GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測試儀的研制

孔令剛

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400037;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了非金屬材料在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。非金屬材料以其質(zhì)輕、耐腐蝕、高抗沖擊性、易加工、性價(jià)比優(yōu)等特點(diǎn)逐漸發(fā)展成“以塑代鋼”的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，并取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。非金屬材料為高分子聚合物，其顯著特點(diǎn)是易產(chǎn)生靜電集聚。大量事故調(diào)查分析表明，靜電火花是煤礦、化工等有危險(xiǎn)氣體場所發(fā)生爆炸的主要點(diǎn)火源之一。在石油、化工、電子、橡膠、塑料等行業(yè)中，防靜電是預(yù)防事故發(fā)生的重要內(nèi)容[1];在煤炭行業(yè)，控制靜電火花是有效控制瓦斯、煤塵爆炸事故的主要手段之一?？刂旗o電火花的關(guān)鍵在于設(shè)備和材料必須具有抗靜電性能，聚合物制品的抗靜電性能主要是用表面電阻測試儀測量聚合物制品的表面電阻來評(píng)價(jià)。

模擬式表面電阻測試儀和一些常用的數(shù)字式表面電阻測試儀的工作原理是測量電壓U固定，通過測量取樣標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓Us來得到被測電阻值Rx。其計(jì)算公式為 Rx=Rs·U/Us[2]，式中 Rs為取樣標(biāo)準(zhǔn)電阻值。由于Rx是與Us成反比，所以電阻的顯示值是非線性的，即電阻無窮大時(shí)，電壓為零。對(duì)于模擬式表面電阻測試儀，表頭的零位處是∞，此處的刻度非常密，分辨力很低，整個(gè)刻度是非線性的。又由于測量不同的電阻時(shí)，其電壓也會(huì)有些變化，所以普通的表面電阻測試儀的精度是很難提高的。這就給危險(xiǎn)氣體場所埋下了靜電火花事故的隱患。

研制高精度的聚合物制品抗靜電性表面電阻測試儀，有利于加強(qiáng)聚合物制品抗靜電安全性檢驗(yàn)，預(yù)防靜電的產(chǎn)生，促進(jìn)安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本儀器由單片機(jī)進(jìn)行控制和運(yùn)算，被測電阻通過測試電路測量，然后經(jīng)阻抗變換及放大，信號(hào)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，通過軟件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電阻阻值的判斷測量，最后通過顯示電路將被測電阻顯示出來，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

為了準(zhǔn)確測量待測電阻，GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測試儀內(nèi)部設(shè)計(jì)了兩套測試電路，通過測量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)來切換。當(dāng)待測電阻小于2 MΩ時(shí)，采用低阻檔測試電路測量;當(dāng)待測電阻大于或等于2 MΩ時(shí)，采用高阻檔測試電路測量。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源

低壓電源采用GZM-H45T5+12－5R成品開關(guān)電源，可提供－5 V，+5 V和+12 V直流電源供儀器使用。

高壓測試電源采用LHPSIMDAC型可調(diào)高壓模塊，其輸入電壓為12 V的直流電，直流高壓輸出在0～1100 V范圍內(nèi)用電位器連續(xù)可調(diào)。根據(jù)儀表要求，采用電阻分壓分段調(diào)節(jié)，使輸出為50，100，250，500，1000 V等各檔。輸出短路電流為3 mA。

2.2 高阻檔測量電路

采用測量雙取樣電阻的電壓來計(jì)算被測電阻的方法，如圖2所示。U為測試電壓，Rx為待測未知電阻，R1為降壓電阻，R01和Rx0為取樣電阻，U0和Ux0為取樣電壓，則

圖2 高阻檔測量電路

即k值僅與電路的電阻值有關(guān)，當(dāng)電路調(diào)定時(shí)，k值也不會(huì)再變，檔位一定時(shí)k值可調(diào)節(jié)成該檔10的整數(shù)冪。如k=10000，則。U0和 Ux0經(jīng)電子開關(guān)K1和K2相繼送入A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)程序控制器作除法運(yùn)算得到U0和Ux0的比值，即待測電阻的數(shù)字量，根據(jù)檔位 (即k值大小)確定其冪指數(shù)。因此，待測電阻Rx僅與當(dāng)時(shí)所測得的U0和Ux0的比值及k值有關(guān)，不像普通表面電阻測試儀那樣因被測電壓或電流的變化而變，所以其測量精度很高。

