纤维检验专用高阻标准装置的研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇纤维检验专用高阻标准装置的研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
棉花是关系国计民生的重要战略物资，也是涉及农业和纺织工业两大产业的重要商品。棉花含水的多少不仅影响棉纤维的物理特性和化学特性，而且还影响着棉花收购、加工、储运及纺织加工，影响着棉花交易的重量。因此，棉花水分检验历来是作为棉花公量检验的主要项目。搞好棉花水分检验对于准确计重、合理结算和方便使用有着重要的意义。
棉花中的水分通常用回潮率来表示。回潮率测试方法分为直接法和间接法两类。直接法是根据棉花回潮率定义公式分别测得棉花所含水分的重量和试样的干重，然后进行计算而得，如烘箱法。间接法是利用棉纤维的某些性质，如电阻、介电常数等，在纤维含水不同时具有不同数值特性，通过标定这些特性与棉花所含水分的关系，间接测量而直接读出所含水分的数值。现在多采用的是电阻式原棉回潮率测试方法，即根据棉纤维在不同回潮率下，具有不同电阻值的特性，在试样的质量、密度、极板面积和极板电压试验条件一定时，利用棉纤维的电流与电阻值成反比的关系，测量流过棉纤维的电流值。原棉回潮率高时，其电阻值低、电流大；原棉回潮率低时，其电阻值高，电流小。通过标定原棉水分与电流的对应关系，间接得出棉纤维的回潮率值。
由此可以看出纤维的电阻值是衡量纤维物理特性及含水量的重要指标。纤维高阻标准装置就是用于测量纤维电阻或以电阻为主的纤维专用计量器具的量值溯源及统一。
根据纤维电阻检测实际工作需要，纤维高阻标准装置主要技术指标为：
电阻测量范围：（102～1012）Ω；测量不确定度：0.03%～3%，k=2。
2 电阻测量方法的选择与实现
电阻测量方法主要有恒流法和恒压法，恒流法一般用于测量阻值小于1 MΩ的电阻。而对于高值电阻，由于测量时的工作电流很小，采用恒流源方式，就要求电压表的输入阻抗相对于被测高阻要足够高，否则，受到绝缘阻抗、泄漏电流及电磁干扰等的影响，将引入较大的测量不确定度。 因而经常采用恒压法进行。
考虑到纤维水分检测的实际电阻测量范围，高阻装置将电阻测量分为两部分。对于低值电阻（
图1 纤维高阻标准装置原理图
为了日常的自校准和量值溯源要求，本项目还研制了高精度高值标准电阻器10MΩ～100TΩ：准确度等级：0.01级～5级。
低值电阻的测量如图2所示，芯片U1产生2.5V的基准电压，通过电阻分压为1V，然后经功率放大，后经过三个精密电阻和后面的IC U5组成一个稳流源。电流的大小由继电器J2、J3、J5控制电阻来控制。其电流分别是1mA、100?A、10?A，再通过采样，A./D转换实现1MΩ以下电阻的准确测量。
图2 低值电阻探测原理框图
3 高值电阻测量
高值电阻测量采用的恒压法测量原理。如图3。
图3 高阻测量原理框图
主要由高稳定的电压源和弱电流信号测量电路（皮安表）组成。对微弱电流测量准确度直接关系到被测电阻的准确度。
3.1 小电流测量的实现
小电流的测量准确度直接关系到高阻测量的准确度。本装置的小电流采用了I/V法测电流即反馈法测电流。测量原理见图4。使用I/V转换器，输入电阻极低，不产生负载电压，特别适用于小电流测量。
图4 I/V转换法测量电流原理图
为了保持测量的精度和准确度，使用了多量程的测量。如图5所示。由PC给出指令，相应的控制电路控制继电器的动作，选择适当的电流通道，进行相应的I/V转换。把微电流转换为相应的电压。由于采用的是多路的I/V转换电路，所以转换的电压理论上落在（0.1～1）V的区间内。这样就保证了每个量程的线性，便于软件的后期数据处理。
图5 微电流测量电路
3.2 测量准确性的保证
高阻的测量关键是弱电流的测量，若干误差源会对弱电流测量的准确度产生严重的影响。最常见的误差来源是静电干扰和泄漏电流以及电源噪声。
3.2.1 泄漏电流和保护
泄漏电流是由测量电路附近的电压源之间的寄生电阻通路产生的。这种电流能够大大降低弱电流测量的准确度。为了降低泄漏电流，应当使用高质量的绝缘材料和采用保护技术。保护技术还能降低测量电路中分流电容的影响。
高阻装置在泄漏电流的控制方面采取了很多的措施。
⑴元器件的选择：要能准确测量pA级电流，所选运放输入偏置电流应远小于被测电流，且有足够小的输入失调电压。因此，前置运放均采用场效应管输入级运放，其输入偏置电流低至pA以下，失调电压也在毫伏以下。所用电阻器应选取温度特性及频率特性都足够好的低噪声高精度金属膜电阻。电路中为滤除高频干扰或相应校正所使用的电容，不可避免地引入噪声，因此选用损耗角小的低噪声电容器。
⑵弱电流测试线都采用了高温高绝缘的同轴屏蔽结构，I/V转换的部分更是使用了悬空的焊接结构来防止线路的漏电流。
⑶电路板的绘制中更是用到了屏蔽环等结构来保证把漏电流控制到最小。
⑷制作的工艺和安装技术上采取相应措施，也保证了pA级电流的测量准确度。
