CN100561234C - 一种宽频开尔文双电桥及测量方法、自控系统及方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明为一种宽频开尔文双电桥及其测量方法和自控系统和方法及应用。该电桥用1kΩ双螺线型交、直流差电阻做比例元件，并采取“十字架形”的电桥总体布局，可在工作频率从直流到100kHz的宽广范围中进行同名义值电阻的比较测量。利用该电桥和1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ五种电阻量值的双螺线型交、直流差可计算电阻，测定了当前应用很广泛的1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ五种电阻量值的Tinsley5685型电阻的交、直流差。今后用这五种电阻量值的Tinsley5685型电阻开展交流电阻的检定工作。

Description

一种宽频开尔文双电桥及测量方法、自控系统及方法和应用

技术领域：

本发明属于一种在计量过程中的一种计量标准仪器及其方法，尤其涉及一种宽频开尔文双电桥及测量方法、自控系统及方法和应用，是一种作为精密交流电阻比较的比例量具。

背景技术：

电压标准和电阻标准是电磁计量的两种主要标准。原则上，只要有了这两种标准，其它的电磁量标准都可以从这两种标准导出。因此，建立稳定的高准确度的电压标准和电阻标准是电磁计量科研课题中最为重要的内容。

19世纪下半叶到20世纪上半叶，各国建立起了经典的电阻标准。经典的电阻标准是一些电阻线圈。这些线圈一旦制成后，总会有一些不易控制的物理、化学过程使其特性发生缓慢的变化，因而它们所保存的量值也会有所改变。另一方面，最高等级的经典电阻标准全世界只有一套，一旦由于天灾、战争或其它原因发生意外损坏，就无法完全一模一样地复制出来，原来连续保存的单位量值也会因之中断。针对这些问题，20世纪下半叶国际上开始了利用量子物理学的成就研制量子计量标准的努力，并取得了相当大的成功。对于电阻单位，20世纪80年代中根据德国物理学家冯克里青的重大发现研制成了量子化霍尔电阻标准。经国际计量委员会推荐，1990年1月1日起在世界范围内启用量子化霍尔电阻标准代替使用了几十年的电阻实物基准。我国也于2004年建成了量子化霍尔电阻标准。

量子化霍尔电阻标准建成以后，所有的电学阻抗，包括直流电阻、交流电阻、电容、电感、互感等的量值均需溯源到量子化霍尔电阻，以保证电学计量标准体系的一致性。由于量子化霍尔电阻标准的量值本身就是一种直流电阻的量值，所以直流电阻的溯源比较容易解决。但是，交流电阻、电容、电感、互感这几种阻抗均是在交流状态下使用的。为了使这几种交流阻抗能够溯源到直流电阻值，需要一种能准确联系直流电阻和交流阻抗量值的量具。这就是“交、直流差可计算电阻”。一方面，这种电阻的直流阻值可向量子化霍尔电阻溯源，另一方面，这种电阻的交流电阻值和其直流电阻值的差别可以准确计算。因此，把这种电阻向量子化霍尔电阻溯源所得到的直流阻值加上由计算得到的交、直流电阻值之差，就可得到溯源到量子化霍尔电阻的交流电阻值，从而完成了交流电阻值向量子化霍尔电阻溯源的过程。再通过适当的交流电桥方法，又可把交流电阻值向电容、电感、互感这些交流阻抗的量值过渡，完成所有的交流阻抗向量子化霍尔电阻溯源的过程。由上所述可见，“交、直流差可计算电阻”是所有的交流阻抗向量子化霍尔电阻溯源的过程中的核心环节。

除了在把交流阻抗向量子化霍尔电阻溯源的过程中“交、直流差可计算电阻”起着重要作用，建立交流电阻标准对于电力工业、电子工业、仪器仪表工业等方面也是非常重要的。在大部分上述实际场合中，电阻器件用于交流和高频电路。由于电阻器件中的寄生电感、电容、导线中的趋肤效应、邻近效应、周围介质的损耗等一系列因素，交流电路中电阻元件的阻抗实部并不等于直流状态下的电阻量值。所以交流标准电阻的量值不能简单地搬用该电阻器件在直流状态下的电阻值，应该直接建立“交流电阻标准”适应实际工作的需要。应用“交、直流差可计算电阻”就能从溯源到量子化霍尔电阻的直流电阻标准量值导出交流电阻的标准量值。

但是，“交、直流差可计算电阻”是一种很贵重的设备，一般不能轻易使用。通常是把它的电阻量值传递到一些商品交流标准电阻作为工作标准，再用工作标准开展实际的检定工作。另一方面，“交、直流差可计算电阻”是一种可计算电阻，电阻丝要按照特定的方式绕制，使得电阻周围的电磁场分布是规则的，从而可以准确地计算出电阻的交、直流转换差。例如国外发表的“交、直流差可计算电阻”，常常设计成一根或几根极细的电阻丝悬挂着的状态，制作十分困难。更大的问题是这样的电阻稳定性很差，特别是对机械冲击的抵抗能力弱，稍一搬动电阻值就会变化。而实际检定工作中使用的交流标准电阻则经常需要改变接线或搬动，“交、直流差可计算电阻”显然不适合在实际检定工作中使用。而作为工作标准的商品交流标准电阻，价格便宜，稳定性很好，只是内部的电磁场很复杂，其交、直流差很难计算，因此在交流状态下的电阻量值并不确切知道。一般需用电桥把商品交流标准电阻与“交、直流差可计算电阻”进行比较，求出商品交流标准电阻在交流状态下的电阻量值。然后，这样的商品交流标准电阻就能用于实际的检定工作。

