专利名称：一种利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法
技术领域：
本发明属于直流电阻测量领域，具体涉及一种利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法——倍流法。
背景技术：
在实际测量中，直流电阻器可能工作在不同的电流下。电流依赖性(电流变差或功率变差或负荷系数)是直流电阻器的一个重要指标。电阻的电流依赖性定义为直流电阻器在工作电流I下的电阻值R(I)对在参考电流Itl下电阻值R(Itl)的相对变化，如(I)所
/Jn o
R(I)^R(Iii) AR(I)V ； /^(I)
R(h) R(h)使用传统的Wheatstone电阻电桥进行高准确度的标准电阻电流依赖性测量曾经是一个较难解决的问题(请参考 H. L. Curtis, “Electrical measurement s-Precisecomparisons of standard and absolute determinations of the units.，’USA. 1937,pp. 93-96.)。磁调制式直流电流比较仪(简称DCC)技术商用化之后，电阻电流依赖性的测量容易了许多。其工作原理如图Ia所示。设DCC电桥一、二次绕组WjJPWs的匝数比I : n，则参考电阻Rs和被测电阻Rx通过不同的电流Is和Ix，其中Ix Is = Ws Wx = n I ；RS与Rx上产生相同的电压降，即Ux = Us ;因此Rx的功率Px是Rs的功率Ps的n倍。尽管按图Ia测量电阻的电流依赖性时，Ix扩大m倍时，Is同倍扩大m倍，Px和Ps也同扩大m倍，但如果这时mPs仍足够�。訰s的影响就可以忽略。此种方法测量不确定度依赖于参考电阻Rs的电流依赖性，因此，只是一种相对测量法。为了测量量子化霍尔电阻(QHR)基准中100Q标准电阻的电流依赖性，文献(M. Nakanishi,J. Kinoshita,Y. Sakamoto,T. Endo. “Current dependence measurement ofI Q standard resistors using a cryogenic current source with linear output.，’IEEETrans. Instrum. Meas. , vol. 50, no. 2, pp. 255-257, Apr. 2001)研究了一 种基于超导电流比较仪(CCC)和约瑟夫森电压(JVS)的测量方法。CCC将高稳定的电流Ix变换为
/ W 、
Is (Is)，当流过Rx的％流Ix线■力口W，Wx同鱗注融，■石兹势IxWx不变，因
S
而保持流过参考电阻Rs的电流Is不变。用JVS电位差计测量被测电阻Rx和参考电阻Rs的电压差，该电压差的相对变化就反映了由被测电流Ix的变化引起的被测电阻Rx的变化。该文献实际测试的两种IQ商用标准电阻的电流依赖性的不确定度为10_7，不确定度主要来自超导量子干涉器(SQUID)的磁通噪声和被测电阻的功率漂移。与直流电流比较仪技术相比，此种方法利用了 CCC和JVS的高比例准确度，消除了参考电阻电流依赖性的影响。但也有局限性，例如使用了 2套最高电学量子基准、特殊研制了一套IA的CCC，代价较高。
综上分析可以归纳得出，就解决标准电阻器电流依赖性准确测量而言，基本方法有2种第一种方法，找到理论上或实际上电流依赖性可以忽略的一个标准电阻；第二种方法，鉴于电阻电流依赖性表现为电阻电流响应的非线性，如果可以高准确度地产生线性直流电流，而且可以高准确度地线性测量电阻上的直流电压，则只要测试线性电流在被测电阻上产生电压的非线性，就可以绝对测量出电阻的电流依赖性。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，结合直流电流比较仪电桥测量电阻的原理，提供一种利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法——倍流法，其不依赖于已知电流依赖性的参考电阻标准，并能高准确度地测量直流标准电阻器的电流依赖性。本发明是通过以下技术方案实现的一种利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法——倍流法，所述方法 将由两个同标称值的四端标准电阻器串联而成的等效电阻作为参考电阻，将所述参考电阻与被测电阻连接在直流电流比较仪电桥上，再接入一个直流电流比较仪量程扩展器构成测试电路；所述直流电流比较仪量程扩展器用于使被测电阻中流过的电流倍增，而保持参考电阻中的电流不变，通过测量倍增电流引起的被测电阻的阻值变化实现对被测电阻电流依赖性的绝对测量。