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高精度直流微电阻测试仪的研究与开发

在科学研究、加工和制造等领域有许多微弱信号(如电压、电流、电阻等)需要**测量，其中微电阻测量是微弱直流信号检测领域中比较困难的部分一，如金属的接触电阻、金属焊接后电阻率的变化，其电阻值非常小。因此，微电阻测量有着非常重要的现实意义，很有必要在直流微电阻的测试问题上加以研究并取得相关成果。

本文从测量理论、硬件、软件和调试四部分来论述高精度直流微电阻测试仪的开发和设计过程.首先介绍了噪声来源、误差消除方法、电路测量方法比较选
择、电流源选择等测量基础理论，并从理论上引出了本高精度直流微电阻测试仪的软硬件设计的技术路线。然后依次介绍了硬件整体设计、误差分析及围绕各个环节的误差源提出解决方案来展开恒流源设计、数据采集设计、放大设计、数据转换设计、主控部件设计、电源设计、数据显示设计和通讯设计;并且给出了软件解决方案，即主控程序、数据采集子程序、数据处理算法、数据转换子程序、显示子程序和软件可靠性设计等部分的设计;紧接着是测试仪的调试的结果及其分析，*后给出了本测试仪的整体总结及展望。

1绪论

本章主要对高精度直流微电阻测试仪课题的研究背景、意义、现状、方法、目标等方面进行探讨。i. i课题研究的背景、意义和现状在科学研究l、加工和制造等领域有许多微弱信号(如电压、电流、电阻等)需要**测量，其中微电阻测量是微弱直流信号检测领域中比较困难的部分之一，如金属热处理过程中的电阻、金属的接触电阻、金属焊接后电阻率的变化，其电阻值在10-4-10-狡甚至更小【n。因此，微电阻测量在科学研究、加工和制造等领域有着非常重要的现实意义

〔z} 1. 1. 1课题研究的背景和意义

电阻测量在实验、检测以及生产中具有非常重要的作用，由于电阻阻值范围很大，不同类别的电阻测量时需要考虑的影响测量误差的因素各有不同，所以不同的类型的电阻测量的方法不尽相同。在电路中普遍存在着接触电阻和导线电阻，当电流通过这些接触电阻和导线电阻时会产生电压降，对于大电阻而言，这些接触电阻和导线电阻的影响可以忽略不计，但是对于微电阻来说，接触电阻和导线电阻的阻值是无法忽略的，会在微电阻的测量中造成相当大的干扰，进而会导致微电阻测量结果的较大误差.因此，一般的大电阻测量通常采用万能表就能较为**的测量出来;但是微电阻的测量一直是个较大题，这些电阻由于阻值很小，通常为毫欧级，检测到的微弱信号幅度很小，往往还会被噪声信号所淹没，常规的万用表测量方法不可能把微电阻阻值**地检测出来。

在电气设备的检测和实验过程中，常常会碰到由于忽略某些小电阻的影响而引起测量数据与理论值之间存在较大偏差的情况，从而影响到测量结果。例如:电脑连接线中的电阻、控制仪表中的导线电阻、断路器连接片中的金属接触电阻、继电器触点的接触电阻等。但实验室、研究所和工厂在实际生产研究过程中又不得不进行这些微电阻的测量工作。因此，设计高精度的微电阻测试仪是十分必要和重要的‘”。
1. 1. 2国内外研究的现状
目前，数字式欧姆测量仪大多数为数字万用表，数字万用表又分为手持式和台式。手持式数字万用表是一种工具型表，测量精度较低，无法满足微电阻测量的精度要求;而且测量下限高，覆盖不了毫欧级电阻的测量;台式数字万用表虽然测量精度高，但使用环境要求相当严格，大多数仪表只有在实验室环境条件下，才能保证较高的精度。接触电阻的测量有许多方法，如运算放大器法、比率法和恒流源四线法等。由于运算放大器的偏移和漂移也会引起工作电流的变化，故该方法适合于几百欧姆至几兆欧姆的中阻值测量。比率法同经典式的电位差计测量电阻原理相同，该方法精度较低，多用于手持式万用表中。恒流源四线法可以排除引线与被测电阻之间的接触电阻的影响，特别适合微电阻的测量〔3]
日本学者I}}ao Minowa等提出用超导量子器件测量，H. Aichi提出利用电解槽法测量，波兰学者Jerzy Kaczzmarek等提出用三次谐波法测量。这些测量方法一般是在试验室条件下进行电接触研究中所采用的方法〔们。

