通孔，与搭接板(8)固定时调节搭接板位置，所述玻璃通孔(74)在中心金属电极板(5)、边缘金属电极板(6)粘贴的位置下面，每块中心金属电极板(5)、边缘金属电极板(6)下面至少有3个通孔，其中有一个通孔用于连接高压导线(4)，其它通孔用于粘接中心金属电极板(5)、边缘金属电极板(6)。
5.根据权利要求4所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述玻璃平板
(73)是面积大于60cm×60cm的方形玻璃板，表面电阻率大于10 Ωsqrt，体电阻率大于
6.根据权利要求4所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述垂直运动机构(10)由基座(11)、丝杠导轨(12)、手轮(13)和仪表平台(14)组成；基座(11)上的安装孔(15)是长条状通孔可用螺栓与搭接板(8)连接，可调节基座(11)与玻璃板支架(7)的相对位置，可调节丝杠导轨(12)与玻璃平板(73)的垂直度，丝杠导轨(12)固定安装在基座(11)上，仪表平台(14)在丝杠导轨(12)上能沿着导轨方向前后运动，运动范围满足被校准非接触式静电电压表测量距离范围要求，手轮(13)连接丝杠导轨(12)中的丝杠，能带动丝杠转动，仪表平台(14)承载被校准非接触式静电电压表(20)，使被校准非接触式静电电压表(20)正对中心金属电极板(5)的中心，且被校准非接触式静电电压表(20)的前端伸出垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)。
7.根据权利要求6所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述仪表平台(14)由运动支架(16)、夹具(17)、弹簧片(18)、摄像头座(19)组成，运动支架(16)能够承载被校准非接触式静电电压表(20)在中心金属电极板(5)的中心法线上垂直运动，夹具(17)固定被校准非接触式静电电压表(20)，可调节夹具宽度适应不同宽度的被校准非接触式静电电压表(20)，弹簧片(19)固定被校准非接触式静电电压表(20)，能随弹簧座升降适应不同厚度的被校准非接触式静电电压表(20)，摄像头座(19)安装在运动支架(16)上，用于升降调节，适应不同被校准非接触式静电电压表的显示窗口，安装摄像头便于对被校准非接触式静电电压表(20)读数。
8.根据权利要求6所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述游标卡尺(9)为数显卡尺，游标卡尺(9)的尺身固定在基座(11)上，游标卡尺(9)的游标显示部分固定在垂直运动机构(10)的仪表平台(14)上，整体结构能够拆卸，以便定期送计量机构溯源。
9.根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述保护电阻(2)安装于全封闭的绝缘支架内，其阻值设计满足相关计算公式如下：式中：
Umax——直流高压源输出的最大电压，单位为伏特(V)；
δV——保护电阻与绝缘泄漏电阻分压后产生的相对电压降，应小于0.1％；
Rs——中心金属电极板和边缘金属电极板之间的绝缘电阻，主要是玻璃平板上绝缘间隙中表面电阻，单位为欧姆(Ω)；
D1——中心金属电极板的外径尺寸，单位为米(m)；
D2——边缘金属电极板的内径尺寸，单位为米(m)；
10.一种利用权利要求1所述校准装置的非接触式静电电压表校准方法，其特征在于：
依次包括边缘效应试验、示值误差校准、测试距离校准步骤；所述边缘效应试验是为了确定或评定由中心金属电极板(5)直径不够大而引入的测量不确定度，将边缘金属电极板(6)的四个独立金属电极板分别连接高电压或接地，造成不对称的边缘电场分布，以增大边缘效应，在边缘电场分布对称与不对称情况下，被校准非接触式静电电压表(20)位置不变，分别获得两次测量读数，取测量读数之差作为边缘效应引入的测量不确定度，是示值误差校准时的测量不确定度来源之一；所述示值误差校准是以直流高压源输出为标准电压Vs与被校准非接触式静电电压表(20)的读数Vx相比较，获得示值误差ΔVx＝Vx-Vs，示值误差校准是在被校准非接触式静电电压表(20)的技术要求所规定的测试距离条件下进行的，此测试距离是以被校准非接触式静电电压表(20)前端接触中心金属电极板(5)时为参考点，用游标卡尺(9)显示来调节垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)所移动的距离，若被校准非接触式静电电压表(20)有测试距离指示器，则用被校准非接触式静电电压表(20)指示器调节测试距离；所述测试距离校准是为了获得被校准非接触式静电电压表(20)能够准确测量电压时的实际测试距离，当被校准非接触式静电电压表(20)读数与直流高压源(1)的输出电压相等时，被校准非接触式静电电压表(20)前端到中心金属电极板(5)的距离为实际测试距离。
