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(gè)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(dá)發(fā)射引起的寬帶干擾、宇宙射線、雷電、元件或部件的機(jī)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(shí)形成的地線回路所引入的噪聲。在地線上有許多的接地點(diǎn)，而不同接地點(diǎn)處就有不同電位，在不同點(diǎn)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(dāng)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(gè)測量電路系統(tǒng)以同一點(diǎn)接地的辦法來消除。

工頻噪聲對直流信號測量的影響相當(dāng)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(jī)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?yàn)殡娮訕O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(kuò)散運(yùn)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(jìn)行連接。

同一種導(dǎo)體當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，高溫端電子向低溫端遷移運(yùn)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(shí)很難消除，這時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(shí)的熱電勢常數(shù)，單位為。v/℃下面給出了幾種金屬接觸時(shí)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(shí)，熱電勢對微弱直流信號測量的影響是相當(dāng)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(gè)主要的誤差來源，它實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)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(dāng)清潔不夠時(shí)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(shí)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(shí)，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(yuǎn)大于待測電壓信號從而將其淹沒，放大待測信號的同時(shí)也會放大誤差信號。只有在消除或減小誤差源的情況下進(jìn)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(jì)電路時(shí)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(diǎn)位置靠近放置，并保持測試儀器內(nèi)部的通風(fēng)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(shí)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(shí)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(shí)的進(jìn)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。