1 引言
在飛機(jī)上通常利用機(jī)體作為一根供電導(dǎo)線。為了保證飛機(jī)的正常供電要求從機(jī)頭到機(jī)尾的機(jī)體電阻必須小于0.005歐姆即5毫歐姆才不至于影響飛機(jī)的正常供電。
以往對于特低電阻值的測量通常采用比較的方法即手動調(diào)節(jié)電橋平衡在精密電阻箱上得到讀數(shù)此方法既慢又不準(zhǔn)確。即使采用6位半的高精度數(shù)字表直接測量電阻其電阻測量的分辨率也只能達(dá)到10毫歐姆。這說明測量機(jī)體電阻是一個比較困難的超低阻值測量問題。
2 系統(tǒng)設(shè)計與誤差分析
將測試線路及測試儀內(nèi)部的線路電阻考慮在內(nèi)時電阻值的測量范圍要達(dá)到100毫歐姆；為了準(zhǔn)確測量出機(jī)體電阻分辨率要達(dá)到0.1毫歐姆。
從理論上說采用24bit的A/D轉(zhuǎn)換器若輸入量程為5V則分辨率可達(dá)：
LSB=5/(224-1)=0.29微伏
即1mA電流流過1毫歐姆電阻產(chǎn)生的1微伏電壓降也能測量出來。但這省略了一個前提：被測量信號的信噪比必須非常高。如果線路的噪聲達(dá)到1mV那么即使1A電流在1毫歐姆電阻上產(chǎn)生的1mV電壓信號也檢測不出來。
根據(jù)需要測量的電阻值范圍和對被測量信號信噪比的要求設(shè)計的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 測試系統(tǒng)原理圖
測試系統(tǒng)的誤差分為量化誤差Δd和模擬誤差Δm兩部分。可表示為：
Δd=A/D轉(zhuǎn)換器的積分非線性誤差I(lǐng)NL+A/D轉(zhuǎn)換器的微分非線性誤差DNL+量化誤差LSB
Δm=被測量的電阻*比例誤差系數(shù)+系統(tǒng)常數(shù)誤差十隨機(jī)誤差
上式中決定比例誤差系數(shù)的主要因素是恒流源精度、各個環(huán)節(jié)的溫漂和增益誤差等。決定系統(tǒng)常數(shù)誤差的主要因素是系統(tǒng)內(nèi)部線路、測試線路和各個環(huán)節(jié)的調(diào)零。決定隨機(jī)誤差的主要因素是隨機(jī)接觸電阻、系統(tǒng)噪聲和外部干擾。
3 關(guān)鍵電路選型
3.1 低漂移大電流精密恒流源電路
理論和元器件數(shù)據(jù)資料表明以齊納二極管為基準(zhǔn)的精密電壓參考源的性能優(yōu)于以能帶為基準(zhǔn)的恒流源因此采用高性能的精密電壓參考源間接得到需要的精密相流源。電路如圖2所示。
圖2 高精密低溫漂恒流源電路
REF102是10V精密電壓參考源精度為±0.0025V溫漂為2.5ppm/℃max可滿足本系統(tǒng)電阻測量的要求。OPA111精密運算放大器作為電壓跟隨器使得REF102的GND端和放大器的同相端相等即R*為高精度、低溫漂的精密電阻則流過RL的電流為精密恒定電流。整個電路等效為恒流源電路。
恒流源擴(kuò)展電路如圖3所示，布氏硬度計運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)由于同相端和反相端的壓差幾乎為零運算放大器的偏置電流可以忽略不計因此恒流源電流在NR上的壓降與VMOS場效應(yīng)管的源極電流在R上的壓降必定相等。當(dāng)選擇
I1=1mA,NR=999R時
則Is=999*I1=999mA
所以I0=I1+Is=1mA+999mA=1.000A
選擇NR、R為高精度低溫漂電阻OPA602為精密運算放大器則擴(kuò)展后輸出的電流是精密恒流源。
3.2 A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)系統(tǒng)
