CN103235189A - 一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法及实现该方法的测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法及实现该方法的测量系统，涉及一种电阻的高精度测量方法及其系统，具体涉及一种微小电阻的检测方法及其系统，目的是为了解决现有微电阻测量技术中电源精度以及叠加在被测量的微电压信号上的直流干扰对测量精度的影响的问题，本发明的测量系统包括被测电阻、标准电阻、可调限流电阻、可控电源、滤波放大器、A/D转换器、单片机系统、显示器和操作键盘，首先，采用电压比率法消除电源对测量精度的影响，其次，通过双电流法消除被测电阻的阻值上的直流干扰电压，本发明适用于微电阻测量技术领域。

Description

一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法及实现该方法的测量系统

技术领域

本发明涉及一种电阻的高精度测量方法及其系统，具体涉及一种微小电阻的检测方法及其系统。

背景技术

在电气工程领域，经常遇到微电阻测量的问题，如导体材料电阻率测量，单位长度导体直流电阻测量等。由于这些微电阻经常处于几十μΩ到几十mΩ数量级，测量比较困难。目前，市场上所提供的微电阻测量仪器一般为直流双臂电桥和数字微欧计。直流双臂电桥需要平衡调节，测量自动化程度低且容易受可调元件变化及人为因素影响；数字微欧计一般采用恒流源与高精度数字电压测量技术，测量自动化程度、测量速度及测量准确度高，有逐步替代直流双臂电桥的趋势。数字微欧计的研制过程中，主要难点在于高精度恒流源的制作、高精度微电压信号的数据采集及抗干扰技术。其中高精度恒流源制作困难，一直影响微电阻测量的准确度等级；高精度微电压数据采集可以利用市场上提供的高性能运算放大器和高位A/D转换器解决；干扰一般包括电场干扰、磁场干扰和直流干扰，电磁场的干扰可以通过屏蔽和滤波的方法有效抑制，直流干扰直接叠加在被测量的微电压信号上，对微电阻精确测量产生非常大的影响，而且抑制比较困难。

在电压比率法测量基本原理中，通过屏蔽与滤波等技术可以有效地抑制交流干扰，忽略了直流干扰对测量的影响。测量回路的热电势、放大电路失调和温漂等形成直流干扰，叠加在被测量电压降上，由于被测量电压降微弱，叠加的直流干扰会产生非常大的测量误差，且已有测量方法均无法消除。通过实际测量发现，长时间看，这种直流干扰受温度变化等因素影响会产生一定的波动。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微电阻测量技术中电源精度以及叠加在被测量的微电压信号上的直流干扰对测量精度的影响的问题，本发明提出了一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法及实现该方法的测量系统。

一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，具体过程如下，首先，将被测电阻、定值电阻和可调限流电阻串联在可控直流电源的电源输出侧构成串联闭合回路，所述可控直流电源的输出电压是E，被测电阻的阻值为R_X，定值电阻的阻值为R₀，可调限流电阻的阻值为R₁，采用四线电阻测量方法测量获取定值电阻两端的测量电压U₁、被测电阻两端的测量电压U₂和串联闭合回路的电流I，计算得到被测电阻的阻值R_X，

其次，通过双电流法消除被测电阻的阻值R_X上的直流干扰电压，获得消除干扰后被测电阻的阻值R_X。

本实施方式采用电压比率法消除可控直流电源的输出电压E对被测电阻测量精度的影响，定值电阻的阻值R_X已知，用于标定被测电阻的电阻R_X，可调限流电阻用于控制测量电流I的大小。

