CN108535548B - 高值电阻测量方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高值电阻测量方法,所述方法包括:建立充电响应方程;采集不同时刻所对应的实际电压;根据所述充电响应方程以及所述不同时刻所对应的实际电压获得响应时间常数;根据所述响应时间常数和所述充电响应方程获得瞬间电压;根据所述充电响应方程、不同时刻所对应实际电压、响应时间常数和瞬间电压获得被测电阻阻值。本发明还提出了一种高值电阻测量装置、电子设备和计算机程序产品。本发明通过准确计算测量响应时间常数,并根据所述响应时间常数完成高阻值测量的过程。使得高值电阻测试效率大大提高,同时提高了检测精度和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电阻测量领域,尤其涉及一种高值电阻测量方法、装置、电子设备及非易失性计算机可读存储介质。
背景技术
目前针对105Ω以上高阻测量,基本原理有电桥法和伏安法。如下图1所示为电桥法测高阻。
中国国家计量院从2009年开始研究改良式惠斯通电桥,即双有源臂电桥的方式进行电阻测量,此方法是目前各大计量院的主导高阻测量方法。该方法通过电压比的方式得到电阻比,在采用两台Fluke 5720作为高精度可编程电源的情况下,测量准确度高,但是整套系统价格昂贵且笨重复杂,主要作为校准溯源使用;加拿大的MI公司提出了一种二进制分压器测量高阻的方法,其公司旗下有一款商品高阻计6000B即采用此方法,但是该型号高阻计最适合测量范围在100M以下,量程偏小。美国的Keithley公司占据了高阻测量仪表的龙头地位,出版了低电平测量手册等一系列微弱信号测量相关书籍文章,其经典产品617以及后续的6517核心电路均采用伏安法方案。
伏安法通常需要测量仪给出确定的电压值,测量经过高阻的微电流,然后由公式R=U/I求出阻值。因此,微电流的测量是高值电阻测量的关键技术,微电流测量的技术水平决定了高阻测量的发展。
目前测量微电流主要有两种方法:电阻式电流-电压转换微电流测量和电容积分式电流-电压转换微电流测量,其中电容积分式精度高,但是存在其每次测量的时间长,一般测量时间在100秒-1000秒,中间需要给电容放电3分钟左右,而且电路设计比较复杂,因此常见的设计中不采用此方法;对于电阻式电流-电压转换微电流测量,如图2所示,其基本原理是被测电流在输入电阻上产生电压,经电压放大器放大后供指示部分测试。
为了消除被测电流源内阻带来的影响,可以采用负反馈电阻式电流-电压转换微电流测量电路,其原理如图3所示。
任何一个处于绝对零度以上的导体内部的载流子会做无规则的热运动,产生电阻的热噪声。电阻的热噪声作为一种白噪声,呈高斯分布,是一种高斯白噪声,其产生的噪声电压:
从公式1.1可以得到,电压噪声伴随着Rf的增大而加剧,但是在实际I-U 转换电路中,真正需要避免噪声干扰的是微弱电流信号,可以测试的最小电流大小取决于电流噪声公式:
从公式1.2可以得到电流噪声伴随着Rf的增大而减小:在实际应用中,我们很难改变绝对温度的值,因此需要降低带宽提高Rf从而降低电流噪声。
另外,由于采用电缆输入微电流等因素,会导致并联电容的产生,使得相位滞后产生电路振荡,因此在实际应用电路中,需要在Rf两端增加并联反馈电容Cf。原理图如图4所示。
其中噪声带宽公式:
根据公式1.3和公式1.4从而推出电流等效噪声带宽为:
把公式1.5代入公式1.2可以推出噪声电流与反馈电容Cf以及反馈电阻 Rf的公式:
阻容并联电路的电压热噪声公式:
噪声电压大小和Rf无关,噪声电流大小随着反馈电阻Rf、反馈电容Cf的增大而减小。在常规测试环境下,需要通过增大反馈电容Cf的值来减小热噪声电流,同时减少相位滞后产生电路振荡,缩小稳定时间,但是根据响应时间常数常数公式:
τ=RfCf (1.8)
可以推出伴随着反馈电容值的增加,会带来响应时间常数变长,增大反馈电容相当于牺牲了响应速度来减小噪声电压,换取电路的稳定性,对于I-U 转换电路,常见选用100G的高值电阻作为反馈电阻,选用47pF的低漏电电容作为反馈电容,在T=300K的条件下,根据公式(1.6)得到电流噪声的理论值为0.287fA/√Hz,电流噪声峰峰值为理论值的5倍,为1.435fA/√Hz;根据公式(1.8)得到响应时间常数为4.7s,则电路到接近稳定值99%的需要 5倍的响应时间常数,即为23.5s,