11.根据权利要求10所述的一种非接触式静电电压表校准方法，其特征在于：所述边缘效应试验是加重边缘效应的试验，以边缘效应的变化所造成被校准非接触式静电电压表(20)读数之差，作为边缘效应引入的测量不确定度，获得读数之差的步骤如下：(1)操作选择开关(3)，将所有中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)接地，被校准非接触式静电电压表(20)放在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上，使被校准非接触式静电电压表(20)前端伸出平台1cm以上，端面平行于中心金属电极板(5)，转动手轮(13)，移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端接触中心金属电极板(5)，此时把游标卡尺(9)的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺(9)的读数；
(2)再转动手轮(13)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端离开中心金属电极板(5)，按游标卡尺(9)的显示到达被校准非接触式静电电压表(20)规定的测试距离，若被校准非接触式静电电压表(20)有测试距离指示器，则以其指示器为准，此时记录游标卡尺的读数，调节被校准非接触式静电电压表(20)显示清零；
(3)操作选择开关(3)，将中心金属电极板(5)连接保护电阻(2)，将边缘金属电极板(6)其中的一个电极也连接保护电阻(2)，其余三个电极接地，设置直流高压源(1)输出电压为被校准非接触式静电电压表(20)量程的上限，输出电压，被校准非接触式静电电压表(20)的读数为V1；
(4)再操作选择开关(3)，使所有中心金属电极板(5)、边缘金属电极板(6)接保护电阻(2)获得高电压，被校准非接触式静电电压表(20)读数为V0；
(5)若ΔV＝V1-V0小于被校准非接触式静电电压表(20)的最大允许误差极限的1/3，则中心金属电极板(5)的边缘效应可以忽略不计，否则ΔV作为测量不确定度来源之一；
(6)依次变换边缘金属电极板(6)中的四个独立电极的连接状态，使一个电极连接保护电阻(2)，另外三个电极接地，均按上述步骤(2)～(5)做边缘效应试验，在边缘金属电极板(6)的四个电极的不同连接状态下，测量4次，取ΔV最大的情况。
12.根据权利要求10所述的非接触式静电电压表校准方法，其特征在于：所述示值误差校准实现步骤如下：
(1)操作选择开关(3)，将所有中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)接地，被校准非接触式静电电压表(20)放在在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上，使被校准非接触式静电电压表(20)前端伸出平台1cm以上，端面平行于中心金属电极板(5)，转动手轮(13)，移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端接触中心金属电极板(5)，此时把游标卡尺(9)的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺(9)的读数；
(2)再转动手轮(13)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端离开中心金属电极板(5)，按游标卡尺(9)的显示到达被校准非接触式静电电压表(20)规定的测试距离，若被校准非接触式静电电压表(20)有测试距离指示器，则以其指示器为准，此时记录游标卡尺的读数，调节被校准非接触式静电电压表(20)显示清零；
(3)操作选择开关(3)，将所有中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)连接保护电阻(2)，设置直流高压源(1)输出Vs，记录被校准非接触式静电电压表(20)的读数Vx，计算示值误差ΔVx＝Vx-Vs；
(4)示值误差校准的测量不确定包括由边缘效应引入的测量不确定度，由直流高压源最大允许误差引入的测量不确定度和由测量距离不规范引入的测量不确定度。
13.根据权利要求10所述的非接触式静电电压表校准方法，其特征在于，所述测试距离校准实现步骤如下：
(1)操作选择开关(3)，将所有中心金属电极板(5)和边缘金属电极板(6)接地，被校准非接触式静电电压表(20)放在垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)上，使被校准非接触式静电电压表(20)前端伸出平台1cm以上，端面平行于中心金属电极板(5)，转动手轮(13)，移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端接触中心金属电极板(5)，此时把游标卡尺(9)的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺(9)的读数；
(2)再转动手轮(13)，使被校准非接触式静电电压表(20)的前端离开中心金属电极板(5)，按游标卡尺(9)的显示接近被校准非接触式静电电压表(20)规定的测试距离，或接近测试距离指示器指定距离，调节被校准非接触式静电电压表(20)显示清零；
(3)直流高压源(1)输出1000V时，调节手轮(13)，前后移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)读数等于1000V，此时记录游标卡尺(9)读数S1，S1作为1000V情况下的测试距离校准结果；
