數(shù)字多用表中影響測(cè)量結(jié)果的因素分析

鄧志勇

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 510610）

0 引言

數(shù)字多用表是一種非常普及的測(cè)量?jī)x表， 它可以衍生出很多測(cè)量功能， 但最基本的功能還是交直流電壓電流和電阻測(cè)量功能， 如何正確使用數(shù)字多用表， 對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響至關(guān)重要。 本文結(jié)合日常使用及校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)， 提出在數(shù)字多用表使用過(guò)程中應(yīng)注意的相關(guān)事項(xiàng)， 對(duì)可能影響測(cè)量結(jié)果的因素進(jìn)行了分析， 并提出了相關(guān)建議， 以避免這些潛在的測(cè)量誤差的發(fā)生。

1 直流電壓測(cè)量注意事項(xiàng)

1.1 熱電勢(shì)誤差

熱電勢(shì)是在進(jìn)行小電平、 微電平直流電壓測(cè)量時(shí)最常見(jiàn)的一種誤差源。 使用兩種不同材料的金屬進(jìn)行電路連接， 當(dāng)結(jié)合點(diǎn)溫度不同時(shí)， 就會(huì)在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)。 金屬之間的每個(gè)接觸連接處都可認(rèn)為是一個(gè)熱電偶， 熱電偶則根據(jù)溫度成比例產(chǎn)生電壓， 一般數(shù)字多用表的輸入端口的材質(zhì)是銅合金， 銅和其他材質(zhì)金屬連接時(shí)可能產(chǎn)生的熱電勢(shì)如表1 所示。

表1 銅跟不同材質(zhì)的金屬連接時(shí)可能產(chǎn)生的熱電勢(shì) [1]

為了減少熱電勢(shì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響， 接線端子的材質(zhì)應(yīng)盡量與數(shù)字多用表輸入端口的材質(zhì)一致， 接線端子與線之間的連接要牢靠， 推薦使用壓接方式、 卷曲連接方式， 采用清潔的接線端子，避免使用氧化嚴(yán)重的接線端子， 從表1 中可以看出， 氧化銅與銅合金之間可產(chǎn)生高達(dá)1 000 μV/℃的熱電勢(shì)， 也可等待電路達(dá)到熱平衡， 因?yàn)橹挥写嬖跍囟忍荻葧r(shí)才會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。 允許的情況下， 可正負(fù)向兩次測(cè)量然后取其平均值， 這些措施都可以減少熱電勢(shì)對(duì)小電平、 微電平測(cè)量結(jié)果的影響。

1.2 輸入電阻導(dǎo)致的負(fù)荷誤差

在進(jìn)行直流電壓測(cè)量時(shí)， 當(dāng)使用數(shù)字多用表測(cè)量被測(cè)設(shè)備（DUT： Device Under Test） 時(shí)， 測(cè)量回路中的微小電流會(huì)在DUT 上產(chǎn)生壓降， 因此，并不是全部電壓都能加載到數(shù)字多用表的測(cè)量電路中。 實(shí)際的被測(cè)電壓要比DUT 的電壓小， 由此會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷誤差， 具體如圖1 所示。

圖1 電壓測(cè)量回路

在圖1 所示的電壓測(cè)量回路例中， 測(cè)量回路電流： Ii=Ux/（Ri+Rx）， 測(cè)量端電壓： Ui=URi=Ii×Ri=Ux×Ri/（Ri+Rx）， 大部分情況下， Ri＞＞Rx， Rx可以忽略不計(jì)， 則Ui≈Ux。 常見(jiàn)數(shù)字多用表的輸入阻抗為10 MΩ， 分別測(cè)量分流器100 Ω 和100 kΩ 電壓端的壓降。

a） 分流器為100 Ω 時(shí)

Ui=Ux×Ri/（Ri+Rx）=Ux×107/（107+102）=0.999 99 Ux，誤差為： 0.001%。

b） 分流器為100 kΩ 時(shí)

