传统的标准电阻测试方法,是恒温三点测试法。也就是选择3个温度点(例如10度、20度、30度),分别恒温,测试对应的三个电阻值,然后计算出温度系数。
然而,刚才引用的帖子里已经说过,这种测试方法有5个弱点,并不太适合业余爱好者去仿效。
后来,由于llycomm制作的GPIB自动采集卡的出现,由爱好者们逐渐发展了一种变温测试方法,即把卡内的精密半导体温度传感器接出引线以便检测电阻体内的温度、GPIB卡自动采集电阻值、采集的过程中逐渐改变温度连续测试。然后导入到Excel中进行处理,最后得到结果。
这种方法的优势是:
1、自动化程度很高,采集和计算都能自动进行,因此可以避免人为错误;
2、不需要恒温,只要被测试电阻的温度逐渐变化就可以,变化速度不限,当然不要变化太快使得产生电阻-温度滞后效应。
3、采集的测试数据量很大,测试点非常多,几乎任何一个温度的分度值下都有对应温度的电阻数据,没有温度死角
4、任何一个温度点其实都有多个采集数据,根据统计学原理,这将在很大程度上降低了测试的不确定度(数据数量为N,降低到根号N分之一)
5、 处理手段用Excel,无论统计分析,还是做图,都非常方便、准确而直观
当然,这种测试方法是基于8位半表直接测试电阻的基础之上的,其测试不确定度不会好于万用表的。8位半直接测试电阻并不太理想,测试10k附近的电阻时,一个是短稳噪音近0.2ppm,另外自身的24小时稳定性的也有限(一般是0.5ppm),测试时间一长难免偏离。例如这个3609测试的温度-阻值分布图,纵轴每格是1ppm,波动峰峰值近1ppm:
为了说明问题,我也用自己的3458A直接测试了SR104(没有预热好,只看短稳),计算得到:局部峰峰值大约0.8ppm,方差为0.17ppm,与上述3609的结果很类似。
因此,用3458A测试温度系数,通过计算表明,α误差0.2ppm/C,β为0.02ppm/C2。
这样的测试精度,对于锰铜类电阻例如国产的BZ3,也许够了,因为锰铜的α和β都比较大。例如α=6.0ppm/C和β=0.061ppm/C2,分别有0.2和0.02的误差也算不错了。
然而,对于SR104这样的α和β都非常小的Evanohm做的高等级的标准电阻,就是一个严峻的考验了。SR104是早在40多年前由美国esi公司生产的10k标准电阻,由于性能超群,目前还在生产,也没有后来的替代者,成为很多顶级实验室的10k实物基准。
其主要指标是:老化<0.5ppm/年(实际大部分<0.1ppm/年),α温度系数绝对值不大于0.1ppm/C,β温度系数典型值-0.03ppm/C2。可见,若两个温度系数的测试误差分别为0.1ppm和0.02ppm,那测试还有什么意义呢?
解决的办法之一,是用对比替代法,也就是除了被测试的电阻外,还要有一个标准电阻,其性能不亚于被测试电阻,作为基准。由于SR104已经是最好的10k了,那么对比也找不到别的了。恰好我有两个SR104,可以互相对比。
当然,这种温度测试方法不是对原来自动方法的抛弃,而是改进。大部分测试和处理过程还是相同的。具体测试办法
先给出测试系统框图
唯一改动是把温度传感器18B20用引线接出来,放到被测SR104的测温腔内。由于是数字传输,因此距离不造成传输误差。
可以看到,与常规的变温法相比,系统多了个Warshawshy桥、2×4开关、SR104基准电阻。Warshawshy桥是对比用的,而2×4开关完成对比转换。系统的具体工作方式是:
3458A用DCV100mV档,设置到NPLC=50,这是实际测试上短稳最好的一个速度。同时,把延时设置到3秒,这样每5秒钟采样一次比较合适,否则数据量过多了,意义不大。
3458A每测试完一次,通过VMC发出一个脉冲给2×4开关,开关就切换一次,然后等待3秒,进行新的测试。周而复始,不断采集。
这样的采集短稳能有多大呢?看这个图的右半部分:
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