孔令剛

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400037;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了非金屬材料在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。非金屬材料以其質(zhì)輕、耐腐蝕、高抗沖擊性、易加工、性價(jià)比優(yōu)等特點(diǎn)逐漸發(fā)展成“以塑代鋼”的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，并取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。非金屬材料為高分子聚合物，其顯著特點(diǎn)是易產(chǎn)生靜電集聚。大量事故調(diào)查分析表明，靜電火花是煤礦、化工等有危險(xiǎn)氣體場(chǎng)所發(fā)生爆炸的主要點(diǎn)火源之一。在石油、化工、電子、橡膠、塑料等行業(yè)中，防靜電是預(yù)防事故發(fā)生的重要內(nèi)容[1];在煤炭行業(yè)，控制靜電火花是有效控制瓦斯、煤塵爆炸事故的主要手段之一?？刂旗o電火花的關(guān)鍵在于設(shè)備和材料必須具有抗靜電性能，聚合物制品的抗靜電性能主要是用表面電阻測(cè)試儀測(cè)量聚合物制品的表面電阻來評(píng)價(jià)。

模擬式表面電阻測(cè)試儀和一些常用的數(shù)字式表面電阻測(cè)試儀的工作原理是測(cè)量電壓U固定，通過測(cè)量取樣標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓Us來得到被測(cè)電阻值Rx。其計(jì)算公式為 Rx=Rs·U/Us[2]，式中 Rs為取樣標(biāo)準(zhǔn)電阻值。由于Rx是與Us成反比，所以電阻的顯示值是非線性的，即電阻無(wú)窮大時(shí)，電壓為零。對(duì)于模擬式表面電阻測(cè)試儀，表頭的零位處是∞，此處的刻度非常密，分辨力很低，整個(gè)刻度是非線性的。又由于測(cè)量不同的電阻時(shí)，其電壓也會(huì)有些變化，所以普通的表面電阻測(cè)試儀的精度是很難提高的。這就給危險(xiǎn)氣體場(chǎng)所埋下了靜電火花事故的隱患。

研制高精度的聚合物制品抗靜電性表面電阻測(cè)試儀，有利于加強(qiáng)聚合物制品抗靜電安全性檢驗(yàn)，預(yù)防靜電的產(chǎn)生，促進(jìn)安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本儀器由單片機(jī)進(jìn)行控制和運(yùn)算，被測(cè)電阻通過測(cè)試電路測(cè)量，然后經(jīng)阻抗變換及放大，信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，通過軟件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電阻阻值的判斷測(cè)量，最后通過顯示電路將被測(cè)電阻顯示出來，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

為了準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)電阻，GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測(cè)試儀內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩套測(cè)試電路，通過測(cè)量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)來切換。當(dāng)待測(cè)電阻小于2 MΩ時(shí)，采用低阻檔測(cè)試電路測(cè)量;當(dāng)待測(cè)電阻大于或等于2 MΩ時(shí)，采用高阻檔測(cè)試電路測(cè)量。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源

低壓電源采用GZM-H45T5+12－5R成品開關(guān)電源，可提供－5 V，+5 V和+12 V直流電源供儀器使用。

高壓測(cè)試電源采用LHPSIMDAC型可調(diào)高壓模塊，其輸入電壓為12 V的直流電，直流高壓輸出在0～1100 V范圍內(nèi)用電位器連續(xù)可調(diào)。根據(jù)儀表要求，采用電阻分壓分段調(diào)節(jié)，使輸出為50，100，250，500，1000 V等各檔。輸出短路電流為3 mA。

2.2 高阻檔測(cè)量電路

采用測(cè)量雙取樣電阻的電壓來計(jì)算被測(cè)電阻的方法，如圖2所示。U為測(cè)試電壓，Rx為待測(cè)未知電阻，R1為降壓電阻，R01和Rx0為取樣電阻，U0和Ux0為取樣電壓，則

圖2 高阻檔測(cè)量電路

即k值僅與電路的電阻值有關(guān)，當(dāng)電路調(diào)定時(shí)，k值也不會(huì)再變，檔位一定時(shí)k值可調(diào)節(jié)成該檔10的整數(shù)冪。如k=10000，則。U0和 Ux0經(jīng)電子開關(guān)K1和K2相繼送入A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)程序控制器作除法運(yùn)算得到U0和Ux0的比值，即待測(cè)電阻的數(shù)字量，根據(jù)檔位 (即k值大小)確定其冪指數(shù)。因此，待測(cè)電阻Rx僅與當(dāng)時(shí)所測(cè)得的U0和Ux0的比值及k值有關(guān)，不像普通表面電阻測(cè)試儀那樣因被測(cè)電壓或電流的變化而變，所以其測(cè)量精度很高。

