實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)電阻器智能輸出系統(tǒng)的研究

朱小明，陸新東，郭美玉，蔣 濤，孫軍濤

(1. 河南省計(jì)量科學(xué)研究院，河南 鄭州450008； 2. 新鄉(xiāng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 新鄉(xiāng) 453700)

0 引言

隨著遙感衛(wèi)星的定量化應(yīng)用需要，在衛(wèi)星的測(cè)控、數(shù)傳、電源、載荷等方面都需要大量的精密電阻器件，這些電阻器件很多為大功率電阻器，如目前的衛(wèi)星電源系統(tǒng)峰值功率已達(dá)到1萬W，今后會(huì)向10萬W方向發(fā)展，大電流、大功率電阻器件已經(jīng)成為衛(wèi)星系統(tǒng)中的標(biāo)配應(yīng)用。作為電阻值測(cè)量儀器——電阻測(cè)量儀在航天檢測(cè)系統(tǒng)中是一類重要的測(cè)試設(shè)備。

對(duì)此類儀器校準(zhǔn)溯源是保證電阻元器件準(zhǔn)確使用的唯一途徑，電阻測(cè)量儀校準(zhǔn)常用的標(biāo)準(zhǔn)器為：標(biāo)準(zhǔn)電阻器[1]。標(biāo)準(zhǔn)電阻器有多種形式，如：標(biāo)準(zhǔn)電阻、過渡電阻及電阻箱等標(biāo)準(zhǔn)電阻器，其中電阻箱由于能方便地提供多個(gè)電阻值而在測(cè)量領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

1 電阻箱的結(jié)構(gòu)分類

直流電阻箱是一個(gè)由若干個(gè)阻值已知的電阻線圈按一定形式連接在一起組合而成的可變電阻量具。其電阻值的改變是依靠專門設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換裝置來實(shí)現(xiàn)的。

由于電阻箱的阻值改變較方便，能構(gòu)成一套調(diào)節(jié)方便的電阻標(biāo)準(zhǔn)量具[2]，因此在電氣計(jì)量中得到了極為廣泛的應(yīng)用。根據(jù)調(diào)節(jié)方式不同，可分為接線式、插頭式、開關(guān)式。

接線式電阻箱：其各個(gè)電阻線圈分別焊接在各個(gè)端鈕間，其電阻值的改變通過改變接線端鈕的位置實(shí)現(xiàn)。優(yōu)點(diǎn)是不必考慮零位電阻，阻值穩(wěn)定；缺點(diǎn)是操作不太方便。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 接線式電阻箱結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Schematic diagram of wiring resistance

插頭式電阻箱：依靠改變插頭的插入位置來實(shí)現(xiàn)阻值調(diào)節(jié)，其優(yōu)點(diǎn)是接觸電阻較小、零位電阻小；缺點(diǎn)是操作不太方便。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 插頭式電阻箱結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic diagram of plug resistance box

開關(guān)式電阻箱較多，它依靠將電刷旋轉(zhuǎn)到不同的位置來實(shí)現(xiàn)阻值調(diào)節(jié)，其優(yōu)點(diǎn)是操作方便；缺點(diǎn)是接觸電阻較大，且穩(wěn)定性較差。其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 開關(guān)式電阻箱結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of switched resistance box

綜上所述，無論何種電阻箱，若要改變輸出電阻值，都需通過手動(dòng)方式來完成。

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到測(cè)量領(lǐng)域中，對(duì)電阻測(cè)試儀器的自動(dòng)檢測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的需求越來越迫切，而標(biāo)準(zhǔn)電阻器的智能化輸出是自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中首先要解決的問題[3]。針對(duì)此問題，本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)物電阻標(biāo)準(zhǔn)器的智能化輸出系統(tǒng)。經(jīng)過兩年的試制、試驗(yàn)、調(diào)試，研制出了一臺(tái)性能穩(wěn)定、可靠性高的實(shí)物電阻器智能化輸出系統(tǒng)。