由于測試量程要達(dá)100毫歐、分辨率要小于0.1毫歐所以A/D轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制編碼數(shù)至少要達(dá)到1000個相當(dāng)于10位的A/D轉(zhuǎn)換器。考慮到噪聲的影響以及A/D轉(zhuǎn)換器的差分非線性DNL、積分非線性NL和量化誤差LSB選擇16位的串行接口A/D轉(zhuǎn)換器ADS7809。設(shè)定其輸入量程為10V則分辨率為0.1525mV。當(dāng)被測量的電阻最大值為100毫歐恒流源電流為1A時被測電阻上的壓降為0.1V。為提高測試的精度將此信號放大100倍達(dá)到10V則理論上0.1毫歐的電阻可產(chǎn)生10mV的電壓降A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換后的讀數(shù)可達(dá)65LSB可充分保證測量的精度。
圖3 精密擴(kuò)展恒流源電路
4 關(guān)鍵誤差的消除
4.1 硬件濾波電路
由于機(jī)體是一個大的導(dǎo)體其感應(yīng)的干擾信號很強(qiáng)機(jī)上設(shè)備工作時也會產(chǎn)生較大的干擾。而機(jī)體電阻是一個比較穩(wěn)定的值在恒流源的激勵下產(chǎn)生的電壓信號是比較穩(wěn)定的信號理論上近似如直流。因此在將測量信號加到A/D轉(zhuǎn)換器之前先經(jīng)過一個有源低通濾波器設(shè)定較低的截止頻率可濾除一切交流干擾。
4.2 軟件濾波
為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾和噪聲的能力保證測試的精度，對獲得的測量值進(jìn)行數(shù)字濾波處理即進(jìn)行256次測量后取平均值。經(jīng)過軟、硬件濾波處理后的系統(tǒng)誤差僅僅±1LSB。
4.3 測試連接線及其與機(jī)上測試點隨機(jī)接觸電阻的消除
恒流源電流流經(jīng)的系統(tǒng)內(nèi)部線路電阻和連接飛機(jī)的測試導(dǎo)線的導(dǎo)線電阻可達(dá)三十幾毫歐可作為系統(tǒng)常數(shù)誤差予以消除。
難以消除的誤差是隨機(jī)誤差來自于測試線路與機(jī)上連接點的隨機(jī)接觸電阻。每次測量時擰緊測試線的力度不同、接觸表面的清潔度不同其接觸電阻完全是隨機(jī)的變化范圍可達(dá)幾個毫歐。為此采用如圖4所示的測試連接電路予以消除。
圖4 消除隨機(jī)誤差的測試連接圖
測試原理是四線測試法。選擇L1~L4四根導(dǎo)線為相同導(dǎo)線電阻的鍍銀導(dǎo)線。M1、M2為機(jī)上測試連接點。在同一個測試點上擰緊兩根測試線L1和L2L3和L4。導(dǎo)線的另一端接至測試接線盒的接觸電阻小于0.05毫歐的φ6鍍金接線柱。采用手動連接活動鍍金接線片的辦法構(gòu)成三種測試狀態(tài)：R+接T1、R—接N1測量出L1、L2及接觸點M1的接觸電阻；R+接N2、R—接T2測量出L3、L4及接觸點M2的接觸電阻。將這兩個電阻值取平均值作為測試線路的系統(tǒng)誤差。最后測出R+接N2、R—接N1的電阻值，減去上述測得的測試線路系統(tǒng)誤差即得到機(jī)體電阻值。
5 測試軟件流程圖
如圖5所示單片機(jī)采用查詢方式響應(yīng)測試鍵控。用4個鍵對應(yīng)四個測試狀態(tài)且及時顯示測試結(jié)果以便于操作者判斷。程序判斷四個電阻測試完后自動修正各種誤差顯示并打印出所測得的機(jī)體電阻值并附帶其他信息以便于保存和驗證。
圖5 鍵控流程圖
6 結(jié)論
針對待測電阻和測試線路的特點設(shè)計了超高精度、超低漂移的精密恒流源巧妙地采用了四線測試法消除了難以克服的隨機(jī)接觸電阻的影響經(jīng)過元器件的反復(fù)選型和測驗最后達(dá)到滿足測試需求的效果。可準(zhǔn)確地測出1厘米長的粗導(dǎo)線的導(dǎo)線電阻值。此設(shè)備已成功用于飛機(jī)機(jī)體電阻的測量和大功率開關(guān)電器額定功率的檢測。