Ui=Ux×Ri/（Ri+Rx） =Ux×107/（107+105） =0.99 Ux，誤差為： 1%。

由此可見(jiàn)， 當(dāng)DUT 的內(nèi)阻占數(shù)字多用表的輸入阻抗比例較大時(shí)， 這種誤差體現(xiàn)尤為明顯， 這種情況一般出現(xiàn)在用標(biāo)準(zhǔn)分流器法， 測(cè)量阻值很大的分流器壓降時(shí)， 或者測(cè)量絕緣電阻表的測(cè)試電壓時(shí)， 因?yàn)橐话憬^緣電阻表的內(nèi)阻都相對(duì)較高。為了減少這種誤差的影響， 可以把數(shù)字多用表的輸入阻抗設(shè)置為最大， 或者選用輸入阻抗更大的數(shù)字多用表， 如果能確定DUT 的內(nèi)阻和數(shù)字多用表的輸入阻抗， 也可以通過(guò)計(jì)算修正， 以減少輸入電阻導(dǎo)致的負(fù)荷誤差。 必要時(shí)， 還需考慮輸入零電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[2]。

2 電阻測(cè)量注意事項(xiàng)

2.1 高電阻測(cè)量誤差

在測(cè)量高阻時(shí)， 由于高阻的絕緣材料自身表面吸潮、 吸附油膜等特性， 其表面電阻和電阻體本身等同于并聯(lián)， 測(cè)量回路容易產(chǎn)生泄漏電流，從而影響測(cè)量結(jié)果； 同時(shí)根據(jù)電阻測(cè)量原理可知，在測(cè)量高阻時(shí)， 測(cè)試電流在μA 量級(jí)甚至nA 量級(jí)，由于測(cè)試電流極小， 因此極易受到周圍環(huán)境的電磁干擾， 也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響， 如圖2 所示。

圖2 高阻測(cè)量示意圖

因此在高阻測(cè)量時(shí)， 應(yīng)采取必要的預(yù)防措施，保持測(cè)試環(huán)境干燥和被測(cè)絕緣電阻表面清潔度。同時(shí)應(yīng)通過(guò)屏蔽線或雙絞線測(cè)量高阻， 并使連接處的拾取面積最小， 用盡可能短的測(cè)試線也可以提高抗干擾能力。

2.2 低阻測(cè)量誤差

一般數(shù)字多用表提供兩種電阻測(cè)量方式， 即2線和4 線電阻測(cè)量[3]。

對(duì)于2 線制電阻測(cè)量， 測(cè)試引線的電阻及接觸電阻都將被測(cè)量到。 接觸電阻隨著接觸點(diǎn)的清潔程度、 接觸面的大小和接觸面的松緊程度而變化， 通常這種變化可達(dá)到幾毫歐， 假如此變化為2 mΩ， 對(duì)于標(biāo)稱100 mΩ 標(biāo)準(zhǔn)電阻器， 則誤差為2%， 這對(duì)于小電阻測(cè)量來(lái)說(shuō)肯定是無(wú)法接受的。因此， 在使用2 線電阻測(cè)量時(shí)， 測(cè)試線短路清零后， 應(yīng)盡量在保持測(cè)試線形狀位置不變的情況下使用， 因?yàn)橐坏y(cè)試線移動(dòng)變化， 其引線電阻會(huì)隨之發(fā)生變化。

對(duì)于4 線制電阻測(cè)量， 是用一對(duì)引線接入電流源， 另一對(duì)引線（感應(yīng)引線） 把被測(cè)電阻上的電壓降引入測(cè)量回路， 由于幾乎沒(méi)有測(cè)試電流流過(guò)感應(yīng)引線， 這樣引線電阻不會(huì)造成測(cè)量誤差。一般當(dāng)被測(cè)電阻小于等于100 kΩ 時(shí)， 推薦使用四端法測(cè)量， 以避免接觸電阻與測(cè)量導(dǎo)線電阻的影響。

