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高精度直流微電阻測(cè)試儀的研究與開發(fā)

    在科學(xué)研究、加工和制造等領(lǐng)域有許多微弱信號(hào)(如電壓、電流、電阻等)需要**測(cè)量,其中微電阻測(cè)量是微弱直流信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域中比較困難的部分一,如金屬的接觸電阻、金屬焊接后電阻率的變化,其電阻值非常小。因此,微電阻測(cè)量有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,很有必要在直流微電阻的測(cè)試問題上加以研究并取得相關(guān)成果。

    本文從測(cè)量理論、硬件、軟件和調(diào)試四部分來論述高精度直流微電阻測(cè)試儀的開發(fā)和設(shè)計(jì)過程.首先介紹了噪聲來源、誤差消除方法、電路測(cè)量方法比較選
擇、電流源選擇等測(cè)量基礎(chǔ)理論,并從理論上引出了本高精度直流微電阻測(cè)試儀的軟硬件設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。然后依次介紹了硬件整體設(shè)計(jì)、誤差分析及圍繞各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差源提出解決方案來展開恒流源設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)、放大設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)、主控部件設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)和通訊設(shè)計(jì);并且給出了軟件解決方案,即主控程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理算法、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序和軟件可靠性設(shè)計(jì)等部分的設(shè)計(jì);緊接著是測(cè)試儀的調(diào)試的結(jié)果及其分析,*后給出了本測(cè)試儀的整體總結(jié)及展望。


1緒論

    本章主要對(duì)高精度直流微電阻測(cè)試儀課題的研究背景、意義、現(xiàn)狀、方法、目標(biāo)等方面進(jìn)行探討。i. i課題研究的背景、意義和現(xiàn)狀在科學(xué)研究l、加工和制造等領(lǐng)域有許多微弱信號(hào)(如電壓、電流、電阻等)需要**測(cè)量,其中微電阻測(cè)量是微弱直流信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域中比較困難的部分之一,如金屬熱處理過程中的電阻、金屬的接觸電阻、金屬焊接后電阻率的變化,其電阻值在10-4-10-狡甚至更小【n。因此,微電阻測(cè)量在科學(xué)研究、加工和制造等領(lǐng)域有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義

