CN117420359A

CN117420359A - 一种全动态范围高精度阻值测量结构及其测量方法

Info

Publication number: CN117420359A
Application number: CN202210811543.6A
Authority: CN
Inventors: 丁雷; 辛世杰; 杨溢
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2024-01-19

Abstract

本发明公开了一种全动态范围高精度阻值测量结构，结构中的待测电阻R_t的两端连接两根长导线；参考电阻R₁的一端与待测电阻R_t一端的导线相连，其电路结点为X，待测电阻R_t另一端的一根长导线与参考电阻R₂相连，电路结点M、X、Y依次接入第一个三输入单输出的切换开关，电路结点X、Y、N依次接入第二个三输入单输出的切换开关，两个切换开关的输出端与仪表放大器A的输入端相连；仪表放大器的输出端与单输入双输出的切换开关相连，该切换开关的输出端分别与仪表放大器B的同相输入端、电压保持器的输入端相连；电压保持器的输出端与仪表放大器B的反相输入端相连。该测量结构的优点是可以进行高放大倍数的测量，输出电压摆幅可以从零至电源电压。

Description

一种全动态范围高精度阻值测量结构及其测量方法

技术领域：

本发明涉及长距离阻值测量技术、高分辨率阻值测量技术、高准确度阻值测量技术和全动态范围的阻值测量技术等，具体指一种全动态范围高精度阻值测量结构及其测量方法，可广泛应用于长距离、高分辨率、高准确度、全动态范围的阻值测量领域中。

背景技术：

实现长距离、高分辨率、高准确度的阻值测量对于科学研究及工业控制具有重要的现实意义。现有的高分辨率阻值测量方法主要为惠斯通电桥式测温，但该电路结构无法消除温差热电势、导线电阻等因素的影响，且随着待测电阻阻值偏离电桥平衡位置，该电路的分辨能力会逐渐劣化，具有明显的非线性特征；另一种恒流源激励的四线制阻值测量方法可削弱温差热电势、导线电阻等因素的影响，但该电路结构的输出电压范围并非从零电压开始，受限于工作电压，使得该电路无法进行高放大倍数的阻值测量，意味着高分辨率的阻值测量必须搭配更多位数的模数转换器，且该模数转换器的大部分动态范围在实际阻值测量区间之外，模数转换器的动态性能被大量浪费。目前，在公开可调研的文献中还没有发现与本发明类似的技术。

发明内容：

本发明的主要目的是解决长距离下的阻值测量分辨率不高、后级模数转换器的动态范围被大量浪费的问题，利用全动态范围高精度阻值测量结构来削弱长距离应用所引入的温差热电势、导线电阻误差，利用该结构测量方法来削弱电压测量中仪表放大器的失调电压、增益误差、长期漂移等因素的影响，从而实现可应用于长距离的高分辨率、高准确度、全动态范围下的阻值测量场景。

整个阻值测量结构由两个参考电阻R₁和R₂、一个待测电阻R_t、两个仪表放大器A和B、两个三输入单输出切换开关构成的切换开关组、一个单输入双输出的切换开关和一个电压保持器组成；待测电阻R_t的两端分别连接两根长导线；参考电阻R₁的一端与待测电阻R_t一端的一根长导线相连，其电路结点为X，待测电阻R_t另一端的一根长导线与参考电阻R₂相连，其电路结点为Y，参考电阻R₁的另一端电路结点为M，参考电阻R₂的另一端电路结点为N；电路结点M、X、Y依次接入第一个三输入单输出的切换开关，电路结点X、Y、N依次接入第二个三输入单输出的切换开关，两个切换开关的输出端与仪表放大器A的输入端相连；仪表放大器的输出端与单输入双输出的切换开关相连，该切换开关的输出端分别与仪表放大器B的同相输入端、电压保持器的输入端相连；电压保持器的输出端与仪表放大器B的反相输入端相连。本发明的结构示意图如图1所示。