由于电路中测试电缆、引入导线等由于电势不平衡,存在杂散电容,导致实际电路中的电容积分时间大于设计值,实际响应时间常数并不能单纯的通过τ=RfCf计算,实际电路中的积分时间往往大于计算值。杂散电容的存在导致用户需要花费大量时间来等待数值慢慢积分稳定;以致高阻测量时,测量时间大大延长。在汽车轮胎制造、防静电鞋服制造、安规类测试设备等行业,需要在产品生产、制造、测试环节完成高阻的批量快速测量,因此尽可能缩小高阻测量时间,在当今工业生产中有着切实的利益。
发明内容
为解决上述技术问题之一,本发明提供了一种高值电阻测量方法,所述方法包括:
建立充电响应方程;
采集不同时刻所对应的实际电压;
根据所述充电响应方程以及所述不同时刻所对应的实际电压获得响应时间常数;
根据所述响应时间常数和所述充电响应方程获得瞬间电压;
根据所述充电响应方程、不同时刻所对应实际电压、响应时间常数和瞬间电压获得被测电阻阻值。
优选地,所述充电响应方程为:
其中,U0为瞬间电压,即t0时刻测试值,t0的值趋近于0,Ux为实际电压; Rx为被测电阻阻值,τ为响应时间常数,Rf为反馈电阻阻值。
优选地,所述采集不同时刻所对应的实际电压的过程为:以预设频率对电压进行采集,并将所述电压值与其进行采集的时刻进行对应,获得不同时刻所对应的实际电压。
优选地,所述方法还包括判断所述采集的实际电压是否存在误差的步骤,所述判断所述采集的实际电压是否存在误差的过程为:
将所述不同时刻均分为两组数据;
对每一组数据中不同时刻所对应的实际电压进行求平均值计算;
将第一组数据所求取的平均值减去第二组数据所求取的平均值后再除以所有时刻所对应的实际电压所求取的平均值获得实际误差值;
当所述实际误差值小于预设误差值时,保留所述采集的不同时刻所对应的实际电压。
为解决上述技术问题之一,本发明提供了一种高值电阻测量装置,所述装置包括处理器,所述处理器被配置有处理器可执行的操作指令,以执行操作:
建立充电响应方程;
采集不同时刻所对应的实际电压;
根据所述充电响应方程以及所述不同时刻所对应的实际电压获得响应时间常数;
根据所述响应时间常数和所述充电响应方程获得瞬间电压;
根据所述充电响应方程、不同时刻所对应实际电压、响应时间常数和瞬间电压获得被测电阻阻值。
优选地,所述充电响应方程为:
其中,U0为瞬间电压,即t0时刻测试值,t0的值趋近于0,Ux为实际电压;Rx为被测电阻阻值,τ为响应时间常数,Rf为反馈电阻阻值。
优选地,所述处理器被配置有处理器可执行的操作指令,以执行操作:以预设频率对电压进行采集,并将所述电压值与其进行采集的时刻进行对应,获得不同时刻所对应的实际电压。
优选地,所述处理器被配置有处理器可执行的操作指令,以执行操作:
将所述不同时刻均分为两组数据;
对每一组数据中不同时刻所对应的实际电压进行求平均值计算;
将第一组数据所求取的平均值减去第二组数据所求取的平均值后再除以所有时刻所对应的实际电压所求取的平均值获得实际误差值;
当所述实际误差值小于预设误差值时,保留所述采集的不同时刻所对应的实际电压。
为解决上述技术问题之一,本发明提供了一种电子设备,所述电子设备包括:显示器,存储器,一个或多个处理器;以及一个或多个模块,所述一个或多个模块被存储在所述存储器中,并被配置成由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个模块包括用于执行上述所述的高值电阻测量方法中各个步骤的指令。
为解决上述技术问题之一,本发明提供了一种非易失性计算机可读存储介质,所述非易失性计算机可读存储介质包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,当所述程序指令被计算机执行时,使所述计算机执行如上述所述的高值电阻测量方法中各个步骤。
本发明的有益效果如下:
本发明通过准确计算测量响应时间常数,并根据所述响应时间常数完成高阻值测量的过程。使得高值电阻测试效率大大提高,同时提高了检测精度和可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为现有的电桥法测高阻的原理示意图;
