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數(shù)字多用表中影響測量結(jié)果的因素分析

2021-03-22 02:56鄧志勇
關(guān)鍵詞:量程引線電勢

鄧志勇

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所, 廣東 廣州 510610)

0 引言

數(shù)字多用表是一種非常普及的測量儀表, 它可以衍生出很多測量功能, 但最基本的功能還是交直流電壓電流和電阻測量功能, 如何正確使用數(shù)字多用表, 對測量結(jié)果的影響至關(guān)重要。 本文結(jié)合日常使用及校準經(jīng)驗, 提出在數(shù)字多用表使用過程中應(yīng)注意的相關(guān)事項, 對可能影響測量結(jié)果的因素進行了分析, 并提出了相關(guān)建議, 以避免這些潛在的測量誤差的發(fā)生。

1 直流電壓測量注意事項

1.1 熱電勢誤差

熱電勢是在進行小電平、 微電平直流電壓測量時最常見的一種誤差源。 使用兩種不同材料的金屬進行電路連接, 當結(jié)合點溫度不同時, 就會在回路中產(chǎn)生熱電勢。 金屬之間的每個接觸連接處都可認為是一個熱電偶, 熱電偶則根據(jù)溫度成比例產(chǎn)生電壓, 一般數(shù)字多用表的輸入端口的材質(zhì)是銅合金, 銅和其他材質(zhì)金屬連接時可能產(chǎn)生的熱電勢如表1 所示。

表1 銅跟不同材質(zhì)的金屬連接時可能產(chǎn)生的熱電勢 [1]

為了減少熱電勢對測量結(jié)果的影響, 接線端子的材質(zhì)應(yīng)盡量與數(shù)字多用表輸入端口的材質(zhì)一致, 接線端子與線之間的連接要牢靠, 推薦使用壓接方式、 卷曲連接方式, 采用清潔的接線端子,避免使用氧化嚴重的接線端子, 從表1 中可以看出, 氧化銅與銅合金之間可產(chǎn)生高達1 000 μV/℃的熱電勢, 也可等待電路達到熱平衡, 因為只有存在溫度梯度時才會產(chǎn)生熱電勢。 允許的情況下, 可正負向兩次測量然后取其平均值, 這些措施都可以減少熱電勢對小電平、 微電平測量結(jié)果的影響。

1.2 輸入電阻導致的負荷誤差

在進行直流電壓測量時, 當使用數(shù)字多用表測量被測設(shè)備(DUT: Device Under Test) 時, 測量回路中的微小電流會在DUT 上產(chǎn)生壓降, 因此,并不是全部電壓都能加載到數(shù)字多用表的測量電路中。 實際的被測電壓要比DUT 的電壓小, 由此會產(chǎn)生負荷誤差, 具體如圖1 所示。

圖1 電壓測量回路

在圖1 所示的電壓測量回路例中, 測量回路電流: Ii=Ux/(Ri+Rx), 測量端電壓: Ui=URi=Ii×Ri=Ux×Ri/(Ri+Rx), 大部分情況下, Ri>>Rx, Rx可以忽略不計, 則Ui≈Ux。 常見數(shù)字多用表的輸入阻抗為10 MΩ, 分別測量分流器100 Ω 和100 kΩ 電壓端的壓降。

a) 分流器為100 Ω 時

Ui=Ux×Ri/(Ri+Rx)=Ux×107/(107+102)=0.999 99 Ux,誤差為: 0.001%。

b) 分流器為100 kΩ 時

Ui=Ux×Ri/(Ri+Rx) =Ux×107/(107+105) =0.99 Ux,誤差為: 1%。

由此可見, 當DUT 的內(nèi)阻占數(shù)字多用表的輸入阻抗比例較大時, 這種誤差體現(xiàn)尤為明顯, 這種情況一般出現(xiàn)在用標準分流器法, 測量阻值很大的分流器壓降時, 或者測量絕緣電阻表的測試電壓時, 因為一般絕緣電阻表的內(nèi)阻都相對較高。為了減少這種誤差的影響, 可以把數(shù)字多用表的輸入阻抗設(shè)置為最大, 或者選用輸入阻抗更大的數(shù)字多用表, 如果能確定DUT 的內(nèi)阻和數(shù)字多用表的輸入阻抗, 也可以通過計算修正, 以減少輸入電阻導致的負荷誤差。 必要時, 還需考慮輸入零電流對測量結(jié)果的影響[2]。

2 電阻測量注意事項

2.1 高電阻測量誤差

在測量高阻時, 由于高阻的絕緣材料自身表面吸潮、 吸附油膜等特性, 其表面電阻和電阻體本身等同于并聯(lián), 測量回路容易產(chǎn)生泄漏電流,從而影響測量結(jié)果; 同時根據(jù)電阻測量原理可知,在測量高阻時, 測試電流在μA 量級甚至nA 量級,由于測試電流極小, 因此極易受到周圍環(huán)境的電磁干擾, 也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響, 如圖2 所示。