所述方法采用的所述直流电流比较仪量程扩展器的比例为I : I;所述参考电阻的两个同标称值的四端标准电阻器分别为Rsl和Rs2 ;采用的被测电阻为Rx ;所述被测电阻Rx和参考电阻分别与所述直流电流比较仪电桥的一次绕组和二次绕组串联；RX Rsl的标称比例为I : n, Rx : Rs2的标称比例为I : n, n彡I。所述通过测量倍增电流引起的被测电阻的阻值变化实现对被测电阻电流依赖性的绝对测量是这样实现的在所述直流电流比较仪电桥的一次电流为Itl时进行三次测量，该三次测量分别为用所述直流电流比较仪电桥直接测量Rx和Rsl的比值、用所述直流电流比较仪电桥直接测量Rx和Rs2的比值和用所述直流电流比较仪电桥直接测量Rx与Rs1+Rs2的比值，三次测量完成后得到倍增电流引起的被测电阻Rx的变化，然后将所述直流电流比较仪电桥的一次电流依次设置为2"%，每次重复所述三次测量，得到在参考电流为Itl的条件下，被测电阻中通过电流为2%时被测电阻的电流变差，即被测电阻电流依赖性；所述m为自然数。所述由两个同标称值的四端标准电阻器串联而成的等效电阻是这样实现的将Rsl和Rs2和其匹配电阻F1和r2按照双电桥的内比例臂串联，即将Rsl和Rs2各自的一个电流端通过短路片r串联，在Rsl和Rs2短接的电流端对应的电位端分别串联匹配电阻A和r2的一端,使得Rsl Rs2 ^ !T1 r2, !T1和r2的各自另一端则按照Hamon节点短接为o点；Rsl和Rs2各自的另一电流端连接到换位开关K的公共端，换位开关K的一对输入输出端子串联到所述直流电流比较仪电桥的二次回路中，另一对输入输出端子保持空。由于Rsl Rs2 ^ T1 r2，参考电阻串联前后电阻(和电压)比例不变，当被测电阻上电流倍增时，流过参考电阻的电流不变，它们产生的电压降可以准确地线性叠加；所述换位开关K采用双刀双置开关。
与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明对被测电阻的电流依赖性测量不依赖于参考电阻的电流依赖性，实现了标准电阻器电流依赖性的绝对测量；本发明中直流电流比较仪电桥仅用于同标称值电阻的比较测量(微差测量)，直流电流比较仪电桥的线性度和准确度对测量结果不确定度贡献很�。恢绷鞯缌鞅冉弦橇砍汤┱蛊鹘龉ぷ髟贗 : I状态，通过自校准后比例修正，可以进一步减小其不确定度贡献。与现有方法相比，本发明对测量设备的要求低，成本低，准确度高，而且易于实现。
图Ia是现有技术中的DCC测量电阻的原理图。图Ib是现有技术中DCC测量电阻的原理简图。图2是本发明利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法的原理图。图3是本发明中的参考电阻的串联原理图。
图4是本发明中的DCC2的I : I自校准原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述为叙述方便，将图Ia中DCC的磁调制器(图Ia虚线内)简化为图Ib中的电流控制电流源 Is，1S=>d °本发明利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法——倍流法的电路原理如图2所示，该电路包括三只直流电阻器和两台DCC。DCCl为常规电阻测量用直流电流比较仪电桥，DCC2为直流电流比较仪量程扩展器，其比例为I : I。Rsl，Rs2为两只同标称值的参考电阻器，它们按照双电桥内比例臂串联构成参考电阻。r为短路片，!^和!^为连接在Rsl和Rs2电位端的匹配电阻，且Rsl Rs2 = T1 r2。ri、r2和r保证Rsl和Rs2串联前后两者的电阻比例不变。Rx为被测电阻，它和参考电阻分别与DDCl的一次、二次绕组串联，连接到DCCl的一次、二次电流回路。G为指零仪，用于测量(或指示)DCCl的电位平衡。为实现被测电阻上的高准确度倍电流，I I工作的DCC2采集DCCl的一次电流Ixl，并高准确度的转换为DCC2的二次电流Is2，所述一次电流Ixl和二次电流Ix2相等；选择开关H2用于切换参与比较的参考电阻，开关K3用于控制流过被测电阻的测量电流。直流电流比较仪的核心部分是磁调制器，它将输入的直流电流按一、二次绕组比例变换成不同的输出直流电流，因此可以看做是一个由输入一次电流控制的输出电流源，也就是电流控制电流源，为简化电路，图2中DCC的磁调制器用电流控制电流源(虚线框内)表示。Rsl, Rs2与Rx的标称比例为I : n(n彡1)，DCCl的一次绕组Wxl和二次绕组Wsl也工作在I : n，设其实际比例为Ii1 ;DCC2的标称比例为I : I，设其一、二次绕组比Wx2 Ws2的比例实际值为112，则有
I
2=f^ = 1 + 1，X (就是通过(8)式得到的)为112的相对偏差。图2中込表示由于DCCl