由上所述，对作为计算标准的“交、直流差可计算电阻”和作为工作标准的商用交流标准电阻进行比较的电桥是实际工作中很需要的。设计用于此种目的的电桥所遇到的主要困难是工作频带问题。现代的检定工作需要作为工作标准的交流标准电阻的工作频带达到从直流到100kHz的宽广范围。因此用于比较“交、直流差可计算电阻”和商品交流标准电阻的电桥的工作频带也需从直流一直扩展到100kHz。但是，工作频带这样宽广的电桥很难设计和制作，目前在文献中尚未见到过。国外一般是用几架不同的电桥分别在几个频段中对“交、直流差可计算电阻”和商用交流标准电阻进行比较。这几个频段互相衔接，总的工作频段就能达到从直流到100kHz。

现有技术中用于比较“交、直流差可计算电阻”和商用交流标准电阻的电桥主要有两种类型。第一种是经典的开尔文双电桥。这种电桥使用直流或交流电阻作为比例臂，能很好地解决精密的四端钮电阻的测量问题。用直流电阻作为比例臂的优点是直流电阻的稳定性好，因此电桥的测量结果也有稳定性好的优点。主要问题是直流电阻的交、直流误差大，用在交流状态下时会带来很多问题。如改用交流电阻作为比例臂，就可以把工作频率扩展到几kHz。但是交流电阻的稳定性比直流电阻要差一些，所以用直流电阻作为比例臂的电桥仍有其用途。但是用于比较“交、直流差可计算电阻”和商用交流标准电阻时就必须用交流电阻做比例臂了，此时覆盖的工作频段是从直流到几kHz。

对于交流频段，变压器电桥是一种更为优秀的电桥。比例准确度高，稳定性好。变压器电桥的缺点是工作频带较窄。在直流下根本不能工作，要用一架变压器电桥全部覆盖从几十Hz到几十kHz的频段也很困难，一般需要做两架或三架变压器电桥。每一架的绕组匝数不同，工作频段也随着不同。匝数较多时工作频段为几十Hz到几百Hz，匝数较少时工作频段为几百Hz到几kHz。匝数很少时则可覆盖几kHz到几十kHz的频段，甚至达到100kHz。

从上所述，现有技术目前的技术需用三架到四架电桥方能覆盖从直流到100kHz的工作频段。这样的做法不仅操作麻烦，更大的问题是把“交、直流差可计算电阻”和商用交流标准电阻换接到几架不同的电桥上时，很容易对“交、直流差可计算电阻”造成机械冲击，引起其阻值的变化，影响了比对结果的准确性。如能设计并制作出一架能在从直流到100kHz的宽广范围中工作的电桥，就避免了上述的电阻换接问题，比较结果的准确性和可靠性也就大大增加。设计和制作工作频段覆盖从直流到100kHz的宽广范围的电桥就是本发明的内容。

发明内容：

本发明为了解决上述存在的技术问题，设计和制作了工作频段为从直流到100kHz的宽广范围的电桥，

本发明之一，设计了一种宽频开尔文双电桥，结构特点是包括双电桥两对比例臂电阻、标准电阻和待测电阻，以及电源和指零仪，

尤其本发明的电桥采用十字架形结构：十字架形结构包括中心连接板，所述中心连接板用于和各个电桥组件连接，所述中心连接板设置在十字架形结构的中心位置；

所述电源设置在十字架形结构电桥的十字架头部，即所述电源构成十字架形电桥的上臂，电源的输出信号用双绞线输出到电桥上；

所述宽频开尔文双电桥的两个外臂电阻构成十字架形电桥的左右两臂；所述宽频开尔文双电桥的两个内臂电阻构成十字架形电桥的下臂；

所述标准电阻和待测电阻设置在所述十字架形电桥左右两臂的上方，且两个电阻与十字架平面垂直；

所述指零仪设置在十字架形结构外部，所述指零仪与所述中心连接板连接。

为了把宽频开尔文双电桥的工作频段扩展到从直流到100kHz的宽广范围，本发明采用了四个比例臂用1kΩ双螺线型交、直流差可计算电阻，用于扩展电桥的工作频段从直流到100kHz；由于在不同频率下双螺线型交、直流电阻值差特别小，从直流到100kHz的宽广范围中电阻值交、直流差的不确定度为10^-7量级，而且电阻值的稳定性好，各种指标均优于现有技术中的同类电阻。因此，用双螺线型交、直流差可计算电阻作为开尔文双电桥的比例臂(见图2)，就有可能把开尔文双电桥的工作频段扩展到从直流到100kHz的宽广范围。

所述双螺线型交、直流差可计算电阻的电阻丝以螺旋线方式绕在介质损耗极低的聚四氟乙烯圆筒骨架上，绕到端部后再反绕回去，形成双头螺纹式的双螺线结构。具体结构请见申请号为200710178909的技术方案。

为了克服外界的电磁干扰，所述宽频开尔文双电桥的十字架形结构设置在金属铜屏蔽箱内，用于进行等电位屏蔽。采用对地寄生电容极小的平衡式自制振荡器作电源，且经加设光耦合隔离装置断开电源与指零仪的直接电气联系，增设华纳接地装置，对电桥电路整体实施屏蔽防护。