圖2 高阻測量示意圖

因此在高阻測量時, 應(yīng)采取必要的預防措施,保持測試環(huán)境干燥和被測絕緣電阻表面清潔度。同時應(yīng)通過屏蔽線或雙絞線測量高阻, 并使連接處的拾取面積最小, 用盡可能短的測試線也可以提高抗干擾能力。

2.2 低阻測量誤差

一般數(shù)字多用表提供兩種電阻測量方式, 即2線和4 線電阻測量[3]。

對于2 線制電阻測量, 測試引線的電阻及接觸電阻都將被測量到。 接觸電阻隨著接觸點的清潔程度、 接觸面的大小和接觸面的松緊程度而變化, 通常這種變化可達到幾毫歐, 假如此變化為2 mΩ, 對于標稱100 mΩ 標準電阻器, 則誤差為2%, 這對于小電阻測量來說肯定是無法接受的。因此, 在使用2 線電阻測量時, 測試線短路清零后, 應(yīng)盡量在保持測試線形狀位置不變的情況下使用, 因為一旦測試線移動變化, 其引線電阻會隨之發(fā)生變化。

對于4 線制電阻測量, 是用一對引線接入電流源, 另一對引線(感應(yīng)引線) 把被測電阻上的電壓降引入測量回路, 由于幾乎沒有測試電流流過感應(yīng)引線, 這樣引線電阻不會造成測量誤差。一般當被測電阻小于等于100 kΩ 時, 推薦使用四端法測量, 以避免接觸電阻與測量導線電阻的影響。

3 小信號測量注意事項

小信號測量時除了前面提到的熱電勢影響外,同時也要注意測量結(jié)果特別容易受到外來噪聲源影響, 例如: 接地環(huán)路引起的噪聲、 磁環(huán)路引起的噪聲[4]。

當數(shù)字多用表和DUT 的接地參考點存在電壓差時, 就會產(chǎn)生接地環(huán)路噪聲。 數(shù)字多用表不接地可消除接地環(huán)路, 如果數(shù)字多用表必須接地,那么就一定和DUT 連接到同一個共同的接地點上。另外, 要將數(shù)字多用表和DUT 連接到同一個電源插座上。

磁環(huán)路引起的噪聲也會對微小信號測量產(chǎn)生很大影響, 暴露的測試線可視為天線, 拾取周圍環(huán)境的電磁干擾, 測量用的線纜盡可能地短、 使用雙絞線可減少噪聲拾取回路的面積, 或?qū)⑺械臏y試引線盡可能地彼此靠近排列并套裝捆緊在一起, 這些措施都可以減少磁環(huán)路帶來的誤差,當然最好的辦法是盡量避免在磁場環(huán)境下測量。

4 其他注意事項

在數(shù)字多用表的使用過程中, 還需注意以下事項。

4.1 量程的選擇

在使用手動量程的數(shù)字多用表時, 應(yīng)選擇合適的量程, 以某數(shù)字多用表為例, 其各個量程的最大允差如表2 所示, 分別用6、 60 V 量程測量6 V 直流電壓。

表2 數(shù)字多用表技術(shù)指標

用6 V 量程測量, 則允差△=±(0.15%×6.000 V+2×0.001 V)=±0.011 V, 相對允差約為±0.18%; 用60 V 量程測量, 則其允差為△=± (0.15%×6.00 V+2×0.01 V) =±0.029 V, 即相對允差為±0.48%, 顯然用6 V 量程測量的結(jié)果更準確。

一般數(shù)字多用表各個量程輸入建議最小為滿量程的10% (有些可低到滿量程的1%), 最高可到滿量程的120%。 在測量信號剛好處于兩個量程的轉(zhuǎn)換點時, 為了得到最高的精度, 應(yīng)選擇手動量程, 使盡量接近滿量程測量[5]。

4.2 交流和直流耦合的選擇

如果數(shù)字多用表選擇交流耦合, 測量回路中將串聯(lián)一個電容器, 以阻塞信號中的直流成分。如果希望測量包括直流成分在內(nèi)的信號, 此時將得到完全錯誤的結(jié)果。 這時可以選擇直流耦合。如果數(shù)字多用表不能直接提供交流加直流測量,那么可分別測量直流成分和交流成分, 然后使用有效值加法將兩者相加:從而得到想要的結(jié)果。

同時在交流電壓測量時, 也需考慮波峰因數(shù)和頻帶寬度的影響。

5 結(jié)束語

以上闡述了數(shù)字多用表使用過程中的各種誤差來源、 影響測量結(jié)果的因素和采取的措施, 采取這些措施固然會避免潛在的測量誤差, 提高測量結(jié)果的準確性, 但是否采取這些措施, 還需綜合考慮對測量結(jié)果的準確性要求、 測量的效率和成本。

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