图2为现有的电阻式电流-电压转换微电流测量原理示意图;
图3为现有的负反馈电阻式电流-电压转换微电流测量原理示意图;
图4为现有的带有反馈电容的电阻测量原理示意图;
图5为本实施例所述高值电阻测量方法的流程图;
图6为本实施例所述高值电阻测量方法的响应曲线图。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明,显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是所有实施例的穷举。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图5所示,本实施例提出了一种高值电阻测量方法,所述方法包括:
S101、建立充电响应方程;
S102、采集不同时刻所对应的实际电压;
S103、根据所述充电响应方程以及所述不同时刻所对应的实际电压获得响应时间常数;
S104、根据所述响应时间常数和所述充电响应方程获得瞬间电压;
S105、根据所述充电响应方程、不同时刻所对应实际电压、响应时间常数和瞬间电压获得被测电阻阻值。
具体的,所述充电响应方程为:
其中,U0为瞬间电压,即t0时刻测试值,t0的值趋近于0,Ux为实际电压; Rx为被测电阻阻值,τ为响应时间常数,Rf为反馈电阻阻值。
Ux的建立为充电响应,响应曲线如图6所示。根据充电响应方程,分析图 4对应电路:
由于t0趋近于0,因此:
得益于半导体行业的发展,我们可以采用FPGA以400kHz的频率对AD 快速采集,将每400个点的采集数据及采集时间求平均后存储在Flash闪存芯片内,以每400个点的值求平均,当前第n到第n+399个的平均值减去第n+400 到第n+799个数的平均值除以第n到第n+799个数的平均值,若得到的结果小于0.01%,即则可认为测试结果稳定可靠。此时可认为U=U0,U0约等于后 400个测试点的平均值,即:此时Um=U0×95%,查询存储在flash芯片内的数据,找出Um及所对应的时间tm,代入公式(1.10);求得此时响应时间常数常数τ,经过该方法可以准确得到实际电路中的响应时间常数。
然后,根据计算响应时间常数常数τ,快速推出实际电压U0,方法介绍如下。由公式1.10可知,当采集时间为t1时,得到当采集时间为t2时,得到可以推出其中Ux1、Ux2、t2、t1均为测量值,τ为电路的实际积分相应常数,上文已求出,因此可以得到U0,该方法仅需在开始采集时,在设计的实际间隔采集两组数据,即可通过FPGA计算推出电路两端实际电压,并可以根据后续测量数据不断进行修正,对于高阻测量这种往往需要长达30s的积分稳定时间而言,采用此种方法,可以缩短至于1s到2s。分析采用此方法引入不确定度,由上文可知,该测量方法引入的不确定度来源主要是时间的不确定度Δt及电压测量引入的不确定度分量ΔU,代入公式(1.10)可得由于Δt远小于t,ΔU远小于U,通过计算τ值快速测量方法引入的误差远小于本身测量误差,具有很强的实际意义。
实施例2
本实施例提出了一种高值电阻测量装置,所述装置包括处理器,所述处理器被配置有处理器可执行的操作指令,以执行操作:
建立充电响应方程;
采集不同时刻所对应的实际电压;
根据所述充电响应方程以及所述不同时刻所对应的实际电压获得响应时间常数;
根据所述响应时间常数和所述充电响应方程获得瞬间电压;
根据所述充电响应方程、不同时刻所对应实际电压、响应时间常数和瞬间电压获得被测电阻阻值。
具体的,所述充电响应方程为:
其中,U0为瞬间电压,即t0时刻测试值,t0的值趋近于0,Ux为实际电压; Rx为被测电阻阻值,τ为响应时间常数,Rf为反馈电阻阻值。
Ux的建立为充电响应,响应曲线如图6所示。根据充电响应方程,分析图 4对应电路:
由于t0趋近于0,因此:
得益于半导体行业的发展,我们可以采用FPGA以400kHz的频率对AD 快速采集,将每400个点的采集数据及采集时间求平均后存储在Flash闪存芯片内,以每400个点的值求平均,当前第n到第n+399个的平均值减去第n+400 到第n+799个数的平均值除以第n到第n+799个数的平均值,若得到的结果小于0.01%,即则可认为测试结果稳定可靠。此时可认为U=U0,U0约等于后 400个测试点的平均值,即:此时Um=U0×95%,查询存储在flash芯片内的数据,找出Um及所对应的时间tm,代入公式(1.10);求得此时响应时间常数常数τ,经过该方法可以准确得到实际电路中的响应时间常数。
然后,根据计算响应时间常数常数τ,快速推出实际电压U0,方法介绍如下。由公式1.10可知,当采集时间为t1时,得到当采集时间为t2时,得到可以推出其中Ux1、Ux2、t2、t1均为测量值,τ为电路的实际积分相应常数,上文已求出,因此可以得到U0,该方法仅需在开始采集时,在设计的实际间隔采集两组数据,即可通过FPGA计算推出电路两端实际电压,并可以根据后续测量数据不断进行修正,对于高阻测量这种往往需要长达30s的积分稳定时间而言,采用此种方法,可以缩短至于1s到2s。分析采用此方法引入不确定度,由上文可知,该测量方法引入的不确定度来源主要是时间的不确定度Δt及电压测量引入的不确定度分量ΔU,代入公式(1.10)可得由于Δt远小于t,ΔU远小于U,通过计算τ值快速测量方法引入的误差远小于本身测量误差,具有很强的实际意义。
实施例3
本实施例提出了一种电子设备,所述电子设备包括:显示器,存储器,一个或多个处理器;以及一个或多个模块,所述一个或多个模块被存储在所述存储器中,并被配置成由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个模块包括用于执行上述所述的高值电阻测量方法中各个步骤的指令。
实施例4
本实施例提出了一种非易失性计算机可读存储介质,所述非易失性计算机可读存储介质包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,当所述程序指令被计算机执行时,使所述计算机执行如上述所述的高值电阻测量方法中各个步骤。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述采集不同时刻所对应的实际电压的过程为:以预设频率对电压进行采集,并将所述电压值与其进行采集的时刻进行对应,获得不同时刻所对应的实际电压。
3.根据权利要求1至2任一项所述的方法,其特征在于,所述方法还包括判断所述采集的实际电压是否存在误差的步骤,所述判断所述采集的实际电压是否存在误差的过程为:
将所述不同时刻均分为两组数据;
对每一组数据中不同时刻所对应的实际电压进行求平均值计算;
将第一组数据所求取的平均值减去第二组数据所求取的平均值后再除以所有时刻所对应的实际电压所求取的平均值获得实际误差值;
当所述实际误差值小于预设误差值时,保留所述采集的不同时刻所对应的实际电压。
5.根据权利要求4所述的装置,其特征在于,所述处理器被配置有处理器可执行的操作指令,以执行操作:以预设频率对电压进行采集,并将所述电压值与其进行采集的时刻进行对应,获得不同时刻所对应的实际电压。
6.根据权利要求4至5任一项所述的装置,其特征在于,所述处理器被配置有处理器可执行的操作指令,以执行操作:
将所述不同时刻均分为两组数据;
对每一组数据中不同时刻所对应的实际电压进行求平均值计算;
将第一组数据所求取的平均值减去第二组数据所求取的平均值后再除以所有时刻所对应的实际电压所求取的平均值获得实际误差值;
当所述实际误差值小于预设误差值时,保留所述采集的不同时刻所对应的实际电压。
7.一种电子设备,其特征在于,所述电子设备包括:显示器,存储器,一个或多个处理器;以及一个或多个模块,所述一个或多个模块被存储在所述存储器中,并被配置成由所述一个或多个处理器执行,所述一个或多个模块包括用于执行权利要求1至3中任一所述方法中各个步骤的指令。
8.一种非易失性计算机可读存储介质,其特征在于,所述非易失性计算机可读存储介质上存储计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,当所述程序指令被计算机执行时,使所述计算机执行如权利要求1至3任一项所述的方法中各个步骤。
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