电阻标准的保存
一级和二级标准实验室都保存着电阻的工作标准,用来校准分流器、电桥、分压器及其它电阻设备和电阻测量仪器。工作标准的溯源性通过周期性地和实验室的一级电阻标准进行比较来保持。
之前介绍的各种类型的单值标准电阻器的现有商品都是按十进制序列取值的,其数值范围从0 .000 01Ω到100 MΩ。由于提高稳定性、降低电阻的功率系数、降低与铜导体连接时的热电动势等方面的要求,多年来这些标准电阻的机械结构设计不断进步。
本地标准实验室通常具有若干组这种电阻器,并将它们保存在搅拌油槽中,以便使电阻器保持在标准温度之下。实验室对这些电阻器的数值互相进行比较,并将其与NIST可溯源的运输标准或本地的QHE装置进行比较。进行这种比较所用的技术将在下面的“电阻器的相互比较”一节进行介绍。
虽然,运输标准也可以采用其它的数值,但是其数值通常是10 kΩ或1 Ω。首先,把NIST对这些运输标准所赋的数值传递给本地标准电阻组中的电阻器。然后,本地标准电阻组中的电阻器就可以用来给工作标准(如福禄克公司的742A)进行赋值。
用10 kΩ而不用1 Ω来保存实验室一级电阻标准的好处是,当把该电阻的量值扩展到其它的电阻量值时,积累的误差较小。例如,从1Ω的一级标准电阻开始校准1 MΩ的标准电阻,将需要6次10 :1的比率测量。在每一步的测量中都会积累一些误差。而如果从10 kΩ的一级标准电阻开始,则校准工作只需要2次10:1的比率测量就能完成。
理想的情况是,同时用1 Ω和10 kΩ来保存一级实验室电阻标准。这样对于高、低数值的实验室标准电阻来说都会减小积累的误差。而且,还可以通过比较从1 Ω标准电阻向上和从10 kΩ标准电阻向下,用比率的方法校准1Ω和10 kΩ之间的十进电阻器时的差别,来对实验室测量过程的准确度和重复性进行很好的检查。
电阻器的相互比较
准确的电阻测量可以通过把未知电阻和已知数值的标准电阻器作比较来进行。假定在进行测量的期间内,测量设备是稳定的、可重复的,那么就可能以很高的准确度、很低的不确定度来比较两个电阻器。当两个电阻器的阻值之差减小时,其测量误差也减小。当然,这种方法的限制因素是标准电阻的数值的不确定度。
2端和4端电阻器
测量电阻的一种方法是,使一已知的电流流过该电阻,然后测量该电流在电阻两端产生的电压降。依据传送电流和测量电位时连接方法的不同,所获得的测量结果也会有所变化。现在考虑电阻器的一端的情况。我们把末端装有铲形焊片的测试导线连到螺旋接线柱上。如果传送电流的导线位于接线柱的底部,紧靠着电阻元件,那么测量电位的导线所探测到的将不仅是电阻元件上的电压降,而且还有电流流过传送电流的导线的接触电阻时产生的电位差。见图8-3。
此接触电阻随着接触点的清洁程度、接触面的大小、螺旋接线柱旋紧的程度而变化。通常这种变化有几个毫欧。如果此变化为2 mΩ(每端各为1mΩ),标准电阻器为1 Ω,则误差为0.2%,这对于精密测量来说是不可接受的。如果把测试导线反过来,使得测量导线紧靠着电阻元件,那么误差将大大减小。但是,接触电阻的变化仍然超过标准实验室高质量测量的要求。
不论使用什么样的测量技术,2端电阻器的电阻值总会受到所使用的连接方法的影响。因此,低阻值的标准电阻器和分流器都做成4端结构:两个端子供连接电流;两个端子供连接电位。如图8—4所示,通过电阻的输入电流从左边的电流端子流过,而电阻上的电压降则出现在右边的两个端子之间。4端电阻器的电阻值则定义为在电压端子之间测量出的电阻值。
阻值为100 kΩ及其以上的标准电阻通常为2端电阻器,因为2mΩ的变化对于100kΩ来说误差只有0.2ppm。
电阻的精密测量通常使用电桥的方法来进行。在比较标称值相等的电阻时,很容易获得小于1ppm的不确定度。在不需要这种等级的不确定度时,可以使用其它更方便的测量方法。下面讨论一些更流行的电阻测量方法。
数字欧姆表
现在,指针偏转型的测量仪器大多数已经被更准确、具有很多其它优越性能的数字式仪器所取代。一台高质量的数字多用表的电阻测量的准确度,在中档量程(1 kΩ到1MΩ)为几个ppm的数量级,对于较高和较低的量程则降低到100ppm。对于廉价的数字表(如手持式多用表)来说,其典型的准确度为0.5%的数量级。
除了数字读出值的优点之外,数字多用表中的欧姆表电路的特性,使其读出值随被测电阻的数值呈线性变化。所以,比起指针偏转型的欧姆表来,数字欧姆表能够大大地提高其分辨度和准确度。在DMM的输入端连接2端电阻的典型情况电路图示于图8—5。
从“源”端子送出的已知恒定电流连到被测电阻Rx上.在Rx上产生的电压降由“取样(sense)”端子进行测量。由于电流的幅度是已知的、恒定的,所以可以把电压的读数变换成以欧姆为单位的电阻读数。
在测量高电阻时,保证测量准确度的一个重要因素是,电压测量电路具有很高的输入电阻,其典型输入电阻大于10 000MΩ。在更昂贵的数字多用表上,为了提高低电阻量程的准确度,可以将电流源端子和电压测量端子分别连到被测电阻上,形成4端欧姆表的连接方式(图8—6)。
由于没有把连接导线的电阻当作被测电阻的一部分予以测量,所以这种测量方法比2端连接的测量方法准确度要高。
DMM的传递测量
一些现代的 7½ 位、 8½ 位DMM具有很好的电阻测量能力。虽然通常在进行电阻读数测量时,其不确定度不是非常低,但是其高分辨度、极好的线性度和短期稳定性,使得这种DMM在比较阻值近乎相等的电阻器时非常有用。
见图8—7:
使用这种方法时,用下述方程式来求出Rmeas:
式中:Rmeas—未知电阻器的阻值;
Rstd —标准电阻器的阻值;
Rdga —Rmeas的DMM读数;
Rdgb —Rstd的DMM读数。
这种方法对于1 kΩ以上的阻值效果特别好,可以获得大约1ppm的传递不确定度。把DMM切换到直流电压方式,可以测量出电路中的热电动势。如果电路中存在热电动势,那么,把DMM的测试导线互换,重复进行测量并求平均值,可以部分地对热电动势进行补偿。
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