該裝置經(jīng)科技查新和有關(guān)專家論證，技術(shù)水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先，項(xiàng)目成果具有良好的科學(xué)性和實(shí)用性。該裝置與其他同類裝置相比，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為用數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)了不同實(shí)物電阻值的輸出，代替了目前的手動(dòng)撥盤，克服了當(dāng)前檢測(cè)操作繁瑣、人身安全受影響等問題，提高了工作效率。

2 智能電阻器設(shè)計(jì)原理

電阻器分兩端電阻和四端電阻，其中標(biāo)準(zhǔn)電阻器一般為四端標(biāo)準(zhǔn)電阻器。其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 四端標(biāo)準(zhǔn)電阻結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Schematic diagram of four-terminal standard resistor

圖中，P1、P2為標(biāo)準(zhǔn)電阻的電位端，C1、C2為標(biāo)準(zhǔn)電阻的電流端，電阻值定義為P1、P2兩端點(diǎn)間的電阻。電流從C1、C2兩端流入，當(dāng)用數(shù)字電壓表測(cè)量P1、P2兩端的電壓時(shí)，由于數(shù)字電壓表的輸入阻抗很高，電壓回路中幾乎無電流流過，電壓引線極接觸電阻和引線電阻rp1、rp2對(duì)測(cè)量的影響可忽略不計(jì)；由于兩個(gè)電流引線在兩個(gè)電壓引線極之外，因此可排除電流引線極接觸電阻和引線電阻rc1、rc2對(duì)測(cè)量的影響，根據(jù)R=U/I，可準(zhǔn)確測(cè)量該電阻器的電阻[4]。

由此可知，在恒流源電流回路中的接觸電阻和引線電阻對(duì)電阻測(cè)量結(jié)果基本無影響。若在電阻的兩個(gè)電流引線上各串入一個(gè)控制繼電器開關(guān)，繼電器引入的接觸電阻對(duì)電阻測(cè)量結(jié)果無影響。

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)一組四端標(biāo)準(zhǔn)電阻器組，將多只標(biāo)準(zhǔn)電阻以串聯(lián)方式相連，借鑒過渡電阻的結(jié)構(gòu)原理，每個(gè)電阻兩端各有一根電流輸出端，所有電阻共用一對(duì)電位端。每只電阻相互對(duì)立，電阻可單獨(dú)輸出也可組合輸出，在每只電阻兩個(gè)電流端串入一繼電器，通過控制繼電器的開關(guān)切換，實(shí)現(xiàn)線路的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同電阻值的組合輸出[5]。

控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)控制軟件構(gòu)成。系統(tǒng)控制軟件采用C語言進(jìn)行開發(fā)，控制系統(tǒng)通過USB及RS232接口將所有硬件連接在一起，通過繼電器模塊和控制硬件系統(tǒng)完成電阻器值的智能化輸出。

繼電器模塊主要是針對(duì)各個(gè)電阻值，與繼電器形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，并編碼，存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在設(shè)備工作中，直接讀取電阻值，即可以讓對(duì)應(yīng)的繼電器工作，保證各個(gè)繼電器工作有序穩(wěn)定。系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

3 電路設(shè)計(jì)方案

3.1 標(biāo)準(zhǔn)電阻器

標(biāo)準(zhǔn)電阻器由n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻組成，電阻以串聯(lián)形式相連接。由于是固定阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻收尾相連輸出，電阻相互獨(dú)立又可組合輸出，因此借鑒過渡電阻的結(jié)構(gòu)方式，所有端口的電位端共用[6]。這樣大大減少繼電器的使用量，降低了復(fù)雜度和干擾，增加裝置的穩(wěn)定性。

圖5 系統(tǒng)原理Fig.5 System block diagram

電阻值布局如圖6所示。前面10個(gè)10 mΩ阻，中間10個(gè)1 mΩ電阻，后面10個(gè)100 mΩ電阻，每個(gè)電阻可單獨(dú)使用，也可串聯(lián)組合輸出電阻值。

圖6 電阻結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Schematic diagram of resistors

