串联附加电阻差值法的特小直流电阻测量方法

摘要

本发明公开一种串联附加电阻差值法的特小直流电阻测量方法，测量电阻值小于1×10-4～10-7Ω之间特小直流电阻，先将直流双臂电桥左右两端接头均连接特小被测电阻RX的任一端，在特小被测电阻RX一端与直流双臂电桥一端接头之间串接附加电阻，测量出第一次被测总电阻R1，再将直流双臂电桥的串接附加电阻一端以及另一端分别连接特小被测电阻的两端，测量出第二次被测总电阻R2，最后根据公式RX＝R2-R1计算出特小被测电阻RX，由不附加电阻和附加电阻两次测量得到的差值决定特小被测电阻RX值，排除了直流双臂电桥内部的标准电阻以及所有接触电阻和测量导线电阻的影响，在不增加电流端电流的情况下测量特小电阻，测量方法简单有效，测量结果可靠精确。

说明书

技术领域

本发明属于电工测量技术，涉及直流电阻的测量方法，尤其是对电阻值小于1×10^-4～10^-7Ω之间的特小直流电阻的测量。

背景技术

随着新技术的发展，新导体材料、新大型电器和新大型电机的不断涌现，对这些新材料、新器件等试验时，常常要进行电阻率的测量，有的金属试样受几何形状的影响，其电阻很小，只有几μΩ或更小。为了克服测量小直流电阻时的测量结果受测量导线电阻的影响，根据中国国家标准GB 3048.2-83的规定，阻值在10Ω以下的小直流电阻测量都必须采用“四点法”，四点法如附图1所示，采用直流双臂电桥ZSD测量直流小电阻，属于电桥测量法，即将被测电阻R_X两端采用两对接头，一对是电流接头C1、C2，另一对是电位接头P1、P2，共四个接点，电流接头C1、C2在外接触面积大，电位接头P1、P2在内，这样，测量导线电阻和电流端接触电阻不参与电桥平衡，排除测量导线电阻的影响，通过被测电阻R_X与接入直流双臂电桥ZSD内部的标准电阻比较得出电阻值，标准电阻精度高时比较的结果精度也就高，使得10Ω以下的小电阻测量准确，最小分辨率能达到0.1μΩ。但这种测量方法的缺陷是：虽然能够解决测量导线电阻对测量的影响，但没有解决直流双臂电桥ZSD内部具有的标准电阻对测量的影响，其有效测量范围一般在1×10^-4～11Ω，当需要测量小于1×10^-4～10^-7Ω的特小电阻时，其误差大大超出允许值。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术中四点法测量小直流电阻的不足，提供了一种串联附加电阻差值法的特小直流电阻精确测量方法，在不提高直流双臂电桥ZSD测量电流的情况下，能精确测量阻值小于1×10^-4～10^-7Ω之间的特小直流电阻。

本发明实现上述目的采用的技术方案是：直流双臂电桥的左右两端接头中的一对电流接头在外，另一对电位接头内；先将直流双臂电桥左右两端接头均连接特小被测电阻R_X的任一端，在特小被测电阻R_X一端与直流双臂电桥一端接头之间串接附加电阻R_Add，测量出第一次被测总电阻R₁为：R₁＝R_Add+r_A1+r_A2；r_A1是附加电阻连接点的接触电阻；r_A2是直流双臂电桥另一端连接点的接触电阻；再将直流双臂电桥的串接附加电阻R_Add一端以及不具有附加电阻R_Add另一端分别连接特小被测电阻R_X的两端，测量出第二次被测总电阻R₂为：R₂＝R_Add+r_A1+r_A2+R_X；最后根据公式R_X＝R₂-R₁计算出特小被测电阻R_X。

本发明测量的特小被测电阻值由不附加电阻和附加电阻两次测量得到的差值决定，排除了直流双臂电桥ZSD内部的标准电阻以及所有接触电阻和测量导线电阻的影响，在不增加电流端电流的情况下测量特小电阻，使被测特小电阻无温升现象，测量方法简单有效，测量结果可靠精确。

附图说明

图1是现有技术中直流双臂电桥ZSD四点法测量小直流电阻的电路原理图；

图2-3为本发明电路原理图。

具体实施方式

本发明在图1的直流电桥ZSD四点法的基础上，保留直流双臂电桥ZSD的一档步进盘标准电阻(0.01Ω)，精确测量小于1×10^-4～10^-7Ω的特小电阻。在测量特小被测电阻R_X时附加电阻R_Add，通过两次测量最后得出特小被测电阻R_X值，具体测量步骤如下：

