电子测量技术设计论文.doc

电子测量技术设计论文

焦 作 大 学

电子测量技术设计论文

专 业 应用电子技术
班 级 应用电子技术一班
姓 名 王超士
学 号 110102113

二〇一三年六月八日

11级应用电子一班

摘要
通常阻值大于10^5Ω的电阻称为高值电阻。在物理学研究和工业生产中广泛应用着各类高值电阻，需要对其测量，高值电阻常应用于分压器， X射线设备，低信号检测电路，放大电路，测试设备，高压电路等电路中，用于电路中一般起分压或者放电作用，普通电路中相当于绝缘。然而高值电阻在电路中的作用至关重要，例如：电力设备的绝缘高值电阻高起着绝缘作用，绝缘电阻下降，表示其绝缘已经受潮或发生老化和劣化，所以测量绝缘电阻可以及时发现电力设备绝缘是否存在整体受潮，整体劣化和贯通性缺陷。要想得到高值电阻的准确测量结果，提高电阻的精度，减少误差，下面给出惠普顿改进电桥测量方法，同样，提高电阻的精度，也会提高电压系数的准确度。
一. 高值电阻准确测量方法（改进惠普顿电桥法）
1.1惠普顿电桥的结构图
如图：其中R1为电阻箱，R2、RN为已知电阻，RX为待测电阻，中间G为检流计。

1.2惠普顿电桥的工作原理
工作原理：通过中间的检流计检测a、b两端的电流，入如果a、b两端的电流为0，则电桥平衡。这时可通过式（1），（2）求出待测电阻的阻值。

测量时，根据待测电阻的大致范围选择合适的比例臂RN/R2，在适当调节R1，使电桥平衡，即检流计G指针指向0，便可通过上面2个公式计算出待测电阻，由于RX的阻值太大，这样势必 会导致电流几乎无法从RX两端流过，RX两端断路。所以要用此方法测量高值电阻，关键在于如何产生标准的高值电阻。
用3只已知阻值的标准电阻（<=1MΩ），组成Y型网络，利用Y-△变换，形成一个含有等效高值电阻的△形网络，Y-△变换如图所示：

图：3Y-△变换

从Y-△变换公式可以看出，利用阻值不超过1MΩ的3个标准电阻可形成高达10^10Ω以上的等效标准高值电阻，若取R3为10Ω，R4和R5均为1MΩ，则Rbc的数量级可达10^11Ω。
1.3高值电阻的计算
将惠普顿电桥与Y-△变换相结合，则惠普顿电桥可改进为一种桥臂上有等效高值电阻的电桥，如图：

图：等效高值电阻电桥

测出b和d两端的电压差，然后通过电压差的大小用计算出待测电阻的阻值。电压差与待测电阻的转换公式如下：

即可求出待测电阻。
二. 高值标准电阻器电压系数的测量
2.1高值电阻器的定义
当施加的电压变化时，非常高值电阻器的阻值可能会发生很大的变化。这种现象称为电阻器的电压系数。电压系数就是每单位电压变化所引起的电阻值的百分变化量，并定义为：

另外，电压系数也可以用ppm为单位来表示如下：

其中：R1 = 施加第一个电压（V1）时计算出的电阻值。
      R2 = 施加第二个电压（V2）时计算出的电阻值。
      V2 >V1
一个10GΩ电阻器电压系数的典型值大约为-0.008%/V 或者- 80ppm/V。所以，如果一个测量电路需要使用高阻值电阻器的话，在进行误差分析的时候，除了考虑所有其它的时间和温度等误差因素之外，还必须考虑由电阻器电压系数所引起的误差。
2.2使用6517A确定电压系数
测量高电阻的电压系数需要输出电压并测量小电流。这时需要使用诸如6517A这样的静电计来进行此项测量工作。6517A具有内置的测试程序来决定电压系数。该测试在两个不同的电压之下进行电阻测量，然后计算出电压系数。电压系数显示为每伏的电阻值百分比变化量。
2.3使用6517A进行电压系数测量
下图4-34 是使用6517A进行电压系数测量的典型配置。为了尽量降低噪声和泄漏电阻的影响，应当将电阻器放在一个屏蔽、保护的测试夹具中。将测试夹具的屏蔽端连到静电计的LO端，再将静电计的LO 端连到源的LO端。将静电计的HI端连到电阻器的一端，将电压源的HI端连到电阻器的另一端。

首先在测试电压V1之下测量电阻器，得到R1。接着在测试电压V2之下（V2大于 V1）测量电阻器，得到R2。接着利用概述中给出的公式计算电压系数KRV。
三.高值电阻器电压系数的校准方法及意义
在高值标准电阻器的校准过程中，测量准确度会受到各种因素的影响。除了导线泄露电阻及其他泄露电阻、并联电容、读书稳定时间、温度系数、机械振动等因素外，其中一个比较重要的影响量就是电阻器的电压系数。
我们知道，电阻器在制造过程中由于成分以及颗粒分布不均匀、不紧密等原因，当施加不同的电压时，颗粒分布和紧密度会发送变化，从而引起电阻器阻值发生变化，尤其是对于高值电阻器，这个变化尤为明显，这种现象称为电阻的电压系数。
3.1电压系数
电压系数常定义为：

R1-电压为V1时电阻器的电阻值；R2-电压为V2时电阻器的电阻值。
当K>0;称此时电阻器的电压系数为正电压系数，电阻器阻值会随电压升高而变大；
当K<0;称此时电阻器的电压系数为负电压系数，电阻器阻值会随电压升高而变小；
3.2电压系数的校准
校准如下：
在规定条件下：(1)对电阻器施加参比电压V0，测量此电压下的电阻值R0；
(2)对电阻器施加另一电压Vx(Vx使用电压，若不是参比电压的允差范围内，则要根据参比电压下的电阻值R0和已获得的电压系数KRV进行相应电压下的电阻值换算。
3.3获得准确电压系数意义
从以上分析和校准过程得知，在实际工作中选择高值标准电阻器时，应尽可能选择电压系数较小的电阻器，才能使其具有更宽的电压使用范围、较小的电阻值变化。降低高值电阻电压系数对测量结果的影响，以得到更高的准确度。
四.小结
对于同一电阻器，在相同条件下，其电压系数是相对稳定的曲线。校准过程中，必须在规定的参比电压内进行，否则会影响测量结果的不确定度。若高值电阻器还需应用于其他电压下，就必须知道电阻器的电压系数，便于使用者换算。所以得到校准的高值标准电阻器的电压系数是非常有必要的，同理测得高值电阻阻值大小以便于提高电压系数的准确度也是非常有意义的。
五.参考文献
1.张永瑞 .电子测量技术基础. 西安电子科技大学出版社，2009
2.张钦双.实用电子电路200例.北京机械工业出版社，2003
3.余正洪.计量与测试技术.成都市计量监督检定测试院

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