30只電阻共用一對(duì)電位端P0、P30；每只電阻兩端各有一根電流引出線。每只引出線都連接一繼電器，通過控制繼電器的通斷閉合，實(shí)現(xiàn)不同電阻組合輸出的功能。P0、P30直接連接在標(biāo)準(zhǔn)器裝置的兩電位輸出端，各個(gè)電流引出線通過繼電器和標(biāo)準(zhǔn)器裝置的兩個(gè)電流輸出端總線相連。

在測(cè)量過程中電流端連接在電流回路中，電位端連接在電壓測(cè)量回路中，兩回路各自獨(dú)立。電阻測(cè)量儀根據(jù)其自身輸出到電流回路的電流，結(jié)合在電壓測(cè)量回路中采集到的電壓值，根據(jù)R=U/I計(jì)算出其測(cè)量到的電阻值，此顯示電阻值和標(biāo)準(zhǔn)電阻值比較，從而確定被測(cè)設(shè)備的示值誤差。

3.2 繼電器線路

繼電器線路圖如圖7所示。圖中，30只標(biāo)準(zhǔn)電阻以串聯(lián)的形式相連接。其中R1～R10阻值為10 mΩ，R11～R20阻值為1 mΩ，R21～R30阻值為100 mΩ，kn、k’n為繼電器。

圖7 繼電器線路圖Fig.7 Schematic diagram of relay circuit

將這30只電阻共用一對(duì)電位端，該對(duì)電位端和系統(tǒng)的電位接線端P1和P2相連。R1～R10，R22～R30每個(gè)電阻兩端各引出一個(gè)端子作為電流端(C0～C10，C20～C30)，由繼電器控制通斷；R12～R20每個(gè)電阻兩端各引出兩個(gè)端子作為電流端(C11～C19，C′11～C′19)，并通過繼電器控制其通斷。這些電流端中C0～C19的電流端連在一起與系統(tǒng)的電流接線端C1相連；C′11～C′19和C20～C30的電流端連在一起與系統(tǒng)的電流接線端C2相連。

系統(tǒng)可自動(dòng)控制輸出1～110 mΩ范圍內(nèi)的每一個(gè)整數(shù)電阻值，110 mΩ以上的阻值可按10的整數(shù)倍輸出，最大可輸出阻值為1 100 mΩ。

通過對(duì)電流端各個(gè)繼電器的控制，最終當(dāng)從計(jì)算機(jī)設(shè)置輸出一個(gè)電阻值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)所設(shè)定電阻值，通過控制電流端所連繼電器的通斷，控制裝置輸出相應(yīng)阻值的電阻。實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻器的自動(dòng)控制。

例如：當(dāng)設(shè)置輸出電阻為101 mΩ時(shí)，被檢電阻測(cè)試儀的電位端分別接P1和P2，電流端接C1和C2。計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)置的阻值101 mΩ，選擇接入電路的電阻為R20和R21，繼電器K19和K21閉合，被檢電阻測(cè)試儀的試驗(yàn)電流從C1、C2電流端流經(jīng)電阻R20和R21，電阻測(cè)試儀從P1和P2端測(cè)得電壓值，經(jīng)放大采樣計(jì)算后顯示出所測(cè)的電阻值。

同樣，當(dāng)設(shè)置輸出電阻為42 mΩ時(shí)，被檢電阻測(cè)試儀的電位端仍接在P1和P2，電流端接C1和C2。計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)置的阻值42 mΩ，選擇接入電路的電阻為R7～R12，此時(shí)系統(tǒng)控制繼電器C6和C′12閉合，被檢電阻測(cè)試儀的試驗(yàn)電流從C1、C2電流端流經(jīng)電阻R7～R12，電阻測(cè)試儀從P1和P2端測(cè)得電壓值，經(jīng)放大采樣計(jì)算后顯示出所測(cè)電阻值。

3.3 控制單元

數(shù)據(jù)采集和處理芯片采用ADI公司的ADuC845芯片，ADuC845是嵌有單指令周期8052閃存MCU、帶兩路24位△-∑A/D、雙12位D/A以及兩個(gè)靈活脈寬調(diào)制輸出的高性能24位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)芯片[7]。該芯片的數(shù)據(jù)處理速度快設(shè)計(jì)簡單，噪聲低。