2.3 低阻檔測量電路

低阻檔采用比例法測量電路，如圖3所示。R0為基準(zhǔn)電阻，Rx為待測電阻，采用7135的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，Uin為輸入電壓，Uref為基準(zhǔn)電壓，N為輸出值(數(shù)值)，則

改變基準(zhǔn)電阻R0，即可改變待測電阻檔位，如取R0為20000 Ω時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出值N=Rx，即輸出值就是待測電阻值。通過檔位改變R0，如R0=2000 Ω時(shí)，N=10Rx，即輸出值是10倍待測電阻，只需改變小數(shù)點(diǎn)位置即可。因此，待測電阻值Rx僅與基準(zhǔn)電阻值R0有關(guān)，不像普通表面電阻測試儀那樣因被測電壓或電流的變化而變，所以，選用高精度的基準(zhǔn)電阻可提高其測量精度。

圖3 低阻檔測量電路

2.4 阻抗變換及放大模塊

為提高儀器的輸入阻抗、減少其分流作用帶來的測量誤差，儀器采用了靜電級(jí)運(yùn)放集成電路OPA128進(jìn)行阻抗變換。為測量大于1012以上的電阻，在阻抗變換級(jí)后連接了可編程放大器OGA204U，通過改變可編程放大器的A0，A1的輸入電平，使可編程放大器增益從1，10，100到1000可調(diào)，從而方便程序判別和控制。

2.5 A/D轉(zhuǎn)換模塊

整個(gè)儀器的測量精度的提高以及測量速度的提升，還取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[3]。本儀器采用ICL7135雙積分式4位半A/D轉(zhuǎn)換器，由單片微機(jī)控制其A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，并將結(jié)果送顯示模塊顯示。

2.6 顯示模塊

數(shù)碼顯示優(yōu)于模擬顯示或發(fā)光二極管顯示，因?yàn)槟M顯示較難讀數(shù)，而發(fā)光二極管顯示較難確定量級(jí)[4]。本儀器顯示模塊由顯示驅(qū)動(dòng)集成電路HD7279與6位LED數(shù)碼管構(gòu)成，其中1英寸 (25.4 mm)LED數(shù)碼管4位顯示待測電阻值，0.3英寸 (7.62 mm)LED數(shù)碼管2位顯示待測電阻的冪 (即方次)。

2.7 低阻值測量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)和高阻值測量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)

1)在測量2 MΩ以下電阻時(shí)，低阻值測量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)通過切換不同的基準(zhǔn)電阻R0的電阻值，以改變其測量范圍;當(dāng)轉(zhuǎn)換至大于2 MΩ檔，即改變電路連接，切換到高阻值測量檔。

2)高阻值測量轉(zhuǎn)換檔位開關(guān)根據(jù)測試電壓換檔并進(jìn)行控制:①切換高壓測試電源的分檔電阻值;②切換測試電壓的降壓電阻的電阻值R1和取樣電阻的電阻值R01;③切換待測電阻的取樣電阻的電阻值Rx0，通過高低阻值換檔開關(guān)切換，使待測電阻在合適的檔位達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。

3 樣機(jī)測試

研制的GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測試儀通過了法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的性能測試，測試結(jié)果如表1。

表1 GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測試儀誤差測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，該表面電阻測試儀的測試相對(duì)誤差小于等于3.5%，精度較高。

4 結(jié)語

GZ-10型高精度數(shù)字式表面電阻測試儀采用低阻檔和高阻檔兩組測試電路進(jìn)行分段測量，待測電阻值Rx不隨被測電壓或電流的變化而變化，因而保證了表面電阻測量的準(zhǔn)確性;采用ICL7135 A/D轉(zhuǎn)換器和單片微機(jī)控制其A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)運(yùn)算，并使用數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，顯示迅速且讀數(shù)方便。

[1]開勝.BL-87型數(shù)字高阻計(jì)通過技術(shù)鑒定 [J].勞動(dòng)保護(hù)，1988(6):40.

[2]林學(xué)江.高阻計(jì)和高阻測試技術(shù) [J].電測與儀表，1987(11):42.

[3]劉艷云，付華良.基于STC89C54RD單片機(jī)和AD574的高精度電阻測試儀的設(shè)計(jì) [J].電子測試，2013(9):46.

[4]鄭芝明.淺談表面電阻測試儀 [J].科學(xué)之友，2012(4):22.