低噪声四线制测量装置及方法与流程

低噪声四线制测量装置及方法
【技术领域】
1.本发明涉及一种电子技术领域，尤其涉及一种低噪声四线制测量装置及方法。


背景技术：

2.用开尔文(kelvin)四线检测方法在微弱信号测量方面的应用问题。由于微弱(电压，电流，电阻)信号本身的幅度过小，而噪声信号的幅度可能是微弱信号的几倍，这就造成有用微弱信号本身被噪声信号所淹没，微弱信号在必须的放大过程中噪声信号也被放大，这就造成微弱信号精确测量十分困难。很多物理量都是要先转换为电信号之后才能进行测量，这些物理量信号本身就很微弱，转换成电信号后更加微弱，因此微弱信号精确测量是目前很多领域都感到非常困难的普遍问题。但是微弱信号的高精确检测技术应用十分广泛，如：科研、工程制造、航空航天、军事、医学等领域都需要测量各种微弱信号。而且微弱的信号测量过程中还会受到各种各样的干扰，检测起来非常困难。新发明的四线制测量夹可以使测量回路中信号所受到激励电流信号的干扰减到很小，提高了测试仪器输入端的信噪比，从而提高了弱信号的测量精度。
3.电阻是电路的重要组成元件，因此测量电阻是电学测量的基础技术，常见的测量电阻原理是给予一个激励电流源，测量电阻两端的电压降，根据欧姆定律计算出电阻值。万用表测量电阻就是基于此原理。目前常用的测量电阻的方法主要有二线制和四线制。
4.1.二线制法测量电阻原理
5.所谓二线制，顾名思义，就是只利用两根导线去连接被测电阻，电阻两端有两个探针接触，先测量流过电阻的电流值，再测量电阻两端的电压值，利用欧姆定律就可以算出电阻值，工作原理如图5所示：其中r为待测电阻，r1,r2 是测量导线电阻，r3,r4是接触电阻，一般的导线传导电阻范围在1mω～100m ω，表笔和待测点的接触电阻也在mω级别。
6.我们希望确定所测量的电阻器r的电阻值，总电阻值：rz＝v/i＝r1 r3 r2 r r4 r2，显然用这种方法测量出来的rz除了要测量的电阻r的值外，还增加了r1,r2,r3,r4这四个多余的电阻值，测量结果只是个近似值，很不准确，仅当这四个电阻和r相比很小时才能使用。但是这种方法简单方便，使用普通万用表就能测量，所以在平时要求不很精确，电阻在ω级别时仍然很有用。
7.2.四线制测量电阻原理
8.四线检测也被称为开尔文(kelvin)四线检测，由英国物理学家威廉
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汤姆森
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开尔文勋爵(william thomson,lord kelvin)在1861年发明的开尔文电桥测量低电阻，其电路连接方法如图6；图6对应的电路原理如图7：图7 中r1,r2为电流测量导线电阻，r5,r6为电压测量导线电阻，r3,r4,r7,r8为测量导线接触电阻。电流的路径与图5中相同，但是测量电压使用的是另外两个接触点，尽管电压计测量的电压也包含了导线电压降和接触电阻产生的压降，但由于电压计的内阻很大，通过电压计的电流非常小，因此，导线电压降r5， r6，及产生的接触电阻r7,r8和电压计的内阻比非常小，通常约为几千分之一甚至更小，所以可以忽略不计，测量的电压值基本上等于电阻器两端的电压值。通过采用四线制法取代二线
制法，尽管电流所走的路径是一样的，但由于消除掉了r1,r2,r3,r4上产生的电压降，使得测量变得精确了。四线制法在 kelvin使用之后，变得十分普及，也有叫四探针法，原理是一样的。
9.目前常用的四线制在测量微小电阻时存在的问题：
10.采用四线制法代替二线制法，确实提高了测量精度，一般电阻在欧姆ω级别使用效果是不错的。但是用在毫欧mω、微欧μ欧级别使用则出现了新的问题，难以测量准确，有时每一次测量探针的角度有一点点变化就会引起测量阻值在很大范围变化，甚至每一次数值都不一样，特别是在测量电源是高頻交流信号时，噪声信号甚至会是有效信号的几倍，实验中把图三中的r5,r6,r7,r8都测量出来去掉，仍然不能得到稳定的测量值。这些噪声信号纠竟是哪里产生出来的呢？把测量线双绞、屏蔽都不解决问题，噪声依然存在。四线制测量无法在毫微欧级别使用了吗？面对这个难题，现实应用中的很多使用交流信号源的测量仪器通过在电路中增加带通滤波器来解决，虽然花了很大的代价可以降低噪声信号，但是不能完全消除；使用直流信号源的测量仪器通过电流正反向测量两次相加除2的办法来降低噪声，但是都不能完全消除；经过大量的反复实验，找到了大大降低噪声信号的解决办法。


