高精度直流微電阻測試儀的研究與開發(fā)

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(nèi)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(diào)幅廣播信號或電源的開關(guān)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(yīng).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(jié)果影響的大小與檢測電路的布局和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，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(guān)；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(nèi)部固有噪聲源對測量結(jié)果的影響。

在微電阻測量中，有以下幾種內(nèi)部固有噪聲誤差來源，導(dǎo)體內(nèi)部的熱噪聲會帶來溫差電勢誤差，導(dǎo)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(dǎo)體和環(huán)境之間因為電子極化也會產(chǎn)生電化學(xué)電動勢誤差；而且測量電路本身也存在失調(diào)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(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體，如銅、金、銀、錫、鍺、碳、鉛、氧化銅等導(dǎo)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(nèi)部的接觸電勢的影響可采用多種技術(shù)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(yīng)盡可能的采用同質(zhì)材料進行連接。

同一種導(dǎo)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(yīng)。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(nèi)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(nèi)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(dǎo)體接觸以及導(dǎo)體結(jié)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(dǎo)體，雙、幾處為兩導(dǎo)體接觸結(jié)點的溫度，則產(chǎn)生的熱電勢為氣。為：

其中，么，為不同材料導(dǎo)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(zhì)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(xué)電動勢

電化學(xué)效應(yīng)是微弱直流電壓測量中另一個主要的誤差來源，它實質(zhì)上是兩個電極之間電化學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的微弱的電池效應(yīng)。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(dǎo)電通路，甚至形成大串聯(lián)電阻的化學(xué)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(nèi)部的化學(xué)電勢的影響是可以消除的，但信號輸入回路的電化學(xué)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(xué)電勢、放大電路本身的失調(diào)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(xué)電動勢誤差和測量電路本身的失調(diào)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(shè)計電路時應(yīng)盡可能選擇同質(zhì)的測量導(dǎo)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(jié)點位置靠近放置，并保持測試儀器內(nèi)部的通風良好，盡可能保持各元器件的溫度一致；應(yīng)在測量前使儀器預(yù)熱一段時間，以使測量儀器內(nèi)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(xué)電動勢的影響，應(yīng)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(yīng)及時的進行清潔處理，這是消除和減少化學(xué)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(xué)電勢、測量電路失調(diào)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。