为了克服干扰，所述指零仪设置在十字架形结构外部，所述的指零仪为数字锁相放大器SR830；其通过均为无定向结构的同轴电缆和一段云梯状导线与所述中心连接板连接；所谓无定向结构是指这样的一些线路结构，其中的电流的磁场被局限在一定的空间中，对外不放射磁场，因此，这样的结构与其它回路的互感为零。根据互易定理，其他回路的磁场也不会对无定向结构的回路产生干扰。

在同轴电缆与锁相放大器SR830相连的信号输入端的插头周围，绕制若干层具有绝缘性能的聚乙烯薄膜，在聚乙烯薄膜外层绕置铜片；将铜片与所述金属铜屏蔽箱的内层导体相连以形成等电位屏蔽，用于抑制外界对锁相放大器SR830电压输入端的电磁干扰。

在具体的电桥结构中，所述中心连接板的材质为介质损耗小的聚四氟乙烯材料，中心连接板与所述两对比例臂电阻、标准电阻及被测电阻之间的连接均通过固定在中心连接板上的八个黄铜螺栓来实现，并且采用同轴电缆的芯线作为连接导线，用于扩展电桥的频率适用范围；采用同轴电缆的芯线是因为如果采用同轴电缆做连接线，那么在大于10kHz时，这种电缆的芯线与皮线之间产生的寄生电容将会给电桥引入较大的误差，因此只采用了具有一定刚性的芯线作为连接线。至于芯线与中心连接板的连接关系参见图5，其中同轴电缆的芯线将中心连接板上的八个黄铜螺栓与电桥其它部件连接起来。

所述电源为一个用电池供电的紧凑型电桥交、直流两用电源，输出信号通过双绞线输出到电桥上。

在现有技术中，为了追求美观、紧凑的效果，电桥中的各种连线经常绑成一束一束的，再用多心插头座互相连接。这样的电桥布局和连线方法使得电桥各部分的连线变得较长，相互之间的耦合也很大。在几十kHz的较高工作频率时会对测量结果造成很大的误差。而本发明中电桥只用于同名义值精密电阻的比较。为了进一步减少工作频率较高时连接线的寄生参数造成的误差，电桥的总体布局成为“十字架形”。十字架的交叉部分是一个很小的电桥中心组件(见图2)。电桥的各工作部分均用很短的同轴电缆的芯线接到中心组件上。这样，电桥各部分之间的连接线可以减到最短，在较高工作频率时由于引线引起的误差也就大大减小了。

本发明之二，为一种宽频开尔文双电桥的电换位测量方法。

由于宽频开尔文电桥的比例臂由双螺线型计算电阻元件构成，但这类型电阻元件的长期稳定性不高，会随着温度、应力等因素而发生变化，也会随时间发生漂移，而不像电流比较仪可以用匝数比来决定比例臂的比例，能达到很高的比例准确度。而实际测量中，只是用频率特性很好的双螺线型计算电阻作为标准电阻R_n来测定相同名义值被测电阻R_x的交、直流差，实际上只进行1∶1的同名义值电阻的比较。因此，可以采用交换标准电阻R_n与被测电阻R_x位置的方法来消除因比例臂比例不太准确所带来的误差。但是在交流状态下，交换标准电阻与被测电阻的物理位置，会引起两个电阻连线空间位置的变动，从而无疑会引入新的比例不确定度。因而此方法并不能彻底消除比例误差。

为了解决这一问题，采用一种宽频开尔文双电桥的电换位测量方法

所述方法中，

i.将两对比例臂电阻，即内、外臂电阻以及标准电阻R_n、被测电阻R_x、工作电源、指零仪各个电桥部件连接到一个中心连接板上；

ii.为消除因比例臂比例不准确所带来的误差，采用交换标准电阻R_n与被测电阻R_x位置的方法来消除误差；

iii.将与中心连接板连接的标准电阻R_n与被测电阻R_x四根接线换一下接法，实现标准电阻R_n与被测电阻R_x的电位置互相交换。

本方法电桥各部件以及各根从部件到中心连接板的连线的几何位置都没有任何改变，因此也就较好地避免了交换电阻位置造成的不可估算的误差影响，也就尽可能地减小了因为标准电阻R_n与被测电阻R_x换位而造成电桥比例的变化。

本发明之三，一种宽频开尔文双电桥的远程自动控制的测量系统。

由于所研制的双螺线型交、直流差可计算电阻的温度系数相对较大，因此需要将由其构成的宽频开尔文电桥系统置于恒温恒湿的环境中。同时，如果需要实验者经常地去手动切换频率、调整各仪表设定参数以及抄录数据等，会带来一些不可估计的人为干扰。所以设计了对电桥的远程自控测量系统。

