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精密电阻测量方法探讨

我们在验收一批阻值为1Ω、误差优于0.01%的精密电阻时,发现其误差均在0.02%~0.16%范围内。为保证高精密小电阻测试结果的可信度,我们利用0.01级的标准电阻,对我们的测试方法进行了验证,并对测试结果的不确定度进行了分析和评定. 

一、使用电子式万用表测量

在不具有更多精密检测设备的情况下,可以常识用电子式万用表进行测量。
1.万用表应谨慎使用,不得受振动、受热和受潮。
2.使用前指针应调到机械零位。测量电阻时将转换开关转至电阻档上,将两测棒接触后旋转调零器,使指针指零欧档方可测量,一定不要在电阻档位上测量电压。否则,会烧毁仪表。
3.红色测棒为“+”,黑色测棒为“—”。在测量直流电压或电流时,应将红色测棒和黑色测棒分别接在被测物的正极和负极。否则,因接反会烧毁仪表。
4.选用量程时,要先选用最高量程,满足指针移动至满刻度的2/3附近,这样可使读数比较精确。测量直流电压前(特别是高压)一定要先了解正负极。如果不知道正负极,可将两测棒快接快离,如指针顺时针转,则说明接对了;反之,应交换测棒。
5.当转换开关转到测量电流的位置时,绝对不能将两测棒直接跨接在电源上。否则,因万用表通过短路电流会被烧毁。
6.每当测量完毕后,应将转换开关转到电压档上,防止开关在电阻档上,两测棒误被其他金属短接使表内电池耗尽。

二、综合使用多种仪器测量

我们选择了经检定允许误差极限为0.4%但稳定性可达0.001%的BY2053精密直流校准源作为恒流源,电压表选择了六位半的2000型数字多用表。恒流源提供的电流选择为50mA。


   为了能用测量结果说明问题,我们选用了1Ω标准电阻(0.01级)作为被测量对象,表1列出了用2000型数字多用表的二线和四线电阻测量功能测量 1Ω标准电阻的测量结果。1Ω标准电阻送上级计量单位的检定结果为0.999985Ω。表中的二线测量数据选用了偏置功能,测量时环境温度为20℃,相对湿度为42%。
从表1可以看出,二线电阻测量结果的误差≥0.1%,四线电阻测量结果的误差≥0.06%。依据二线和四线测量电阻的工作原理,对同一电阻进行测量,二线测量示值一般应大于四线测量结果。但是表1的结果正好相反。引起的原因是短路选用偏置功能时的接触电阻大于实际测量时的接触电阻。即偏置不能可靠地校正测量结果。
测量电阻的方法除了直接测量法包括数字欧姆表、数字多用表二线和四线测量,还有用比率技术的电位差计法和电桥法及恒流源法。利用我厂的现有资源我们选择了用恒流源给电阻提供恒定的工作电流,用六位半数字多用表测量被测电阻上的电压,然后用欧姆定律求出被测电阻阻值的方法(以下称恒流源法)如图1所示。此方法的优点是a):由于是恒流源,因此连接电阻的测量线和接触电阻不影响其测量结果,它只与恒流源提供的I0和2000表测量电压的不确定度有关。b): 选择电阻的工作电流作为测量时的电流值,更接近实际的工作状态。

总结
a. 用二线电阻测量功能测量精密小电阻,即使使用偏置功能,测量结果的置信度仍然较低。  
b. 精密小电阻的测量结果的置信度不仅仅取决于测量仪器的技术指标,测量仪器的允许误差极限只是影响测量结果的原因之一。
c.测量设备及测量方法的不确定度必须满足被测量的要求,至少优于被测对象允误差极限的1/4以上。
d.给电阻提供一恒定的电流,测量电阻上的电压,然后用欧姆定律计算被测电阻值的方法,必须要有满足要求的恒流源和数字电压表,它主要依赖于标准仪器的技术指标。
e.上述方法与四线测量的方法原则上没什么区别,一些七位半、八位半数字多用表都有较好的电阻测量能力。我们用HP 3458八位半数字多用表四线电阻测量功能对同一标准电阻进行测量,测量结果平均值为0.99994Ω,相对扩展不确定度为 0.01% ,与被测电阻的指标同一数量级。其次用四线测量的方法其工作电流是测量仪器所固有的,使用恒流源的方法可以选择工作电流,使其更接近工作状态。
 

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