电阻测量电路及电阻测量设备的制作方法

本发明涉及电磁计量技术领域，具体涉及到一种电阻测量电路及电阻测量设备。

背景技术：

电阻元件是对电流呈阻碍作用的耗能元件，例如灯泡、电热器等都可以用电阻元件作为其电路模型。根据欧姆定律流过电阻元件的电流i与电阻两端的电压u成正比，

几乎所有的电气设备都有电阻元件，即使没有专门的电阻器，导体也是一种等效电阻，所以电阻测量仪器普遍使用，测量电阻值的单臂电桥、测量小电阻的双臂电桥、测量绝缘电阻的绝缘电阻表(兆欧表)、测量接地电阻的接地电阻测量仪(接地电阻表)、测量电阻的电阻表、毫欧表、微欧表、电阻率测量仪、绝缘电阻监测仪以及万用表都是测量电阻的仪表，其实许多电气测量仪表都具有电阻测量功能。在很多场景中都需要对电阻进行测量。

然而，在实际测量时，采用上述仪表进行测量时，通常会存在电阻测量不准的现象，进而影响后续工作的展开。

因此，如何准确的测量电阻成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为此，根据第一方面，本发明实例提供了一种电阻测量电路，包括：数据采集模块，具有待测电阻连接端、参考电阻连接端以及数据信号输出端，用于采集所述待测电阻和所述参考电阻的电流数据或电压数据，所述待测电阻连接端和所述参考电阻连接端与所述数据信号输出端电气隔离；测量模块，与所述数据信号输出端连接，用于测量所述数据信号输出端输出的电流数据或电压数据，以测量待测电阻的阻值。

可选地，数据采集模块包括：第一隔离放大器，具有用于连接待测电阻的第一输入端和与所述第一输入端隔离的第一输出端；第二隔离放大器，具有用于连接参考电阻的第二输入端和与所述第二输入端隔离的第二输出端；所述第一输出端与所述第二输出端隔离或共地；所述测量模块设置在所述第一输出端和所述第二输出端之间，用于采集所述第一输出端和所述第二输出端之间的电流差或电压差，以及第一输出端输出的电压和电流或第二输出端输出的电压或电流。

可选地，电阻测量电路还包括电源模块，用于提供电流或电压；所述第一隔离放大模块的第一输入端用于与所述待测电阻的一端连接，所述电源模块的一端用于与所述待测电阻的另一端连接；所述第一隔离放大模块还包括第三输入端，所述第三输入端与所述电源模块的另一端连接；所述第二隔离放大模块的第二输入端用于与所述参考电阻的一端连接，所述电源模块的一端用于与所述参考电阻的另一端连接；所述第二隔离放大模块还包括第四输入端，所述第四输入端与所述电源模块的另一端连接。

可选地，所述测量模块包括电流测量单元，用于测量所述第一输出端和所述第二输出端之间的电流差，以及第一输出端输出的电流和第二输出端输出的电流。

可选地，电阻测量电路，还包括电源模块，用于提供电流或电压；所述第一隔离放大模块还包括第三输入端，所述第一隔离放大模块的第一输入端用于与所述待测电阻的一端连接，所述第三输入端用于与所述待测电阻的另一端连接；所述第二隔离放大模块还包括第四输入端，所述第二隔离放大模块的第二输入端用于与所述参考电阻的一端连接，所述第四输入端用于与所述参考电阻的另一端连接。

可选地，所述第三输入端与所述第二输入端连接；所述电源模块的一端与所述第一输入端连接，所述电源模块的另一端与所述第四输入端连接。

可选地，所述测量模块包括电压测量单元，用于测量所述第一输出端输出的电压和所述第二输出端输出的电压，以及第一输出端和第二输出端之间的电压差。可选地，电阻测量电路，还包括：数据处理模块，与所述测量模块连接，用于根据测得的电压差或电流差得到待测电阻的阻值。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种电阻测量设备，包括：设备本体；以及，上述第一方面任意一项所述的电阻测量电路。