(4)再将直流高压源(1)输出-1000V，调节手轮(13)，前后移动垂直运动机构(10)中的仪表平台(14)，使被校准非接触式静电电压表(20)读数等于-1000V，此时记录游标卡尺(9)读数S2，S2作为-1000V情况下的测试距离校准结果。
一种非接触式静电电压表校准装置及校准方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种非接触式静电电压表和静电电场表的校准装置和校准方法，属于机电一体化的仪器仪表领域。
背景技术
[0002] 在静电防护测量和静电研究中广泛使用静电电压表，有接触式和非接触式两种类型。其中非接触式静电电压表是常用的一种。它在不与被测表面接触的情况下，利用电场感应原理或其它原理，测量出表面的电压和电场数值。该电压是以无穷远或大地为参考电位的。测量结果显示为电场[伏特/米]，则称为静电电场表（Static Field Meter）；测量结果显示为电压[伏特]，则称为非接触式静电电压表，该类表还需要对探头到被测表面的距离进行测量或设置，该距离的长度称为测量距离。
[0003] 非接触式静电电压表和静电电场表的测量值是否准确可靠，需要用校准装置进行溯源。静电电压可以溯源到直流高电压标准上。一般校准装置采用标准静电电场的方法，即用一个金属平板形成等电位平面，连接直流高压源维持稳定电位，靠近金属平板中心处的电场近似于平行电场，可作为标准静电场。被校准的仪表在标准静电场中，在设定距离上的读数可以与直流高压源输出电压值相比较，从而达到校准的目的。如图1所示，a是没有测量探头时，金属平板周围的静电场分布图，图1中的b是有测量探头时，金属平板周围的静电场分布图。上述金属平板的面积尺寸大小是影响其中心处标准静电场是否均匀且平行的关键因素，尺寸小时，会增加边缘效应，使中心处电场畸变，影响测量准确度。关于平面电极尺寸与边缘效应有以下方面研究：（1）石家庄军械工程学院魏光辉教授研究了平面电极板尺寸影响的问题，发表了“非接触式静电电压表校准方法，北京理工大学学报，2009年8月，第29卷增刊2期”论文。该论文采用一组固定尺寸的圆盘状平面电极板研究边缘效应影响系数，最后采用Φ600mm的电极板获得了1%测量不确定度的校准。（2）《电磁学计量》下册，国防科工委科技与质量司组织编写，原子能出版社，2002.9，书中提到：“平面的尺寸应该足够大，以减小边界效应引入的不确定度影响。测量距离越大，平面尺寸也越大，对不同的被测对象，平面尺寸的要求也不一样。判断平面的尺寸是否满足要求，可做以下实验：沿平行于电极平面的方向，向边沿平行移动被校准非接触式静电电压表，移动的距离为被校准非接触式静电电压表的测试电极在该方向上尺寸的二分之一倍；比较中心位置与偏心位置两种状态下，被校准非接触式静电电压表的读数。如果读数的变化小于允许误差要求，则平面尺寸满足要求。”（3）北京东方计量测试技术研究所的刘民起草的国家军用标准“GJB/J5972-2007非接触式静电电压表校准规范，国防科工委军标出版发行部出版，军标出字第6872号”提出了边缘效应实验方法，能估计边缘效应的不确定度影响，使得非接触式静电电压表的溯源性具有客观依据，可以正确计算测量不确定度。见图2。
[0004] 现有技术存在以下问题：（1）文献（1）采用固定尺寸的金属平板电极作为标准静电场发生器，对于边缘效应产生的影响不能定量评估。（2）裸露的金属平板电极直接连接直流高压源，有人员触电隐患，尤其在读取非接触式静电电压表读数时，人员必须接近带电金属导体，危险更大。（3）测试距离是被校准仪器前端到金属平板之间的平行间距，测量比较困难，调节机构需要周期校准或检定，整体送检成本较高，运输困难。（4）上述文献（2）和（3）的边缘效应试验是相同的方法，需要精密的平行移动机构。该方法要求被校准的表平行于平面电极移动，从中心向边缘移动，平行移动装置的设计要确保平行，其移动过程是否平行，对装置机械结构设计提出了难题。
发明内容
[0005] 本发明解决技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种非接触式静电电压表校准装置及校准方法，不需要平行移动的机构，消除了平行移动带来的误差影响，简化机械结构设计，并且在垂直运动的距离测量上，采用了可拆卸的游标卡尺，使长度溯源得以简化，降低检定费用。使用玻璃平板支架承载金属平板电极，以及使用保护电阻减少人员被电击的危险。通过摄像头获得被校准非接触式静电电压表读数，使操作人员远离危险的带电金属平板。
[0006] 本发明的校准装置能满足非接触式静电电压表和静电电场表校准需求，在计量校准机构使用，有很强的实用性。
[0007] 本发明公开了一种非接触式静电电压表校准装置及其校准方法，在金属平板电极中心附近产生局部平行静电场，使被校准的非接触式静电电压表和电场表的示值误差溯源到直流高电压标准上。通过垂直于平面的运动机构和游标卡尺，使被校准非接触式静电电压表的测量距离溯源到长度几何量标准上。为评定金属平板电极边缘效应引入的测量不确定度，本发明提出了增加边缘效应的试验方法。为方便距离测量装置的溯源，本发明提出了可拆卸游标卡尺的垂直运动结构。为使金属平板电极保持平面度，并且保持对支架和大地绝缘性能，本发明采用玻璃基板粘贴薄金属板的方法。