技术实现要素：

11.经过大量的反复实验，找到了噪声信号产生的原因：噪声信号是由测量回路中电流线上电流流过时产生的磁场引起的，根据电磁场理论可知，当导体有变化电流流过时就会在导体周围产生变化磁场，而变化的磁场又会在导体附近的导体回路里产生感应电势，一般四线制测量线呈“丫”字型连接，电流线电流通过被测电阻形成
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型闭合回路，当测量电流流过这个闭合回路时产生的磁通变化在电压线回路中产生感应电势，这个感应电势就是造成测量信号噪声的原因而提供一种低噪声四线制测量装置。
12.本发明是通过以下技术方案来实现的：
13.一种四线制测量装置，所述测量装置包括测量总线，所述测量总线包括至少2条电压测量导线和至少2条电流激励导线，所述电压测量导线、所述电流激励导线分布在待测电阻r两侧，电流回路和电压回路除被测电阻外无其它交集。
14.优选地，所述测量装置还包括第一测量夹具、第二测量夹具，所述测量总线一端分别与所述第一测量夹具、第二测量夹具连接，所述测量总线另一端与测量设备相连接。
15.优选地，所述两条电流激励导线在所述第一测量夹具和所述第二测量夹具固定区域回绕布线，形成不与电压测量线区域交叠的独立区域s1。
16.优选地，所述两条电压测量线通过伸缩盒连接，形成不与电流激励导线区域交叠的独立区域s2。
17.优选地，所述两条电压测量导线的一条和所述第一测量夹具连接，所述电压测量导线的另一条通过同所述第二测量夹具连接。
18.优选地，所述两条电流激励导线的一条和所述第一测量夹具连接，所述电流激励导线的另一条同所述第二测量夹具连接。
19.优选地，所述两条电压测量导线为电压测量导线双绞，所述两条电流激励导线为电流激励导线双绞。
20.优选地，所述两条电流激励导线分别为电流线i 、电流线i-，所述两条电压测量导
线分别为电压线v 、电压线v-。
21.优选地，所述两条电压测量导线、所述两条电流激励导线先连到所述第一测量夹具后端，然后一条电压线v 、一条电流线i 分别与所述第一测量夹具前端导体相连接，另一条电压线v-穿过第一测量夹具并且与所述第二测量夹具的前端导体相连接，另一条电流线i-穿过第一测量夹具并且与所述第二测量夹具的前端导体相连接。
22.一种低噪声四线制测量装置的使用方法，包括如下步骤：
23.(1)首先，把两条电压测量导线及两条电流激励导线放在被测量电阻两侧，使电流回路和电压回路除过被测电阻外没有其它交集；
24.(2)在测量过程中第一测量夹具与第二测量夹具之间平行靠近被测电阻，充分利用伸缩盒的收线功能使s2的区域面积越小越好；
25.(3)在测量过程中第一测量夹具与第二测量夹具之间平行靠近被测电阻，使 s1的区域面积越小越好；
26.(4)对于在测量过程中多次测试同一个电阻，在下一次测量过程中保持s2、 s1的区域面积同上一次测量时的相同。
27.本发明相对于现有技术的有益效果：
28.(1)低噪声四线制测量装置结构简单，设计合理，使用方便，节约成本；
29.(2)低噪声四线制测量装置在测量时，把这两条测量连线放在被测量电阻两侧，使电流回路和电压回路除过被测电阻外没有其它交集，使得电流回路产生的变化磁通不会在电压回路产生感应电势，极大的减少了噪声对测量数据的影响，由于电流回路和电压回路还有被测电阻是它们共同的交集，因此还不能完全消除这种磁感应造成的噪声，但是根据电磁感应原理，由于两个回路交集面积很小很小，所以产生的感应电动势也很小,由此产生的噪声影响也很微小，比普通开尔文测量夹小了很多。
【附图说明】
30.图1为本发明低噪声四线制测量装置结构示意图；
31.图2为普通四线制测量装置测量过程中电流线产生的磁场磁力线分布图；
32.图3为本发明测量过程中电流线产生的磁场磁力线分布图；
33.图4为本发明磁场磁力线分布图；
34.图5为本发明二线制法测量电阻原理；
35.图6为本发明四线制测量电阻原理；
36.图7为本发明对应图6的电路原理；
37.附图标记：1、第一测量夹具；2、第二测量夹具；3、测量总线；31、电压测量导线；32、电流激励导线。
【具体实施方式】
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.参照图1所示，本发明提供的一种实施例：一种四线制测量装置，所述测量装置包括测量总线，所述测量总线包括2条电压测量导线和2条电流激励导线，所述电压测量导线、所述电流激励导线分布在待测电阻r两侧，电流回路和电压回路除被测电阻外无其它交集。