本发明实施例提供的电阻测量电路及电阻测量设备，数据采集模块，具有待测电阻连接端、参考电阻连接端以及数据信号输出端，用于采集所述待测电阻和所述参考电阻的电流数据或电压数据，所述待测电阻连接端和所述参考电阻连接端与所述数据信号输出端电气隔离；测量模块，与所述数据信号输出端连接，用于测量所述数据信号输出端输出的电流数据或电压数据，以测量待测电阻的阻值。由于数据采集与数据测量实现电气隔离可以施加不同电压或电流，同时可以输出不同的电压或电流，并且，可以按照电阻的物理和数学定义来选择基准点，大大方便了电阻测量，扩大了测量范围，也可以有效的减小测量误差，也提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术伏安法测量电阻外接法；

图2为现有技术伏安法测量电阻内接法；

图3为现有技术用电阻箱和电流表测量电阻的方法；

图4为现有技术用电阻箱和电压表测量电阻的方法；

图5为现有技术零值法用单臂电桥测量电阻原理电路；

图6为现有技术零值法用双臂电桥测量电阻的原理电路；

图7为本发明的电阻测量电路的示意图；

图8为本发明的另一电阻测量电路的示意图；

图9为本发明的另一电阻测量电路的示意图；

图10为本发明的电阻测量设备前面板；

图11为本发明的电阻测量设备后面板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在实际中对电阻进行测量的过程中经常遇到测量不准的情况，申请人通过深入研究现有的测量方法，发现现有的测量方法均存在一定的测量误差，导致测量不准，现有的测量方法通常有以下几种：

电阻的经典测量方法是伏安法，这种方法的原理就是部分电路欧姆定律和闭合电路的欧姆定律。

伏安法测量电阻就是依据式(2)确定的。

r＝u/i(2)

式中：r为被测量电阻的阻值；u为电压表测量的电压值；i为用电流表测量的电流值。

由于电压表和电流表内阻的分压和分流作用，产生了测量误差，因此伏安法又分为内接法和外接法，外接法的接线如图1所示，图中可以看出，电流表接在被测量电阻与电压表接线的外侧，这种测量方法产生的误差如式(3)所示：

从上式可以看出，产生测量误差的原因是电压表内阻分流，所以只有当ev＞＞rx时才采用外接电流表的伏安法。内接法如图2所示。从图中可以看出，电流表接在被检电阻与电压表接续的内侧。这种测量方法产生的误差如式(4)所示。

从上式可以看出，产生测量误差的原因是电流表分压，所以只有当rx＞＞ra时才采用内接电流表的伏安法。

替代法：利用伏安法测量电阻，无论电流表内接还是电流表外接都会对测量造成误差，利用比较法测量电阻，可以减小这些误差，试验时先接入某待测电阻，记下电路中电表的读数，然后把待测电阻换成电阻箱，调整电阻箱，使电路中电表的读数与原来读数一样，这样电阻箱阻值就是待测电阻的阻值，替代法可以分为使用电流表测量和使用电压表测量两种，用电压表测量的接线如图3所示，图中s1开关用来切换待测电阻和参考电阻rn如电阻箱，s2开关用来开关电源，以便切换待测电阻rx和参考电阻rn。a是电流表，用来测量电流。用电压表测量的接线如图4所示，图中除了用电压表v代替电流表a以外，其他都一样。替代法是先接入待测电阻，记下电路中电表的读数，然后把待测电阻换成电阻箱，调整电阻箱，使电路中电表的读数与原来读数一样，这样电阻箱阻值就是待测电阻的阻值。这样，待测电阻与电阻箱的测量不能同时进行，会因为电源的变化和测量调节的变化增加测量误差