该系统包括远程计算机、路由器、被控计算机、89C52单片机、光隔离传输装置(见图7和图8中的由光发射器、一段光纤及光接收器所组成的装置)、GPIB卡、USB接口以及宽频开尔文双电桥，所述各个部件设置在恒温恒湿室中；在交流条件下，由远程计算机通过路由器对被控计算机进行实时完全控制，随后对89C52单片机控制系统发出频率切换指令，经由光隔离传输装置传送至由2片移位寄存器74LS164和16组微型继电器组成的频率切换系统实现10Hz-100kHz等14个频率的远程切换(另外2个为直流等值正负电源切换点)，此时从已经开启的交流指零仪SR830的自动控制面板上实时读取不平衡电压的相关实验数据并记录至指定文件。此外，SR830需要的该频率下的参考信号则通过光隔离传输装置由自制交直流两用信号发生器提供；在直流下，除了指零仪控制读数以及正负电源切换之外，远程控制通信与交流时基本一致。直流指零仪由纳伏计N11和数字万用表8508A组成，当正负相反、数值相等的电源实现远程切换后，电桥不平衡电压信号通入N11，然后由8508A自动控制面板实时读取并记录至指定文件。

所述系统用于实时改变系统内各仪器的参数设置，并且对指零仪所测量得到的开尔文电桥不平衡电压的各种参数实时地进行远程采集、记录、数据处理及打印输出。

本发明之四，针对上述的自控系统，同时开发了自控方法，即一种宽频开尔文双电桥的远程自动控制的测量方法，

所述自控测量方法包括如下步骤：

i.初始化步骤：对远程计算机及被控计算机执行初始化指令；

ii.远程登录步骤：远程计算机通过路由器登录被控计算机；

iii.检测远程控制完成步骤：判断是否登录，实现远程控制：是进入下步，否返回上步；

iv.指零仪初始化步骤：由被控计算机发出指零仪初始化指令，完成指零仪初始化；

v.指零仪自校步骤：判断指零仪自校是否通过：是进入下步，否返回上步；

vi.改变振荡器频率步骤：改变振荡器频率；

vii.检测振荡器频率步骤：判断振荡器频率是否正确：是进入下步，否返回上步；

viii.分析及改变指零仪设置步骤：分析远程控制指令，并对指零仪的各种参数进行设置；

ix.检测指零仪参数设置步骤：对参数设置进行比较，判断是否合理：是进入下步，否返回上步；

x.测量步骤及记录指零仪数据步骤：执行测量，并对指零仪显示数据进行观察记录；

xi.检测指零仪数据的稳定性：对得到的指零仪的数据进行稳定性判断，是进入下步，否返回上步；

xii.数据采集步骤：对该频率的数据进行采集，并输出记录文件；

xiii.检测是否全部频率均已测量完毕，是进入下步，否返回VI步；

xiv.数据处理及绘图步骤；

xv.发送并存储最终数据结果及图表给被控计算机步骤。

本方法实现了远程计算机对处于恒温恒湿室中的由远程计算机、路由器、被控计算机、89C52单片机、光隔离传输装置、Agilent的USB接口GPIB卡以及开尔文电桥所构成的测量系统的远程控制，而且能够在线改变系统内各仪器的参数设置，并且还可对指零仪所测量得到的开尔文电桥不平衡电压的各种参数实时地进行远程采集、记录、数据处理及打印输出。其中，在直流下自动测量时的电路结构框图见图7，在交流下自动测量的电路结构框图见图8。

本发明之五，对于一种宽频开尔文双电桥的应用，

宽频开尔文双电桥作为从直流到100kHz的频率范围内进行精密电阻比较的比例量具。由于双电桥的四个比例臂采用1kΩ双螺线型交、直流差可计算电阻，在从直流到100kHz的频率范围内电阻值的交、直流差仅为10^-7量级。因此双电桥的工作频率覆盖从直流到100kHz的宽广范围。

本发明的技术方案的主要特点如下：

1.用1kΩ双螺线型交、直流差可计算电阻作为开尔文双电桥的比例臂，把开尔文双电桥的工作频段扩展到从直流到100kHz的宽广范围：

本发明专利的申请人发明了一种双螺线型交、直流差可计算电阻，不同频率下电阻值的交、直流差特别小，从直流到100kHz的宽广范围中电阻值交、直流差的不确定度为10^-7量级，而且电阻值的稳定性好，各种指标均优于国外的同类电阻。因此，用双螺线型交、直流差可计算电阻作为开尔文双电桥的比例臂(见图2)，就有可能把开尔文双电桥的工作频段扩展到从直流到100kHz的宽广范围。

2.“十字架形”的电桥总体布局：

在现有技术中，为了追求美观、紧凑的效果，电桥中的各种连线经常绑成一束一束的，再用多心插头座互相连接。这样的电桥布局和连线方法使得电桥各部分的连线变得较长，相互之间的耦合也很大。在几十kHz的较高工作频率时会对测量结果造成很大的误差。

本发明中电桥只用于同名义值精密电阻的比较。为了进一步减少工作频率较高时连接线的寄生参数造成的误差，电桥的总体布局成为“十字架形”。十字架的交叉部分是一个很小的电桥中心连接板(见图2)。电桥的各工作部分均用很短的同轴电缆的芯线接到中心连接板上。这样，电桥各部分之间的连接线可以减到最短，在较高工作频率时由于引线引起的误差也就大大减小了。