所述的计算得到被测电阻的阻值，其具体过程为，根据公式计算获得被测电阻的阻值R_X。

所述公式

R₀是根据公式 $I=\frac{E}{R_1+R_0+R_x}=\frac{U_1}{R_0}=\frac{U_2}{R_x}$ 推导获得的。

所述的通过双电流法消除被测电阻的阻值R_X上的直流干扰电压，获得消除干扰后被测电阻的阻值R_X，其具体过程如下：

设置可控直流电源的输出电压分别为E₁和E₂，且E₁大于E₂，

当可控直流电源的输出电压为E₁，该串联闭合回路对应的电流为I₁，测量定值电阻两端的电压获得测量电压U₁₁，测量被测电阻两端的电压获得测量电压U₂₁，

当可控直流电源的输出电压为E₂，该串联闭合回路对应的电流为I₂，测量定值电阻两端的电压获得测量电压U₁₂，测量被测电阻两端的电压获得测量电压U₂₂，根据公式

计算获得消除干扰后被测电阻的阻值R_X。

本实施方式所述的通过双电流法消除被测电阻的阻值R_X上的直流干扰电压，获得消除干扰后被测电阻的阻值R_X的原理为：

当可控直流电源的输出电压为E₁，该串联闭合回路对应的电流为I₁，测量定值电阻两端的电压获得测量电压U₁₁，测量被测电阻两端的电压获得测量电压为U₂₁，

则有，U₁₁=U₀₁+E_s1              （3），

U₂₁=U_x1+E_s2                 （4），

其中，U₀₁为定值电阻两端的实际电压，U_X1为被测电阻两端的实际电压，E_s1为测量电压U₁₁上的直流干扰电压，E_s2为测量电压U₂₁上的直流干扰电压；

当可控直流电源的输出电压为E₂，该串联闭合回路对应的电流为I₂，测量定值电阻两端的电压获得测量电压U₁₂，测量被测电阻1两端的电压获得测量电压U₂₂，

则有，U₁₂=U₀₂+E_s3            （5），

U₂₂=U_x2+E_s4           （6），

其中，U₀₂为定值电阻两端的实际电压，U_X2为被测电阻两端的实际电压，E_s3为测量电压U₁₂上的直流干扰电压，E_s4为测量电压U₂₂上的直流干扰电压；

其中，E_s1=E_s3，E_s2=E_s4；

通过公式（3）、（4）、（5）和（6）计算得出，U₁₁-U₁₂=U₀₁-U₀₂=R₀(I₁-I₂)    （7），

U₂₁-U₂₂=U_X1-U_X2=R_x(I₁-I₂)    （8），

整理公式（7）和公式（8）得， $R_x=R_0\frac{U_{01}-U_{02}}{U_{x1}-U_{x2}}=R_0\frac{U_{21}-U_{22}}{U_{11}-U_{12}}.$

从公式

中可得出，采用双电流法消除直流干扰电压对测量精度的影响。

所述的电流I₁和I₂的脉宽相同，均为1秒。

所述的电流I₁的幅值为1A。

所述的电流I₂的幅值为5A。

所述的电流I₁和I₂连续交替输出，构成了周期为2秒的周期性电流。

实现一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的测量系统，所述的测量系统包括被测电阻、定值电阻、可调限流电阻、可控电源、滤波放大器、A/D转换器、单片机系统、显示器和操作键盘，所述被测电阻的一端接地，被测电阻的另一端与定值电阻的一端连接，该定值电阻的另一端与可调限流电阻的一端连接，可调限流电阻的另一端与可控电源的电源正极输出端连接，可控电源的电源负极输入端与单片机系统的电压控制信号输出端连接，采用四线电阻测量方法采集定值电阻的端电压信号，并将该电压信号发送给滤波放大器；采用四线电阻测量方法采集被测电阻的端电压信号，并将该电压信号发送给滤波放大器；滤波放大器的信号输出端与A/D转换器的模拟信号输入端连接，所述的A/D转换器的数字信号输出端与单片机系统的采集信号输入端连接，所述单片机系统的显示信号输出端与显示器的信号输入端连接，所述的操作键盘信号输出端与单片机系统的信号输入端连接。

本发明所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法及实现该方法的测量系统带来的有益效果是：采用电压比率法消除电源对测量精度的影响，采用双电流法消除直流干扰对测量精度的影响，它具有抗干扰能力强和测量准确高的特点，它的抗干扰能力提高了30%以上，测量准确度可达到0.1微欧级。

附图说明

图1为具体实施方式一所述一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的等效电路图。

图2为具体实施方式三中，当可控直流电源的输出电压为E₁时，所述一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的等效电路图。

图3为实现具体实施方式一所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的测量系统的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，具体过程如下，首先，将被测电阻1、定值电阻2和可调限流电阻3串联在可控直流电源的电源输出侧构成串联闭合回路，所述可控直流电源的输出电压是E，被测电阻1的阻值为R_X，定值电阻2的阻值为R₀，可调限流电阻3的阻值为R₁，采用四线电阻测量方法测量获取定值电阻2两端的测量电压U₁、被测电阻1两端的测量电压U₂和串联闭合回路的电流I，计算得到被测电阻1的阻值R_X，