零值法：将待测电阻与参考电阻如电阻箱同时接入检测电路中，通过调节参考电阻的大小，使指零仪表指零，这时被测未知电阻的值即等于标准电阻的值。这种测量方法的测量精度主要取决于标准电阻的准确度和指零仪表的灵敏度。电源的内阻抗和指零仪表的内阻抗都不会影响测量结果。最典型的测量电阻的方法，就是使用电桥，这也电阻精密测量的常用方法。电桥分为单电桥和双电桥。单电桥也称为惠斯登电桥，其工作原理如5所示，它桥路由未知待测电阻r1和可以调节的已知电阻r2、r3和r4组成。图中a、b、c、d四个顶点称为桥顶，i1、i2、i3、i4为流过各个桥臂的电流，r2和r4是由几个可以转换的固定电阻组成，r2/r3通过调节可以组成若干不同的固定比例，因此r2和r4被称为比例臂，或者称为量程变换器，选择不同的比例臂也就是选择不同的量程。r3制成多个盘的可变电阻，称为测量盘。g为指零仪，也称为检流计，作用是检测b和d点是否有电流，调节电桥直到指零仪指示为零，也就是零值法。单电桥的平衡条件和平衡公式：当i1、i2、i3、i4为任意值时，每个支路中都有电流流过，检流计中也有电流ig。调节i2、i3、i4可以使ig＝0，此时电桥处于平衡状态，电桥平衡意味着：b和d两点电位相同，ig＝0，所以，i1＝i2，i3＝i4，uab＝uad,ubc＝udc。由此可知，i1r1＝i3r3,i2r2＝i4r4,二式相除，得

则

因此可得：

由式(6)可以看出：调节电阻使电桥平衡后，待测电阻rx(图5中电阻r1)可以由电桥的三个桥臂的读出值求出。这就是电桥的工作原理。式(5)称为电桥平衡条件，平衡公式表示为：r1r4＝r2r3,即相对两桥臂乘积相等。从而得出平衡电桥的一个性质：电桥的平衡条件仅由桥臂各参数之间的关系确定，而与电源电压及指零仪的内阻无关。

单电桥的的特点和用途：使用单电桥测量电阻，当被测电阻小于10ω时，引线电阻、与电桥连接处的接触电阻就不能忽略。如果引线电阻、接触电阻较大，就会使测量结果产生较大误差。

双电桥专用于测量小电阻。如果需要测量小电阻，例如电机或变压器绕组的电阻、分流器的电阻时，不能用单电桥，应该用双电桥，因双电桥能消除引线带来的误差。双电桥的工作原理如图6所示，rx是待测电阻，rn是参考电阻，rn和rx均采用四端钮接线，接到双电桥的相应端钮上，rn和rx之间的连接线r称为跨线。r3和r3′是联动的两个可调桥臂，均由多个测量盘组成，r3称为外比较臂，r3′称为内比较臂，r4和r4′是比例臂，r4称为外比较臂，r4′称为内比较臂，它们应该设置在同一数值上。将rn和rx接入后调节r3和r3′使检流计为零，然后计算出rx的值，计算公式为式(7)。

双电桥的平衡条件和平衡公式与单电桥类似，不再重述。

双电桥的特点和用途：

双电桥是把标准电阻器和被测电阻器电流引线都包括在工作电源回路不参加平衡，。而且两者的电位引线都包含在各桥臂中，由于测量过程中各桥臂电阻都具有较大的电阻值，故电位引线电阻的影响可以忽略不计。从式(7)中可以得出结论，双电桥示值误差与标准电阻rn之外，主要由r3和r4的调整误差和跨线电阻值r来决定。由于实际上调整r3＝r3′和r4＝r4′困难很大，r不可能绝对值为零(设计中规定它在0.01ω以下)，所以双电桥的测量准确度一般不高。为了提高电桥的检流计的灵敏度要增加电桥的工作电源，但是工作电压过高，会使电阻的温度升高，影响电阻的稳定。

因此，申请人提出了一种电阻测量电路。如图7所示，该电阻测量电路可以包括：数据采集模块10，具有待测电阻rx连接端11、参考电阻rn连接端12以及数据信号输出端13，用于采集所述待测电阻rx和所述参考电阻rn的电流数据或电压数据，所述待测电阻rx连接端11和所述参考电阻rn连接端12与所述数据信号输出端13电气隔离；测量模块20，与所述数据信号输出端13连接，用于测量所述数据信号输出端13输出的电流数据或电压数据，以测量待测电阻rx的阻值。