处于十字架其它部位的各个电桥的工作部分，也经过仔细的考虑。在十字架头部的是一个用蓄电池供电的紧凑型交直流两用电源，输出信号用同轴电缆的芯线组成的双绞线接到电桥上。十字架的两臂是开尔文双电桥的两个外比例臂电阻，使用双螺线型交、直流差可计算电阻。两个外比例臂之间以及它们与电桥的其他部分之间有较大的电位差，把两个外比例臂电阻放置在十字架的两臂处可以最大限度地增加这两个电阻之间以及它们与电桥其它部分之间的距离，以减小寄生电容、寄生电感产生的误差。十字架的下部是两个作为开尔文双电桥的两个内比例臂的双螺线型交、直流差可计算电阻。这两个电阻上的电位差很小，电阻上通过的电流也很小，因此寄生电容、寄生电感产生的误差也很小，把它们放置在一起不会产生问题。但是它们与电桥其它部分的寄生耦合仍会产生误差，把它们放在十字架的下部也是为了尽量扩大它们与电桥其它部分的距离，减小寄生耦合的影响。被比较的两个电阻放在十字架两个肩部的下方，与十字架平面垂直(见图3)。这样的布局也是为了扩大这两个电阻相互之间以及与电桥各部分之间的距离，减小寄生耦合的影响。

在宽频开尔文电桥的组成中，交流指零仪——数字锁相放大器SR830体积较大而被放置在整个金属屏蔽箱的外部，它与中心连接板的联接是可以直接采用同轴电缆连接，但是在这种方式下需要把BNC插座装在中心板上，那么该插座本身以及连接的电缆外皮会对其他的连线带来干扰，进而影响最后的电桥测量准确度。为此，专门设计了一种由两根具有一定刚性的铜丝以及几十根短小的聚四氟乙烯棒组成的总长10公分的云梯状导线(见图4)。将该导线的一端插入到中心组件的黄铜螺栓，另一端焊接到装在架起来的另一块聚四氟乙烯板中心处的BNC插座，然后再用较短的同轴电缆连接至交流指零仪。这样能够比较好地削弱工频干扰对电桥不平衡电压信号的影响。

同时，在插入SR830输入端的同轴电缆插头周围处，又绕制了几层绝缘性能好的聚乙烯薄膜并再在外层加上薄铜片，同时将铜片与屏蔽箱的内层导体相连以形成等电位屏蔽。这样能够非常有效地抑制了外界对SR830电压输入端的电磁干扰。

宽频开尔文电桥的中心连接板是一块由介质损耗极小的聚四氟乙烯材料制成的，其尺寸为80mm×80mm×5mm。由于电桥的四个比例臂电阻是呈十字架结构分布，因此八个具有通孔的黄铜螺栓也要对称分布(见图5)。被测电阻和标准电阻与中心连接板的连接线则需要穿过支撑柱的通孔以加强固定。此外，所有的连接线均为同轴电缆的芯线组成。

3.由于所研制的双螺线型交、直流差可计算电阻的温度系数相对较大，因此需要将由其构成的宽频开尔文电桥系统置于恒温恒湿的环境中。同时，如果需要实验者经常地去切换频率、调整各仪表设定参数以及抄录数据等，会带来一些不可估计的人为干扰。因此，采用Labview 7.1和VB语言进行软件编程，实现了远程计算机对处于恒温恒湿室中的由远程计算机、路由器、被控计算机、89C52单片机、光隔离传输装置、Agilent的USB接口GPIB卡以及开尔文电桥所构成的测量系统的远程控制，而且能够在线改变系统内各仪器的参数设置，并且还可对指零仪所测量得到的开尔文电桥不平衡电压的各种参数实时地进行远程采集、记录、数据处理及打印输出。其中，在直流下自动测量时的电路结构框图见图7，在交流下自动测量的电路结构框图见图8。

其实，交流和直流下的远程控制测量的硬件组成差别仅在于指零仪的不同。因此，两种情况下的硬件框图与软件流程图基本一致，分别为图9和图10所示。在两图中的远程计算机和被控计算机均通过网线连接在一个宽带路由器，进而分别取得独立的内部IP地址，然后前者即可通过远程登录软件进入后者并取得后者的所有操作权限，从而实现对后者的远程控制。

当宽频开尔文电桥进行测量时，远程计算机可通过采用Labview 7.1编写的指零仪控制软件实时监控其上的不平衡电压测量数据，并且能够在线改变指零仪的各种参数以得到最稳定的数据；在完成某个频率的测量之后，还可通过采用VB语言编写的自制振荡器频率切换程序改变开尔文电桥的电源频率，进而完成该频率下的测量；在完成所有频率处的测量之后，编写的数据处理软件可完成所有测量数据的综合处理，并将结果和图表存储为一个文件返回至被控计算机，最后由打印机打印出来。有必要提出的一点是，在进行直流测量时，需要更换指零仪，此时仅需将直流指零仪的输入端与中心连接板相连即可，整个测量过程与交流下完全一致。

4.开尔文电桥的比例臂由双螺线型计算电阻元件构成，但这类型电阻元件的长期稳定性不高，会随着温度、应力等因素而发生变化，也会随时间发生漂移，而不像电流比较仪可以用匝数比来决定比例臂的比例，能达到很高的比例准确度。而实际测量中，只是用频率特性很好的双螺线型计算电阻作为标准电阻R_n来测定相同名义值被测电阻R_x的交、直流差，实际上只进行1∶1的同名义值电阻的比较。因此，可以采用交换标准电阻R_n与被测电阻R_x位置的方法来消除因比例臂比例不太准确所带来的误差。但是在交流状态下，交换标准电阻与被测电阻的位置，会引起两个电阻连线空间位置的变动，从而无疑会引入新的比例不确定度。因而此方法并不能彻底消除比例误差。

