高精度极限电阻的测试技巧

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据是德科技大中国区电源和通用产品市场经理饶骞介绍,电路设计中会用到不同阻值的电阻,小到mΩ、μΩ的大电流分流器,大到GΩ、TΩ的绝缘材料。为了提升设计的可靠性,需要对这些器件做高精度验证和测量,但是这极具挑战性。

 

饶骞分析了传统的极限电阻测试中存在的问题,提出了针对不同阻值的极限电阻的精确测量手段和方法,包括三个部分:小电阻的高精度测量、超高电阻测量、材料漏电流或绝缘阻抗测量。

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小电阻的高精度测量

他介绍说,众所周知的电阻测量方法是采用数字万用表(根据欧姆定律),2线法比较常用,但是要提升电阻的测量精度,就必须转为4线法测量,从而抵消测试引线电阻。

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但是事情没有这么简单。以10mΩ小电阻、4线法,以及用34465A(6½位)高精度万用表测量为例,读数为16.5mΩ,有65%误差。问题出在哪?最小100Ω电阻档对应的测试电流只有1mA,因此所产生压降只有50mΩ×1mA=50μV。而最小DC电压测量档为100mV,两者相差2000倍,量程误差太大,因此不能实现精准测试。

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如何改进呢?他介绍说可以采用34420A纳伏微欧表(最小1Ω电阻档对应测试电流1mA,最小DC电压档1mV)并通过增大测量时间(以便平均掉差模噪声)来改进(注:PLC是指工频时间)。

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如果还嫌测量精度不够,则可以采用B2900高精度电流源来进一步改进——其精度和6½位万用表差不多,但驱动电流可以大1000倍。

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此外,还可以采用B2900电流源(只是用低噪声电流源而不是用其测量功能)+34420A纳伏微欧表来再进一步提高测量精度。

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此外,电流会引起热偏置电压以及自热现象而对测量不利。要消除这两种不利影响,则可以使用B2961A的正负电流激励来消除电阻两端的热电势,或使用脉冲电流来降低自热。

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不同注入电流给电阻测量值带来的影响:优化注入电流,获得最佳测试精度(从图可知,500mA下的曲线最优)。

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那么,有人又想知道小电阻(比如大电流分流器)在大电流情况下的真实情况怎样(从而在软件建模时进行修正)。这时就可以采用RP79APS高性能电源系统,最大单机电流800A,电流测量精度达到0.03%,电压测量精度0.02%。然后采用数字万用表34401A测量电压,用数据采集器DAQ970A+DAQM901A模块监测温度,就可以观察到其在不同电流下以及不同温度下的电阻值是多少。

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这种测量方法还可以用来测量充电头的接触阻抗变化(氧化,最终导致爆炸)。这里就可以利用Bench Vue软件来实现全自动测试,去观察小电阻相对于大电流以及温度的变化,他补充说。这时候就可以轻松对储能电站或电动汽车等应用中所用的大电流传感器进行定标。

 

超高电阻测量

超高电阻测量,比如上GΩ或上TΩ的电阻的测量,其挑战是测量小电流。比如100GΩ电阻加上1V电压,其电流仅为10pA。这样的电流太小而很容易受到干扰而产生较大波动,有时甚至偏离成负值而使电阻测量值为负。

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业界测这种绝缘电阻常用的电压档位有100V、200V、500V和1000V。“我们测这种小电流真的是要武装到牙齿。”他强调说。

首先,测电流时,为了抑制干扰,通常采用同轴电缆或者双绞线来接线。但在测量这种小电流时这样的接线已经远远不够——这时需要用到三同轴电缆(多了一层Guard层:保安或隔离)。

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同轴电缆的信号线与接地线之间即便填充了绝缘材料,其阻值也不可能做到无限高。假如其为1GΩ的绝缘,如果加100V电压,则其漏电流为100nA。但我们要测的是pA级电流,这样的漏电流就会把真实信号淹没,他解释说。

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三同轴电缆的Guard层可提供跟中间信号线等电位的电动势,这样就可以防止内部信号线上的电流通过绝缘材料流到地。也等于给它人为制造了一个非常大的阻抗。这样就可以把漏电流做得非常的小。

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然后,还要解决测试环境和测试治具的屏蔽问题。例如为待测电阻加屏蔽,以及为测试治具加屏蔽箱。这样才能有效防止电压线对电流线所产生的干扰,以及寄生电容的影响。

 

材料漏电流或绝缘阻抗测量

解决大电阻待测器件的问题后,还有一类极限电阻测量是测绝缘材料。绝缘材料包含两种阻值:表面电阻和体电阻。

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这两种电阻的测试也是采用高阻计进行,但是需要为其定制测试夹具(大环套小环的结构)。在上下电极两端加电压测得电流,再除以距离,即得体电阻率。测表面电阻则是将电压加在下电极的外环和内环之间,这样就可以测得表面电流,进而得到表面电阻。

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利用类似测量方法还可以对钽电容的漏电流进行测量——钽电容的DC绝缘电阻需要测量,这里有漏电流存在。这时需要注意电容有充电和材料极化过程,在稳定后即可读数。

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