CN117665392A - 可自校高准确度电阻比率参考臂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可自校高准确度电阻比率参考臂，包括调节臂、固定臂、第一换向开关、第二换向开关和指零仪，调节臂和固定臂分别包括若干组配对的第一主电阻对和第二主电阻对，可调电阻和第一调节电阻串联并与调节臂的首端的第一主电阻对并联，第二调节电阻与固定臂的尾端的第二主电阻对并联；调节臂与固定臂首尾串联，第一换向开关和第二换向开关的正接线点和负接线点分别调节臂的首端和固定臂的尾端连接。本发明，采用高精密电阻配对组合并加入低权重调节的结构形式，降低了整个桥臂电阻温度系数，减小了环境温度对比率臂电阻的影响，保证了参考比率臂电阻值的准确度和稳定性，具有高可靠性、高稳定性和高准确度及可自校的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种可自校高准确度电阻比率参考臂。
背景技术
电桥法是一种常用的测电阻的方法，如图1所示，以惠斯通电桥为例，其是由四个电阻R1、R2、R3、RN连成四边形，称为电桥的四个臂，四边形的一条对角线连有电流计，称为“桥”。当桥两端点之间的电势相等时，桥路中的电流为零，电流计指针指零，这时称电桥处于平衡状态。根据电桥的平衡条件，如果已知其中三个臂的电阻，利用电桥测电阻的计算式RN＝R2×R3/R1就可以计算出另一个桥臂的电阻，这就是用单臂电桥测电阻的原理。这里我们把R2称为参考电阻，把R3、R1组成的桥臂合称为参考臂。由此我们可知，已知的参考电阻R2的阻值精度和参考臂R3/R1的比率精度直接影响了被测电阻的测量准确度。此外在一些高准确度的电阻比率分压装置中，经常要对分压段电阻进行计量校准，也需要使用高准确度等级的参考比率臂来进行调整和校准。
目前常见的电阻比率臂方案存在以下缺点：
(1)目前非数字式单臂电阻测量准确度一般为0.1级至0.05级，其测量准确度较低；同时由于其直接采用固定电阻元器件搭建电路，无法对比率臂比率精度进行自校准，而比率臂电阻不准确会给最终比率带来一定的误差；
(2)目前电阻比率臂方案对使用环境温度要求较高，受环境温度波动影响大。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种的可自校高准确度电阻比率参考臂，具有高可靠性、高稳定性和高准确度及可自校的特点。
为实现上述发明目的，本发明提供一种可自校高准确度电阻比率参考臂，包括：
调节臂，包括若干组第一主电阻对、可调电阻和第一调节电阻，每组所述第一主电阻对包括并联的两个第一主电阻，并联的两个第一主电阻的温漂方向相反且老化偏离值方向相反；若干组所述第一主电阻对依次串联，若干组所述第一主电阻对的温漂系数的绝对值相同；所述可调电阻和所述第一调节电阻依次串联并与所述调节臂的首端的所述第一主电阻对并联；
固定臂，包括若干组第二主电阻对和第二调节电阻，每组所述第二主电阻对包括并联的两个第二主电阻，并联的两个第二主电阻的温漂方向相反且老化偏离值方向相反；若干组所述第二主电阻对依次串联，若干组所述第二主电阻对的温漂系数的绝对值相同；所述第二调节电阻与所述固定臂的尾端的所述第二主电阻对并联；
所述调节臂与所述固定臂的首尾依次串联；
换向开关，包括联动的第一换向开关和第二换向开关，每个换向开关均包括一个接线柱、一个正接线点、一个负接线点和一个切换开关，所述切换开关与所述正接线点或所述负接线点接通，使接线柱接入不同电路；所述第一换向开关的正接线点与所述调节臂的首端连接，所述第一换向开关的负接线点与所述固定臂的尾端连接；所述第二换向开关的正接线点与所述固定臂的尾端连接，所述第二换向开关的负接线点与所述调节臂的首端连接；
指零仪，其一端串联在所述调节臂与所述固定臂之间，其另一端连接有一个接线柱。
根据本发明的一个技术方案，所述可调电阻与所述第一调节电阻配置为：所述可调电阻的50％标称值串联所述第一调节电阻可平衡所述调节臂与所述固定臂的阻值偏差。
