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天使的魔翼

100欧标准电阻测试平台

lymex 发表于38HOT论坛

一、为什么叫100欧测试平台？

    叫“100欧测试系统”太大了，也俗。

    被测试的标准电阻都是100欧附近，偏离很小，大家放在一起，高度类似，也很平。

    另外，这个100欧因此也是一个比较独立的，清高的，所以就叫平台吧。

二、有啥用呢？

    无可非议，1Ω和10kΩ是在电阻计量中两个最重要的标准电阻点。

    其中，1Ω最稳定、最传统，也是各国实物标准电阻的阻值。

    但是，1Ω阻值比较小，不便于直接测试，尤其是不便于在业余条件下高精度的测试和传递。

    因此，后来发展了10kΩ的另一个阻值。

    10kΩ属于不大不小“正合适”的范畴，对于引线电阻、接触电阻、热电动势来讲阻值足够大，但对于漏阻、干扰等，又足够小。

    因此10k的标准电阻比较容易制作，比较容易出高精度，也比较容易被测试。

    10k的标准电阻，温度系数可以做得很小，因此可以少受环境变化的影响，适合做传递。

    当然，10k电阻由于电阻材料比1欧的细、薄、长，因此老化特性不如1欧。

    这样一来，就有了两大阵营：

    1欧和10k，阻值相差1万倍，之间难于往来。幸好我们有1:100的过渡标准，可以过渡两次，实现桥接。

    而1欧和10k之间的桥接点，就是100欧平台。

    具体说来，用传统的办法，先在三次平衡电桥上利用替代法对比1欧基准和10欧过渡基准（接成1欧），然后在第2个电桥上对比10欧过渡基准（接成100欧）和1k过渡基准（接成100欧），最后，在第三个电桥上对比1k过渡基准（接成10k）和10k标准电阻，这样就实现了从1欧副基准到10k工作基准的传递。至于10k的1等标准，可以从10k工作基准做同值传递，也可以从1欧工作基准过渡传递过来。

    但是，这是个老办法了，国家规程一贯远远落后，实际做的是另一套。尤其是有了霍尔量子基准（2006年正式启动）和自动化的DCC电桥后，大大提高了电阻基准的精度和自动化程度，而下面这张图是2008年国家直流电阻副基准测量装置的照片：

    看不清是啥东西？没关系，放大一下，逐个设备进行说明。

    这是一套一MI公司的设备为主的电阻计量标准系统，最左边的是9302JW标准电阻恒温油槽，容量157升，温度稳定性达到0.0007度，温度不均匀性达到0.0003度，重量为150kg。

    柜子里最上面的是6010B，是一个自动DCC桥，用来测试0.01欧到10k，不确定度优于0.1ppm。

    然后是4220A，20路低热电扫描器，热电动势不大于50nV。

    中间的是6000B，是一个自动二进制分压高阻测量仪（BVD），最高可以100V测试电压，1k到10M的测试误差不大于0.1ppm，线性达到0.01ppm，最大可以测试到1T。

    再下面就是Agilent 3458A了，在这里作为6000B的配件探测差值电压的，正像使用Warshawsky电桥也需要3458A做差值探测一样。

    最下面一个就是1000A了，是一个可分档调压的电压基准，输出1V、2V、5V、10V、20V、50V、100V 七档可调，8小时稳定度1ppm，噪音<1uV，是上述6000B的测试电源。

    那么这套东西是如何工作的呢？其实说起来也容易，直接接上基准电阻和被测试电阻群，测试结果就通过计算机自动出来了

    当然，是使用6010还是6001，要看被对比的电阻。一般来讲，基准电阻和被对比电阻的阻值可以相差10倍还多。即采用100欧做基准，可以测量10欧到1k之间的任意阻值。这样就可以方便的实现传递了。

三、那么传递链是什么情况呢？

    最早当QHRS刚出来的时候，有一种手工办法，即采用8只800欧的传递标准，串联后与QHRS的6.45k对比，然后并联再与100欧做对比。此时就可以看出100欧的重要性了，是量子基准传递下来的第一个实物基准。
    后来有了自动的DCC电桥，而且量子化电阻的推荐值也改为i=2即12.9k，这样就直接对比了，例如香港这个：

    可以看出，香港这个用的是CCC而不是DCC。CCC是低温电流比较仪的意思，是利用超导体的完全抗磁性解决了DCC的漏磁问题，用SQUID器件解决了平衡检测问题。国内也有CCC，而且水平很高/更高。但香港用在了计量传递上，国内好像只用在研究。