2.3 低阻檔測(cè)量電路

低阻檔采用比例法測(cè)量電路，如圖3所示。R0為基準(zhǔn)電阻，Rx為待測(cè)電阻，采用7135的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，Uin為輸入電壓，Uref為基準(zhǔn)電壓，N為輸出值(數(shù)值)，則

改變基準(zhǔn)電阻R0，即可改變待測(cè)電阻檔位，如取R0為20000 Ω時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值N=Rx，即輸出值就是待測(cè)電阻值。通過檔位改變R0，如R0=2000 Ω時(shí)，N=10Rx，即輸出值是10倍待測(cè)電阻，只需改變小數(shù)點(diǎn)位置即可。因此，待測(cè)電阻值Rx僅與基準(zhǔn)電阻值R0有關(guān)，不像普通表面電阻測(cè)試儀那樣因被測(cè)電壓或電流的變化而變，所以，選用高精度的基準(zhǔn)電阻可提高其測(cè)量精度。

圖3 低阻檔測(cè)量電路

2.4 阻抗變換及放大模塊

為提高儀器的輸入阻抗、減少其分流作用帶來的測(cè)量誤差，儀器采用了靜電級(jí)運(yùn)放集成電路OPA128進(jìn)行阻抗變換。為測(cè)量大于1012以上的電阻，在阻抗變換級(jí)后連接了可編程放大器OGA204U，通過改變可編程放大器的A0，A1的輸入電平，使可編程放大器增益從1，10，100到1000可調(diào)，從而方便程序判別和控制。

2.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊

整個(gè)儀器的測(cè)量精度的提高以及測(cè)量速度的提升，還取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[3]。本儀器采用ICL7135雙積分式4位半A/D轉(zhuǎn)換器，由單片微機(jī)控制其A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，并將結(jié)果送顯示模塊顯示。

2.6 顯示模塊

數(shù)碼顯示優(yōu)于模擬顯示或發(fā)光二極管顯示，因?yàn)槟M顯示較難讀數(shù)，而發(fā)光二極管顯示較難確定量級(jí)[4]。本儀器顯示模塊由顯示驅(qū)動(dòng)集成電路HD7279與6位LED數(shù)碼管構(gòu)成，其中1英寸 (25.4 mm)LED數(shù)碼管4位顯示待測(cè)電阻值，0.3英寸 (7.62 mm)LED數(shù)碼管2位顯示待測(cè)電阻的冪 (即方次)。

2.7 低阻值測(cè)量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)和高阻值測(cè)量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)

1)在測(cè)量2 MΩ以下電阻時(shí)，低阻值測(cè)量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)通過切換不同的基準(zhǔn)電阻R0的電阻值，以改變其測(cè)量范圍;當(dāng)轉(zhuǎn)換至大于2 MΩ檔，即改變電路連接，切換到高阻值測(cè)量檔。

2)高阻值測(cè)量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)根據(jù)測(cè)試電壓換檔并進(jìn)行控制:①切換高壓測(cè)試電源的分檔電阻值;②切換測(cè)試電壓的降壓電阻的電阻值R1和取樣電阻的電阻值R01;③切換待測(cè)電阻的取樣電阻的電阻值Rx0，通過高低阻值換檔開關(guān)切換，使待測(cè)電阻在合適的檔位達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。

3 樣機(jī)測(cè)試

研制的GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測(cè)試儀通過了法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測(cè)試儀誤差測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，該表面電阻測(cè)試儀的測(cè)試相對(duì)誤差小于等于3.5%，精度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測(cè)試儀采用低阻檔和高阻檔兩組測(cè)試電路進(jìn)行分段測(cè)量，待測(cè)電阻值Rx不隨被測(cè)電壓或電流的變化而變化，因而保證了表面電阻測(cè)量的準(zhǔn)確性;采用ICL7135 A/D轉(zhuǎn)換器和單片微機(jī)控制其A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)運(yùn)算，并使用數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果，顯示迅速且讀數(shù)方便。

[1]開勝.BL-87型數(shù)字高阻計(jì)通過技術(shù)鑒定 [J].勞動(dòng)保護(hù)，1988(6):40.

[2]林學(xué)江.高阻計(jì)和高阻測(cè)試技術(shù) [J].電測(cè)與儀表，1987(11):42.

[3]劉艷云，付華良.基于STC89C54RD單片機(jī)和AD574的高精度電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì) [J].電子測(cè)試，2013(9):46.

[4]鄭芝明.淺談表面電阻測(cè)試儀 [J].科學(xué)之友，2012(4):22.