根据本发明的一个技术方案，所述第一主电阻、所述第二主电阻通过倒装搭焊的方式固定在PCB板上，所述第一主电阻、所述第二主电阻上电阻引线所在的端面背对所述PCB板的表面设置，所述第一主电阻、所述第二主电阻的背面通过高阻粘结剂与所述PCB板的表面固定。
根据本发明的一个技术方案，所述电阻引线通过哈蒙节结构连接。
根据本发明的一个技术方案，每组所述第一主电阻对和每组所述第二主电阻对上设有等电位屏蔽环路，所述等电位屏蔽环路包括：
围墙屏蔽环，设置在PCB板上，围成屏蔽空间，每组电阻对的两个电阻设置在所述屏蔽空间内；
连接线和等电位电阻，设置在相邻的两个所述围墙屏蔽环之间，所述等电位电阻通过所述连接线与相邻的两个所述围墙屏蔽环连接。
根据本发明的一个技术方案，所述可调电阻、所述第一调节电阻和所述第二调节电阻的温漂系数不大于100ppm/℃。
根据本发明的一个技术方案，所述第二调节电阻的阻值不小于单个所述第一主电阻或所述第二主电阻的阻值的1000倍。
根据本发明的一个技术方案，所述接线柱为99.99％高纯度无氧铜接线柱，其表面利用旋转自摩擦结构工艺进行防氧化处理，所述接线柱上设有高绝缘聚四氟乙烯绝缘组件。
根据本发明的一个技术方案，所述第一主电阻、所述第二主电阻、所述可调电阻、所述第一调节电阻、所述第二调节电阻、所述第一换向开关、所述第二换向开关、所述指零仪之间的连接电路、所述连接线与所述等电位电阻之间的连接电路采用器件管脚直接焊接的方式连接，且所述连接电路采用的焊锡为特种低热电势焊锡。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明提出了一种可自校高准确度电阻比率参考臂，调节电阻与至少一组第一电阻并联，使调节电阻以低权重调节的结构形式加入比率臂，保证了参考比率臂电阻值的精确度和稳定性；同时，通过换向开关，可实现对电阻比率臂精度的自校准，从而进一步提高参考比率臂的准确性。
本发明，组成调节臂和固定臂的主电阻首先根据温漂老化偏离要求进行配对后并联，匹配的主电阻对再依次串联，通过采用温度系数匹配的方式，降低了整个桥臂电阻温度系数，减小了环境温度对比率臂电阻的影响，提高了参考臂比率稳定性；通过采用多组电阻串并联方式，提高了桥臂电阻额定功率，减小了电压系数。
本发明，针对板基泄露电流的问题，电阻采用倒装焊接的方式安装在PCB板上，电阻引线不与PCB板进行任何接触，从而有效避免了PCB板引起的泄漏电流，避免泄漏电流产生的串并联差影响利用参考臂进行电阻测量的测量结果。
本发明，采用等电位屏蔽设计，针对每组电阻对均设置独立的等电位屏蔽环路，架空引出连接线，使得所有电阻均被同电位环绕，完全避免了电阻对与相邻电阻对、与外壳等之间的电场泄漏电流，通过设置屏蔽电路避免泄露电流、电压系数影响电桥臂比例，从而进一步提高参考比率臂的准确性。
本发明，采用多种降低接触热电势的措施，从接线柱结构、连接方式、接触材料等方面进行改进设计，全方位减小线路中的热电势影响，避免热电势对高精密电阻的稳定性和精度产生不良影响，进而影响高精密电阻测量结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示惠斯通电桥原理图；
图2示意性表示根据本发明一个实施例中提供的可自校高准确度电阻比率参考臂的结构示意图；
图3示意性表示根据本发明一个实施例中匹配后的一个主电阻对的示意图；
图4示意性表示根据本发明一个实施例中电阻在PCB板上的结构示意图；
图5示意性表示根据本发明一个实施例中电阻引线的连接示意图；
图6示意性表示根据本发明一个实施例中等电位屏蔽环路的结构示意图。
其中，附图标记与部件之间的对应关系如下：
1、调节臂；2、固定臂；3、第一换向开关；4、第二换向开关；5、指零仪；6、PCB板；7、电阻引线；8、高阻粘结剂；9、哈蒙节；10、围墙屏蔽环；11、等电位电阻；R5、可调电阻；R6、第一调节电阻；R7、第二调节电阻。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