①选用绝缘性能好的电路板，表面要严格清洁防潮。
②输入信号采用了绝缘性能极好的、不产生静电且吸湿性不好的聚四氟乙烯接线柱，采用架空布线的方式接入，引线要尽量短而硬。
③由于地线上的阻抗实际上并不是零而是有一定的电位的梯度，并且地线和信号线的电容在输入输出端会引入的滤波电容噪声的干扰，为了尽量避免上述情况的影响，所以放大电路中各个回路都以地作为电流返回的通路，从而有效地提高I/V转换的分辨率。
3.2.2 完善的屏蔽保护的设计
带电物体接近被测电路的输入端时，就会发生静电耦合和干扰。在高阻测量时，电荷不能迅速衰减，就可能产生不稳定的测量结果。采用完善的屏蔽技术可以有效地避免静电干扰对高阻测量回路的影响，提高测量的稳定性和准确度。
本系统采用了三层屏蔽的整机屏蔽结构。第一层屏蔽主要是电路电源部分的屏蔽。这个屏蔽主要是电路部分的模拟电源和数字电源的屏蔽，功能是防止模拟电路数字电路之间的干扰。第二层屏蔽主要是G端屏蔽。这个屏蔽连接着电路板的屏蔽罩以及信号输入线的外屏蔽层和屏蔽端。同时还可以和被试品的G端屏蔽形成统一屏蔽。第三层屏蔽是大地的屏蔽，这个屏蔽连接着供电电源的地线。同时也可以和被试品的地线形成统一屏蔽。
3.2.3 偏置电流的消除
在测量输入端开路时，由于不是理想的电路，会有输入偏置电流的产生。输入偏置电流叠加到被测电流上，测量的是两个电流值和，将会引入测量误差。如图6所示，输入偏置电流叠加到被测电流上，所以测量的电流值是两个电流值和：
IM=IS+IOFFSET
图6 偏置电流叠加示意图
从测量结果中减去输入偏置电流的方法就是有效地清零。本系统采用软件监控的方法消除了偏置电流引入的测量误差，即在开路的情况下使读数达到稳定，然后启动开路清零功能。建立零位值以后，以后的测量结果就是实际测量值和该零位值之差。
3.2.4 软件抗干扰设计
在对模拟信号的采样即A/D转换中都会带来各种干扰，干扰除外部因素外，有时往往还有内部原因。这些瞬间干扰会在模拟信号上叠加一定幅度的尖峰干扰信号。对于这些干扰信号，仅靠硬件措施还不能完全达到满意的效果，采取一定的软件滤波方式可在不增加成本的基础上取得较好的结果。
本系统采用的是算术平均值滤波，把25个采样数据作为一个滤波周期，不仅达到了滤波突发干扰信号的作用，而且对50Hz的工频干扰也有良好的作用。采用该方法后，输出数据的稳定性得到了极大的提高。
4 软件系统功能设计与实现
通过RS232通讯，上位机利用LabVIEW测试软件， 实现了自动测量控制。根据所出具的证书要求，通过人机对话形式，自动完成相应测试点的校准，同时软件根据要求自动判断所测试点是否合格，并生成相应的原始记录和校准证书。校准证书格式为PDF格式，测试完成后，数据将不能被更改，对于校准体系的管理具有极大的公正性。
4.1 测试步骤
开机预热半小时后，先进行仪器内部各个量程清零。
低阻部分（102Ω～105Ω）在测量端短路状态下，用电阻箱校准时，先将测试线连接电阻箱，将电阻箱盘值置零，点击短路刷新进行仪器内部各个量程清零，清零完成后需点击保存，保存清零结果。准备进行测试。将测量线一端接至仪器的低阻测量端，另一端接至0.005级的标准电阻箱ZX78，开始测试。低阻部分也可以用100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ的0.005级的ZX78直流电阻箱进行固定点的校准。
高阻部分（106Ω～1012Ω）在测量端开路状态下，点击开路刷新进行仪器内部各个量程清零，清零完成后需点击保存，保存清零结果。准备进行测试。高阻部分106Ω使用5ppm的742A标准电阻，107Ω～1012Ω使用0.005%～0.05%的BZ-100T型标准高阻分别进行校准测试。将专用测试线分别接到高阻测量仪和标准高阻上进行测试。
4.2 测量结果
4.2.1 准确度测试
⑴低阻部分
用5ppm的742A标准电阻校准结果，如表1所示。
表1 标准电阻校准
用ZX78标准电阻箱校准结果（ZX78直流电阻箱：0.005级），见表2。
⑵高阻部分
用5ppm的742A标准电阻和0.005%～0.05%的BZ-100T型标准高阻校准结果，见表3。
4.2.2 重复性测试
⑴低阻部分：
在人员、测量条件不变的情况下，以0.1kΩ、1kΩ、10kΩ、100kΩ为典型点测量重复性，结果见表4。
⑵高阻部分：
在人员、测量条件不变的情况下，以1M、10M、100M、1G、10G、100G、1T为典型点测量重复性见表5。
结论：满足电阻范围：（102～1012）Ω，测量不确定度：0.03%～3%（k=2）的技术指标。
5 小结
纤维检验专用高阻标准装置采用I/V转换测量方法，完善的屏蔽保护技术，保证了小电流的准确测量。实现了测量范围：100Ω～1TΩ，测量不确定度：0.03%～3%（k=2）宽范围电阻的准确测量。为棉花水分测试仪器和其他纤维电阻测试仪器量值溯源提供了标准量值。
（作者单位：张保国、唐维，国家纤维计量站；王昊，中国计量科学研究院）