其次，通过双电流法消除被测电阻1的阻值R_X上的直流干扰电压，获得消除干扰后被测电阻1的阻值R_X。

本实施方式采用电压比率法消除可控直流电源的输出电压E对被测电阻1测量精度的影响，定值电阻2的阻值R_X已知，用于标定被测电阻1的电阻R_X，可调限流电阻3用于控制测量电流I的大小。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的区别在于，所述的计算得到被测电阻1的阻值，其具体过程为，根据公式

计算获得被测电阻1的阻值R_X。

所述公式R₀是根据公式 $I=\frac{E}{R_1+R_0+R_x}=\frac{U_1}{R_0}=\frac{U_2}{R_x};$ 推导获得的。

具体实施方式三：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的区别在于，所述的通过双电流法消除被测电阻1的阻值R_X上的直流干扰电压，获得消除干扰后被测电阻1的阻值R_X，其具体过程如下：

设置可控直流电源的输出电压分别为E₁和E₂，且E₁大于E₂，

当可控直流电源的输出电压为E₁，该串联闭合回路对应的电流为I₁，测量定值电阻2两端的电压获得测量电压U₁₁，测量被测电阻1两端的电压获得测量电压U₂₁，

当可控直流电源的输出电压为E₂，该串联闭合回路对应的电流为I₂，测量定值电阻2两端的电压获得测量电压U₁₂，测量被测电阻1两端的电压获得测量电压U₂₂，根据公式

计算获得消除干扰后被测电阻1的阻值R_X。

本实施方式所述的通过双电流法消除被测电阻1的阻值R_X上的直流干扰电压，获得消除干扰后被测电阻1的阻值R_X的原理为：

当可控直流电源的输出电压为E₁，该串联闭合回路对应的电流为I₁，测量定值电阻2两端的电压获得测量电压U₁₁，测量被测电阻1两端的电压获得测量电压为U₂₁，

则有，U₁₁=U₀₁+E_s1                    （3），

U₂₁=U_x1+E_s2              （4），

其中，U₀₁为定值电阻2两端的实际电压，U_X1为被测电阻1两端的实际电压，E_s1为测量电压U₁₁上的直流干扰电压，E_s2为测量电压U₂₁上的直流干扰电压；

当可控直流电源的输出电压为E₂，该串联闭合回路对应的电流为I₂，测量定值电阻2两端的电压获得测量电压U₁₂，测量被测电阻1两端的电压获得测量电压U₂₂，

则有，U₁₂=U₀₂+E_s3             （5），

U₂₂=U_x2+E_s4                 （6），

其中，U₀₂为定值电阻2两端的实际电压，U_X2为被测电阻2两端的实际电压，E_s3为测量电压U₁₂上的直流干扰电压，E_s4为测量电压U₂₂上的直流干扰电压；

其中，E_s1=E_s3，E_s2=E_s4；

通过公式（3）、（4）、（5）和（6）计算得出，U₁₁-U₁₂=U₀₁-U₀₂=R₀(I₁-I₂)    （7），

U₂₁-U₂₂=U_X1-U_X2=R_x(I₁-I₂)    （8），

整理公式（7）和公式（8）得， $R_x=R_0\frac{U_{01}-U_{02}}{U_{x1}-U_{x2}}=R_0\frac{U_{21}-U_{22}}{U_{11}-U_{12}}.$

从公式中可得出，采用双电流法消除直流干扰电压对测量精度的影响。

具体实施方式四：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的区别在于，所述的电流I₁和I₂的脉宽相同，均为1秒。

具体实施方式五：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的区别在于，所述的电流I₁的幅值为1A。

具体实施方式六：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的区别在于，所述的电流I₂的幅值为5A。

具体实施方式七：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的区别在于，所述的电流I₁和I₂连续交替输出，构成了周期为2秒的周期性电流。

