高精度直流微電阻測試儀的研究與開發

在科學研究、加工和制造等領域有許多微弱信號(如電壓、電流、電阻等)需要**測量，其中微電阻測量是微弱直流信號檢測領域中比較困難的部分一，如金屬的接觸電阻、金屬焊接后電阻率的變化，其電阻值非常小。因此，微電阻測量有著非常重要的現實意義，很有必要在直流微電阻的測試問題上加以研究并取得相關成果。

本文從測量理論、硬件、軟件和調試四部分來論述高精度直流微電阻測試儀的開發和設計過程.首先介紹了噪聲來源、誤差消除方法、電路測量方法比較選
擇、電流源選擇等測量基礎理論，并從理論上引出了本高精度直流微電阻測試儀的軟硬件設計的技術路線。然后依次介紹了硬件整體設計、誤差分析及圍繞各個環節的誤差源提出解決方案來展開恒流源設計、數據采集設計、放大設計、數據轉換設計、主控部件設計、電源設計、數據顯示設計和通訊設計;并且給出了軟件解決方案，即主控程序、數據采集子程序、數據處理算法、數據轉換子程序、顯示子程序和軟件可靠性設計等部分的設計;緊接著是測試儀的調試的結果及其分析，*后給出了本測試儀的整體總結及展望。

1緒論

本章主要對高精度直流微電阻測試儀課題的研究背景、意義、現狀、方法、目標等方面進行探討。i. i課題研究的背景、意義和現狀在科學研究l、加工和制造等領域有許多微弱信號(如電壓、電流、電阻等)需要**測量，其中微電阻測量是微弱直流信號檢測領域中比較困難的部分之一，如金屬熱處理過程中的電阻、金屬的接觸電阻、金屬焊接后電阻率的變化，其電阻值在10-4-10-狡甚至更小【n。因此，微電阻測量在科學研究、加工和制造等領域有著非常重要的現實意義

〔z} 1. 1. 1課題研究的背景和意義

電阻測量在實驗、檢測以及生產中具有非常重要的作用，由于電阻阻值范圍很大，不同類別的電阻測量時需要考慮的影響測量誤差的因素各有不同，所以不同的類型的電阻測量的方法不盡相同。在電路中普遍存在著接觸電阻和導線電阻，當電流通過這些接觸電阻和導線電阻時會產生電壓降，對于大電阻而言，這些接觸電阻和導線電阻的影響可以忽略不計，但是對于微電阻來說，接觸電阻和導線電阻的阻值是無法忽略的，會在微電阻的測量中造成相當大的干擾，進而會導致微電阻測量結果的較大誤差.因此，一般的大電阻測量通常采用萬能表就能較為**的測量出來;但是微電阻的測量一直是個較大題，這些電阻由于阻值很小，通常為毫歐級，檢測到的微弱信號幅度很小，往往還會被噪聲信號所淹沒，常規的萬用表測量方法不可能把微電阻阻值**地檢測出來。

在電氣設備的檢測和實驗過程中，常常會碰到由于忽略某些小電阻的影響而引起測量數據與理論值之間存在較大偏差的情況，從而影響到測量結果。例如:電腦連接線中的電阻、控制儀表中的導線電阻、斷路器連接片中的金屬接觸電阻、繼電器觸點的接觸電阻等。但實驗室、研究所和工廠在實際生產研究過程中又不得不進行這些微電阻的測量工作。因此，設計高精度的微電阻測試儀是十分必要和重要的‘”。
1. 1. 2國內外研究的現狀
目前，數字式歐姆測量儀大多數為數字萬用表，數字萬用表又分為手持式和臺式。手持式數字萬用表是一種工具型表，測量精度較低，無法滿足微電阻測量的精度要求;而且測量下限高，覆蓋不了毫歐級電阻的測量;臺式數字萬用表雖然測量精度高，但使用環境要求相當嚴格，大多數儀表只有在實驗室環境條件下，才能保證較高的精度。接觸電阻的測量有許多方法，如運算放大器法、比率法和恒流源四線法等。由于運算放大器的偏移和漂移也會引起工作電流的變化，故該方法適合于幾百歐姆至幾兆歐姆的中阻值測量。比率法同經典式的電位差計測量電阻原理相同，該方法精度較低，多用于手持式萬用表中。恒流源四線法可以排除引線與被測電阻之間的接觸電阻的影響，特別適合微電阻的測量〔3]
日本學者I}}ao Minowa等提出用超導量子器件測量，H. Aichi提出利用電解槽法測量，波蘭學者Jerzy Kaczzmarek等提出用三次諧波法測量。這些測量方法一般是在試驗室條件下進行電接觸研究中所采用的方法〔們。