〔z}  1. 1. 1課題研究的背景和意義

    電阻測(cè)量在實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)以及生產(chǎn)中具有非常重要的作用,由于電阻阻值范圍很大,不同類別的電阻測(cè)量時(shí)需要考慮的影響測(cè)量誤差的因素各有不同,所以不同的類型的電阻測(cè)量的方法不盡相同。在電路中普遍存在著接觸電阻和導(dǎo)線電阻,當(dāng)電流通過這些接觸電阻和導(dǎo)線電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降,對(duì)于大電阻而言,這些接觸電阻和導(dǎo)線電阻的影響可以忽略不計(jì),但是對(duì)于微電阻來說,接觸電阻和導(dǎo)線電阻的阻值是無法忽略的,會(huì)在微電阻的測(cè)量中造成相當(dāng)大的干擾,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致微電阻測(cè)量結(jié)果的較大誤差.因此,一般的大電阻測(cè)量通常采用萬能表就能較為**的測(cè)量出來;但是微電阻的測(cè)量一直是個(gè)較大題,這些電阻由于阻值很小,通常為毫歐級(jí),檢測(cè)到的微弱信號(hào)幅度很小,往往還會(huì)被噪聲信號(hào)所淹沒,常規(guī)的萬用表測(cè)量方法不可能把微電阻阻值**地檢測(cè)出來。
    在電氣設(shè)備的檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)過程中,常常會(huì)碰到由于忽略某些小電阻的影響而引起測(cè)量數(shù)據(jù)與理論值之間存在較大偏差的情況,從而影響到測(cè)量結(jié)果。例如:電腦連接線中的電阻、控制儀表中的導(dǎo)線電阻、斷路器連接片中的金屬接觸電阻、繼電器觸點(diǎn)的接觸電阻等。但實(shí)驗(yàn)室、研究所和工廠在實(shí)際生產(chǎn)研究過程中又不得不進(jìn)行這些微電阻的測(cè)量工作。因此,設(shè)計(jì)高精度的微電阻測(cè)試儀是十分必要和重要的‘”。
    1. 1. 2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀
    目前,數(shù)字式歐姆測(cè)量?jī)x大多數(shù)為數(shù)字萬用表,數(shù)字萬用表又分為手持式和臺(tái)式。手持式數(shù)字萬用表是一種工具型表,測(cè)量精度較低,無法滿足微電阻測(cè)量的精度要求;而且測(cè)量下限高,覆蓋不了毫歐級(jí)電阻的測(cè)量;臺(tái)式數(shù)字萬用表雖然測(cè)量精度高,但使用環(huán)境要求相當(dāng)嚴(yán)格,大多數(shù)儀表只有在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下,才能保證較高的精度。接觸電阻的測(cè)量有許多方法,如運(yùn)算放大器法、比率法和恒流源四線法等。由于運(yùn)算放大器的偏移和漂移也會(huì)引起工作電流的變化,故該方法適合于幾百歐姆至幾兆歐姆的中阻值測(cè)量。比率法同經(jīng)典式的電位差計(jì)測(cè)量電阻原理相同,該方法精度較低,多用于手持式萬用表中。恒流源四線法可以排除引線與被測(cè)電阻之間的接觸電阻的影響,特別適合微電阻的測(cè)量〔3]
    日本學(xué)者I}}ao Minowa等提出用超導(dǎo)量子器件測(cè)量,H. Aichi提出利用電解槽法測(cè)量,波蘭學(xué)者Jerzy Kaczzmarek等提出用三次諧波法測(cè)量。這些測(cè)量方法一般是在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行電接觸研究中所采用的方法〔們。
    直流微電阻智能化測(cè)試儀在近些年發(fā)展的比較快。國(guó)內(nèi)己有多家公司開發(fā)出多款產(chǎn)品。直流微電阻測(cè)試大多采用微歐儀,一般采用電流恒流源,電流一般為100A, 200A,其大電流的恒流效果采用高頻開關(guān)電源和大電流變壓器實(shí)現(xiàn)。但目前市場(chǎng)上的這些測(cè)試儀測(cè)試電流較大、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng),因此對(duì)被測(cè)電阻有溫升的影響,使其降低了測(cè)量的精度;而且這些測(cè)試儀的體積和重量都比較大,現(xiàn)場(chǎng)攜帶不方便,其成本也相對(duì)較高fsl 國(guó)內(nèi)外在微電阻測(cè)試儀的電源選擇上,通常有兩種方法,一種是選用恒電流作為電源,另一種是選用脈沖電流作為電源。兩者各有優(yōu)劣,考慮到電阻通電時(shí)間過長(zhǎng),會(huì)引起電阻溫度變化進(jìn)而影響電阻阻值,脈沖電流作為電源是個(gè)比較好的選擇;但是,脈沖電流源對(duì)檢測(cè)的時(shí)序有非常嚴(yán)格的要求,在實(shí)際工程應(yīng)用中受限較多;因此,在實(shí)際應(yīng)用中,檢測(cè)時(shí)間不長(zhǎng)的情況下,以恒流源作為電源也是比較好的選擇。
1. 2課題的問題、基本思路和研究方法
1.2.1課題研究的問題
    本課題研究的微電阻測(cè)量主要問題及困難有:
    1.誤差源分析及解決方案的比較選擇;
    2.對(duì)測(cè)試儀模擬電路部分的設(shè)計(jì)及內(nèi)部、外部影響因素的抗干擾能力;
    3.快速、簡(jiǎn)便的測(cè)量過程及測(cè)量的高精度設(shè)計(jì);
    4.模擬電路、數(shù)字電路及總體電路調(diào)試,軟、硬件聯(lián)調(diào)。
1. 2. 2課題研究的基本思路
    1.深入分析各個(gè)誤差源,研究各種微電阻測(cè)試?yán)碚摵图夹g(shù),掌握各環(huán)節(jié)誤差的解決方法,結(jié)合實(shí)際情況開發(fā)快速的高精度測(cè)量手段;