[0008] 本发明的技术方案是：一种非接触式静电电压表校准装置，由±（0～10）kV直流高压源（1）、保护电阻（2）、选择开关（3）、高压导线（4）、中心金属电极板（5）、边缘金属电极板（6）、玻璃基板支架（7）、搭接板（8）、游标卡尺（9）、垂直运动机构（10）和被校准非接触式静电电压表（20）组成；直流高压电源（1）输出连接保护电阻（2）的一端，保护电阻（2）另一端通过高压导线（4）连接选择开关（3）的左边引脚，选择开关（3）的右边引脚连接直流高压源（1）的地线，选择开关（3）的中间引脚通过高压导线（4）连接中心金属电极板（5）和边缘金属电极板（6），中心金属电极板（5）和边缘金属电极板（6）粘贴在玻璃基板支架（7）的同一侧，搭接板（8）把玻璃基板支架（7）和垂直运动机构（10）固定在一起，游标卡尺（9）安装在垂直运动机构（10）中的仪表平台（14）上；所述直流高压电源（1）能输出稳定直流电压，输出电流大于1mA，设定值的允许误差小于被校准非接触式静电电压表（20）最大允许误差限的1/3，分辨力小于10V；所述直流高压源（1）输出的电压经过保护电阻（2）和选择开关（3）分别独立地输出到中心金属电极板（5）和边缘金属电极板（6），使金属电极板产生稳定的静电电位，此电位是相对于直流高压源（1）的地电位而言的，中心金属电极板（5）在其中心附近产生局部平行静电场，在边缘金属电极板（6）产生不平行的静电场，由此不平行的静电场造成被校准非接触式静电电压表（20）读数的影响称为边缘效应，当中心金属电极板（5）与边缘金属电极板（6）不等电位时，这种边缘效应会增加。
[0009] 所述选择开关（3）由5个独立的单刀双掷开关组成，每个开关的中间电极通过高压导线（4）连接1个中心金属电极板（5）和4个边缘金属电极板（6），所有开关的右边引脚接在一起，再接直流高压电源（1）的地线，所有开关的左边引脚接在一起，再接保护电阻（2）。
[0010] 所述中心金属电极板（5）是圆盘形状，所述边缘金属电极板（6）由4块相互绝缘的金属板组成，呈圆环状分布在中心金属电极板（5）的上下左右，且与中心金属电极板（5）绝缘，所有中心金属板（5）之间的绝缘间隙大于1cm。
[0011] 所述玻璃基板支架（7）由底座（71）、直角连接器（72）、玻璃平板（73）、玻璃通孔（74）、绝缘把手（75）和固定孔（76）组成；直角连接器（72）把底座（71）和玻璃平板（73）固定在一起，使玻璃平板（73）垂直于地面，2个绝缘把手（75）分别安装在玻璃平板（73）的左右上边角上，固定孔（76）是底座（71）上的长条状圆角通孔，与搭接板（8）固定时调节搭接板位置，所述玻璃通孔（74）在每块金属电极板粘贴的位置下面，每块中心金属电极板（5）下面至少有3个通孔，其中有一个通孔用于连接高压导线（4），其它通孔用于粘接金属电极板。
[0012] 所述玻璃平板（73）是面积大于60cm×60cm的方形玻璃板，表面电阻率大于14 14
10 Ωsqrt，体电阻率大于10 Ωm，表面平整不易变形。
[0013] 所述垂直运动机构（10）由基座（11）、丝杠导轨（12）、手轮（13）和仪表平台（14）组成；基座（11）上的安装孔（15）是长条状通孔可用螺栓与搭接板（8）连接，可调节基座（11）与玻璃板支架（7）的相对位置，可调节丝杠导轨（12）与玻璃平板（73）的垂直度，丝杠导轨（12）固定安装在基座（11）上，仪表平台（14）在丝杠导轨（12）上能沿着导轨方向前后运动，运动范围满足被校准非接触式静电电压表测量距离范围要求，手轮（13）连接丝杠导轨（12）中的丝杠，能带动丝杠转动，仪表平台（14）承载被校准非接触式静电电压表（20），使被校准非接触式静电电压表（20）正对中心金属电极板（5）的中心，且被校准非接触式静电电压表（20）的前端伸出垂直运动机构（10）中的仪表平台（14）。
[0014] 所述仪表平台（14）由运动支架（16）、夹具（17）、弹簧片（18）、摄像头座（19）组成，运动支架（16）能够承载被校准非接触式静电电压表（20）在中心金属电极板（5）的中心法线上垂直运动，夹具（17）固定被校准非接触式静电电压表（20），可调节夹具宽度适应不同宽度的被校准非接触式静电电压表（20），弹簧片（19）固定被校准非接触式静电电压表（20），能随弹簧座升降适应不同厚度的被校准非接触式静电电压表（20），摄像头座（19）安装在运动支架（16）上，用于升降调节，适应不同被校准非接触式静电电压表的显示窗口，安装摄像头便于对被校准非接触式静电电压表（20）读数。
[0015] 所述游标卡尺（9）为数显卡尺，游标卡尺（9）的尺身固定在基座（11）上，游标卡尺（9）的游标显示部分固定在垂直运动机构（10）的仪表平台（14）上，整体结构能够拆卸，以便定期送计量机构溯源。
[0016] 9、根据权利要求1所述的非接触式静电电压表校准装置，其特征在于：所述保护电阻（2）安装于全封闭的绝缘支架内，其阻值设计满足相关计算公式如下：
[0017]
[0018]
[0019] 式中：
[0020] R——保护电阻值，单位为欧姆（Ω）；
[0021] Umax——直流高压源输出的最大电压，单位为伏特（V）；
[0022] Isafe——安全电流上限，单位为安培（A）；
[0023] δV——保护电阻与绝缘泄漏电阻分压后产生的相对电压降，应小于0.1%；