当该全动态范围高精度阻值测量结构连接长导线进行阻值测量时，其电路结构模型简化为图1所示，其中r、E为长导线上的导线电阻与温差热电势。

本发明的使用方法如下：

1.连接电路结点M、N至电源，对串连的参考电阻R₁、待测电阻R_t和参考电阻R₂进行供电，设流经它们的电流大小为I_S；

2.设置切换开关组，M结点连接到仪表放大器A的同相输入端，X结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A1，待电压保持器稳定后设置切换开关组，X结点连接到仪表放大器A的同相输入端，Y结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A2，仪表放大器B的输出电压为U_B1；

3.设置切换开关组，X结点连接到仪表放大器A的同相输入端，Y结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A3，待电压保持器稳定后设置切换开关组，Y结点连接到仪表放大器A的同相输入端，N结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A4，仪表放大器B的输出电压为U_B2；

4.设置切换开关组，Y结点连接到仪表放大器A的同相输入端，N结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A5，待电压保持器稳定后设置切换开关组，M结点连接到仪表放大器A的同相输入端，X结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A6，仪表放大器B的输出电压为U_B3；

5.待测电阻R_t的阻值计算公式如下：

在使用本发明时，应尽可能选用相近的导线及焊接方法，则不同导线的电阻近似相等，统一记为r，导线上的温差热电势也几乎相等，统一记为E。由于后级采用仪表放大器进行参考电阻及待测电阻电压的采集，其输入阻抗一般为GΩ级别，则导线电阻r上损失的电压可忽略不计。同时，由于待测电阻上各条导线所在温度场分布基本一直，则温差热电势E可忽略不计。设仪表放大器A、B的增益漂移误差分别为α_A、α_B，放大器增益倍数分别为A_A、A_B，放大器输出失调电压分别为ΔU_A、ΔU_B；流经参考电阻R₁、待测电阻R_t和参考电阻R₂的电流记为I_S；电压保持器的输出失调电压为ΔU₀。根据本发明的使用方法所述，得到方程组：

可推得：

根据上式可知，仪表放大器的增益漂移误差、输出失调电压、电压保持器的输出失调电压等影响因素均得到消除，化简后得到待测电阻阻值计算公式：

值得注意的是，若参考电阻R₁、待测电阻R_t和参考电阻R₂的阻值相近，则仪表放大器B的输出电压U_B1、U_B2、U_B3可接近零电压，意味着仪表放大器B可设置较大的增益倍数。该电路结构整体增益倍数为A_AA_B。

本方法的有益效果在于削弱了温差热电势、导线电阻以及电压测量中输出失调电压、增益漂移误差等引起的影响，通过电压保持器这一设计，将仪表放大器B的输入端电压差值拉低，为其高放大倍数的设置提供可能，实现了从零至电源电压的电路输出，充分利用后级模数转换器的动态范围，避免造成性能浪费，从而实现可应用于长距离、高分辨率、高准确度、全动态范围的阻值测量。

附图说明：

图1为全动态范围高精度阻值测量结构示意图。

图2为长距离测量环境下的全动态范围高精度阻值测量结构电路模型图。

具体实施方式：

根据说明书中所述的全动态范围高精度阻值测量结构，该结构由两个参考电阻R₁和R₂、一个待测电阻R_t、两个仪表放大器A和B、两个三输入单输出切换开关构成的切换开关组、一个单输入双输出的切换开关和一个电压保持器组成；待测电阻R_t的两端分别连接两根长导线；参考电阻R₁的一端与待测电阻R_t一端的一根长导线相连，其电路结点为X，待测电阻R_t另一端的一根长导线与参考电阻R₂相连，其电路结点为Y，参考电阻R₁的另一端电路结点为M，参考电阻R₂的另一端电路结点为N；电路结点M、X、Y依次接入第一个三输入单输出的切换开关，电路结点X、Y、N依次接入第二个三输入单输出的切换开关，两个切换开关的输出端与仪表放大器A的输入端相连；仪表放大器的输出端与单输入双输出的切换开关相连，该切换开关的输出端分别与仪表放大器B的同相输入端、电压保持器的输入端相连；电压保持器的输出端与仪表放大器B的反相输入端相连。