为了解决这一问题，设计了一种特殊的换位方法。其主要思路是把内、外臂电阻、标准电阻R_n、被测电阻R_x、工作电源、指零仪等各个电桥部件都用连线连接到一块不大的中心连接板上，而只要将四根很短的小跨接线换一下接法，就可把标准电阻R_n与被测电阻R_x的电位置互相交换。此时，电桥各部件以及各根从部件到中心连接板的连线的几何位置都没有任何改变，因此也就较好地避免了交换电阻位置造成的不可估算的误差影响，也就尽可能地减小了因为标准电阻R_n与被测电阻R_x换位而造成电桥比例的变化。中心连接板的接线方法如图11和图12所示。从这两个图的(b)子图可以看出，差别仅仅是椭圆圈内的四根小跨接线(画成了虚线)的方向改变了π/2；但从这两个图的(a)子图上可看到，标准电阻R_n与被测电阻R_x的电位置已经互相交换了。由于未发生空间位置的变化，电桥比例也基本未变。

“电换位”法测量电阻的原理与不等臂秤称砝码的原理是类似的。假定秤的两臂分别为l₁和l₂，砝码的重量分别为m₁和m₂，同时假定l₁＞l₂以及m₁＞m₂，那么交换m₁和m₂进行两次平衡测量，可得

m₁l₁＝(m₂+Δm_a)l₂    (1)

m₂l₁＝(m₁+Δm_b)l₂    (2)

其中，Δm_a和Δm_b是为使平衡关系成立而添加的已知配重。将上两式的等号两端分别相加、相减，并整理得到

$m_1-m_2=\frac{l_2}{l_1+l_2}(\mathrm{\Δ}{m}_a-\mathrm{\Δ}{m}_b)---\left(3\right)$

$\frac{l_1}{l_2}=1+\frac{\mathrm{\Δ}{m}_a+\mathrm{\Δ}{m}_b}{m_1+m_2}---\left(4\right)$

当l₁和l₂的数值已知时，根据式(3)可以推得两个未知砝码m₁和m₂的质量差；而当m₁和m₂的质量已知时，根据式(4)可以推得秤的不等臂l₁和l₂的比例误差。

而为了研究双螺线型计算电阻的实际频率特性以及由它们组成的宽频开尔文电桥系统的频率特性，设计的实验中全部使用双螺线型电阻，即包括四个比例臂和两个需要比较的电阻。与不等臂秤称砝码类似，可以将四个比例臂电阻构成的比例看成是秤的两条不等长的臂l₁和l₂，而将另两个电阻看成是需要称量的砝码m₁和m₂，同时，将换位前后得到的不平衡电压看成是为使秤平衡所添加的砝码Δm_a和Δm_b。当然，跟不等臂秤不同的是，宽频开尔文电桥的两对比例臂电阻非常接近，相差只有几十个ppm，所以式(3)中的l₁/(l₁+l₂)可近似等于0.5。因此，从不等臂秤的工作原理可以得出这样的测量结论：同一频率下换位前后的不平衡电压的相减值的一半，即表明了双螺线型电阻的频率特性。

在宽频开尔文电桥电路中可选用直径为2.1mm的连接件，此连接件由镀金的铜材制作，其体积小，并且也易焊接；连接各个电阻的连接线则采用耐烫的聚乙烯导线，中心连接板由介质损耗小的聚四氟乙烯材料制成；同时，以铜制的螺杆作为连接开尔文电桥各个部件的导体。

在厚度为5mm的80mm×80mm聚四氟乙烯中心连接板上，分别攻出用来放置固定铜螺杆的螺孔。图13和图14分别为实际换位前后开尔文电桥的连接示意图。

由表4和表5的实测数据对比可知，电换位法在不改变标注电阻R_n和被测电阻R_x的空间物理位置的前提下完成了两者的电换位。这样就避免了直接互换时各连接引线位置变化所带来的不可估计的误差影响，大大提高了宽频开尔文电桥在中高频段的测量准确度。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

附图说明：

图1为本发明中用作双电桥比例臂的双螺线型交、直流差可计算电阻示意图；

图2为本发明中的宽频开尔文双电桥原理图；

图3为“十字架形”的电桥总体布局结构示意图；

图4为本发明中所使用的云梯状导线结构示意图；

图5为本发明中的中心连接板与其它部件的连接示意图；

图6为本发明中采用“十字架形”布局宽频开尔文电桥的分辨率频率特性曲线；

图7为本发明中宽频开尔文电桥直流下自动测量的电路布局及连接示意图；

图8为本发明中宽频开尔文电桥交流下自动测量的电路布局及连接示意图；

图9为本发明中宽频开尔文电桥远程自动控制硬件框图。

图10为本发明中宽频开尔文电桥远程自动控制软件流程图。

图11为本发明中电换位法交换比例臂之前的连接图。

图12为本发明中电换位法交换比例臂之后的连接图。

图13为本发明中电换位法交换比例臂之前的实际装置图。

图14为本发明中电换位法交换比例臂之后的实际装置图。

具体实施方式：

1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ五种量值的双螺线型交、直流差可计算电阻，具体参数如表1所示。这五种量值的双螺线型交、直流差可计算电阻均用作标准，对目前市场上能买到的最好的商品交流标准电阻，1Ω、10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ五种量值的Tinsley 5685型商品交流标准电阻进行比较，确定五种量值的Tinsley 5685型商品交流标准电阻的交、直流差。

