高精度直流微電阻測試儀設計

　　2.2.1.2檢測電路外部的干擾噪聲

　　檢測電路所處環(huán)境存在的噪聲稱為外部干擾噪聲，這種噪聲是由環(huán)境決定的，而不是由內部電路引起，屬于外部環(huán)境噪聲。某個外部干擾源產(chǎn)生噪聲，并經(jīng)過一定的途徑將噪聲禍合到信號檢測電路，從而形成對檢測系統(tǒng)的外部干擾噪聲{7］。外部干擾噪聲有很多種類型，如市電50Hz交流干擾、電臺的調幅廣播信號或電源的開關火花干擾、脈沖激光或雷達發(fā)射引起的寬帶干擾、宇宙射線、雷電、元件或部件的機械振動產(chǎn)生顫噪效應。常見的外部噪聲主要包括因地線回路形成的地電位噪聲和工頻噪聲。

　　地電位差噪聲是由信號源和測量儀器都連接到同一地線上時形成的地線回路所引入的噪聲。在地線上有許多的接地點，而不同接地點處就有不同電位，在不同點的很小的電位差就能在電路系統(tǒng)中形成較大的電流并產(chǎn)生相當大的電壓降，這種噪聲對微小電阻的測量精度影響較大。這種外部噪聲可以用隔離并且將整個測量電路系統(tǒng)以同一點接地的辦法來消除。

　　工頻噪聲對直流信號測量的影響相當明顯，常見的工頻干擾源有電力線產(chǎn)生的工頻電場和工頻磁場，電力線和電源變壓器產(chǎn)生的工頻磁場、電機啟動器產(chǎn)生的諧波干擾等，工頻噪聲是對微電阻的測量回路影響較大。

　　環(huán)境干擾噪聲對檢測結果影響的大小與檢測電路的布局和結構密切相關，其特性既取決于干擾源的特性，又取決于禍合途徑的特性，而與電路中元件的優(yōu)劣無關；干擾噪聲源功率要比檢測電路中有用信號的功率大得多，經(jīng)過揭合途徑后，噪聲功率大為減弱，但相對于微弱的有用信號可能還是十分可觀的匯9］。因此，必須要抑制外來環(huán)境的干擾源，從而確保微電阻測試儀的高精度要求。

　　2.2.2直流微電阻測量的誤差來源

　　基于微弱直流信號的噪聲理論，外部干擾噪聲存在于環(huán)境中，并不受檢測電路控制，因此，在直流微電阻測量中，主要研究如何降低內部固有噪聲源對測量結果的影響。

　　在微電阻測量中，有以下幾種內部固有噪聲誤差來源，導體內部的熱噪聲會帶來溫差電勢誤差，導體間接觸噪聲會帶來接觸電勢誤差，接觸電勢和溫差電勢的共同作用產(chǎn)生熱電勢；導體和環(huán)境之間因為電子極化也會產(chǎn)生電化學電動勢誤差；而且測量電路本身也存在失調和溫差誤差。

　　2.2.2.1熱電勢

　　熱電勢是微弱直流電壓測量中最常見的誤差源，熱電勢包括接觸電勢和溫差電勢。

　　接觸電勢是由兩種不同的導體內部因電子密度不同而在接觸面上擴散運動造成的，并且隨著溫度變化而變化。電子測量系統(tǒng)中，存在著多種導體，如銅、金、銀、錫、鍺、碳、鉛、氧化銅等導體，則測量系統(tǒng)中勢必會存在接觸電勢。測量系統(tǒng)放大電路內部的接觸電勢的影響可采用多種技術加以消除，但是信號輸入回路的接觸電勢的影響消除的難度較大，因此應盡可能的采用同質材料進行連接。

　　同一種導體當其兩端溫度不同時，高溫端電子向低溫端遷移運動從而造成溫差電勢，這一現(xiàn)象又稱為湯姆遜效應。顯然，電子測量系統(tǒng)存在溫度場的分步不均現(xiàn)象：元器件內外溫度不同，同一元器件不同的區(qū)域溫度不同，所以必然存在溫差電勢。雖然電子測量系統(tǒng)內部的溫差電勢的影響可以消除，但信號輸入回路的接觸電勢的影響有時很難消除，這時，盡可能的保持測量系統(tǒng)溫度場分布均勻。