参考电阻的阻值设置、仪表放大器的放大倍数视实际阻值测量范围需要而定，例如：设计对PT1000类型的铂电阻进行阻值测量，设实际阻值测量范围为900Ω～1000Ω，则令参考电阻R₁＝900Ω、R₂＝1000Ω，工作电压为5V，电路结点M、N接0.5mA恒流电源，则仪表放大器A的最大放大倍数为仪表放大器B输入端的最大电压差值发生在U_B3处，为0.5V，则仪表放大器B的最大放大倍数为：5\0.5＝10，则该电路结构的整体放大倍数为100。若后级采用16位模数转换器进行电压采集，则可识别0.0015Ω的电压变化，且动态范围无浪费。该电路结构的阻值测量性能要优于采用同样的恒流源、同样的仪表放大器、同样型号的铂电阻和同样型号的参考电阻所搭建的基于恒流源测量的参考阻值比率测量结构，具体性能提升指标与实际器件性能相关。

Claims

1.一种全动态范围高精度阻值测量结构，由两个参考电阻R₁和R₂、一个待测电阻R_t、两个仪表放大器A和B、两个三输入单输出切换开关构成的切换开关组、一个单输入双输出的切换开关和一个电压保持器组成，其特征在于：

所述的待测电阻R_t的两端分别连接两根长导线；参考电阻R₁的一端与待测电阻R_t一端的一根长导线相连，其电路结点为X，待测电阻R_t另一端的一根长导线与参考电阻R₂相连，其电路结点为Y，参考电阻R₁的另一端电路结点为M，参考电阻R₂的另一端电路结点为N；电路结点M、X、Y依次接入第一个三输入单输出的切换开关，电路结点X、Y、N依次接入第二个三输入单输出的切换开关，两个切换开关的输出端与仪表放大器A的输入端相连；仪表放大器的输出端与单输入双输出的切换开关相连，该切换开关的输出端分别与仪表放大器B的同相输入端、电压保持器的输入端相连；电压保持器的输出端与仪表放大器B的反相输入端相连。

2.一种基于权利要求1所述全动态范围高精度阻值测量结构的测量方法；其特征在于方法如下：

首先，连接电路结点M、N至电源，对串连的参考电阻R₁、待测电阻R_t和参考电阻R₂进行供电，设流经它们的电流大小为I_S；然后，设置切换开关组，M结点连接到仪表放大器A的同相输入端，X结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A1，待电压保持器稳定后设置切换开关组，X结点连接到仪表放大器A的同相输入端，Y结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A2，仪表放大器B的输出电压为U_B1；设置切换开关组，X结点连接到仪表放大器A的同相输入端，Y结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A3，待电压保持器稳定后设置切换开关组，Y结点连接到仪表放大器A的同相输入端，N结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A4，仪表放大器B的输出电压为U_B2；设置切换开关组，Y结点连接到仪表放大器A的同相输入端，N结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A5，待电压保持器稳定后设置切换开关组，M结点连接到仪表放大器A的同相输入端，X结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A6，仪表放大器B的输出电压为U_B3；最后，计算得到当前的待测电阻阻值；具体的测量方法如下：

连接电路结点M、N至电源，对串连的参考电阻R₁、待测电阻R_t和参考电阻R₂进行供电，设流经它们的电流大小为I_S；

设置切换开关组，M结点连接到仪表放大器A的同相输入端，X结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A1，待电压保持器稳定后设置切换开关组，X结点连接到仪表放大器A的同相输入端，Y结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A2，仪表放大器B的输出电压为U_B1；

设置切换开关组，X结点连接到仪表放大器A的同相输入端，Y结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A3，待电压保持器稳定后设置切换开关组，Y结点连接到仪表放大器A的同相输入端，N结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A4，仪表放大器B的输出电压为U_B2；

设置切换开关组，Y结点连接到仪表放大器A的同相输入端，N结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至电压保持器，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A5，待电压保持器稳定后设置切换开关组，M结点连接到仪表放大器A的同相输入端，X结点连接到仪表放大器A的反相输入端，设置切换开关，将仪表放大器A的输出端连接至仪表放大器B的同相输入端，设此时仪表放大器A的输出电压为U_A6，仪表放大器B的输出电压为U_B3；

待测电阻R_t的阻值计算公式如下：

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