直流電阻測試儀的研究與開發

  華意電力是一家專業研發生產直流電阻測試儀的廠家，本公司生產的直流電阻測試儀在行業內都廣受好評，以打造最具權威的“直流電阻測試儀"高壓設備供應商而努力。

1.電橋法測電阻原理

  直流雙臂電橋又稱凱爾文電橋，主要用于測量低值電阻。雙電橋測小電阻的電路原理圖如圖2.5所示：

  圖中RX是被測電阻，RN是低阻值標準電阻，它們都是4端連接；RX與RN用一根短而粗的電阻值為R的導線連接，并與電源組成一個閉合回路：電壓接頭分別與R1，R2，R3和R4連接，各電阻值均不小于10

  當電橋平衡時，檢流計中無電流通過，E和f兩點電勢相等，根據基爾霍夫第二定律列出方程組，解得：

  在實驗中，固定凡和凡，調節凡和凡，使電橋平衡，運用公式即可計算出被側電阻凡的阻值.

  雙臂電橋減小附加電阻影響的關鍵在于4端連接，從圖中可以看出，4端連接是電流接頭和電壓接頭分接，把各連接部分的導線電阻分別引入檢流計回路或電源支路中。因檢流計回路電阻為大電阻，引入檢流計回路的附加電阻可忽略不計；而引入電源支路的導線電阻和接觸電阻只影響工作電流，不影響電橋平衡；因此，都不影響凡的測量值。值得說明的是，由于電源回路包括凡與凡中電阻小，電流大，電路易發熱，會使電路中電阻值增大，造成測量值變化不定。因此，在實際測量低阻時，應盡量縮短實驗操作的時間，為避免實驗數據變化不定，應考慮電路散熱問題，最簡單的方法是增大4端連接頭的散熱面積〔51.雙電橋法測電阻的特點是能消除接線電阻及接觸電阻所造成的誤差，大大減小接觸電阻的影響，提高了測量的精度。但是由于雙臂電橋回路通過的是只有幾個微安的微弱電流，難以消除電阻較大的氧化膜的影響，測出的電阻示值偏大，而氧化膜在大的電流下很容易被燒壞，不允許正常電流通過。而且當觸頭因調整不當、運行中發生變化或觸頭燒損嚴重等使有效接觸面積減小時，雙臂電橋的微弱電流在其接觸處不會產生收縮，無法測出收縮電阻，而在大電流或正常電流通過時，會使該處接觸處的電阻增加，引起觸頭的過渡發熱和加速氧化。

  2.四線法測電阻原理
  四線測量是將恒流源Is電流流入被測電阻RX的兩根電流線和電壓表測量端的兩根電壓線分開，使得電壓表測量端的電壓不再是恒流源兩端的直接電壓，如圖2.6所示。
  從圖中可知：“四線測量法比二線測量法多了兩根饋線，電壓測量端并不和恒流源端直接相連，而是直接連到待測電阻兩端。所以，恒流源與被測電阻R廠、饋線尺、凡構成一個回路。送至電壓測量端的電壓只有RX兩端的電壓，饋線R1、R4電壓沒有送至電壓測量端，因此，饋線電阻R1和R4對測量結果影響極小。由于電壓表的輸入阻抗遠大于饋線電阻R2和R3，饋線電阻R2和R3對測量結果影響同樣很小。通過已知電流凡和測得的電阻凡兩端的電壓呱即可得到RX：

  所以由上式可知，四線測量法測量微小電阻的準確度很高。因此，即使測量導線電阻不相等，也不會對測量造成影響。所以，本課題研究的高精度微電阻測試儀采用四線制的方法來測量。

  3.電流反向兩次測量法

電流反向兩次測量法的原理如下圖2.7所示，誤差源中的熱電動勢既來自測量電路外部，又來自測量電路本身；電化學電勢，同樣也來自測量電路外部和內部，折算到放大電路輸入端放大電路本身的失調電壓，記為際。這些誤差信號大小基本都不隨測試電流的大小和方向變化，但是熱電動勢會隨溫度變化而變化