[0024] Rs——金属电极板之间的绝缘电阻，主要是玻璃平板上绝缘间隙中表面电阻，单位为欧姆（Ω）；
[0025] D1——中心金属电极板的外径尺寸，单位为米（m）；
[0026] D2——边缘金属电极板的内径尺寸，单位为米（m）；
[0027] σs——玻璃平板的表面电阻率，单位Ωsqrt。
[0028] 一种非接触式静电电压表校准方法，依次包括边缘效应试验、示值误差校准、测试距离校准步骤；所述边缘效应试验是为了确定或评定由中心金属电极板（5）直径不够大而引入的测量不确定度，将边缘金属电极板（6）的四个独立金属电极板分别连接高电压或接地，造成不对称的边缘电场分布，以增大边缘效应，在边缘电场分布对称与不对称情况下，被校准非接触式静电电压表（20）位置不变，分别获得两次测量读数，取测量读数之差作为边缘效应引入的测量不确定度，是示值误差校准时的测量不确定度来源之一；所述示值误差校准是以直流高压源输出为标准电压Vs与被校准非接触式静电电压表（20）的读数Vx相比较，获得示值误差ΔVx=Vx-Vs，示值误差校准是在被校准非接触式静电电压表（20）的技术要求所规定的测试距离条件下进行的，此测试距离是以被校准非接触式静电电压表（20）前端接触中心金属电极板（5）时为参考点，用游标卡尺（9）显示来调节垂直运动机构（10）中的仪表平台（14）所移动的距离，若被校准非接触式静电电压表（20）有测试距离指示器，则用被校准非接触式静电电压表（20）指示器调节测试距离；所述测试距离校准是为了获得被校准非接触式静电电压表（20）能够准确测量电压时的实际测试距离，当被校准非接触式静电电压表（20）读数与直流高压源（1）的输出电压相等时，被校准非接触式静电电压表（20）前端到中心金属电极板（5）的距离为实际测试距离。
[0029] 所述边缘效应试验是加重边缘效应的试验，以边缘效应的变化所造成被校准非接触式静电电压表（20）读数之差，作为边缘效应引入的测量不确定度，获得读数之差的步骤如下：
[0030] （1）操作选择开关（3），将所有中心金属电极板（5）和边缘金属电极板（6）接地，被校准非接触式静电电压表（20）放在垂直运动机构（10）中的仪表平台（14）上，使被校准非接触式静电电压表（20）前端伸出平台1cm以上，端面平行于中心金属电极板（5），转动手轮（13），移动垂直运动机构（10）中的仪表平台（14），使被校准非接触式静电电压表（20）的前端接触中心金属电极板（5），此时把游标卡尺（9）的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺（9）的读数；
[0031] （2）再转动手轮（13），使被校准非接触式静电电压表（20）的前端离开中心金属电极板（5），按游标卡尺（9）的显示到达被校准非接触式静电电压表（20）规定的测试距离，若被校准非接触式静电电压表（20）有测试距离指示器，则以其指示器为准，此时记录游标卡尺的读数，调节被校准非接触式静电电压表（20）显示清零；
[0032] （3）操作选择开关（3），将中心金属电极板（5）连接保护电阻（2），将边缘金属电极板（6）其中的一个电极也连接保护电阻（2），其余三个电极接地，设置直流高压源（1）输出电压为被校准非接触式静电电压表（20）量程的上限，输出电压，被校准非接触式静电电压表（20）的读数为V1；
[0033] （4）再操作选择开关（3），使所有中心金属电极板（5）、边缘金属电极板（6）接保护电阻（2）获得高电压，被校准非接触式静电电压表（20）读数为V0；
[0034] （5）若ΔV=V1-V0小于被校准非接触式静电电压表（20）的最大允许误差极限的1/3，则中心金属电极板（5）的边缘效应可以忽略不计，否则ΔV作为测量不确定度来源之一；
[0035] （6）依次变换边缘金属电极板（6）的四个独立电极连接状态，使一个电极连接保护电阻（2），另外三个电极接地，均按上述步骤（2）～（5）做边缘效应试验，在边缘金属电极板（6）的四个电极的不同连接状态下，测量4次，取ΔV最大的情况。
[0036] 所述示值误差校准步骤如下：
[0037] （1）操作选择开关（3），将所有中心金属电极板（5）和边缘金属电极板（6）接地，被校准非接触式静电电压表（20）放在在垂直运动机构（10）中的仪表平台（14）上，使被校准非接触式静电电压表（20）前端伸出平台1cm以上，端面平行于中心金属电极板（5），转动手轮（13），移动垂直运动机构（10）中的仪表平台（14），使被校准非接触式静电电压表（20）的前端接触中心金属电极板（5），此时把游标卡尺（9）的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺（9）的读数；
[0038] （2）再转动手轮（13），使被校准非接触式静电电压表（20）的前端离开中心金属电极板（5），按游标卡尺（9）的显示到达被校准非接触式静电电压表（20）规定的测试距离，若被校准非接触式静电电压表（20）有测试距离指示器，则以其指示器为准，此时记录游标卡尺的读数，调节被校准非接触式静电电压表（20）显示清零；
[0039] （3）操作选择开关（3），将所有中心金属电极板（5）和边缘金属电极板（6）连接保护电阻（2），设置直流高压源（1）输出Vs，记录被校准非接触式静电电压表（20）的读数Vx，计算示值误差ΔVx=Vx-Vs；