    还有这个，来自TN1488，可以看出，100欧仍然是第一个被QHR传递的。上面还有个1M，那属于高阻。

    无论如何，100欧都是QHRS向实物标准转换的第一个阻值，因此也就很重要。
    可以看到，在电阻的测试中，最基础的脊梁是1欧、100欧、10k，其次包括各种10进的例如0.1欧、10欧、1k。100k等。再后面才是任意电阻。只有骨架好，才能带动大家。而100欧是骨架上的关键一个支撑点。

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100欧标准电阻测试平台（续）


四、100欧平台都有哪些要素构成的？

    测试的不确定度要求达到了一定的高度后，测试就是对比。结果就是被测电阻Rx和标准电阻Rs之间的比值。最后的不确定度就是标准Rs的不确定度和对比的不确定度的合成。因此，为了取得良好的效果，一方面要尽量降低标准Rs的不确定度，另一方面要降低整个对比系统的不确定度。

    现在专业的电阻对比，最常见的是用电流比较仪（DCC）。上面已经提到MI 的6010B，同样用的比较多的是高联的6622A：

    可以看到，前面板有Rx的4个接线柱和Rs的4个接线柱，测试的结果将可以是Rx/Rs之比。

    业余条件下我们很难搞到这样的DCC，而是一般用电桥的方法把Rx和Rs的作为两臂实现对比。但由于电桥很难做被比较两臂的真正平衡（即得到Rs=Rx实际可能不等）。

    因此更好的是替代法：在一个位置上分时的接上Rx和Rs，这样就可以抵消掉绝大部分不平衡因素。而高境界的替代，是用扫描器多重替代，实现1对多（其实也是多对多）的替代对比。以下就是一种在业余条件下可以比较方便的多重替代对比方案。

    1、100欧主基准，要用你最稳定的100欧，可以实现尽量长期的100欧参考值。这里打算用Tinsley的5685A，也就是上面香港直流电阻传递图的最好的实物电阻。

    2、1k过渡电阻，接成100欧。然后可以另外接成10k完成与10k的对比。

    3、10欧过渡电阻，接成100欧。然后可以另外接成1欧完成与1欧的对比。

    4、100欧其它标准电阻，作为被测试电阻，包括DIY的100欧电阻。

    5、4线电阻扫描器，输入路数可变最大16路，输出1路，就是轮换地把16路的其中之一接到输出上，这样就实现全部替代。

    6、100欧Warshawsky桥，替换对比用。输入一个4线100欧电阻（就是上述扫描器的输出），输出一个0.5uV/ppm灵敏度的电压偏差。

    7、测试、采集、记录、处理。偏差电压的测试可以用3458A或者34420A进行，采集用GPIB卡，记录用PC，处理用自编软件加上Excel。

五、有哪些100欧好的商品电阻？

    纵观标准电阻的厂家和产品，还真就是屈指可数。所有在产标准电阻的厂家都能在其网站上找到参数，因此干脆罗列一下，看看到这些厂家都生产了什么电阻、年老化到底是多少，如下图。横轴是阻值，单位是幂次。例如0即为10的0次方即1欧，而4即为10的4次方为10k。纵轴为年老化的ppm值。

    从这个图表上看，最好的商品100欧是esi SR102，年稳0.5ppm。其次是日本AE USR-100，年稳1ppm之内，再就是Tinsley的5685A，年稳2ppm之内。

    SR102是SR104的姊妹，非常少见，只听说过，照片都没见过。外形与SR104一样，重量1.8kg。国内国家计量院有，用于与低温量子电阻做对比。

    值得注意的是，上面描述中出现两次“空气恒温”的字样，并非说这两个电阻本身带有恒温的，而是如果想恒温，应该用空气而不是油浸。事实上，Tinsley的5685A -1欧是设计成油浸的而不是空气恒温的。

    由于SR104的良好表现，SR102电阻丝线会更粗，因此至少是与SR104同级的。
SR102原产于esi，后来卖给了Tegam，现在归IET所有。

估计这9个电阻里，应该有少量的SR102，但多数是SR104

    AE USR-100是日本Alpha Electroncs（现属Vishay）用金封金属箔为电阻芯制作的标准电阻。具有稳定性好、温度系数低、温度曲线平直的特点。自带盒子，有盖子，体积不大（155*122*96带盒）但重量很重，约2.5kg。这个价格也是不菲，见有低一个档次的ASR-10k都要395万日元！
http://www20.tok2.com/home/daisuken/asr103.html