数据采集与数据测量实现电气隔离可以施加不同电压或电流，同时可以输出不同的电压或电流，并且，可以按照电阻的物理和数学定义来选择基准点，大大方便了电阻测量，扩大了测量范围，也可以有效的减小测量误差，也提高了测量精度。

在可选的实施例中，数据采集模块10包括：第一隔离放大器u1，具有用于连接待测电阻rx的第一输入端和与所述第一输入端隔离的第一输出端；第二隔离放大器u2，具有用于连接参考电阻rn的第二输入端和与所述第二输入端隔离的第二输出端；所述第一输出端与所述第二输出端隔离，但是根据需要可以通过连线共地；测量模块20设置在所述第一输出端和所述第二输出端之间，用于采集所述第一输出端输出的电压和电流和所述第二输出端输出的电压或者电流，以及它们两者之间的电流差或电压差。

在本实施例中，电阻测量电路可以采用差流法对电阻进行测量，也可以采用差压法进行测量，在测量时需要为待测电阻rx和参考电阻rn提供电源，以采集待测电阻rx和参考电阻rn电流数据或电压数据。

具体的，如图8所示，差流法可以采用如下电路进行测量，所述第一隔离放大模块的第一输入端用于与所述待测电阻rx的一端连接，所述电源模块的一端用于与所述待测电阻rx的另一端连接；所述第一隔离放大模块还包括第三输入端，所述第三输入端与所述电源模块的另一端连接；所述第二隔离放大模块的第二输入端用于与所述参考电阻rn的一端连接，所述电源模块的一端用于与所述参考电阻rn的另一端连接；所述第二隔离放大模块还包括第四输入端，所述第四输入端与所述电源模块的另一端连接。所述测量模块包括电流测量单元，用于测量所述第一输出端输出的电流和所述第二输出端输出的电流，以及它们两者的电流之间的电流差。

具体的，如图9所示，差压法可以采用如下电路进行测量，所述第一隔离放大模块还包括第三输入端，所述第一隔离放大模块的第一输入端用于与所述待测电阻rx的一端连接，所述第三输入端用于与所述待测电阻rx的另一端连接；所述第二隔离放大模块还包括第四输入端，所述第二隔离放大模块的第二输入端用于与所述参考电阻rn的一端连接，所述第四输入端用于与所述参考电阻rn的另一端连接；所述第三输入端与所述第二输入端连接；所述电源模块的一端与所述第一输入端连接，所述电源模块的另一端与所述第四输入端连接。所述测量模块包括电压测量单元，用于测量所述第一输出端输出的电压和所述第二输出端输出的电压，以及它们两者之间的电压差。

上述差流法电路和差压法电路中的隔离放大器输入回路、输出回路、电源回路和地完全隔离，可以有效的减小了直流偏移、电流泄露和零位漂移，减小了零位误差，也直接减小了测量误差。由于输入阻抗和输出阻抗对于测量的影响是很大，输入阻抗和输出阻抗可以根据需要设计，电压的输入阻抗较大，电流的输入阻抗较小，这样有利于减小测量误差。进一步，采用输入回路、输出回路、电源回路和地完全隔离还可以有效的减小差模干扰和共模干扰，提高测量精度。

作为可选的实施例，数据处理模块，与所述测量模块连接，用于根据测得的电压差或电流差得到待测电阻rx的阻值。在本实施例中，所称数据处理模块可以包括：a/d转换器、数据采集卡等测量部分和单片机、嵌入式am、平板电脑或计算机中的任意一种，在本实施例中，并不限于上述数据处理模块，只要能根据相应的电流或电压计算出相应电阻均在本实施例的保护范围。

下面，结合现有技术中的电阻测量方法，详细说明本实施中的电阻测量电路的有益效果。

本实施例中的电阻测量电路与伏安法相比，避免了由于电流表和电压表内阻带来的测量误差。由上述(2)、式(3)、式(4)可以看出，电流表无论内接，具体的参见图2或外接具体的参见图1，都会带来测量误差。本发明的方法，参考电阻rn与待测电阻rx串联，串联电路中电流相等，无需测量电流，因此，可以彻底消除电流表内阻的影响，参考电阻rn与待测电阻rx串联分别接入隔离放大器，隔离放大器的输入阻抗几乎相等，可以忽略输入阻抗的影响，进而可以较为精准的测量电阻的阻值。