具体实施方式八：参见图3说明本实施方式，本实施方式实现具体实施方式一所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的测量系统，所述的测量系统包括被测电阻1、定值电阻2、可调限流电阻3、可控电源9、滤波放大器4、A/D转换器5、单片机系统6、显示器7和操作键盘8，所述被测电阻1的一端接地，被测电阻1的另一端与定值电阻2的一端连接，该定值电阻2的另一端与可调限流电阻3的一端连接，可调限流电阻3的另一端与可控电源9的电源正极输出端连接，可控电源9的电源负极输入端与单片机系统6的电压控制信号输出端连接，采用四线电阻测量方法采集定值电阻2的端电压信号，并将该电压信号发送给滤波放大器4；采用四线电阻测量方法采集被测电阻1的端电压信号，并将该电压信号发送给滤波放大器4；滤波放大器4的信号输出端与A/D转换器5的模拟信号输入端连接，所述的A/D转换器5的数字信号输出端与单片机系统6的采集信号输入端连接，所述单片机系统6的显示信号输出端与显示器7的信号输入端连接，所述的操作键盘8信号输出端与单片机系统6的信号输入端连接。

Claims (8)

1.一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，其特征在于，具体过程如下，首先，将被测电阻(1)、定值电阻(2)和可调限流电阻(3)串联在可控直流电源的电源输出侧构成串联闭合回路，所述可控直流电源的输出电压是E，被测电阻(1)的阻值为R_X，定值电阻(2)的阻值为R₀，可调限流电阻(3)的阻值为R₁，采用四线电阻测量方法测量获取定值电阻(2)两端的测量电压U₁、被测电阻(1)两端的测量电压U₂和串联闭合回路的电流I，计算得到被测电阻(1)的阻值R_X，

其次，通过双电流法消除被测电阻(1)的阻值R_X上的直流干扰电压，获得消除干扰后被测电阻(1)的阻值R_X。

2.根据权利要求1所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，其特征在于，所述的计算得到被测电阻(1)的阻值，其具体过程为，根据公式R₀，计算获得被测电阻(1)的阻值R_X。

3.根据权利要求1所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，其特征在于，所述的通过双电流法消除被测电阻(1)的阻值R_X上的直流干扰电压，获得消除干扰后被测电阻(1)的阻值R_X，其具体过程如下：

设置可控直流电源的输出电压分别为E₁和E₂，且E₁大于E₂，

当可控直流电源的输出电压为E₁，该串联闭合回路对应的电流为I₁，测量定值电阻(2)两端的电压获得测量电压U₁₁，测量被测电阻(1)两端的电压获得测量电压U₂₁，

当可控直流电源的输出电压为E₂，该串联闭合回路对应的电流为I₂，测量定值电阻(2)两端的电压获得测量电压U₁₂，测量被测电阻(1)两端的电压获得测量电压U₂₂，根据公式

计算获得消除干扰后被测电阻(1)的阻值R_X。

4.根据权利要求3所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，其特征在于，所述的电流I₁和I₂的脉宽相同，均为1秒。

5.根据权利要求3所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，其特征在于，所述的电流I₁的幅值为1A。

6.根据权利要求3所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，其特征在于，所述的电流I₂的幅值为5A。

7.根据权利要求3所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法，其特征在于，电流I₁和I₂连续交替输出，构成了周期为2秒的周期性电流。

8.实现权利要求1所述的一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括被测电阻（1）、定值电阻（2）、可调限流电阻（3）、可控电源（9）、滤波放大器（4）、A/D转换器（5）、单片机系统（6）、显示器（7）和操作键盘（8），所述被测电阻（1）的一端接地，被测电阻（1）的另一端与定值电阻（2）的一端连接，该定值电阻（2）的另一端与可调限流电阻（3）的一端连接，可调限流电阻（3）的另一端与可控电源（9）的电源正极输出端连接，可控电源（9）的电源负极输入端与单片机系统（6）的电压控制信号输出端连接，采用四线电阻测量方法采集定值电阻（2）的端电压信号，并将该电压信号发送给滤波放大器（4）；采用四线电阻测量方法采集被测电阻（1）的端电压信号，并将该电压信号发送给滤波放大器（4）；滤波放大器（4）的信号输出端与A/D转换器（5）的模拟信号输入端连接，所述的A/D转换器（5）的数字信号输出端与单片机系统（6）的采集信号输入端连接，所述单片机系统（6）的显示信号输出端与显示器（7）的信号输入端连接，所述的操作键盘（8）信号输出端与单片机系统（6）的信号输入端连接。

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