一种微小电阻测试系统的设计_段雯.pdf
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1、 收稿日期:第一作者:段雯(),女,陕西周至人,硕士,工程师,从事电子技术和仪器仪表与自动化检测技术的实验教学及科研工作。:一种微小电阻测试系统的设计段 雯(西安交通大学城市学院 电气与信息工程系,陕西 西安)摘要:为了精确测试微小电阻,基于开尔文四线检测法,设计了一种精度较高的微小电阻测试系统。设计方案为:微小电阻施加稳定恒流源信号后,通过采用 为核心的一级放大电路、巴特沃斯二阶有源低通滤波和二级放大电路,获取放大、去噪、平稳的电压信号,经由 采集转换后显示被测电阻的阻值。采用最小二乘法拟合曲线对系统测试数据进行误差分析,显示误差小于 ,表明该系统测量精度高,可用于精准测量微小电阻以及微弱信
2、号调理放大的场合。关键词:微小电阻测试;开尔文四线检测法;微弱信号;最小二乘法中图分类号:文章编号:()文献标识码:(,):,:,:;引言在科学研究和现场测试中,通过测量超导材料、继电器开关、精密仪器、甚至大功率发射机的微小电阻,来表征材料的性能优劣、判断设备的运行情况。由于微小电阻多为 级甚至是 级,导致常规电阻测量仪表无法精准测量。此外,较长的测试时间、较大的通电电流,使得被测电阻温度上升,引起被测电阻阻值偏高,这些现象都给测试带来误差。同时,微弱信号检测过程中,出现的容易失真、易受噪声信号影响、不利于有用信号提取的情况,也存在于微小电阻测量过程中。为了解决这些问题,设计出一款稳定度和精确
3、度都满足科学研究和现场测试要求的微小电阻测试系统。该微小电阻测试系统基于开尔文四线检测法,将施加恒流源信号的微小电阻转换为微弱电压信号,经由调理电路进行放大和滤波,滤波的目的是去除有用信号中夹杂的噪声干扰,提高系统放大的精确度。因此该设计也适用于微弱信号调理放大的电路中。工业仪表与自动化装置 年第 期 系统整体设计为了满足系统测试微小电阻的需求,根据欧姆定律,设计了此方案:系统主要包括稳定恒流源电路、一次放大电路、二阶有源低通滤波电路和二次放大电路,系统框图如图 所示。各模块功能概述为:稳定恒流源电路给系统提供稳定的恒定电流源,并且施加于被测微小电阻上,得到被测电阻两端的电压差。由于这个电压差
4、属于微弱信号,同时伴随干扰信号,因此经由电压调理电路进行两次放大和滤波除噪。电压调理电路输出的信号进行两路处理:一是通过 变换电路将电压信号转换为 的标准电流信号。二是通过单片机的 采集处理信号,计算得到被测微小电阻的阻值。图 系统总框图 系统硬件电路设计 开尔文四线检测法原理通常测量电阻的方法就是在被测电阻 两端施加恒流源,测量出压降,根据欧姆定律 ,计算出被测电阻的阻值。但是传统的二线法测量得到的,除了包含有被测电阻 上的电压,还有测试导线上的引线电阻(图 中的、)和接触电阻(图 中的、)上的电压。其中:引线电阻的值在 间,接触电阻的值与测量夹具的使用次数、夹具力度以及接触面清洁度有关,因
5、此是随机的。二线法测量电阻具有电路简单、容易实现的优点,但是如果被测电阻等于甚至小于引线电阻或者接触电阻,此法的测量结果难以令人信服。图 二线法测量电路图 为了消除二线法中引线电阻对测量结果的影响,提高测量结果的准确性,系统采用开尔文四线检测法。如图 所示。其中:、为引线电阻,、为接触电阻,电压表内阻为,电压表支路电流为,被测电阻为,被测电阻支路电流为,被测电阻压降为。根据欧姆定律,有:;根据 有 ;根据 有 ();若 ,则 ;因为 ,则 ;得出:()通过式()表明,采用开尔文四线检测法,利用电压表内阻无限大的特点,可以忽略支路电阻和引线电阻的影响,提高了测量结果的准确性和稳定性。图 开尔文四
6、线法测量电路图 恒流源电路为了提高系统的精确度和可靠性,设计负反馈结构的恒流源。如图 所示:选用温度系数低的、稳定性能高的基准电压 通过电阻 接入运放的同相端,采样电阻 接入运放的反向端。根据负反馈和运算放大器的“虚短”特性,电阻上的电压 等于运放的同相端电压,促使系统保持动态平衡。其中:采用低噪、高输入阻抗、高共模抑制比的运算放大器,来确保采样电阻 两端的电压稳定。采用 型晶体管,输入电阻、和取值分别为 、和 。的引入是为了消除电源开、关时产生的涌浪冲击。图 恒流源电路 图 设计中,根据运算放大器的“虚短”和“虚断”特性,得到:,当、和 恒定,而 增大,使得 增大,导致和 之间的电压差降低,
7、影响 的基极电流 年第 期 工业仪表与自动化装置减小,迫使 的集电极电流 减小。同样,当、和 恒定,而 减小,使得 减小,导致 和 之间的电压差增大,影响 的基极电流 增大,迫使 的集电极电流 增大。以上分析表明:该电路具有自主调节输出电流大小的功能。的大小仅取决于 与 的比值,的精确度和稳定性也由 决定。此电路利用运放设计负反馈构成恒流源,有效抑制了外界干扰,符合设计一款精度高、稳定性好的恒流源要求。一次放大电路的设计微小电阻施加恒流源输出微弱的电压信号,在传输过程中容易产生失真和易受各种干扰信号影响的现象,且不利于后续的分析和利用。针对此信号的调理电路要同时具有放大和抑噪的功能,因此,设计
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