J. >J
的一、二次回路不完全隔离可能存在的漏电流，在图2中是用虚线表示出来的。根据直流电流比较仪电桥的工作原理，DCCl的二次电流Isl只与流过其一次绕组Wxl的电流Ixl成正比，而DCC2 二次电流Is2只与流过其一次绕组Wx2的一次电流Ix2有关。因此，当K3控制电流Is2也施加到被测电阻Rx、实现Rx电流倍增时，流过参考电阻的电流维持不变。测量线路中两只四端标准电阻Rsl和Rs2按照双电桥的内比例臂串联，保证串联前后电阻(和电压)比例不变。当被测电阻上电流倍增时，由于流过参考电阻的电流不变，在开关K1和K2的控制下，Rsl和Rs2的电压降可以准确地线性叠加。本发明的测量步骤如下第一步，开关K1置1，K2置I’，K3置3，通过Rx和DCCl —次绕组Wxl的一次电流置为10，用DCCl直接测量Rx和Rsl的比值，得读数H1(^S1), S I为DCCl在比例H1时读数的相对偏差，则有
权利要求
1.一种利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法，其特征在于所述方法将由两个同标称值的四端标准电阻器串联而成的等效电阻作为参考电阻，将所述参考电阻与被测电阻连接在直流电流比较仪电桥上，再接入一个直流电流比较仪量程扩展器构成测试电路；所述直流电流比较仪量程扩展器用于使被测电阻中流过的电流倍增，而保持参考电阻中的电流不变；通过测量倍增电流引起的被测电阻的阻值变化实现对被测电阻电流依赖性的绝对测量。
2.根据权利要求I所述的利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法，其特征在于所述方法采用的所述直流电流比较仪量程扩展器的比例为I : I;所述参考电阻的两个同标称值的四端标准电阻器分别为Rsl和Rs2 ;采用的被测电阻为Rx;所述被测电阻Rx和参考电阻分别与所述直流电流比较仪电桥的一次绕组和二次绕组串联；RX Rsl的标称比例为I : n, Rx : Rs2的标称比例为I : n, n≥I。
3.根据权利要求2所述的利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法，其特征在于所述通过测量倍增电流引起的被测电阻的阻值变化实现对被测电阻电流依赖性的绝对测量是这样实现的在所述直流电流比较仪电桥的一次电流为Itl时进行三次测量，该三次测量分别为用所述直流电流比较仪电桥直接测量Rx和Rsl的比值、用所述直流电流比较仪电桥直接测量Rx和Rs2的比值和用所述直流电流比较仪电桥直接测量Rx与Rs1+Rs2的比值，三次测量完成后得到倍增电流引起的被测电阻Rx的变化，然后将所述直流电流比较仪电桥的一次电流依次设置为2"%，每次重复所述三次测量，得到在参考电流为Itl的条件下，被测电阻中通过电流为2%时被测电阻的电流变差，即被测电阻电流依赖性；所述m为自然数。
4.根据权利要求2所述的利用倍增电流测量直流标准电阻器电流依赖性的方法，其特征在于所述由两个同标称值的四端标准电阻器串联而成的等效电阻是这样实现的将Rsl和Rs2和其匹配电阻ri和r2按照双电桥的内比例臂串联，即将Rsl和Rs2各自的一个电流端通过短路片r串联，在Rsl和Rs2短接的电流端对应的电位端分别串联匹配电阻A和r2的一端，使得Rsl : Rs2 rj I^r1和r2的各自另一端则按照Hamon节点短接为o点；Rsl和Rs2各自的另一电流端连接到换位开关K的公共端，换位开关K的一对输入输出端子串联到所述直流电流比较仪电桥的二次回路中，另一对输入输出端子保持空；所述换位开关K采用双刀双置开关。
全文摘要
本发明提供了一种测量直流标准电阻器电流依赖性的绝对测量方法，属于直流电阻测量领域。本发明方法将由两个同标称值的四端标准电阻器串联而成的等效电阻作为参考电阻，将所述参考电阻与被测电阻连接在直流电流比较仪电桥上，再接入一个直流电流比较仪量程扩展器构成测试电路；所述直流电流比较仪量程扩展器用于使被测电阻中流过的电流倍增，而保持参考电阻中的电流不变；通过测量倍增电流引起的被测电阻的阻值变化实现对被测电阻电流依赖性的绝对测量。利用本发明方法实现了标准电阻器电流或功率依赖性的绝对测量，其测量不确定度既不依赖DCC电阻电桥的测量准确度，也不依赖于参考电阻的功率变差。
文档编号G01R27/02GK102680788SQ201210141088
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者张钟华, 李之彬, 李艳强, 林飞鹏, 梁波, 贾凯, 邵海明 申请人:中国计量科学研究院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
