直流電阻測試儀的研究與開(kāi)發(fā)

  華意電力是一家專(zhuān)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)直流電阻測試儀的廠(chǎng)家，本公司生產(chǎn)的直流電阻測試儀在行業(yè)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(chēng)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(xiàn)連接，并與電源組成一個(gè)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(shí)，檢流計中無(wú)電流通過(guò)，E和f兩點(diǎn)電勢相等，根據基爾霍夫第二定律列出方程組，解得：

  在實(shí)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(guān)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(xiàn)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(xiàn)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(shuō)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(fā)熱，會(huì )使電路中電阻值增大，造成測量值變化不定。因此，在實(shí)際測量低阻時(shí)，應盡量縮短實(shí)驗操作的時(shí)間，為避免實(shí)驗數據變化不定，應考慮電路散熱問(wèn)題，最簡(jiǎn)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(diǎn)是能消除接線(xiàn)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(guò)的是只有幾個(gè)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(guò)。而且當觸頭因調整不當、運行中發(fā)生變化或觸頭燒損嚴重等使有效接觸面積減小時(shí)，雙臂電橋的微弱電流在其接觸處不會(huì )產(chǎn)生收縮，無(wú)法測出收縮電阻，而在大電流或正常電流通過(guò)時(shí)，會(huì )使該處接觸處的電阻增加，引起觸頭的過(guò)渡發(fā)熱和加速氧化。

  2.四線(xiàn)法測電阻原理
  四線(xiàn)測量是將恒流源Is電流流入被測電阻RX的兩根電流線(xiàn)和電壓表測量端的兩根電壓線(xiàn)分開(kāi)，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(xiàn)測量法比二線(xiàn)測量法多了兩根饋線(xiàn)，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(chǎng)、饋線(xiàn)尺、凡構成一個(gè)回路。送至電壓測量端的電壓只有RX兩端的電壓，饋線(xiàn)R1、R4電壓沒(méi)有送至電壓測量端，因此，饋線(xiàn)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(xiàn)電阻R2和R3，饋線(xiàn)電阻R2和R3對測量結果影響同樣很小。通過(guò)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(xiàn)測量法測量微小電阻的準確度很高。因此，即使測量導線(xiàn)電阻不相等，也不會(huì )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(xiàn)制的方法來(lái)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(dòng)勢既來(lái)自測量電路外部，又來(lái)自測量電路本身；電化學(xué)電勢，同樣也來(lái)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(dòng)勢會(huì )隨溫度變化而變化

  設來(lái)自測量電路外部的熱電勢為綺，來(lái)自測量電路本身的熱電勢為瑞；來(lái)自測量電路外部的電化學(xué)電勢為凡，來(lái)自?xún)炔康碾娀瘜W(xué)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(huì )被放大電路放大，但當測試電流方向發(fā)生變化（倒向）的時(shí)候，放大后的直流誤差信號的大小和極性并不會(huì )發(fā)生變化，由此可以將其同待測信號區分開(kāi)來(lái)18‘，只要進(jìn)行兩次測量并將結果相減即可。下面具體說(shuō)明。當測試電流為十Is時(shí)，電流自上而下流過(guò)待測電阻Rx，此時(shí)：

 這樣，直流誤差源的影響就被消除了，采用四線(xiàn)制測量的整個(gè)測量系統如圖3所示，其中，四線(xiàn)制測量方法可以消除導線(xiàn)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(guò)其產(chǎn)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(yōu)缺點(diǎn)，下面就具體的脈沖電流與恒電流作為電流源的選擇進(jìn)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(guò)的時(shí)間的關(guān)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(xiàn)性關(guān)系，而電阻溫度的變化又與通過(guò)電阻的電流及時(shí)間有關(guān)。要使大電流通過(guò)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(guān)鍵是控制脈沖時(shí)序，電流源要工作在較大的電流下，電流開(kāi)啟時(shí)間必須嚴格控制。一旦出現開(kāi)啟時(shí)間過(guò)長(cháng)，就可能造成測試裝置的損壞或被測觸點(diǎn)的損壞。同時(shí)，數據采集時(shí)序要求嚴格，應在電流源開(kāi)啟時(shí)間內，開(kāi)啟放大器，在放大器放大倍率調整穩定后，A/D轉換器進(jìn)行采樣。如果時(shí)序不合適，就會(huì )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(shí)對時(shí)序的控制要求也很高。
  在微電阻測量過(guò)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(guò)大會(huì )引起導線(xiàn)發(fā)熱產(chǎn)生熱誤差，從而造成測量值產(chǎn)生偏差。恒流源是一種受環(huán)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(jìn)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(jiàn)的恒流源電路方案有：脈沖調寬式、線(xiàn)性負反饋方式等。
  脈沖調寬式恒流源通過(guò)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(shù)、計算機、通訊、家電等領(lǐng)域中。這種恒流源調整器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)、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(xiàn)性負反饋式恒流源通過(guò)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(diǎn)，但功率損耗大、效率較低，主要應用于高精度場(chǎng)合。在本課題的研究中，經(jīng)綜合比較，線(xiàn)性負反饋式恒流源受環(huán)境影響小、抗噪聲能力強、精度高，滿(mǎn)足課題要求，所以采用線(xiàn)性負反饋式恒流源。
  采用線(xiàn)性負反饋式恒流源測量微電阻的思路是：恒流源電流通過(guò)微電阻，經(jīng)信號調理后進(jìn)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(huì )淹沒(méi)在噪聲中而無(wú)法提取，所以先應進(jìn)行恒流源擴展，使其大到信號能提取出來(lái)；接著(zhù)進(jìn)行信號調理中的信號放大，然后進(jìn)行信號采集和A/D轉換，最后顯示測量結果“l(fā)].在下一章節將會(huì )著(zhù)重的分析與設計測試儀恒流源的電路。