如图2所示，本发明的一种可自校高准确度电阻比率参考臂，包括调节臂1、固定臂2、第一换向开关3、第二换向开关4、指零仪5。
调节臂1包括若干组第一主电阻对、可调电阻R5和第一调节电阻R6，以调节臂1包括N组第一主电阻对为例进行说明，组成调节臂1的第一主电阻R101、R102、……R10N、R201、R202、……R20N中，第一主电阻R101与第一主电阻R201、第一主电阻R102与第一主电阻R202、……第一主电阻R10N与第一主电阻R20N分别匹配成第一主电阻对，组成第一主电阻对的两个第一电阻并联，并联的两个第一主电阻的温漂方向相反且老化偏离值方向相反。N组第一主电阻对之间依次串联，若干组第一主电阻对的温漂系数的绝对值相同。
可调电阻R5和第一调节电阻R6依次串联后并与调节臂1的首端的第一主电阻对并联，通过调节可调电阻R5或设置第一调节电阻R6的大小，可对参考臂的电阻比率进行调节。
固定臂2包括若干组第二主电阻对和第二调节电阻R7，以调节臂1包括N组第二主电阻对为例进行说明，组成调节臂1的第二主电阻R301、R302、……R30N、R401、R402、……R40N中，第二主电阻R301与第二主电阻R401、第二主电阻R302与第二主电阻R402、……第二主电阻R30N与第二主电阻R40N分别匹配成第二主电阻对，组成第二主电阻对的两个第二电阻并联，并联的两个第二主电阻的温漂方向相反且老化偏离值方向相反。N组第二主电阻对之间依次串联，若干组第二主电阻对的温漂系数的绝对值相同。第二调节电阻R7与固定臂2的尾端的第二主电阻对并联。
调节臂1与固定臂2的首尾依次串联，即由第一主电阻R10N与第一主电阻R20N组成的第一主电阻对与由第二主电阻R30N与第二主电阻R40N组成第二主电阻对串联。
在本发明的一个实施例中，可调电阻R5与第一调节电阻R6配置为：可调电阻R5的50％标称值串联调节电阻可平衡调节臂1与固定臂2的阻值偏差。可调电阻R5、第一调节电阻R6和第二调节电阻R7的温漂系数不大于100ppm/℃。
换向开关，为双刀双掷开关，包括联动的第一换向开关3和第二换向开关4，第一换向开关3和第二换向开关4通过同轴连接，实现同步切换。第一换向开关3和第二换向开关4用于切换调节臂1、固定臂2接入电路的方向以实现电阻比率参考臂的自校准。每个换向开关均包括一个接线柱、一个正接线点、一个负接线点和一个切换开关，切换开关分别与正接线点或负接线点接通，使第二接线柱接入不同电路。第一换向开关3的正接线点与调节臂1的首端连接，第一换向开关3的负接线点与固定臂2的尾端连接，第一换向开关3设有接线柱A。第二换向开关4的正接线点与固定臂2的尾端连接，第二换向开关4的负接线点与调节臂1的首端连接，第二换向开关4设有接线柱C。
指零仪5的一端串联在调节臂1与固定臂2之间，指零仪5的另一端连接有一个接线柱B。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，第一主电阻、第二主电阻通过倒装搭焊的方式焊接在PCB板6上，第一主电阻、第二主电阻上电阻引线7所在的端面背对PCB板6的表面设置，第一主电阻、第二主电阻的背面通过高阻粘结剂8与PCB板6的表面固定。
电阻器件一般设置在电路板上，在加电状态下电阻期间引脚之间存在电位差，因此会在电路板范围内电阻引脚之间产生泄露电流，如果电路板材质本身电阻率不高，就可能会在电路板表面形成泄露电流的导体，从而使测量结果存在较大的串并联差。
为了有效降低电阻在PCB上焊接引起的板基泄漏电流，桥臂上的电阻采用“倒装”的搭焊装配工艺，电阻引线7不与PCB板6进行任何接触，PCB板6仅仅起到一个支撑作用，从而有效避免了PCB板6引起的泄漏电流，进而有效提高桥臂比率。
在本发明的一个实施例中，如图5所示，电阻引线7通过哈蒙节9结构连接，使得电阻引线7影响减到最低。