[0040] （4）示值误差校准的测量不确定包括由边缘效应引入的测量不确定度，由直流高压源最大允许误差引入的测量不确定度和由测量距离不规范引入的测量不确定度。
[0041] 所述测试距离校准实现步骤如下：
[0042] （1）操作选择开关（3），将所有中心金属电极板（5）和边缘金属电极板（6）接地，被校准非接触式静电电压表（20）放在垂直运动机构（10）中的仪表平台（14）上，使被校准非接触式静电电压表（20）前端伸出平台1cm以上，端面平行于中心金属电极板（5），转动手轮（13），移动垂直运动机构（10）中的仪表平台（14），使被校准非接触式静电电压表（20）的前端接触中心金属电极板（5），此时把游标卡尺（9）的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺（9）的读数；
[0043] （2）再转动手轮（13），使被校准非接触式静电电压表（20）的前端离开中心金属电极板（5），按游标卡尺（9）的显示接近被校准非接触式静电电压表（20）规定的测试距离，或接近测试距离指示器指定距离，调节被校准非接触式静电电压表（20）显示清零；
[0044] （3）直流高压源（1）输出1000V时，调节手轮（13），前后移动垂直运动机构（10）中的仪表平台（14），使被校准非接触式静电电压表（20）读数等于1000V，此时记录游标卡尺（9）读数S1，S1作为1000V情况下的测试距离校准结果；
[0045] （4）再将直流高压源（1）输出-1000V，调节手轮（13），前后移动垂直运动机构（10）中的仪表平台（14），使被校准非接触式静电电压表（20）读数等于-1000V，此时记录游标卡尺（9）读数S2，S2作为-1000V情况下的测试距离校准结果。
[0046] 本发明与现有技术相比的有益效果在于：本发明公开的非接触式静电电压表校准装置和校准方法，采用了多个相互绝缘的金属平板电极，利用选择开关的连接，能够实现加重边缘效应的试验，简化了现有国家军用标准GJB/J5792-2007中侧向移动被校准非接触式静电电压表而进行的边缘效应试验方法。本发明节省了平行移动机构，简化了设计，也减少了由于侧向运动不平行带来的影响。本发明利用玻璃基板作为金属平板电极的绝缘支架，使电极的形状更加平整且稳定性，减少了金属平板变形的影响，另外减少可触及金属电极的面积，增强了安全性。本发明设计了保护电阻全封闭的绝缘结构，增强了安全性，并给出了安全电流和测量准确度约束条件下，保护电阻阻值的计算方法。本发明在垂直运行机构的仪表平台上设计了摄像头安装座，便于使用摄像头观察被校准非接触式静电电压表读数，操作人员能够远距离读数，增强了操作安全性；本发明使用了可拆卸、可清零的数显游标卡尺，使被校准非接触式静电电压表固定于仪表平台上，其前端接触金属平板时，该游标卡尺记录零位，简化了测试距离的控制方法，可拆卸的游标卡尺的设计，便于将游标卡尺送检到计量机构，降低了整体装置检定费用。
附图说明
[0047] 图1是有源金属板的等电位面和电力线示意图；其中图a是没有测量探头时，金属平板周围的静电场分布图，b是有测量探头时，金属平板周围的静电场分布图；
[0048] 图2是现有技术GJB/J5972-2007的平移法边缘效应试验示意图；
[0049] 图3是本发明装置总体示意图；
[0050] 图4a是本发明中玻璃基板支架和金属电极板结构主示意图；
[0051] 图4b是本发明中玻璃基板支架和金属电极板结构侧示意图；
[0052] 图4c是本发明中玻璃基板支架和金属电极板结构立体示意图；
[0053] 图5是本发明中高压导线穿过玻璃通孔与金属电极板压接工艺示意图；
[0054] 图6是本发明中保护电阻绝缘支撑结构；
[0055] 图7是本发明中垂直运动机构结构示意图。
具体实施方式
[0056] 如图3所示，本发明装置总体示意图，非接触式静电电压表校准装置由直流高压源1、保护电阻2、选择开关3、高压导线4、中心金属电极板5、边缘金属电极板6、玻璃基板支架7、搭接板8、游标卡尺9、垂直运动机构10、和被校准非接触式静电电压表20组成；直流高压电源1输出连接保护电阻2的一端，保护电阻2另一端通过高压导线4连接选择开关3的左边引脚，选择开关3的右边引脚连接直流高压源1的地线，选择开关3的中间引脚通过高压导线4连接中心金属电极板5和边缘金属电极板6，中心金属电极板5和边缘金属电极板6粘贴在玻璃基板支架7的玻璃平板的同一侧，搭接板8把玻璃基板支架7和垂直运动机构10固定在一起，游标卡尺9安装在垂直运动机构10上。
[0057] 所述直流高压电源1能输出稳定直流电压，可溯源到直流高电压计量标准。其输出电压范围应覆盖被校准非接触式静电电压表示值范围，输出电流大于1mA，设定值的允许误差小于被校准非接触式静电电压表最大允许误差限的1/3，分辨力小于10V，推荐指标为电压：±100V～±20kV；最大允许误差：±（0.5%设定值+10V），可根据被校准非接触式静电电压表的技术要求选择商品化的直流高压源仪器。直流高压源输出的电压经过保护电阻和选择开关分别独立地输出到中心金属电极板和边缘金属电极板，使金属电极板产生稳定的静电电位，此电位是相对于直流高压源的地电位而言的，中心金属电极板在其中心附近产生局部平行静电场，在边缘金属电极板产生不平行的静电场，由此不平行的静电场造成被校准非接触式静电电压表读数的影响称为边缘效应，当中心金属电极板与边缘金属电极板不等电位时，这种边缘效应会增加。