  設來自測量電路外部的熱電勢為綺，來自測量電路本身的熱電勢為瑞；來自測量電路外部的電化學電勢為凡，來自內部的電化學電勢為E：；折算到放大電路輸入端放大電路本身的失調電壓為。

  設折算到放大電路輸入端的直流誤差信號為△u：

  雖然該直流誤差信號也會被放大電路放大，但當測試電流方向發生變化（倒向）的時候，放大后的直流誤差信號的大小和極性并不會發生變化，由此可以將其同待測信號區分開來18‘，只要進行兩次測量并將結果相減即可。下面具體說明。當測試電流為十Is時，電流自上而下流過待測電阻Rx，此時：

 這樣，直流誤差源的影響就被消除了，采用四線制測量的整個測量系統如圖3所示，其中，四線制測量方法可以消除導線電阻的影響，電流倒向可以消除折算到

 放大電路輸入端的直流誤差信號的影響’，。，。

  3.1電流源選擇
  測量電阻最根本的原理基于歐姆定律，即加電流測電壓的方法。由于待測電阻阻值很微弱，測試電流通過其產生的電壓也必然很微弱，因此，微電阻測量中電流源的選取是非常重要的。目前工程上通常選用的電流源有兩種，分別是脈沖大電流源和恒流源，它們各有優缺點，下面就具體的脈沖電流與恒電流作為電流源的選擇進行原理分析和比較。

  3.2脈沖大電流作為電流源

  大電流測量法是工程上常用的一種測量微電阻的方法，理論研究表明電阻阻值與電阻溫度、電流通過的時間的關系為：

  從以上兩式可以看出，電阻的阻值增加與溫度的變化呈線性關系，而電阻溫度的變化又與通過電阻的電流及時間有關。要使大電流通過電阻且使阻值的變化很小，就應使用脈沖大電流；利用脈沖大電流法測量微電阻，電流的大小和脈寬應根據電阻的阻值大小和放大器的性能決定〔‘“。硬件設計的關鍵是控制脈沖時序，電流源要工作在較大的電流下，電流開啟時間必須嚴格控制。一旦出現開啟時間過長，就可能造成測試裝置的損壞或被測觸點的損壞。同時，數據采集時序要求嚴格，應在電流源開啟時間內，開啟放大器，在放大器放大倍率調整穩定后，A/D轉換器進行采樣。如果時序不合適，就會嚴重影響精度。顯然，為了提高測量準確度，可使用大電流以提高信噪比，但需考慮電阻的負載效應，同時對時序的控制要求也很高。
  在微電阻測量過程中，選擇合適的測量電流是很重要的，這是因為被測電阻的溫度系數一般都很高，測量電流過大會引起導線發熱產生熱誤差，從而造成測量值產生偏差。恒流源是一種受環境影響小、抗噪聲能力強的可靠穩定的電流源，在具體的恒電流電路設計中應進行換檔調電流從而可以測量不同范圍的微小電阻的阻值。

  3.3恒流源電路方案

  常見的恒流源電路方案有：脈沖調寬式、線性負反饋方式等。
  脈沖調寬式恒流源通過改變調整器的工作脈沖寬度達到恒流的目的。目前廣泛應用于空間技術、計算機、通訊、家電等領域中。這種恒流源調整器工作在開關狀態、功率損耗小、效率高達70哈95%，但紋波電流大，輻射干擾強、恒流精度低。
  線性負反饋式恒流源通過改變調整器的工作電壓，使其輸出電流保持恒定，具有失真小、穩定度高、紋波小等特點，但功率損耗大、效率較低，主要應用于高精度場合。在本課題的研究中，經綜合比較，線性負反饋式恒流源受環境影響小、抗噪聲能力強、精度高，滿足課題要求，所以采用線性負反饋式恒流源。
  采用線性負反饋式恒流源測量微電阻的思路是：恒流源電流通過微電阻，經信號調理后進行信號采集，然后輸出顯示。由于通常的直流恒流源電流較小，微電阻測量中的電壓信號會淹沒在噪聲中而無法提取，所以先應進行恒流源擴展，使其大到信號能提取出來；接著進行信號調理中的信號放大，然后進行信號采集和A/D轉換，最后顯示測量結果“l].在下一章節將會著重的分析與設計測試儀恒流源的電路。