第一步：参见图2，直流双臂电桥ZSD有左右两端接头，四个接点，一对是电流接头C1、C2，另一对是电位接头P1、P2，电流接头C1、C2在外，电位接头P1、P2在内。直流双臂电桥ZSD的左端为C1、P1端，右端为C2、P2端。将直流双臂电桥ZSD左右两端接头均连接特小被测电阻R_X任一端(图2所示为右端)，在特小被测电阻R_X一端与直流双臂电桥ZSD的一端(图2所示为左端)接头C1、P1之间串接附加电阻R_Add，附加电阻R_Add数值约在0.0001Ω左右，直流双臂电桥ZSD的另一端(图2所示为右端)不具有附加电阻R_Add，由于附加电阻R_Add值的确定是为了选定直流双臂电桥ZSD的0.01Ω挡步进盘标准电阻，特小电阻值R_X最终是通过两次测量的差值得到，因此本发明对附加电阻R_Add的精确度基本不作要求。

采用图2连接方法测量时，特小被测电阻R_X部分补充了约在0.0001Ω左右的附加电阻R_Add，直流双臂电桥ZSD倍率档选为最小倍率×0.01档，步进盘选择了0.01Ω档(即0档上面一档)，即有标准电阻与之对应，符合直流双臂电桥测量原理，此时用四点法直流双臂电桥ZSD测出的第一次被测总电阻R₁为：

R₁＝R_Add+r_A1+r_A2                        (1)

其中：R_Add-附加电阻；

r_A1-附加电阻连接点的接触电阻；

r_A2-直流双臂电桥ZSD另一端(即图2-3右端)连接点的接触电阻；

第二步：参见图3，将直流双臂电桥ZSD的串接有附加电阻R_Add一端以及不具有附加电阻R_Add另一端分别连接特小被测电阻R_X的两端，即将附加电阻R_Add的一端连接特小被测电阻R_X的左端，直流双臂电桥ZSD的C2、P2端连接被测电阻R_X的右端。测量时，第二次被测总电阻R₂中包含了实际的特小被测电阻R_X和第一次被测总电阻R₁，第二次被测总电阻R₂为：

R₂＝R_Add+r_A1+r_A2+R_X                            (2)

通过上述两次测量得出的第一次被测总电阻R₁和第二次被测总电阻R₂，根据公式计算出特小被测电阻R_X，将式(2)-(1)，即可得特小被测电阻R_X为：

R_X＝R₂-R₁                                      (3)

该特小被测电阻R_X的值是第二次测量的增量部分，前后两次测量的电阻包含了相同的附加电阻R_Add、几乎相同的两接触电阻r_A1、r_A2，影响电桥平衡的那部分接触电阻和电桥内部导线电阻。通过公式(3)可知，本发明完全不需要提高测量电流，就可得到小于1×10^-4～10^-7Ω的特小被测电阻R_X的准确值。

在用直流双臂电桥ZSD测量特小被测电阻R_X时，要保证图2和图3两次连接的附加电阻R_Add、附加电阻连接点的接触电阻r_A1和直流双臂电桥ZSD右端连接点的接触电阻r_A2的一致性，使r_A1和r_A尽量小，在相同的温度环境下测量，可保证特小被测电阻R_X的准确性。其中附加电阻R_Add两次测量都采用同一个电阻。

为方便操作，本发明在测量时，将被测电阻连接点、附加电阻和四点法接线连接点均做成附件，附加电阻R_Add用温度电阻率极低的锰铜片制成。附件分成左右两端，如果左端连接附件串接附加电阻R_Add，右端就不串接附加电阻。左端从首端的连接器开始、到软连接导线、到附加电阻R_Add、到尾端“四点法”左连接器；右端仅有首端的连接器和尾端“四点法”右连接器。首端的连接器要满足对连接器接触电阻要求，首端的连接器一般按被测对象的形式设计。如大型电机、变压器绕组；铜绞线、铝绞线；铜圆、铜排、铝排等。附件可按连接分类设计，主要可安排三类：第一类，连接大型电机、变压器接线端的测量附件；由于绕组都是螺栓接线端子，所以附件设计成线鼻型测量首端的连接器。第二类，连接基本均匀圆柱截面的接线测量附件，设计成试样夹型首端的连接器。第三，连接均匀矩形截面的接线测量附件，设计成夹持平面与试样平面能自动保持平行的试样夹首端的连接器。将左、右附件连接器首端均接于特小被测电阻R_X的右端，左端附件为具有附加电阻R_Add的连接器，右端附件为不具有附加电阻的连接器，左、右连接器的末端都有“四点法”连接点C1/P1、P2/C2。将C1、C2、P1、P2四点接于直流双臂电桥ZSD的C1/P1、P2/C2四端子即可进行测量。两次测量时，先将适合试样接线的左右接线器准备好，以及一些辅助的器具，如高分辨率温度计、0.1℃精度的液体温度槽(小试样适用、大型电机、变压器等则采用温度系数补偿法)等。第一次测量时，先将左右接线器均接于试样的左端(如大型电机绕组的一端)，左右接线器尾端的“四点法”接点与直流双臂电桥ZSD接线端子用导线连接；记录测量点温度；按照直流双臂电桥ZSD测量方法完成第一次测量，记录第一次被测总电阻为R₁。第二次测量时，将左接线器接于试样的左端，右接线器接于试样的右端(如大型电机绕组的左右两端)，再重复上面的测量记录。如果要数次测量取平均值，则重复上述操作即可。