直流微電阻智能化測試儀在近些年發展的比較快。國內己有多家公司開發出多款產品。直流微電阻測試大多采用微歐儀，一般采用電流恒流源，電流一般為100A, 200A，其大電流的恒流效果采用高頻開關電源和大電流變壓器實現。但目前市場上的這些測試儀測試電流較大、測試時間長，因此對被測電阻有溫升的影響，使其降低了測量的精度;而且這些測試儀的體積和重量都比較大，現場攜帶不方便，其成本也相對較高fsl 國內外在微電阻測試儀的電源選擇上，通常有兩種方法，一種是選用恒電流作為電源，另一種是選用脈沖電流作為電源。兩者各有優劣，考慮到電阻通電時間過長，會引起電阻溫度變化進而影響電阻阻值，脈沖電流作為電源是個比較好的選擇;但是，脈沖電流源對檢測的時序有非常嚴格的要求，在實際工程應用中受限較多;因此，在實際應用中，檢測時間不長的情況下，以恒流源作為電源也是比較好的選擇。

1. 2課題的問題、基本思路和研究方法
1.2.1課題研究的問題
本課題研究的微電阻測量主要問題及困難有:
1.誤差源分析及解決方案的比較選擇;
2.對測試儀模擬電路部分的設計及內部、外部影響因素的抗干擾能力;
3.快速、簡便的測量過程及測量的高精度設計;

4.模擬電路、數字電路及總體電路調試，軟、硬件聯調。
1. 2. 2課題研究的基本思路
1.深入分析各個誤差源，研究各種微電阻測試理論和技術，掌握各環節誤差的解決方法，結合實際情況開發快速的高精度測量手段;
2.使用C51系列單片機開發工具并編寫整個系統的程序;
3.由于測量電阻的跨度比較大(0. O1mS}-1. 9999kSZ )，因此宜采用分段進行測量，對電阻值測量分為5檔;
4.擬采用的電路接線方法為四線制、測量方法為電流反向兩次測量法。
1. 2. 3課題研究的方法和基本內容
本系統主要分為硬件和軟件兩大部分，相應內容有:
1.深入研究微電阻測量理論，分析誤差來源及其解決方法;
2.分析和選擇各種微弱信號處理芯片、電路放大芯片和A/D轉換芯片，進行電路圖的設計和繪制;

3. PCB板的繪制、制作及調試，特別是注重抗干擾設計，以期達到精度要求;
4.熟悉嵌入式系統及芯片，用相應的開發工具和調試工具實現嵌入式程序的編寫與仿真;
5.硬件與軟件系統的綜合調試，用對各種標準為電阻來檢驗測試儀誤差，對其進行調理以達到預期目的。
1. 2. 4課題研究的目標及預期的效果
課題研究的目標有:
本測試儀的設計目標是設計制作完成高性價比、速度快、成本低、精度高、測量范圍廣、體積小重量輕的微電阻直流測試儀。由于市場對于微電阻測試儀寬量程的需要，委托我們進行產品研發的廠家要求將測量范圍進行適當的加寬，因此本測試儀的測量范圍確定為0. O1mS2-1. 9999kS2o
通過對電流、電壓信號的**采集、濾波、放大、補償、A/D以及利用單片機對測量獲得的數字信號進行存儲和顯示，達到快速測量微電阻的目的。深入分析并研究電路本身以及測量環境的外界各種干擾因素對測量的影響，以達到對微電阻的測量精度的要求。
課題研究的預期成果有:

1.電流、電壓信號的**采集、測量以及處理，并研究電路本身以及測量環境的外界電磁干擾對測量的影響，盡量減少測量誤差;

2.在嵌入式開發工具上實現單片機C語言和匯編語言的編寫、調試與仿真;
3.掌握高精度微弱信號的PCB板繪制、制作及調試。
本儀器的適用對象:各種線圈的電阻，開關、插頭等儀器的接觸電阻，大截面導體電阻等。
測試儀的參數:
測量范圍:
電阻測量范圍為:0. O1mS2-1. 9999kS2
電阻測量分為五個量程測試檔:
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
測量誤差:
工作環境:溫度為。0C-400C,濕度為《90}RH
工作誤差:
量程1, 2誤差為:士0. 4%讀數值士4個字
量程3, 4, 5誤差為:士0. 2%讀數值土4個字
數據輸出:
*小分辨率:10 }S2
電阻測量值輸出:六位LED數碼管、RS232
測量速度:2次/秒

儀器使用方法:

開機后預熱15分鐘;
選擇適當的量程;
儀器要先調零才能使用，調零時應當將測試夾短路。
1. 3本章小結

本章首先介紹了直流微電阻測試的背景和意義，再基于對該課題的現狀研究，提出了自己的研究思路、技術路線和目標，即設計并實現一個高精度直流微電阻測試儀。
本文接下去將在**章探討直流微電阻測量的理論基礎，第三章介紹高精度直流電阻測試儀的硬件設計，第四章描述高精度直流電阻測試儀的軟件計，第五章則是整個系統調試的過程與結果的得出與分析，*后第六章則對本高精度直流測試儀的研究與開發做了簡要的總結和展望。

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