淺談二線法和四線法測量電阻的優(yōu)缺點(diǎn)

摘 要：介紹了普通兩線法和開爾文（Kelvin）四線連接方式測試電阻的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：開爾文 四線法

中圖分類號(hào)：TM934 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（a）-0232-02

通常1Ω以下的電阻叫作低電阻。在日常生產(chǎn)和實(shí)踐中，很多時(shí)候要對低電阻進(jìn)行測量，如電線電纜20℃導(dǎo)體電阻、金屬熱處理過程中的電阻、金屬焊接后電阻率的變化，電阻值在10-4～10-8 Ω，甚至更小。因測量電路中總是存在接觸電阻和導(dǎo)線電阻，其數(shù)量級有時(shí)和被測電阻相同，甚至高于被測電阻，所以會(huì)對測量結(jié)果造成很大影響，甚至使測量結(jié)果完全失去正確性。

在電機(jī)類產(chǎn)品溫升實(shí)驗(yàn)中，測量繞線電阻時(shí)就會(huì)遇見此類情況。一般所用的測量儀器或設(shè)備都包含連接、激勵(lì)、測量和顯示單元，有時(shí)還有后期數(shù)據(jù)處理單元。采用不同的測量方法和不同的連接方式引入的測量誤差不同，得到的測量精度也不同，如何根據(jù)需要減少測量誤差是測試技術(shù)的關(guān)鍵之一。對這些特殊低電阻的測量，需要選擇合適的電路，消除電路中導(dǎo)線電阻、漏電電阻、溫度等的影響，才能把誤差降到最小，保證測量精度。兩線法和四線法是其中比較常見的測試方法，其中四線法具有靈敏度高、測量準(zhǔn)確加上方法巧妙，使用方便、對電源穩(wěn)定性要求不高等特點(diǎn)，因?yàn)樗囊€法較好地避免了接觸電阻和導(dǎo)線電阻的影響，已被廣泛地應(yīng)用于安規(guī)電阻測試中。

1 二線法測試與四線法測試的優(yōu)缺點(diǎn)

兩線法是把連續(xù)被測電阻導(dǎo)線也接到數(shù)字多用表上，連接線的電阻也算在被測電阻值里，無法將它們分開。

四線法也稱kelvin法測電阻，用一對導(dǎo)線接電流源，另一對線（感知線）把被測電阻上電壓降引入數(shù)字多用表進(jìn)行測量。由于流過感知線的電流很小，所以測量的電阻值更接近真實(shí)值。四線沒有電橋，完全只是用恒流源發(fā)送，電壓計(jì)測量，最后給出測量電阻值。

其實(shí)測量原理都一樣，只是接線區(qū)別。

應(yīng)該說，電流回路和電壓測量回路是否分開接線的問題。

兩線法—— 電流回路和電壓測量回路合二為1，精度差。

四線法—— 電路回路和電壓測量回路獨(dú)立分開，精度高，但費(fèi)線。

以PT100為例，

2線制：

傳感器電阻變化值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值，由于導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差使實(shí)際測量值偏高，用于測量精度要求不高的場合，并且導(dǎo)線的長度不宜過長。

4線制：

當(dāng)測量電阻數(shù)值很小時(shí)，測試線的電阻可能引入明顯誤差，四線測量用兩條附加測試線提供恒定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電壓表，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降，計(jì)算得出電阻值。

2 二線法測試與四線法測試的原理。

2.1 普通二線測試原理

通常的開短路測試方法即為普通二線測試，如圖1所示，二線測試是目前普遍應(yīng)用的一種方案。

二線測試只有一個(gè)回路，所測得的阻抗為R1+R2+R，即所測得的阻抗為饋線電阻和待測線路阻值之和，而R1和R2與R相比不能忽略，甚至超過R，故無法精確測定被測電阻之低阻值。但因?yàn)殚_路測試的條件一般為20 Ω，故饋線電阻影響不大，可以忽略不計(jì)。二線測試的精度雖然不高，但是用來判斷線路的開短路已經(jīng)能滿足絕大部分的需要。但僅適用于完全斷線之測試，對于低阻值測試則無能為力。（圖2）

rL意指測試機(jī)元件阻抗+排線阻抗+探針內(nèi)部阻抗+接觸阻抗。

rT指匹配電阻。

二端子測試時(shí)測試機(jī)之排線阻抗、探針內(nèi)部阻抗及接觸阻抗同時(shí)串聯(lián)測定，當(dāng)測量的電阻阻值較小時(shí)，饋線電阻產(chǎn)生的誤差就不容忽視，故無法精確測得被測電阻的低阻抗值，這種引線方式只適用于測量精度較低的場合。但由于接法簡單，實(shí)際仍有應(yīng)用，為使誤差不致過大，要求引出線的電阻值：銅電阻-不應(yīng)超過R0的0.2%；鉑電阻-不應(yīng)超過R0的0.1%。另外就是將線路電阻測量出來以后在二次儀表或者溫度變送器內(nèi)修正了（但環(huán)境溫度的變化對引線電阻和連接導(dǎo)線的電阻變化量仍然無法修正之）。