USR的厂家数据表：http://www.alpha-elec.co.jp/w2img/ww1212155314H19eS01.pdf

    Tinsley是老牌英国厂家，其5685A是其顶级标准电阻，具备交直流两用的特点，年稳定性也达到2ppm，成为很多国家标准实验室的主力电阻。该电阻为圆柱性，内部灌油，指标重量0.7kg但实际测试1kg都多了。
http://www.tinsley.co.uk/products/standard-resistors/5685.htm

    也许有人会问，怎么没有提一下Fluke的标准电阻？

    Fluke 742A电阻系列很一般，最好的年稳4ppm，其中的1欧年稳才8ppm，在正规的计量上是排不上号的。看到这里如果感到惊奇，那只能说明Fluke市场宣传做的比别的厂家好。

六、100欧电阻，能DIY吗？

    可以。但为了做出好电阻，还是很难的。
    一种方法，是自己找好的线材，处理后，绕制，退火，焊接，密封。为了做出好电阻，每一步都是极具挑战的。514所用这种从头做起的办法DIY的34只电阻，结果也很一般。α系数（绝对值）平均为0.27ppm/C其实很大了，β系数平均为0.043ppm/C2也不算小，老化平均为1.43ppm/a也超过大多数标准电阻的实际值了。

    另一种比较省事的办法，就是利用现成的电阻器，进行筛选、匹配、混联而成为最终阻值，外边加上外壳和接线柱，而且不用环境密封。电阻芯可以选择金封金属箔例如Vishay 202Z。不建议采用金封线绕，因为很难找到合适的阻值和合适的数量，而且金封线绕的表现也很一般，距离金封金属箔相差比较大。

    100欧电阻如果选用4串联方式，每只要25欧，这样的电阻显得有些小。可以选择并联的方式，例如4个400欧的并联，甚至10个1k的并联。
    当然，也可以采取混联的方式，例如用4只100欧的两串两并，甚至用9只100欧的混联。
    下图是一包没有开封的202Z和三只零散的，均为100欧0.01%，可以作为100欧标准电阻的要素。

七、过渡电阻是怎么一回事？

    过渡电阻就是Resistance Transfer Standards，因此也叫做传递电阻或转移电阻，一般是一组12只阻值一样、永久串联的电阻，串联的节点为Hamon节点，任一节点均引出2个接线柱，使得任何一个电阻均可以进行4线测量。
    最常见的过渡电阻是SR1010，最初为esi生产但现属于IET，过渡精度是1ppm。

    过渡电阻有个非常奇妙的特性，例如10个1k的，串联的10k如果相对偏差为e，那么交叉并联接成100欧后，相对偏差也是e，因此可以实现1:100的高精度过渡、传递。这一特性也表明，只要电阻的短期稳定性好，就可以取得很好的转移特性，而根本不用看其长期稳定性。当然，长期稳定性会让阻值与标称值之间有偏差，偏差太大的话反过来要影响这种转移特性。


又来了一个Warshawsky桥？

    是的。以前做过一个10k的Warshawsky桥，用于10k标准电阻的对比，效果非常好。

    这次由于要测试100欧，因此也打算类似做一个100欧的。
    但是，Warshawsky的特点，最适合中阻（1k到10k，扩展范围是100欧到100k）。高阻值的用不到跨线分压了，而低阻值的损失太大，也不适合。100欧处于适合的边缘，此时电阻的标准测试电压为1V（此时功率为10mW），因此电桥灵敏度将降低到0.5uV/ppm，而不是10k桥的3uV/ppm，下降了6倍。不过由于内阻变小，因此可以有更低的噪音，综合分辨仍然可以期望达到0.05ppm。

    至于电源，由于电桥为4V，因此用2节锂电（最低6V）稳压供给很合适。用电电流是20mA，对于2000mAh的电池来讲可以连续使用100小时。测试下来结果如何？

    桥还没做好，不能让100欧的5685A与10k的SR104对比。另外，为了实现100欧与1欧的对比，必须在1欧水平上形成一个可靠、稳定的对比方案出来。现在看，比较可行的方法，一个是用现成的DCC。另一个是采用电流源方法。