[0058] 所述选择开关3由5个独立的单刀双掷开关组成，每个开关的中间电极通过高压导线连接一个中心金属电极板和四个边缘金属电极板，所有开关的右边引脚接在一起，再接直流高压电源的地线，所有开关的左边引脚接在一起，再接保护电阻；开关的各个引脚之间耐压大于20kV。用粘接方法将选择开关固定在玻璃平板的同一侧，在金属电极的背面。
[0059] 所述中心金属电极板5是圆盘形状，所述边缘金属电极板6由四块相互绝缘的金属板组成，呈圆环状分布在中心金属电极板的上下左右，且与中心金属电极板绝缘，所有金属板之间的绝缘间隙大于1cm，中心圆盘直径大于50cm，圆环宽度3～5cm，金属板使用相同材质，推荐使用不锈钢板、铝板、或铜板，板厚度以手指不易压变形为宜，一般大于0.5mm，金属表面粗糙度Ra<3.2μm。也可采用喷涂、镀等方法产生金属薄板电极。
[0060] 如图4a、4b和4c所示，玻璃基板支架7由底座71、直角连接器72、玻璃平板73、玻璃通孔74、绝缘把手75和固定孔76组成，两个直角连接器72是绝缘材料做成，安装在玻璃平板左右下边角的玻璃通孔上，把底座和玻璃平板固定在一起，使玻璃平板垂直于地面，底座不与玻璃直接接触，玻璃通孔不能接触金属电极板。两个绝缘把手75分别安装在玻璃平板的左右上边角的玻璃通孔上。固定孔76是底座上的长条状圆角通孔，与搭接板固定时可以调节搭接板位置；所述玻璃通孔74在每块金属电极板粘贴的位置下面，每块金属电极板下面至少有三个玻璃通孔，其中有一个玻璃通孔用于连接高压导线，其它通孔用于粘接金属电极板。所述玻璃平板73是面积大于65cm×65cm的方形玻璃板，表面电阻率大14 14
于10 Ωsqrt，体电阻率大于10 Ωm，表面平整不易变形。玻璃通孔直径大于10mm时便于玻璃加工，也便于粘接。
[0061] 如图5所示，是高压导线穿过玻璃通孔与金属电极板压接工艺示意图。有五条高压导线4分别与一个中心金属电极板5和四个边缘间属电极板6连接，连接方式采用压接方式。把高压导线4拨出金属芯线41后，插入玻璃通孔内74，将金属芯线41接触金属电极板，再用软木塞填42充玻璃通孔74的空隙。软木塞与玻璃之间用粘接剂43粘接。
[0062] 如图6所示，是保护电阻绝缘支撑结构图。为防止人员触及金属连接部位，以及限制保护电阻泄漏电流，应将保护电阻装入全封闭的支架结构44，所述支架结构44包括圆桶45、封盖46、金属圆片47和螺栓48，所述圆桶45和两个封盖46采用聚四氟乙烯材料制作，用螺栓48将保护电阻2两端和高压导线4固定在金属圆片46上，金属圆片46使保护电阻与圆桶内壁同轴，且保持间隙，放入聚四氟乙烯圆桶45内。封盖46扣入圆桶45两端，封盖
46中心有通孔能让高压导线4穿过封盖46引出。圆桶尺寸依据保护电阻的尺寸设计，两端的金属圆片相距大于5cm，内部间隙大于0.5cm。
[0063] 保护电阻2串联在直流高压源1与选择开关3之间，限制直流高压源的输出电流，一旦发生人员触及裸露的金属电极板，或金属电极板意外接地的情况，保护电阻将承受大部分的电压降，并限制输出电流小于0.5mA。然而，保护电阻将与金属电极板的绝缘泄漏电阻形成分压，使金属电极板上的电压不等于直流高压源的输出电压，影响测量准确度。因此保护电阻值的选择不能太高，也不能太低。计算方法如下：
[0064]
[0065]
[0066] 式中：
[0067] R——保护电阻值，单位为欧姆（Ω）；
[0068] Umax——直流高压源输出的最大电压，单位为伏特（V）；
[0069] Isafe——安全电流上限，单位为安培（A）；
[0070] δV——保护电阻与绝缘泄漏电阻分压后产生的相对电压降，应小于0.1%。
[0071] Rs——金属电极板之间的绝缘电阻，主要是玻璃平板上绝缘间隙中表面电阻，单位为欧姆（Ω）；
[0072] D1——中心金属电极板的外径尺寸，单位为米（m）；
[0073] D2——边缘金属电极板的内径尺寸，单位为米（m）；
[0074] σs——玻璃平板的表面电阻率，单位Ωsqrt；
[0075] 设直 流高压源输出最大20kV，安 全电流最高0.5mA，则保 护电阻R≥20kV/0.5mA=40MΩ；设中心金属电极板外径50cm，边缘金属电极板圆环内径51cm，玻璃
14 11
表面电阻率1×10 Ω，允许电压降0.1%，则金属电极板之间的绝缘电阻Rs=3.15×10 Ω，
11 8
保护电阻R<0.1%×3.15×10 Ω/(1-0.1%)=3.15×10Ω，在上例中保护电阻应满足
40MΩ≤R<315MΩ。
[0076] 如图7所示，是垂直运动机构结构示意图。所述垂直运动机构10由基座11、丝杠导轨12、手轮13和仪表平台14组成，基座11上的安装孔15是长条状通孔可用螺栓与搭接板8连接，可调节基座11与玻璃板支架的相对位置，可调节丝杠导轨12与玻璃平板的垂直度，丝杠导轨12固定安装在基座11上，仪表平台14在丝杠导轨12上能沿着导轨方向前后运动，运动范围满足被校准非接触式静电电压表测量距离范围要求，一般大于40cm。手轮13连接丝杠导轨12中的丝杠，能带动丝杠转动。仪表平台14承载被校准非接触式静电电压表，使被校准非接触式静电电压表正对中心金属电极板的中心，且被校准非接触式静电电压表的前端伸出仪表平台。