40.作为上述技术方案的进一步描述：所述测量装置还包括第一测量夹、第二测量夹，所述测量总线一端分别与所述第一测量夹具、第二测量夹具连接，所述测量总线另一端与测量设备相连接。
41.作为上述技术方案的进一步描述：所述两条电流激励导线在所述第一测量夹具和所述第二测量夹具固定区域回绕布线，形成不与电压测量线区域交叠的独立区域s1。
42.作为上述技术方案的进一步描述：所述两条电压测量线通过伸缩盒连接，形成不与电流激励导线区域交叠的独立区域s2。
43.作为上述技术方案的进一步描述：所述两条电压测量导线的一条和所述第一测量夹具连接，所述电压测量导线的另一条通过同所述第二测量夹具连接。
44.作为上述技术方案的进一步描述：所述两条电流激励导线的一条和所述第一测量夹具连接，所述电流激励导线的另一条同所述第二测量夹具连接。
45.作为上述技术方案的进一步描述：所述两条电压测量导线为电压测量导线双绞，所述两条电流激励导线为电流激励导线双绞。
46.作为上述技术方案的进一步描述：所述两条电流激励导线分别为电流线i 、电流线i-，所述两条电压测量导线分别为电压线v 、电压线v-。
47.作为上述技术方案的进一步描述：所述两条电压测量导线、所述两条电流激励导线先连到所述第一测量夹具后端，然后一条电压线v 、一条电流线i 分别与所述第一测量夹具前端导体相连接，另一条电压线v-穿过第一测量夹具并且与所述第二测量夹具的前端导体相连接，另一条电流线i-穿过第一测量夹具并且与所述第二测量夹具的前端导体相连接。
48.参照图1所示，本发明提供的一种实施例：一种低噪声四线制测量装置的使用方法，包括如下步骤：
49.(1)首先，把两条电压测量导线及两条电流激励导线放在被测量电阻两侧，使电流回路和电压回路除过被测电阻外没有其它交集；
50.(2)在测量过程中第一测量夹具与第二测量夹具之间平行靠近被测电阻，充分利用伸缩盒的收线功能使s2的区域面积越小越好；
51.(3)在测量过程中第一测量夹具与第二测量夹具之间平行靠近被测电阻，使s1的区域面积越小越好；
52.(4)对于在测量过程中多次测试同一个电阻，在下一次测量过程中保持s2、 s1的区域面积同上一次测量时的相同；这种方法使得电流回路产生的变化磁通不会在电压回路产生感应电势，极大的减少了噪声对测量数据的影响，由于电流回路和电压回路还有被测电阻是它们共同的交集，因此还不能完全消除这种磁感应造成的噪声，但是根据电磁感应原理，由于两个回路交集面积很小很小，所以产生的感应电动势也很小,由此产生的噪声影响也很微小。
53.参照图2-4所示，本发明提供的一种实施例：从图2和图3的对比结果可以清楚的看出它们的结构的不同，图3的电流线和电压线分别位于被测量电阻两侧，这就形成了两个并
不交迭的区域。
54.上面图3黑点区域s1是表示电流测量线感应磁场区域， 号区域s2是表示电压测量线感应磁场区域，从这个图可以明显看出，这两块区域虽然邻近但是没有交迭，仅当电流流过测量电阻时在电阻身上有一点交集。这样电流线产生的感应磁场就不会在电压线上产生出感应电压，从而减少了干扰信号强度。大量试验测量数据表明正是由于电流线和电压线分别位于被测量电阻两侧这一点改变，产生的磁通干扰比普通测量夹小90％，比图3测量夹小20％。
55.本发明专利测量装置测量数据和图3测量夹测量数据对比如下：
[0056][0057][0058]
由于使用本发明的测量夹，把电池内阻仪测量精度从测量0.5毫欧提高到0.1毫欧，虽然数据上看只提高了0.4毫欧，但是这个在内阻测量行业来说是巨大的进步，因为电池容量越大内阻越小，这0.4毫欧的提高，把内阻仪的测量范围电池容量从几十安时提高到
几百安时，仪器的价值就可以提高了一倍。更具体的应用例子是2018年我们给深圳号军舰送了一台电池内阻测试仪，最小只能测量到0.4毫欧，他们已经很高兴，因为还没有这个精度的电池测量仪器，那时的电池可以勉强使用，但是呢我国的军舰装备更新很快，急需更高测量的精度的内阻仪，现在使用本发明的测量装置的内阻仪即将完成，届时也会首先送给深圳号军舰先用，作为本发明的第一个使用实例。
[0059]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。