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Hold住低电压测量(一)

已有 381 次阅读2012-5-28 16:29 |个人分类:测试测量| 关键词:

进行精密、准确的电压测量技术已为人们所熟知。但是当测量分辨率必须扩展到1微伏以下时,很多方法就达不到要求了,例如工业环境下温度、压力、力等物理参数的测量就属于这种情况。

例如,工业温度的测量通常需要0.1℃的分辨率。但是这类测量的数据必须记录到0.01℃或0.001℃,以确保所需的测量精度。这一量级的温度变化对应的电压变化为微伏量级甚至更低,因此大多数热电偶的灵敏度约为40μV/℃。

误差源

这些极低电压测量过程中可能会引入大量原本在高电平下可以忽略的噪声误差。这些误差源包括约翰逊噪声、热电EMF、磁场和接地环路。掌握并尽可能减小这些因素的影响对于提高低压测量效果是至关重要的。

热电EMF和约翰逊噪声

热电或约翰逊噪声电压会限制所有电气测量的最终分辨率。它是由电路电阻内部的热骚动引起的。

这种噪声电压为

其中:k是玻尔兹曼常数,1.38×10-23焦耳/K

T是温度,单位为°K

R是电阻,单位为Ω

B是噪声带宽,单位为Hz

这个公式表明,降低温度、电阻或噪声带宽可以减少电路噪声

通过一定的滤波措施降低噪声带宽可以减少热噪声。但是,这也会延长获得指定精度所需的测量时间。

降低电路电阻可以减少某些情况下的噪声。但是,当检测电流时这种方法无助于解决问题,因为它降低信号的幅度比热噪声还大。例如,在测量电流方法中如果降低电阻100倍,可以减少噪声10倍。但是根据欧姆定律,降低电阻100倍也会将待测电压降低100倍,这就使得噪声电压相比之下更大了。

热电电压是低电压测量中最常见的误差源。当电路的不同部分处于不同温度,或者当由不同材料制成的导体连接在一起时,例如普通的焊点,就会出现这种电压。例如,附着在铜上的引线锡焊的热电EMF3μV/℃。

构建电路时导线使用相同的材料能够最大限度减少热电EMF。还可以采取其它措施尽量减少热电EMF。例如,由卷边铜套管和接线片制成的接头构成的是冷焊铜-铜连接点,其产生的热电EMF很小。

尽量减少电路内部的温度梯度也有利于减少热电EMF。常见的做法是将所有连接点放得靠近,提供连接到共用大块散热片的良好热耦合。这种耦合必须通过具有较高热传导率的电绝缘体来实现。由于大多数电绝缘体导热性能都不好,必须采用一些特殊的绝缘材料实现连接点到散热片的耦合,例如硬阳极氧化铝、氧化铍、特殊填充的环氧树脂、蓝宝石或者金刚石等。

此外,允许测试设备预热,在恒定的环境温度下达到热平衡,也有利于最大限度减少热电EMF。产生的其余热电EMF相对固定,一般可以通过测量仪器上提供的零位调整功能进行补偿。为保持环境温度恒定,设备应尽量远离直接光照、排气扇之类的热源或冷气源。

 

 

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