低电压测量中常见的误差来源分析

2016-09-12 08:18:32来源: dzsc 关键字:低电压测量  误差来源
  热电电压(热电动势)是低电压测量中最常见的误差来源。当电路的不同部分处在不同的温度之下,或者当不同材料的导体互相接触时,通常就会产生这种热电电压,如图1所示。各种材料相对于铜的赛贝克(Seebeck)系数(QAB)列于表1。

表1 赛贝克系数

  使用相同材料的导体来构建电路可以将产生的热电动势降至最低。例如,使用铜制套筒或接线片来连接铜导线,也就是形成铜 -铜的连接,将会产生最小的热电动势。而且,连接处还必须保持清洁、没有氧化物。铜制套筒与铜压制在一起的连接(又称为“冷焊接”)不会出现氧化层,这时可达到 ≤0.2μV/℃的赛贝克系数;而铜与氧化铜的连接则可能产生高达 1mV/℃的赛贝克系数。

  将电路中的温度梯度减至最小也可以降低热电动势。使温度梯度降至最小的一种方法是将相应的结点对放置在互相接近的地方,并与一个公共的、大的散热器实现很好的热接触。必须使用高导热系数绝缘体,因为大多数绝缘体都不能很好地传导热量,所以必须使用硬质阳极化铝、氧化铍、特别填充的环氧树脂、蓝宝石或者金刚石等类的特殊绝缘材料来实现与散热器的接触。

  对测试设备进行预热并使其在恒定的环境温度下达到热平衡也能使热电动势效应达到最小。如果热电动势相对为恒定的话,使用仪器的消零功能也能够补偿任何剩余的热电动势。为了使环境温度保持恒定,应当使仪器设备避开阳光直射、排气扇以及其它类似的热流源或者气流。用绝缘泡沫(例如聚亚安酯)将连接点包裹起来,也能够使由于空气流动引起的温度波动降至最小。

  1  避免热电动势的连接方法

  如图1所示,简单的低压电路通常由处在不同温度下的不同材料连接在一起而构成。这样就会产生若干热电动势源,所有这些热电动势源都与电压源和电压表串联。而电压表的读数则是所有这些源的代数和。因此,不使信号源和测量仪器之间的连接电路影响测量读数是非常重要的。以下各段将介绍一些很好的电路连接方法,以便使热电动势的电压达到最小。

  如果所有的电路连接都用一种金属材料来实现,那么在测量工作中所引入的热电动势将是可以忽略的。然而这并非总是可以做到的。测试夹具常常采用弹簧触点的连接方法,这些触点可能由磷青铜、铍铜合金或者其它具有高赛贝克系数的材料制成。在这些情况下,很小的温度差别就可能产生相当大的热电动势,足以影响测量的准确度。

  如果无法避免使用不同材料的话,则应当通过使用散热器或者将电路与热源隔离的方法,来减少测试电路内的温度梯度。

  测量低温环境下的源时可能会出现一些特殊的问题,因为连接低温条件下的被测样品和电压表时常常要使用一些导热系数比铜低的金属,例如铁等。这样就会在电路中引入不同种类的金属材料。此外,由于源可能处在接近0K的温度之下,而电压表则处在300K的温度之下,这就出现了很大的温度梯度。适当的选配低温容器和电压表之间连接导线的材料成分,并且保持所有不同金属材料结点对都处在相同的温度之下,就能够以很好的准确度来进行非常低电压的测量。

  2  反向法来抵消热电动势

  在测量小电压的时候,例如测量两个标准电池的电压差或者测量两个背对背连接的热电偶的电压差时,可以采用反向的方法来抵消寄生热电动势所产生的误差。其方法是先进行一次测量,然后小心地交换两个源的极性(如图2),再进行第二次测量。这两个测量读数之差的平均值就是我们所希望的电压差。

  在图2中,电压源Va、Vb代表两个标准电池(或者两个热电偶)。在图2a中测量出的电压为:

  在图2b中将两个标准电池反向,测量出的电压为:

  两次测量值之差的平均值为:

  注意,这种测量技术有效地抵消了电路中的热电动势项(Vemf)。这个热电动势项包括电路中所有热电动势的代数和,但不包括Va 、Vb 两个电压源之间的连接部位所产生的热电动势。如果被测电压是由电流流经一个未知电阻而产生的,那么可以采用电流反向法或者偏置补偿欧姆法来消除热电动势的影响。

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编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016091217180.html
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