本实施例中的电阻测量电路与替代法相比：替代法是先接入待测电阻rx，记下电路中电表的读数，然后把待测电阻rx换成电阻箱，调整电阻箱，使电路中电表的读数与原来读数一致，这样电阻箱阻值就是待测电阻rx的阻值。然而，待测电阻rx与电阻箱的测量不能同时进行，会因为电源的变化和测量调节的变化增加测量误差。采用本实施例的电阻测量电路，参考电阻rn与待测电阻rx同时测量，可以避免替代法中电源的变化和测量调节的变化增加测量误差。并且，现有技术中的代替法有两个零位误差，而本申请中的电阻测量电路使用隔离放大器，输入、输出与电源完全隔离，几乎没有零位误差。

本实施例中的电阻测量电路与零值法相比，零值法就是将待测电阻rx与参考电阻rn同时接入检测电路中，通过调节参考电阻rn的大小，使指零仪表指零，这时待测电阻rx的即等于参考电阻rn的值。零值法是指零仪表的灵敏度所能够指示的零，如果采用灵敏度为1×10^-5的指零仪表已经指零，当采用灵敏度为1×10^-7的指零仪表时，可能灵敏度更高的仪表指向非零，由于零值是相对的，只是相对于一定的指零仪表的灵敏度。零值法的测量精度主要取决于标准电阻的准确度和指零仪表的灵敏度。

零值法最典型的测量电阻的电路为电桥，电桥分为单电桥和双电桥。其工作原理如图5所示，其计算如式(6)，由式(6)可以看出：调节电阻使电桥平衡后，其待测电阻rx，可以由电桥的三个桥臂的读出值求出。这就是电桥的工作原理。式(5)称为电桥平衡条件，平衡公式表示为：r1r4＝r2r3,即相对两桥臂乘积相等。从而得出平衡电桥的一个性质：电桥的平衡条件仅由桥臂各参数之间的关系确定，而与电源电压及指零仪的内阻无关。

使用单电桥测量电阻，当被测电阻小于10ω时，引线电阻、与电桥连接处的接触电阻就不能忽略。如果引线电阻、接触电阻较大，就会使测量结果产生较大误差。电桥平衡条件为指零仪指零，为了准确判断平衡，应该采用高灵敏度的指零仪。电桥灵敏度与电桥电压有关电源电压越高，灵敏度也越高。

双电桥能消除引线带来的误差，双电桥专用于测量小电阻。双电桥的工作原理如图6所示，计算公式为式(7)。双电桥是把标准电阻器和被测电阻器电流引线都包括在工作电源回路不参加平衡，。而且两者的电位引线都包含在各桥臂中，由于测量过程中各桥臂电阻都具有较大的电阻值，故电位引线电阻的影响可以忽略不计。从式(7)中可以得出结论，双电桥示值误差与参考电阻rn之外，主要由r3和r4的调整误差和跨线电阻值r来决定。由于实际上调整r3＝r3′和r4＝r4′困难很大，r不可能绝对值为零，所以双电桥的测量准确度一般不高。

本实施例中的电阻测量电路，由于隔离放大器有很高的输入阻抗，克服了单电桥引线电阻和接触电阻对测量结果的影响。由于功率放大器的输入和输出回路完全隔离，提高输出的电压以提高灵敏度，输入的不提高，不会使回路中电阻功率提高，所以隔离放大器的隔离也解决了单电桥为了提高灵敏度需要提高电压，而提高电压使得电阻的功率不能承受的矛盾。本实施例中的电阻测量电路中去掉了同步调整电阻r3、r3′和r4、r4′以及跨线电阻值r。所以有效的克服了双电桥缺陷。