在本发明的一个实施例中，如图6所示，第一主电阻对和第二主电阻对上设有等电位屏蔽环路，等电位屏蔽环路包括围墙屏蔽环10、连接线和等电位电阻11。围墙屏蔽环10设置在PCB板6上，在PCB板上围成屏蔽空间，每组电阻对的两个电阻设置在屏蔽空间内。连接线和等电位电阻11设置在相邻的两个围墙屏蔽环10之间，等电位电阻11通过连接线与相邻的两个围墙屏蔽环10连接。
架空引出连接线，使得所有电阻均被同电位环绕，完全避免了电阻对与相邻电阻对，与外壳等之间的电场泄漏电流。这也是一个确保电桥臂比例的重要措施。
在本发明的一个实施例中，接线柱A、接线柱B、接线柱C均为99.99％高纯度无氧铜接线柱，其表面利用旋转自摩擦结构工艺进行防氧化处理，接线柱A、接线柱B、接线柱C上设有高绝缘聚四氟乙烯绝缘组件，以提高接线柱与参考臂外壳的绝缘性能。第一主电阻、第二主电阻、可调电阻R5、第一调节电阻R6、第二调节电阻R7、换向开关、指零仪5之间的连接电路、连接线与等电位电阻11之间的连接电路采用器件管脚直接焊接的方式连接，且所述连接电路采用的焊锡为特种低热电势焊锡，优选地，特种低热电势焊锡采用CdSnPb特种低热电势焊锡，以减小焊接引起的低热电势。
本发明的使用方法如下：
首先需要根据实际输入电压、输入阻抗要求，选取合适阻值和功率的主电阻元器件。其中，主电阻元器件最好选择同阻值的电阻，以降低后续配对的工作难度，减少工作量。对选取的主电阻元器件全部进行筛选测试，根据温漂老化偏离的要求配对，将配对的主电阻元器件并联起来。将配对的N对主电阻对依次串联起来，并根据温漂老化偏离的要求分为调节臂1和固定臂2两大组。其中，如图3所示，温漂老化偏离要求为：配对的两个主电阻R温漂方向相反且老化偏离值方向相反；组成调节臂1或组成固定臂2的N对主电阻，其进行温漂匹配后的绝对值保持一致。
根据调节臂1上N对主电阻和固定臂2上N对主电阻的实际阻值，分别估算调节电阻R6和R7的阻值。其中，为保证调值精度，调节电阻R6和调节电阻R7的阻值一般不小于单个主电阻的1000倍。将调节电阻R6和调节电阻R7分别并联到调节臂1首端的第一主电阻对和固定臂2尾端的第二主电阻对上。
在调节臂1上的调节电阻R6上串联一个可调电阻R5，用于实现精确调值。可调电阻R5的选用原则为：可调电阻R5的50％标称值串联调节电阻R6可平衡调节臂1与固定臂2的阻值偏差。
由于可调电阻R5、调节电阻R6和调节电阻R7的温漂系数不大于100ppm/℃，可保证桥臂整体阻值精度变化在1E-8量级以内。
电阻匹配完成后，将换向开关的换向接电点与调节臂1和固定臂2的主电阻对连接，形成可自校高准确度电阻比率参考臂。其中，接线柱A与接线柱B之间、接线柱B与接线柱C之间可接标准电阻或被测电阻，构成单臂电桥，对电阻比率或者电阻值进行测试。
通过双刀双掷的换向开关，实现第一换向开关3和第二换向开关4同步切换，实现了电路的正反换向，配合指零仪和外部电压辅助电路可实现桥臂自校准。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
Claims (9)
1.一种可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，包括：
调节臂(1)，包括若干组第一主电阻对、可调电阻(R5)和第一调节电阻(R6)，每组所述第一主电阻对包括并联的两个第一主电阻，并联的两个第一主电阻的温漂方向相反且老化偏离值方向相反；若干组所述第一主电阻对依次串联，若干组所述第一主电阻对的温漂系数的绝对值相同；所述可调电阻(R5)和所述第一调节电阻(R6)依次串联并与所述调节臂(1)的首端的所述第一主电阻对并联；
固定臂(2)，包括若干组第二主电阻对和第二调节电阻(R7)，每组所述第二主电阻对包括并联的两个第二主电阻，并联的两个第二主电阻的温漂方向相反且老化偏离值方向相反；若干组所述第二主电阻对依次串联，若干组所述第二主电阻对的温漂系数的绝对值相同；所述第二调节电阻(R7)与所述固定臂(2)的尾端的所述第二主电阻对并联；
所述调节臂(1)与所述固定臂(2)的首尾依次串联；