控制系統(tǒng)軟件采用C語言和VB開發(fā)，人機(jī)界面采用模態(tài)軟件設(shè)計(jì)，由計(jì)算機(jī)設(shè)定輸出電阻值，通過485通訊將設(shè)定值指令發(fā)給ADuC845-CPU，CPU收到指令后，通過I/O串口通訊驅(qū)動(dòng)繼電器驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)指定的繼電器閉合，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)電阻器接通裝置輸出端，從而輸出設(shè)定電阻值。

4 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性措施

為使系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，保證裝置的計(jì)量性能，采用了如下措施來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：

1)對(duì)裝置內(nèi)不同的功能區(qū)，采取分開供電的方式，防止功率器件產(chǎn)生干擾影響信號(hào)采集區(qū)。如繼電器控制采用12 V開關(guān)電源，觸摸屏采用24 V開關(guān)電源，主控制板采用12 V變壓器經(jīng)整流和線性穩(wěn)壓后引入主控板[8]。

2)簡化繼電器控制設(shè)計(jì)。對(duì)電流端：原設(shè)計(jì)在每一個(gè)分標(biāo)準(zhǔn)電阻器的兩側(cè)均設(shè)計(jì)兩個(gè)繼電器分別接C1和C2，簡化后的設(shè)計(jì)在10 mΩ區(qū)間只有一個(gè)繼電器接C1，在100 mΩ區(qū)間只有一個(gè)繼電器接C2，在1 mΩ的區(qū)間則同時(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)繼電器接C1和C2。對(duì)電位端：所有端口的電位端共用一對(duì)。簡化后的設(shè)計(jì)大大減少繼電器的使用量，但可實(shí)現(xiàn)完全的電阻組合功能，降低了復(fù)雜度和干擾，增加了裝置的穩(wěn)定性[9]。

5 整體測(cè)試及結(jié)果

對(duì)智能標(biāo)準(zhǔn)電阻裝置的驗(yàn)證采用了兩種方法：比對(duì)法、溯源法[10]。

5.1 對(duì)比法

用該標(biāo)準(zhǔn)裝置與0.02級(jí)模擬電阻器、0.01級(jí)大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻同時(shí)檢測(cè)一臺(tái)PC36B電阻測(cè)量儀，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 比對(duì)法測(cè)量結(jié)果

5.2 溯源法

用直流比較儀式電橋QJ55(準(zhǔn)確度等級(jí)0.000 5級(jí))，恒流源(準(zhǔn)確度等級(jí)0.01級(jí))，來測(cè)量本智能標(biāo)準(zhǔn)電阻器裝置，測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 溯源法測(cè)量結(jié)果

經(jīng)比對(duì)法和溯源法兩種方法驗(yàn)證，本智能標(biāo)準(zhǔn)電阻裝置能滿足0.05級(jí)的計(jì)量性能要求，可作為0.05級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電阻器使用。

6 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)并研制了一款數(shù)字化智能調(diào)節(jié)輸出實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)電阻值的裝置。該裝置連續(xù)可調(diào)，由計(jì)算機(jī)設(shè)定所需電阻值，通過系統(tǒng)控制軟件，驅(qū)動(dòng)繼電器板,實(shí)現(xiàn)不同繼電器開關(guān)的通斷，從而達(dá)成多種電阻組合線路，實(shí)現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)電阻值的輸出。試驗(yàn)表明：該技術(shù)對(duì)電阻測(cè)試儀能準(zhǔn)確校準(zhǔn)，可靠性高，實(shí)時(shí)性好，適用范圍廣，試運(yùn)行情況良好。該裝置可推廣應(yīng)用于航天電阻檢測(cè)領(lǐng)域，能提高檢測(cè)自動(dòng)化水平和檢測(cè)數(shù)據(jù)置信度，實(shí)現(xiàn)電阻類測(cè)試儀的自動(dòng)化校準(zhǔn)與檢測(cè)。