直流微电阻智能化测试仪在近些年发展的比较快。国内己有多家公司开发出多款产品。直流微电阻测试大多采用微欧仪，一般采用电流恒流源，电流一般为100A, 200A，其大电流的恒流效果采用高频开关电源和大电流变压器实现。但目前市场上的这些测试仪测试电流较大、测试时间长，因此对被测电阻有温升的影响，使其降低了测量的精度;而且这些测试仪的体积和重量都比较大，现场携带不方便，其成本也相对较高fsl 国内外在微电阻测试仪的电源选择上，通常有两种方法，一种是选用恒电流作为电源，另一种是选用脉冲电流作为电源。两者各有优劣，考虑到电阻通电时间过长，会引起电阻温度变化进而影响电阻阻值，脉冲电流作为电源是个比较好的选择;但是，脉冲电流源对检测的时序有非常严格的要求，在实际工程应用中受限较多;因此，在实际应用中，检测时间不长的情况下，以恒流源作为电源也是比较好的选择。

1. 2课题的问题、基本思路和研究方法
1.2.1课题研究的问题
本课题研究的微电阻测量主要问题及困难有:
1.误差源分析及解决方案的比较选择;
2.对测试仪模拟电路部分的设计及内部、外部影响因素的抗干扰能力;
3.快速、简便的测量过程及测量的高精度设计;

4.模拟电路、数字电路及总体电路调试，软、硬件联调。
1. 2. 2课题研究的基本思路
1.深入分析各个误差源，研究各种微电阻测试理论和技术，掌握各环节误差的解决方法，结合实际情况开发快速的高精度测量手段;
2.使用C51系列单片机开发工具并编写整个系统的程序;
3.由于测量电阻的跨度比较大(0. O1mS}-1. 9999kSZ )，因此宜采用分段进行测量，对电阻值测量分为5档;
4.拟采用的电路接线方法为四线制、测量方法为电流反向两次测量法。
1. 2. 3课题研究的方法和基本内容
本系统主要分为硬件和软件两大部分，相应内容有:
1.深入研究微电阻测量理论，分析误差来源及其解决方法;
2.分析和选择各种微弱信号处理芯片、电路放大芯片和A/D转换芯片，进行电路图的设计和绘制;

3. PCB板的绘制、制作及调试，特别是注重抗干扰设计，以期达到精度要求;
4.熟悉嵌入式系统及芯片，用相应的开发工具和调试工具实现嵌入式程序的编写与仿真;
5.硬件与软件系统的综合调试，用对各种标准为电阻来检验测试仪误差，对其进行调理以达到预期目的。
1. 2. 4课题研究的目标及预期的效果
课题研究的目标有:
本测试仪的设计目标是设计制作完成高性价比、速度快、成本低、精度高、测量范围广、体积小重量轻的微电阻直流测试仪。由于市场对于微电阻测试仪宽量程的需要，委托我们进行产品研发的厂家要求将测量范围进行适当的加宽，因此本测试仪的测量范围确定为0. O1mS2-1. 9999kS2o
通过对电流、电压信号的**采集、滤波、放大、补偿、A/D以及利用单片机对测量获得的数字信号进行存储和显示，达到快速测量微电阻的目的。深入分析并研究电路本身以及测量环境的外界各种干扰因素对测量的影响，以达到对微电阻的测量精度的要求。
课题研究的预期成果有:

1.电流、电压信号的**采集、测量以及处理，并研究电路本身以及测量环境的外界电磁干扰对测量的影响，尽量减少测量误差;

2.在嵌入式开发工具上实现单片机C语言和汇编语言的编写、调试与仿真;
3.掌握高精度微弱信号的PCB板绘制、制作及调试。
本仪器的适用对象:各种线圈的电阻，开关、插头等仪器的接触电阻，大截面导体电阻等。
测试仪的参数:
测量范围:
电阻测量范围为:0. O1mS2-1. 9999kS2
电阻测量分为五个量程测试档:
量程1: 0. O l mS2-19 9. 9 9mS2
量程2: 0. 1「mSZ-1. 999952

量程3 : 1 mS};-19. 9 9 9S2

量程4: 1 Om!2-199. 9952
量程5: 1 OOr15Z-1. 9999kSZ
测量误差:
工作环境:温度为。0C-400C,湿度为《90}RH
工作误差:
量程1, 2误差为:士0. 4%读数值士4个字
量程3, 4, 5误差为:士0. 2%读数值土4个字
数据输出:
*小分辨率:10 }S2
电阻测量值输出:六位LED数码管、RS232
测量速度:2次/秒

仪器使用方法:

开机后预热15分钟;
选择适当的量程;
仪器要先调零才能使用，调零时应当将测试夹短路。
1. 3本章小结

本章首先介绍了直流微电阻测试的背景和意义，再基于对该课题的现状研究，提出了自己的研究思路、技术路线和目标，即设计并实现一个高精度直流微电阻测试仪。
本文接下去将在**章探讨直流微电阻测量的理论基础，第三章介绍高精度直流电阻测试仪的硬件设计，第四章描述高精度直流电阻测试仪的软件计，第五章则是整个系统调试的过程与结果的得出与分析，*后第六章则对本高精度直流测试仪的研究与开发做了简要的总结和展望。

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