[0077] 所述仪表平台14由运动支架16、夹具17、弹簧片18、摄像头座19组成，运动支架16能够承载被校准非接触式静电电压表在中心金属电极板的中心法线上垂直运动，夹具
17固定被校准非接触式静电电压表，可调节夹具宽度适应不同宽度的被校准非接触式静电电压表，弹簧片19固定被校准非接触式静电电压表，可随弹簧座升降适应不同厚度的被校准非接触式静电电压表，摄像头座19安装在运动支架16上，可升降调节，适应不同被校准非接触式静电电压表的显示窗口，可安装摄像头便于对被校准非接触式静电电压表读数；
[0078] 所述游标卡尺9为数显卡尺，游标卡尺的尺身固定在基座11上，游标卡尺的游标显示部分固定在仪表平台14上，整体结构能够拆卸，以便定期送计量机构溯源。
[0079] 本发明一种非接触式静电电压表校准方法，包括边缘效应试验、示值误差校准、测试距离校准；
[0080] 所述边缘效应试验是为了确定或评定由中心金属电极板5直径不够大而引入的测量不确定度，在被校准非接触式静电电压表的电场感应器件正面产生平行静电电场是校准方法的基本要求，但是由于金属平板电极尺寸有限，其边缘效应将改变平行电场条件，影响测量准确度。若边缘效应的影响可以通过试验测定，并且小于被校准非接触式静电电压表允许误差极限的1/3，则此影响可以忽略，或者将此影响计算到测量不确定度之中。
[0081] 所述边缘效应试验是加重边缘效应的试验方法，以边缘效应的变化所造成被校准非接触式静电电压表读数之差，作为边缘效应引入的测量不确定度，获得读数之差的步骤如下：
[0082] （1）首先将被校准非接触式静电电压表20放在仪表平台上14，使被校准非接触式静电电压表20前端伸出平台1cm以上，调节被校准非接触式静电电压表前端位置，使其到中心金属电极板5的距离为被校准非接触式静电电压表规定的测试距离。
[0083] （2）操作选择开关3，将所有金属电极板接地，调节被校准非接触式静电电压表显示清零。
[0084] （3）操作选择开关3，将中心金属电极板5连接保护电阻2，将边缘金属电极板6其中的一个电极也连接保护电阻2，其余三个电极接地。设置直流高压源1输出电压为被校准非接触式静电电压表量程的上限，输出电压，被校准非接触式静电电压表的读数为V1。
[0085] （4）再操作选择开关3，使所有金属电极板接保护电阻2获得高电压，被校准非接触式静电电压表读数为V0。
[0086] （5）若ΔV=V1-V0小于被校准非接触式静电电压表的最大允许误差极限的1/3。则中心金属电极板5的边缘效应可以忽略不计，否则ΔV作为测量不确定度来源之一。
[0087] （6）依次变换边缘金属电极板6的四个独立电极连接状态，使一个电极连接保护电阻2，另外三个电极接地，均按上述步骤（2）～（5）做边缘效应试验，在边缘金属电极板的四个电极的不同连接状态下，测量4次，取ΔV最大的情况。
[0088] 示值误差校准步骤如下：
[0089] （1）操作选择开关3，将所有金属电极板接地，被校准非接触式静电电压表20放在仪表平台14上，使被校准非接触式静电电压表前端伸出平台1cm以上，端面平行于中心金属电极板5，转动手轮13，移动仪表平台，使被校准非接触式静电电压表的前端接触中心金属电极板。此时，把游标卡尺9的显示清零，若不能清零则记录游标卡尺的读数。
[0090] （2）再转动手轮13，使被校准非接触式静电电压表的前端离开中心金属电极板5，按游标卡尺的显示到达被校准非接触式静电电压表规定的测试距离，若被校准非接触式静电电压表有测试距离指示器，则以其指示器为准，此时记录游标卡尺的读数。调节被校准非接触式静电电压表显示清零。
[0091] （3）操作选择开关3，将所有金属电极板连接保护电阻2，设置直流高压源1输出Vs，记录被校准非接触式静电电压表的读数Vx。计算示值误差ΔVx=Vx-Vs。
[0092] 所述测试距离校准是为了获得被校准非接触式静电电压表20在正确读数时的实际测试距离。当被校准非接触式静电电压表读数与直流高压源1的输出电压相等时，被校准非接触式静电电压表前端到中心金属电极板5的距离为实际测试距离。测试距离校准步骤如下：
[0093] （1）首先上述示值误差校准步骤的（1）、（2）步骤操作；
[0094] （2）直流高压源1输出1000V时，调节手轮13，前后移动仪表平台14，使被校准非接触式静电电压表20读数等于1000V，此时记录游标卡尺9的读数S1，记录S1作为1000V情况下的测试距离校准结果；
[0095] （3）再将直流高压源1输出-1000V，调节手轮13，前后移动仪表平台14，使被校准非接触式静电电压表读数等于-1000V，此时记录游标卡尺9的读数S2，记录S2作为-1000V情况下的测试距离校准结果。
[0096] 总之，本发明与GJB/J5972-2007标准中的边缘效应试验相比，本发明不需要平行移动的机构，消除了平行移动带来的误差影响，简化机械结构设计。并且在垂直运动的距离测量上，采用了可拆卸的游标卡尺，使长度溯源得以简化，降低检定费用。使用玻璃平板支架承载金属平板电极，以及使用保护电阻减少人员被电击的危险。通过摄像头获得被校准非接触式静电电压表读数，使操作人员远离危险的带电金属平板。而且本发明的校准装置能满足非接触式静电电压表和静电电场表校准需求，在计量校准机构使用，有很强的实用性。
[0097] 本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