本发明实施例提供了一种电阻测量设备，可以包括：设备本体；以及，如上述实施例中任意一项所述的电阻测量电路。在本实施例中，设备本体可以为电阻测量设备的机箱。图10示例性的示出了电阻测量设备的机箱前面板。左侧上部和中部为可调电源，上部为电流表和电压表，用来指示电压输出的电流和电压，电流表下面，左边是电流输出按键开关，安下时电流输出，当然也可以用其他开关，如拨动开关、旋转开关、按钮开关等，也可以用继电器，只要能控制电源的输出和停止即可。电流输出按键开关右面是指示灯，当电源有电流输出时，灯亮，当电源的电流停止输出时灯灭。电流输出按键开关和指示灯的下面是电流粗调旋钮和电流细调旋钮，用来调节电源输出电流的大小，目前许多可调电源都是数字程控电源，有的使用数字键，有的使用上升和下降键，只要能实现相应功能，都是可以的。电压表下面，左边是电压输出按键开关，安下时电压输出，当然也可以用其他开关，如拨动开关、旋转开关、按钮开关等，也可以用继电器，只要能控制电源的输出和停止即可。电流输出按键开关右面是指示灯，当电源有电压输出时，灯亮，当电源的电压停止输出时灯灭。电压输出按键开关和指示灯的下面是电压粗调旋钮和电压细调旋钮，用来调节电源输出电压的大小，目前许多可调电源都是数字程控电源，有的使用数字键，有的使用上升和下降键，只要能实现相应功能，都是可以的。左侧下面，从左到右依次为电源开关、电源指示灯、电源输出高端、地、电源输出低端，电源开关是接通或断开可调电源的供电电源，电源指示灯亮时，表示可调电源的供电电源打开，电源指示灯灭时表示可调电源的供电电源断开。面板中部和右部的上面为显示屏，液晶显示屏可以显示各种参数，如施加的电流、电压，测量的差流、差压，测量的电阻等参数,这只是应该显示单元，可以用液晶窗显示,可以使用led显示，也可以用指针式仪表显示；也可以使用台式电脑.平板电脑、笔记本电脑或者其它显示器件，只要能正确显示相关数据就可以。也可以显示信号波形，对于波形的显示，可以使用液晶显示器，也可以使用示波管显示，也可以使用台式电脑.平板电脑、笔记本电脑或者其它显示器件，只要能正确显示相关波形就可以。显示屏下面是参考电阻或标准电阻的调整开关，为串联的有11位的十进转换开关，图中画了5个，作用是调整参考电阻或标准电阻的阻值，使电路中参考电阻或标准电阻的阻值与被测未知电阻的阻值相近，由于本发明的差值测量范围很大，根据测量精度不同，也可以设置不同的参考电阻或标准电阻的阻值相差的范围，因此开关的个数可以增加或减少，这些开关的作用和电阻箱的开关作用相同，所以用其他的开关器件也是可以的，比如继电器、按键开关、电阻网络等。调整开关的下面是电阻输入端，使用的是四端输入，如果测量精度较低，也可以使用两端输入。左面的输入端是被检未知电阻的输入端，rxl1和rxl2为电流输入端，rxp1和rxp2为电压输入端。用来连接被检未知电阻。右面的输入端是参考或标准电阻的输入端，rnl1和rnl2为电流输入端，rnp1和rnp2为电压输入端。用来连接参考或标准电阻。当内部的参考或标准电阻为空时，可以使用外接的参考或标准电阻，这些参考或标准电阻可以是经过溯源或校准，这样可以实现更高精度的测量，也可以检定标准电阻。图11为后面板，左上面为电源插座或保险丝，也可以使用其他的形式，比如使用带有保险丝的电源插座。左下面是接地旋钮，一定要按照接地规定，设置可靠的接地装置。右下面为通信接口，有usb、rj45、rs232等可以按照需要设置。只要是能满足通信要求就可以了。使用带有隔离放大器的差值法来测量电阻。可以有两种形式：差值法一种是差流法，就是用测量差值电流的方法测量电阻，一种是差压法，就是用测量差值电压的方法测量电阻。这两种方法的测量原理是一样的，只是测量的信号类型不一样，测量结果都是电阻。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。