微弱電流校準(zhǔn)及注意事項(xiàng)

王一麗 吳敏婕 朱劍平/上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

近年來，微弱電流信號技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，例如軍事偵察、物理學(xué)、化學(xué)、電化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、地學(xué)、磁學(xué)等。很多半導(dǎo)體領(lǐng)域的相關(guān)公司對于直流微弱電流校準(zhǔn)的需求越來越迫切，形成了開展微弱電流校準(zhǔn)的緊迫性。本文簡單介紹微弱電流的校準(zhǔn)方法，并就其校準(zhǔn)過程中的注意事項(xiàng)作簡要分析。

1 微弱電流的校準(zhǔn)方法

一般來說，對于微弱電流校準(zhǔn)主要有兩種方法。一種是取樣電阻法，也叫做分流器法，其根本原理是采用在回路中接入取樣電阻的方法，把電流轉(zhuǎn)化成電壓來測量（如圖1所示）。數(shù)字多用電表和指針式電流表通常使用取樣電阻法，老式的靜電計(jì)電纜分布電容較大，采用反饋原理測量的時(shí)候往往會引起很多問題，因此也采用取樣電阻法。

圖1 取樣電阻法

另外一種方法是運(yùn)算放大器電流反饋法，其根本原理是在高增益的運(yùn)放反饋回路上產(chǎn)生一個(gè)壓降，該壓降與輸入電流成一定比例，該壓降為運(yùn)放的輸出端（如圖2所示），常見于新型的皮安表和靜電計(jì)中。取樣電阻法的缺點(diǎn)是電阻會和信號源內(nèi)阻串聯(lián)，減小待測電流的數(shù)值，而運(yùn)算放大器電流反饋法的測量準(zhǔn)確度高，對待測量電路幾乎沒有影響。

圖2 運(yùn)算放大器電流反饋法

2 微弱電流校準(zhǔn)的注意事項(xiàng)

在對微弱電流的高準(zhǔn)確度校準(zhǔn)過程中會引起各種誤差，如泄漏電流、偏置電流、摩擦電效應(yīng)、壓電效應(yīng)、污染和濕度、介質(zhì)吸收效應(yīng)、零點(diǎn)漂移等。以下簡單分析微弱電流校準(zhǔn)中引起的部分誤差產(chǎn)生的原因及解決方法。

2.1 泄漏電流

泄漏電流是由測量電路和附近的電壓源之間的寄生電阻通路產(chǎn)生的，這種電流能夠大大降低微弱電流測量的準(zhǔn)確度。為了降低泄漏電流，應(yīng)當(dāng)使用高質(zhì)量的絕緣材料，降低測量環(huán)境中的濕度，以及采用保護(hù)技術(shù)。

2.2 摩擦電效應(yīng)

摩擦電電流是由導(dǎo)體和絕緣體之間摩擦產(chǎn)生的電荷生成的。這時(shí)，摩擦引起自由電子脫離導(dǎo)體，產(chǎn)生電荷不平衡，從而產(chǎn)生電流?！暗驮肼暋彪娎|能大大降低這種效應(yīng)，這種電纜通常使用聚乙烯的內(nèi)層絕緣層，并在外層屏蔽層的內(nèi)表面涂敷石墨。石墨可起潤滑作用，并形成導(dǎo)電的等電位圓柱體，使電荷平衡并盡量降低由電纜運(yùn)動(dòng)的摩擦效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷。然而，在受到振動(dòng)和伸縮作用時(shí)，即使是低噪聲電纜也會產(chǎn)生一些噪聲。所以，所有的連接都要盡量地短，避免溫度變化的影響。摩擦電效應(yīng)也可能在其他絕緣體和導(dǎo)體互相接觸摩擦?xí)r產(chǎn)生。所以在構(gòu)建測試夾具和進(jìn)行微弱電流及高阻抗連接時(shí)，盡量減少絕緣體之間及導(dǎo)體之間的接觸也是很重要的。

2.3 污染和濕度

當(dāng)離子化學(xué)物質(zhì)在電路板的兩個(gè)導(dǎo)體之間產(chǎn)生弱的化學(xué)電池時(shí)，電化學(xué)效應(yīng)就會產(chǎn)生誤差電流。例如，常用的環(huán)氧樹脂印制電路板，如果沒有徹底清洗掉腐蝕加工用的溶液、焊劑或其他的污染物，就可能在兩個(gè)導(dǎo)體之間產(chǎn)生幾個(gè)納安電流。

高濕度和離子污染能夠大大降低絕緣電阻。在發(fā)生結(jié)露或水吸收的情況下，就會出現(xiàn)高濕度，而離子污染則可能由人體的油脂、鹽分和焊劑等產(chǎn)生。

這些污染的主要結(jié)果是降低絕緣電阻。在高濕度和離子污染的雙重作用下，還會形成導(dǎo)電通路，甚至可以形成具有高串聯(lián)電阻的化學(xué)電池。所以，為避免污染和濕度的影響，應(yīng)當(dāng)選擇抗吸水的絕緣材料，并將濕度保持在適當(dāng)水平。而且，還要確保所有的絕緣體清潔、不受污染。

2.4 壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)的原理是當(dāng)在某些材料（如晶體和某些陶瓷）上施加機(jī)械應(yīng)力，晶體的兩端就會產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電壓，這種效應(yīng)往往可以把晶體用作壓力傳感器。同樣，在晶體兩端施加一定強(qiáng)度的電場，晶體本身也會產(chǎn)生一定程度的機(jī)械變形，如今一些光學(xué)上的電光調(diào)制器就是利用這一原理實(shí)現(xiàn)的。但是，這種效應(yīng)在電流測量中是有害的。在塑料上，儲存電荷也會引起相似的反應(yīng)。為了避免壓電效應(yīng)，應(yīng)盡可能避免使導(dǎo)線和連接點(diǎn)處的絕緣物質(zhì)受到較大強(qiáng)度的應(yīng)力，更不要讓導(dǎo)線受到交變的機(jī)械應(yīng)力影響。連接測試夾具時(shí)，必須選擇良好的絕緣物質(zhì)并使連接結(jié)構(gòu)盡可能堅(jiān)固。

2.5 介質(zhì)吸收效應(yīng)

介質(zhì)吸收效應(yīng)是指在絕緣體兩端施加電壓時(shí)，由于介質(zhì)本身的極化特性，正電荷和負(fù)電荷會一定程度地集中到物體的兩極。在電荷移動(dòng)的過程中，會產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電流。而當(dāng)電壓移除之后，電荷又會移動(dòng)重新回到原來的非極化狀態(tài)，這樣也會產(chǎn)生強(qiáng)度逐漸減弱的電流。為了避免這種效應(yīng)，在電流測量中不應(yīng)該加過強(qiáng)的電壓，否則在某些情況下吸收效應(yīng)甚至可以持續(xù)幾分鐘到幾小時(shí)。

3 結(jié)語

綜上所述，在微弱電流的校準(zhǔn)過程中，一定要減少泄漏電流，盡量降低環(huán)境濕度，保持環(huán)境及電路清潔、無塵雜質(zhì)等。只有考慮各種干擾因素影響，采取相應(yīng)的解決措施，減少校準(zhǔn)誤差，才能獲得準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果。

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