1kΩ双螺线型交、直流差可计算电阻还用作本发明中的宽频开尔文双电桥的内、外比例臂。从表2中可以看到，1kΩ双螺线型交、直流差可计算电阻的性能十分优越，直到100kHz时交、直流差的不确定度仍在10^-7量级。用作比例臂时可使电桥的工作频率扩展到从直流到100kHz的宽广范围。

表2与表1中的数据相比较，现有技术中悬丝型1kΩ电阻的交、直流差的不确定度约为1×10^-8，因此双螺线型交、直流差可计算电阻的性能更为优越。

表3中给出了用本发明所建成的宽频开尔文双电桥对同名义值的双螺线型交、直流差可计算电阻和Tinsley 5685型商品交流标准电阻进行比对的结果。由于双螺线型交、直流差可计算电阻的交、直流差非常小，可作为标准。因而从比对结果就可求出Tinsley 5685型商品交流标准电阻的交、直流差。今后可以用这五种电阻量值的Tinsley5685型电阻开展交流电阻的检定工作。

Tinsley5685型电阻是目前国际上广泛用作交流电阻标准的产品。其说明书给出的指标是在1592Hz频率时其交、直流差值为10^-6量级。按照本课题的测量结果，对于1kΩ、100Ω、10Ω三种阻值来说，1592Hz频率的交、直流差值为10^-6量级，对于最高阻值10kΩ和最低阻值1Ω，交、直流差值已达到10^-5量级。

100kHz下的交、直流差则问题更大了。对于1kΩ和100Ω两种阻值，交、直流差为10^-4量级。10kΩ、10Ω、1Ω三种电阻已经接近或达到10^-2量级，不能作为交流标准电阻使用了。

由此看来，Tinsley5685型电阻虽然被广泛使用，但其在较宽频率范围中的交、直流差并不很理想，必须经过校准才能作为交流标准电阻使用。这正是本发明实际应用后所达到的效果。

为了直观地呈现出宽频开尔文电桥采用电换位法和直接互换物理位置法测量电阻交直流差的实际效果，给出了表4和表5两个实测数据。其中，两种方法给出的实验条件完全一致，只是在交换标准电阻与被测电阻的位置时，电换位法不需要移动两个电阻的物理位置，而仅仅需要将四根很短的小跨接线换一下接法即可实现电换位。

附图中给出了本发明中具体实施及完成的设施。图1为双螺线型交、直流差可计算电阻的结构示意图。采用电阻丝以双螺线的方式绕在绝缘骨架的圆柱外表面上；在制作中，将所述电阻丝从所述绝缘骨架一端的外表面上以螺旋缠绕到绝缘骨架的另一端，当所述电阻丝绕到绝缘骨架另一端后，所述电阻丝以相同螺旋缠绕方式反绕回；即所述电阻丝先绕到绝缘骨架的端部后再反绕回去，形成双头螺纹式的双螺线。

图3为“十字架形”的电桥总体布局；图4为云梯状导线结构图；图5是中心连接板与各部件连接的具体示意图；图6中显示了采用“十字架形”结构的宽频开尔文电桥测量测量10欧、1k欧和10k欧双螺线型交、直流差可计算电阻时，其分辨率的频率特性曲线。与美国NIST的二进制感应分压器式开尔文电桥相比，所研制宽频开尔文电桥的分辨率在10Hz～1kHz频段比后者差一个量级，在1kHz～10kHz频段则与后者相同，但是在后者没有做到的10kHz～100kHz频段中，测量10欧与100欧时仅为10^-6，而在10k欧时也不过10^-5。

图9是宽频开尔文电桥远程自动控制硬件框图；图10是宽频开尔文电桥远程自动控制软件流程图；图11～图14为设计的电换位法的连线示意图。

Claims (7)

1一种宽频开尔文双电桥，包括双电桥两对比例臂电阻、标准电阻和待测电阻，以及电源和指零仪，其特征在于：所述电桥采用十字架形结构；

十字架形结构包括中心连接板，所述中心连接板用于和各个电桥组件连接，所述中心连接板设置在十字架形结构的中心位置；

所述电源设置在十字架形结构电桥的十字架头部，即所述电源构成十字架形电桥的上臂，电源的输出信号用双绞线输出到电桥上；

所述宽频开尔文双电桥的两个外臂电阻构成十字架形电桥的左右两臂；所述宽频开尔文双电桥的两个内臂电阻构成十字架形电桥的下臂；

所述标准电阻和待测电阻设置在所述十字架形电桥左右两臂的上方，且两个电阻与十字架平面垂直；

所述指零仪设置在十字架形结构外部，所述指零仪与所述中心连接板连接；

所述宽频开尔文双电桥的四个比例臂采用1kΩ双螺线型交、直流差可计算电阻，用于扩展电桥的工作频段从直流到100kHz；所述双螺线型交、直流差可计算电阻的电阻丝以螺旋线方式绕在介质损耗极低的聚四氟乙烯圆筒骨架上，绕到端部后再反绕回去，形成双头螺纹式的双螺线结构；

所述宽频开尔文双电桥的十字架形结构设置在金属铜屏蔽箱内，采用对地寄生电容极小的平衡式自制振荡器作电源，且经加设光耦合隔离装置断开电源与指零仪的直接电气联系，增设华纳接地装置，对电桥电路整体实施屏蔽防护；