2.2 低阻四線測試原理

四線連接方式如圖3所示，連接有兩個(gè)要求：對于每個(gè)測試點(diǎn)都有一條激勵(lì)線和一條檢測線，二者嚴(yán)格分開，各自構(gòu)成獨(dú)立回路；同時(shí)要求檢測線必須接到一個(gè)有極高輸入阻抗的測試回路上，使流過檢測線的電流極小，近似為零。激勵(lì)線即是電流供給回路，檢測線即是電壓測定回路，電流、電壓兩回路各自獨(dú)立。電流供給回路兩端子與電壓測定回路兩端子共計(jì)四端子，故稱四線測試。

VI1×R（因I2（小電流）再乘上小電阻得到更小的壓降），因電壓表的內(nèi)部阻抗非常高（MΩ級），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓測定回路的饋線電阻R3和R4（Ω級），使得幾乎全部的電流流經(jīng)過R，流經(jīng)電壓表的電流I2幾乎為零，故所量到的電壓也幾乎是R本身的壓降，饋線電阻完全可以忽略，使所測得的R幾乎近似于R本身，由此可精確測定被測電阻之微小阻值，其四線測試的測試精度可達(dá)到mΩ級。（圖4）

四端子測試時(shí)電流供給回路與電壓測定回路是個(gè)別獨(dú)立的（電流供給回路2端子與電壓測定回路2端子，共計(jì)4端子），由于電壓測定計(jì)內(nèi)部阻抗非常高，故電壓測定回路中排線阻抗、接觸阻抗、內(nèi)部阻抗皆可忽略，因此可精確測得被測電阻之微小阻值。[1]

該測量原理的誤差主要來自于恒流源的精度、電壓表的測量精度、引線的固有熱電勢。

可采用如下措施提高測量精度：

（1）在電流回路中加入一具有極低溫度系數(shù)的高精密電阻作為采樣電阻，測量該采樣電阻上的電壓值VS進(jìn)而精確得到恒流源的電流值I，從而消除由于溫漂、失調(diào)等因素造成的恒流源誤差。

（2）變換恒流源極性測量熱電阻，可大大抑制熱電勢的影響。

在工程現(xiàn)場，如何用現(xiàn)有的數(shù)字萬用表精確測量阻值很小的電阻是工程技術(shù)人員經(jīng)常遇到的問題。按照四線測量法將恒流源電流流入被測電阻R的兩根電流線和數(shù)字萬用表電壓測量端的兩根電壓線分離開，使得數(shù)字萬用表測量端的電壓不再是恒流源兩端的直接電壓。

從圖5中可以看出，四線測量法比通常的測量法多了兩根饋線，斷開了電壓測量端與恒流源兩端連線。由于電壓測量端與恒流源端斷開，恒流源與被測電阻Rx、饋線RL1、RL2構(gòu)成一個(gè)回路。送至電壓測量端的電壓只有Rx兩端的電壓，饋線RL1、RL2電壓沒有送至電壓測量端。因此，饋線電阻RL1和RL2對測量結(jié)果沒有影響。饋線電阻RL3和RL4對測量有影響，但影響很小，由于數(shù)字萬用表的輸入阻抗（MΩ級）遠(yuǎn)大于饋線電阻（Ω級），所以，四線測量法測量小電阻的準(zhǔn)確度很高。

3 結(jié)語

四線法的優(yōu)勢，不僅消除了引線電阻和接觸電阻，還可以大大減少熱電動(dòng)勢的影響。因?yàn)殡娏鞫俗邮前l(fā)熱的源泉，但分開后由于恒流的作用，到底串聯(lián)多大電阻、甚至串聯(lián)個(gè)電池，都沒有關(guān)系了，都是恒流的，因此接線端子也可以用很普通的。另一方面，兩個(gè)電壓端子由于不流過電流，因此不發(fā)熱，并且距離發(fā)熱的電流端子保持一定的距離，也可以減少熱傳導(dǎo)過來，接線端子可以采用低熱的。

低阻四線測試技術(shù)是測試技術(shù)的新發(fā)展，彌補(bǔ)了二線測試技術(shù)不能測試低阻的缺陷，目前低阻四線測試技術(shù)還在發(fā)展完善中，隨著時(shí)間的推移，低阻四線測試技術(shù)必將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]沉默的羔羊.四線式測試技術(shù)研究[EB/OL]http：//blog.sina.com.cn/s/blog_60954b330100ghnd.html，2009-12-11.