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精密电阻测量仪器与自制 DIY Warshawsky电桥

时间:2012-10-09  来源:38hot  作者:lymex

2.5、Warshawsky电桥
从双臂电桥的原理图可以看出,最根本的变化是在一个节点引入辅助分压。三次平衡电桥可以认为在三个节点上引入分压。事实上,电桥有4个节点,剩余节点上同样存在接触电阻和压降。把4个节点同时都进行辅助分压,就成为Warshawsky电桥。之所以这么称呼,是因为在1955年华沙夫斯基(Warshawsky)写了一篇文章[4],详细介绍了此法。国内早期采用此电桥(称为四跨线电桥),并在早期的检定规范里(JJG 166-84)有介绍。
Warshawsky电桥的介绍文章有限,其原理将在下一节详细描述。

2.6、直接电流比较仪
直接电流比较仪,英文简写DCC,也叫直流比较仪式电桥,分辨力超高(1E-9),线性超高(1E-8),比较不确定度很高(1E-7之内)。
主要用与比较小电阻(1k以下),其原理是,让两个通过磁通平衡的装置可调比例的电流分别流过共地的被测电阻和标准电阻,这样其压差就可以用检流计/纳伏表非常灵敏的、直接的探测出来,调节比例让压差为0。而这两个电流是分别发生、用磁通平衡变压器来实现的,可以非常准确的调节比例。


这个在国际上被广泛用于测量1欧或者1k以下的电阻,图为加拿大MI公司的6010C,是一个全自动的DCC。国内的例子比如QJ55、QJ6675、QJ9975。

2.7、二进制分压器
二进制分压器,英文叫Binary Voltage Divider(BVD),也有叫Binary Resistive Divider(BRD),或者叫Cutkosky Divider,很明显是以发明者命名的(1978年)。与DCC适合测试低阻不同,BVD能够高精密的对比高阻,因此与DCC形成很好的互补。介绍二进制分压器的文章也很少,主要来自加拿大MI(测量国际)公司和美国Fluke公司。有两篇内容基本一样的文献[6][7],其中[6]要好一些。
BVD的原理很简单,就是利用一个二进制分压器产生精密电压,通过检零计/纳伏表来得到两个比较电阻上的4个电压值,由此可以计算出两个电阻上的电压从而电阻比例精确可知。右图为加拿大MI公司的6000B高阻测量仪器,采用的就是这个原理,可以用来测量1kΩ到1TΩ之间的电阻,分辨和线性为25位二进制(3E-8),比较不确定度<1E-7。


  2.8、我自己的一种方法
与双臂电桥的一半相同,即让两个电阻(标准和被测)串联通以相同的电流,把电阻比较转化成电压比较。
为此,要做几个短期稳定的恒流源,比如100mA用于测试1欧,10mA用于测试100欧,1mA用于测试10k等。

至于如何比较这两个电压,有两个子方法。
A、采用Linear的LTC1043,把某个电压传递到另外一个的地上,即达到两个电压共地,这样就可以用检流计/纳伏表直接对比,达到高灵敏度、高分辨的目的。



B、用8位半万用表分别测量这两个电压,利用3458A的超级线性和超级转移特性(0.1ppm即1E-7),分别测试两个电阻上的电压,达到1E-7级别的比较精度。这样的比较不仅局限于两个相同电阻之间的比较,由于万用表的读数的通用性,可以测量一个范围内(10%-120%量程)的任何电压,都可以达到1E-7的比较精度,因此可以适合宽范围电阻的比较,包括10:1传递。2.9、有关检流计/检零计/纳伏表
在电桥的测量中,必须检查电桥是否平衡,这就需要用非常灵敏的、探测电桥微小不平衡的设备。早期常见用检流计,国产的比如AC15系列,灵敏度从每格3E-10A开始(0.3nA),一直到1E-8A(10nA)。国外名字为GALVANOMETER。以前测量时,以低阻抗为主(比如1Ω),而此时电压低,要求电压灵敏度也高,但对于内阻没有什么要求,因此AC15的某些型号内阻有很低的比如40Ω。灵敏度达到每格0.1μV。但是,对于越来越多的高阻测量,这些检流计就不适合了,而是需要又能有高的电压分辨,同时又有高的输入阻抗。国外在80年代开始大量生产了所谓Null Detector(检零计),比如Fluke 845AR/AB(如图),具有1μV满量程档模拟显示,峰-峰值噪音仅为0.2μV,因此可以完全取代检流计。另外常见有Keithley 155 ,HP419,类似特点。这些检零计与检流计一样,最重要的用途就是看是否平衡,而不是用来读数的。尽管检零计有读数功能,但误差比较大,达到3%左右,因此大多情况下只用来辅助定性分析。由于现代计量的方便性,很多场合下不仅需要零检测,而且需要很准确的知道到底偏离了多少,因此检流计和检零计被逐渐淘汰,代之以纳伏表,一方面可以分辨到1nV,输入电阻很高,另一方面是数字读数,准确度很高,比如Keithley 181是6位半的。HP/Agilent 34420A是7位半的。当然,也有一些实验室,直接选择了8位半的万用表,利用了其良好的线性和准确性,同时又能够分辨出10nV的特点。数字表的输入电阻一般至少是10MΩ,这对于一般电桥足够了。而且绝大多数数字表和纳伏表在低量程下具有>1GΩ的输入电阻。

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