　　如前所述，熱電勢是由不同材料的導體接觸以及導體結點溫度的差異造成的。

　　如圖2.2所示：

　　A、B為兩種不同材料的導體，雙、幾處為兩導體接觸結點的溫度，則產(chǎn)生的熱電勢為氣。為：

　　其中，么，為不同材料導體之間接觸時的熱電勢常數(shù)，單位為。v/℃下面給出了幾種金屬接觸時的么，值：

　　由上可見，雖然銅一銅接觸所產(chǎn)生的熱電動勢很小，但如果銅質材料連接不良，并且存在氧化時，熱電勢對微弱直流信號測量的影響是相當大的 。

　　2.2.2.2化學電動勢

　　電化學效應是微弱直流電壓測量中另一個主要的誤差來源，它實質上是兩個電極之間電化學效應產(chǎn)生的微弱的電池效應。例如，常用的環(huán)氧樹脂印刷線路板，當清潔不夠時有一些沾污或助焊劑等，就可能產(chǎn)生nA量級的誤差電流。如果溫度高或被沾污，材料的絕緣電阻會大大降低。高濕度會引起材料變形或吸收水分，而沾污則可能來源于人的體油、鹽或焊料等。沾污首先降低絕緣電阻，如果再加上高濕度，會形成導電通路，甚至形成大串聯(lián)電阻的化學電池。這種電池可能產(chǎn)生的誤差電流在PA到nA量級。與熱電勢一樣，系統(tǒng)內部的化學電勢的影響是可以消除的，但信號輸入回路的電化學電勢的影響有時難以消除 。

　　2.3直流微電阻測量的誤差處理方法

　　測試電流流過弱電阻時，無法精確測量兩端微弱電壓信號的原因主要是直流誤差源的影響。：這些誤差源主要包括：熱電勢、電化學電勢、放大電路本身的失調和溫漂等。通常情況下，誤差信號的幅度遠大于待測電壓信號從而將其淹沒，放大待測信號的同時也會放大誤差信號。只有在消除或減小誤差源的情況下進行放大，測量才有意義 。針對上小節(jié)提到的直流微電阻測量中的熱電勢誤差、化學電動勢誤差和測量電路本身的失調誤差，首先可以從物理手段上去解決，其次可以采用電流反向三次測量法來消除誤差，最后還可以選擇合適的電路接線方法，以最大限度的排除誤差對微電阻電陰一值測量的干擾。

　　2.3.1消除誤差的物理手段

　　為了減小熱電勢誤差，在設計電路時應盡可能選擇同質的測量導線，并且盡可能減小測量端與測量環(huán)境的溫差。將儀器電路中的所有結點位置靠近放置，并保持測試儀器內部的通風良好，盡可能保持各元器件的溫度一致；應在測量前使儀器預熱一段時間，以使測量儀器內部的溫度與環(huán)境溫度盡可能的接近，以使測量的誤差盡可能的小。

　　為了減小化學電動勢的影響，應選擇不吸水的材料，同時要注意保持絕緣體的清潔衛(wèi)生，不要被污物或灰塵附上，如發(fā)現(xiàn)絕緣體上附有污垢應及時的進行清潔處理，這是消除和減少化學電動勢的誤差的物理手段。

　　我們用物理手段只能夠消除部分誤差，諸如熱電動勢、電化學電勢、測量電路失調等誤差不能用物理手段完全的消除，總還是部分存在的。下面我們從電路接線方法和二次測量法上來探討消除誤差的方法。

　　2.3.2電路接線方法設計

　　常用的電阻測量接線方法一般有四種，根據(jù)測量所用饋線的根數(shù)，可分二線法、三線法和四線法，另外還有一種也是比較常見的電橋法測量電阻接線方式。

　　下面分別來看二線法，。三線法、電橋法和四線法的原理和優(yōu)缺點。

　　2.3.2.1二線法測電阻原理

　　二線法測電阻的電路示意圖，如圖2.3所示：

　　其中，待測電，阻為尺，測量接觸電阻和引線電阻分別用尺和凡表示，從圖中可以看出，未知電阻凡測出的電阻值將是凡、尺和凡阻值之和。所以，只有在待測電阻較大的時候才能采用此方法，如果被測電阻較小，甚至小于測量導線電阻，那么該方法就會產(chǎn)生較大的誤差。因此，對于測量本身電阻值很小的微電阻，二線法是不適合的，它只適合于較大電阻的測量接線。

　　2.3.2.2三線法測電阻原理

　　采用三線法測電阻的接線是被測電阻凡與接地線相接。原理如圖2.4所示。

　　圖中，待測電阻」路的一端通過導線接地，另一端分別經(jīng)由兩根導線連接運放Al和AZ，要求三根導線的電阻相同，均為尺。當通以如圖電流I時，兩個運放輸出電壓代和K分別為：（三個運放的增益都為1）

　　從上式可知，不管被測電阻的值是多少，導線電阻所產(chǎn)生的誤差影響可以被補償。在這種補償法測量微電阻電路中，確保測量精確度的因素主要是三根導線的電阻值凡是否一致。所以，當用此法測量電阻值較小的電阻時應該要特別注意連接待測電阻的三根導線的電阻值要相等才能保證測量的精確度。

　　這種三線法的測量電阻的方法在實際的應用相當?shù)膹V泛，只要注意三根導線的電阻值相等就基本上能夠達到一定的精度要求。但是，三線制電阻測量方法只能消除等值線電阻的影響，不能消除接觸電阻的影響，氣而測量導線的長度不可能完全相等，因此，三線法無法達到微電阻測量的高精度要求。