换向开关，包括联动的第一换向开关(3)和第二换向开关(4)，每个换向开关均包括一个接线柱、一个正接线点、一个负接线点和一个切换开关，所述切换开关与所述正接线点或所述负接线点接通，使接线柱接入不同电路；所述第一换向开关(3)的正接线点与所述调节臂(1)的首端连接，所述第一换向开关(3)的负接线点与所述固定臂(2)的尾端连接；所述第二换向开关(4)的正接线点与所述固定臂(2)的尾端连接，所述第二换向开关(4)的负接线点与所述调节臂(1)的首端连接；
指零仪(5)，其一端串联在所述调节臂(1)与所述固定臂(2)之间，其另一端连接有一个接线柱。
2.根据权利要求1所述的可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，所述可调电阻(R5)与所述第一调节电阻(R6)配置为：所述可调电阻(R5)的50％标称值串联所述第一调节电阻(R6)可平衡所述调节臂(1)与所述固定臂(2)的阻值偏差。
3.根据权利要求1所述的可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，所述第一主电阻、所述第二主电阻通过倒装搭焊的方式固定在PCB板(6)上，所述第一主电阻、所述第二主电阻上电阻引线(7)所在的端面背对所述PCB板(6)的表面设置，所述第一主电阻、所述第二主电阻的背面通过高阻粘结剂(8)与所述PCB板(6)的表面固定。
4.根据权利要求3所述的可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，所述电阻引线(7)通过哈蒙节(9)结构连接。
5.根据权利要求1所述的可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，每组所述第一主电阻对和每组所述第二主电阻对上设有等电位屏蔽环路，所述等电位屏蔽环路包括：
围墙屏蔽环(10)，设置在PCB板(6)上，围成屏蔽空间，每组电阻对的两个电阻设置在所述屏蔽空间内；
连接线和等电位电阻(11)，设置在相邻的两个所述围墙屏蔽环(10)之间，所述等电位电阻(11)通过所述连接线与相邻的两个所述围墙屏蔽环(10)连接。
6.根据权利要求1所述的可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，所述可调电阻(R5)、所述第一调节电阻(R6)和所述第二调节电阻(R7)的温漂系数不大于100ppm/℃。
7.根据权利要求1所述的可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，所述第二调节电阻(R7)的阻值不小于单个所述第一主电阻或所述第二主电阻的阻值的1000倍。
8.根据权利要求1所述的可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，所述接线柱为99.99％高纯度无氧铜接线柱，其表面利用旋转自摩擦结构工艺进行防氧化处理，所述接线柱上设有高绝缘聚四氟乙烯绝缘组件。
9.根据权利要求5所述的可自校高准确度电阻比率参考臂，其特征在于，所述第一主电阻、所述第二主电阻、所述可调电阻(R5)、所述第一调节电阻(R6)、所述第二调节电阻(R7)、所述第一换向开关(3)、所述第二换向开关(4)、所述指零仪(5)之间的连接电路、所述连接线与所述等电位电阻(11)之间的连接电路采用器件管脚直接焊接的方式连接，且所述连接电路采用的焊锡为特种低热电势焊锡。
Priority Applications (1)
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| CN202311548152.0A CN117665392A (zh) | 2023-11-20 | 2023-11-20 | 可自校高准确度电阻比率参考臂 |
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