3 小信號(hào)測(cè)量注意事項(xiàng)

小信號(hào)測(cè)量時(shí)除了前面提到的熱電勢(shì)影響外，同時(shí)也要注意測(cè)量結(jié)果特別容易受到外來(lái)噪聲源影響， 例如： 接地環(huán)路引起的噪聲、 磁環(huán)路引起的噪聲[4]。

當(dāng)數(shù)字多用表和DUT 的接地參考點(diǎn)存在電壓差時(shí)， 就會(huì)產(chǎn)生接地環(huán)路噪聲。 數(shù)字多用表不接地可消除接地環(huán)路， 如果數(shù)字多用表必須接地，那么就一定和DUT 連接到同一個(gè)共同的接地點(diǎn)上。另外， 要將數(shù)字多用表和DUT 連接到同一個(gè)電源插座上。

磁環(huán)路引起的噪聲也會(huì)對(duì)微小信號(hào)測(cè)量產(chǎn)生很大影響， 暴露的測(cè)試線可視為天線， 拾取周圍環(huán)境的電磁干擾， 測(cè)量用的線纜盡可能地短、 使用雙絞線可減少噪聲拾取回路的面積， 或?qū)⑺械臏y(cè)試引線盡可能地彼此靠近排列并套裝捆緊在一起， 這些措施都可以減少磁環(huán)路帶來(lái)的誤差，當(dāng)然最好的辦法是盡量避免在磁場(chǎng)環(huán)境下測(cè)量。

4 其他注意事項(xiàng)

在數(shù)字多用表的使用過(guò)程中， 還需注意以下事項(xiàng)。

4.1 量程的選擇

在使用手動(dòng)量程的數(shù)字多用表時(shí)， 應(yīng)選擇合適的量程， 以某數(shù)字多用表為例， 其各個(gè)量程的最大允差如表2 所示， 分別用6、 60 V 量程測(cè)量6 V 直流電壓。

表2 數(shù)字多用表技術(shù)指標(biāo)

用6 V 量程測(cè)量， 則允差△=±（0.15%×6.000 V+2×0.001 V）=±0.011 V， 相對(duì)允差約為±0.18%； 用60 V 量程測(cè)量， 則其允差為△=± （0.15%×6.00 V+2×0.01 V） =±0.029 V， 即相對(duì)允差為±0.48%， 顯然用6 V 量程測(cè)量的結(jié)果更準(zhǔn)確。

一般數(shù)字多用表各個(gè)量程輸入建議最小為滿量程的10% （有些可低到滿量程的1%）， 最高可到滿量程的120%。 在測(cè)量信號(hào)剛好處于兩個(gè)量程的轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)， 為了得到最高的精度， 應(yīng)選擇手動(dòng)量程， 使盡量接近滿量程測(cè)量[5]。

4.2 交流和直流耦合的選擇

如果數(shù)字多用表選擇交流耦合， 測(cè)量回路中將串聯(lián)一個(gè)電容器， 以阻塞信號(hào)中的直流成分。如果希望測(cè)量包括直流成分在內(nèi)的信號(hào)， 此時(shí)將得到完全錯(cuò)誤的結(jié)果。 這時(shí)可以選擇直流耦合。如果數(shù)字多用表不能直接提供交流加直流測(cè)量，那么可分別測(cè)量直流成分和交流成分， 然后使用有效值加法將兩者相加：從而得到想要的結(jié)果。

同時(shí)在交流電壓測(cè)量時(shí)， 也需考慮波峰因數(shù)和頻帶寬度的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上闡述了數(shù)字多用表使用過(guò)程中的各種誤差來(lái)源、 影響測(cè)量結(jié)果的因素和采取的措施， 采取這些措施固然會(huì)避免潛在的測(cè)量誤差， 提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性， 但是否采取這些措施， 還需綜合考慮對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性要求、 測(cè)量的效率和成本。