所述的指零仪为数字锁相放大器SR830；其通过均为无定向结构的同轴电缆和一段云梯状导线与所述中心连接板连接；

在同轴电缆与锁相放大器SR830相连的信号输入端的插头周围，绕制若干层具有绝缘性能的聚乙烯薄膜，在聚乙烯薄膜外层绕置铜片；将铜片与所述金属铜屏蔽箱的内层导体相连以形成等电位屏蔽，用于抑制外界对锁相放大器SR830电压输入端的电磁干扰。

2根据权利要求1所述的一种宽频开尔文双电桥，其特征在于：

所述中心连接板的材质为介质损耗小的聚四氟乙烯材料，其长、宽的范围是60～90mm，厚度在5～15mm范围内；中心连接板与所述两对比例臂电阻、标准电阻及被测电阻之间的连接均通过固定在中心连接板上的八个黄铜螺栓来实现，并且采用同轴电缆的芯线作为连接导线，用于扩展电桥的频率适用范围；

所述电源为一个用电池供电的紧凑型电桥交、直流两用电源，输出信号通过双绞线输出到电桥上。

3根据权利要求2所述的一种宽频开尔文双电桥，其特征在于：

所述中心连接板的尺寸为80mm×80mm×5mm。

4如权利要求1-3所述的一种宽频开尔文双电桥的电换位测量方法，其特征在于：

所述方法中，

i.将两对比例臂电阻，即内、外臂电阻以及标准电阻R_n、被测电阻R_x、工作电源、指零仪各个电桥部件连接到一个中心连接板上；

ii.为消除因比例臂比例不准所带来的误差，采用交换标准电阻R_n与被测电阻R_x位置的方法来消除误差；

iii.将与中心连接板连接的标准电阻R_n与被测电阻R_x四根接线换一下接法，实现标准电阻R_n与被测电阻R_x的电位置互相交换；而电桥各部件以及各根从各部件到中心连接板连线的几何位置都没有任何改变。

5含有权利要求1-3所述的一种宽频开尔文双电桥的远程自动控制的测量系统，其特征在于：

该系统包括远程计算机、路由器、被控计算机、89C52单片机、光隔离传输装置、AGILENT的USB接口GPIB卡以及宽频开尔文双电桥，所述光隔离传输装置包括光发射器、一段光纤及光接收器，所述各个部件设置在恒温恒湿室中；

远程计算机和被控计算机均通过网线连接在一个宽带路由器，进而分别取得独立的内部IP地址，然后前者即可通过远程登录软件进入后者并取得后者的所有操作权限，从而实现对后者的远程控制；

在交流条件下，由远程计算机通过路由器对被控计算机进行实时完全控制，随后对89C52单片机控制系统发出频率切换指令，经由光隔离传输装置传送至由2片移位寄存器74LS164和16组微型继电器组成的频率切换系统实现10Hz-100kHz等14个频率的远程切换；电源的输出信号用双绞线输出到电桥上；

交流指零仪SR830需要的该频率下的参考信号则通过光隔离传输装置由自制交直流两用信号发生器提供；

精密数显热敏温度计放入宽频开尔文电桥所在的恒温恒湿室内，通过89C52单片机系统向计算机传送测量时的箱内温度；打印机通过USB电缆与被控计算机相连，以实现对经计算机远程采集、记录和数据处理之后的不平衡电压测量数据的打印输出功能；

在直流下，直流指零仪由纳伏计N11和数字万用表8508A组成，当正负相反、数值相等的电源实现远程切换后，电桥不平衡电压信号通入N11，然后由8508A自动控制面板实时读取并记录至指定文件；在交流条件下，从已经开启的交流指零仪SR830的自动控制面板上实时读取不平衡电压的相关实验数据并记录至指定文件。

6含有权利要求1-3所述的一种宽频开尔文双电桥的远程自动控制的测量方法，其特征在于：

包括如下步骤：

i.初始化步骤：对远程计算机及被控计算机执行初始化指令；

ii.远程登录步骤：远程计算机通过路由器登录被控计算机；

iii.检测远程控制完成步骤：判断是否登录，实现远程控制：是进入下步，否返回上步；

iv.指零仪初始化步骤：由被控计算机发出指零仪初始化指令，完成指零仪初始化；

v.指零仪自校步骤：判断指零仪自校是否通过：是进入下步，否返回上步；

vi.改变振荡器频率步骤：改变振荡器频率；

vii.检测振荡器频率步骤：判断振荡器频率是否正确：是进入下步，否返回上步；

viii.分析及改变指零仪设置步骤：分析远程控制指令，并对指零仪的各种参数进行设置；

ix.检测指零仪参数设置步骤：对参数设置进行比较，判断是否合理：是进入下步，否返回上步；

x.测量步骤及记录指零仪数据步骤：执行测量，并对指零仪显示数据进行观察记录；

xi.检测指零仪数据的稳定性：对得到的指零仪的数据进行稳定性判断，是进入下步，否返回上步；

xii.数据采集步骤：对该频率的数据进行采集，并输出记录文件；

xiii.检测是否全部频率均已测量完毕，是进入下步，否返回VI步；

xiv.数据处理及绘图步骤；

xv.发送并存储最终数据结果及图表给被控计算机步骤。

7根据权利要求1-3所述的一种宽频开尔文双电桥的应用，其特征在于：

宽频开尔文双电桥作为从直流到100kHz的频率范围内进行精密电阻比较的比例量具。

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