    2.使用C51系列單片機(jī)開發(fā)工具并編寫整個(gè)系統(tǒng)的程序;
    3.由于測(cè)量電阻的跨度比較大(0. O1mS}-1. 9999kSZ ),因此宜采用分段進(jìn)行測(cè)量,對(duì)電阻值測(cè)量分為5檔;
    4.擬采用的電路接線方法為四線制、測(cè)量方法為電流反向兩次測(cè)量法。
1. 2. 3課題研究的方法和基本內(nèi)容
    本系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩大部分,相應(yīng)內(nèi)容有:
    1.深入研究微電阻測(cè)量理論,分析誤差來源及其解決方法;
    2.分析和選擇各種微弱信號(hào)處理芯片、電路放大芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片,進(jìn)行電路圖的設(shè)計(jì)和繪制;
    3. PCB板的繪制、制作及調(diào)試,特別是注重抗干擾設(shè)計(jì),以期達(dá)到精度要求;
    4.熟悉嵌入式系統(tǒng)及芯片,用相應(yīng)的開發(fā)工具和調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)嵌入式程序的編寫與仿真;
    5.硬件與軟件系統(tǒng)的綜合調(diào)試,用對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)為電阻來檢驗(yàn)測(cè)試儀誤差,對(duì)其進(jìn)行調(diào)理以達(dá)到預(yù)期目的。
1. 2. 4課題研究的目標(biāo)及預(yù)期的效果
    課題研究的目標(biāo)有:
    本測(cè)試儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)制作完成高性價(jià)比、速度快、成本低、精度高、測(cè)量范圍廣、體積小重量輕的微電阻直流測(cè)試儀。由于市場(chǎng)對(duì)于微電阻測(cè)試儀寬量程的需要,委托我們進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)的廠家要求將測(cè)量范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訉?,因此本測(cè)試儀的測(cè)量范圍確定為0. O1mS2-1. 9999kS2o
    通過對(duì)電流、電壓信號(hào)的**采集、濾波、放大、補(bǔ)償、A/D以及利用單片機(jī)對(duì)測(cè)量獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示,達(dá)到快速測(cè)量微電阻的目的。深入分析并研究電路本身以及測(cè)量環(huán)境的外界各種干擾因素對(duì)測(cè)量的影響,以達(dá)到對(duì)微電阻的測(cè)量精度的要求。
    課題研究的預(yù)期成果有:
   1.電流、電壓信號(hào)的**采集、測(cè)量以及處理,并研究電路本身以及測(cè)量環(huán)境的外界電磁干擾對(duì)測(cè)量的影響,盡量減少測(cè)量誤差;
    2.在嵌入式開發(fā)工具上實(shí)現(xiàn)單片機(jī)C語言和匯編語言的編寫、調(diào)試與仿真;
    3.掌握高精度微弱信號(hào)的PCB板繪制、制作及調(diào)試。
    本儀器的適用對(duì)象:各種線圈的電阻,開關(guān)、插頭等儀器的接觸電阻,大截面導(dǎo)體電阻等。
    測(cè)試儀的參數(shù):
    測(cè)量范圍:
    電阻測(cè)量范圍為:0. O1mS2-1. 9999kS2
    電阻測(cè)量分為五個(gè)量程測(cè)試檔:
    量程1:  0. O l mS2-19 9. 9 9mS2
    量程2:  0. 1「mSZ-1. 999952
  量程3 :  1 mS};-19. 9 9 9S2
量程4:  1 Om!2-199. 9952
量程5:  1 OOr15Z-1. 9999kSZ
測(cè)量誤差:
工作環(huán)境:溫度為。0C-400C,濕度為《90}RH
工作誤差:
量程1, 2誤差為:士0. 4%讀數(shù)值士4個(gè)字
量程3,  4,  5誤差為:士0. 2%讀數(shù)值土4個(gè)字
數(shù)據(jù)輸出:
*小分辨率:10 }S2
電阻測(cè)量值輸出:六位LED數(shù)碼管、RS232
測(cè)量速度:2次/秒
     儀器使用方法:
    開機(jī)后預(yù)熱15分鐘;
    選擇適當(dāng)?shù)牧砍?
    儀器要先調(diào)零才能使用,調(diào)零時(shí)應(yīng)當(dāng)將測(cè)試夾短路。
1. 3本章小結(jié)
    本章首先介紹了直流微電阻測(cè)試的背景和意義,再基于對(duì)該課題的現(xiàn)狀研究,提出了自己的研究思路、技術(shù)路線和目標(biāo),即設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)高精度直流微電阻測(cè)試儀。
    本文接下去將在**章探討直流微電阻測(cè)量的理論基礎(chǔ),第三章介紹高精度直流電阻測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì),第四章描述高精度直流電阻測(cè)試儀的軟件計(jì),第五章則是整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試的過程與結(jié)果的得出與分析,*后第六章則對(duì)本高精度直流測(cè)試儀的研究與開發(fā)做了簡(jiǎn)要的總結(jié)和展望。








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