低噪声四线制测量夹

【技术领域】

本发明涉及一种电力工程技术领域，尤其涉及一种低噪声四线制测量夹。

【背景技术】

用开尔文(Kelvin)四线检测方法在微弱信号测量方面的应用问题。由于微弱(电压，电流，电阻)信号本身的幅度过小，而噪声信号的幅度可能是微弱信号的几倍，这就造成有用微弱信号本身被噪声信号所淹没，微弱信号在必须的放大过程中噪声信号也被放大，这就造成微弱信号精确测量十分困难。很多物理量都是要先转换为电信号之后才能进行测量，这些物理量信号本身就很微弱，转换成电信号后更加微弱，因此微弱信号精确测量是目前很多领域都感到非常困难的普遍问题。但是微弱信号的高精确检测技术应用十分广泛，如：科研、工程制造、航空航天、军事、医学等领域都需要测量各种微弱信号。而且微弱的信号测量过程中还会受到各种各样的干扰，检测起来非常困难。新发明的四线制测量夹可以使测量回路中信号所受到激励电流信号的干扰减到很小，提高了测试仪器输入端的信噪比，从而提高了弱信号的测量精度。

电阻是电路的重要组成元件，因此测量电阻是电学测量的基础技术，常见的测量电阻原理是给予一个激励电流源，测量电阻两端的电压降，根据欧姆定律计算出电阻值。万用表测量电阻就是基于此原理。目前常用的测量电阻的方法主要有二线制和四线制。

1.二线制法测量电阻原理

所谓二线制，顾名思义，就是只利用两根导线去连接被测电阻，电阻两端有两个探针接触，先测量流过电阻的电流值，再测量电阻两端的电压值，利用欧姆定律就可以算出电阻值，工作原理如图3所示,其中R为待测电阻，r1,r2 是测量导线电阻，r3,r4是接触电阻，一般的导线传导电阻范围在1mΩ～100m Ω，表笔和待测点的接触电阻也在mΩ级别。我们希望确定所测量的电阻器R的电阻值，总电阻值：Rz＝V/I＝r1+r3+r2+R+r4+r2，显然用这种方法测量出来的Rz除了要测量的电阻R的值外，还增加了r1,r2,r3,r4这四个多余的电阻值，测量结果只是个近似值，很不准确，仅当这四个电阻和R相比很小时才能使用。但是这种方法简单方便，使用普通万用表就能测量，所以在平时要求不很精确，电阻在Ω级别时仍然很有用。

2.四线制测量电阻原理

如图4四线检测也被称为开尔文(Kelvin)四线检测，由英国物理学家威廉·汤姆森·开尔文勋爵(William Thomson,Lord Kelvin)在1861年发明的开尔文电桥测量低电阻及其电路连接方法；图5中，r1,r2为电流测量导线电阻，r5,r6为电压测量导线电阻，r3,r4,r7,r8为测量导线接触电阻。电流的路径与图1中相同，但是测量电压使用的是另外两个接触点，尽管电压计测量的电压也包含了导线电压降和接触电阻产生的压降，但由于电压计的内阻很大，通过电压计的电流非常小，因此，导线电压降r5，r6，及产生的接触电阻 r7,r8和电压计的内阻比非常小，通常约为几千分之一甚至更小，所以可以忽略不计，测量的电压值基本上等于电阻器两端的电压值。通过采用四线制法取代二线制法，尽管电流所走的路径是一样的，但由于消除掉了r1,r2,r3,r4 上产生的电压降，使得测量变得精确了。四线制法在Kelvin使用之后，变得十分普及，也有叫四探针法，原理是一样的。

3、目前常用的四线制在测量微小电阻时存在的问题：

采用四线制法代替二线制法，确实提高了测量精度，一般电阻在欧姆Ω级别使用效果是不错的。但是用在毫欧mΩ、微欧μ欧级别使用则出现了新的问题，难以测量准确，有时每一次测量探针的角度有一点点变化就会引起测量阻值在很大范围变化，甚至每一次数值都不一样，特别是在测量电源是高頻交流信号时，噪声信号甚至会是有效信号的几倍，实验中把图3中的r5,r6,r7,r8都测量出来去掉，仍然不能得到稳定的测量值。这些噪声信号纠竟是哪里产生出来的呢？把测量线双绞、屏蔽都不解决问题，噪声依然存在。四线制测量无法在毫微欧级别使用了吗？面对这个难题，现实应用中的很多使用交流信号源的测量仪器通过在电路中增加带通滤波器来解决，虽然花了很大的代价可以降低噪声信号，但是不能完全消除；使用直流信号源的测量仪器通过电流正反向测量两次相加除2的办法来降低噪声，但是都不能完全消除；经过大量的反复实验，找到了大大降低噪声信号的解决办法。

【发明内容】

经过大量的反复实验，找到了噪声信号产生的原因：噪声信号是由测量回路中电流线上电流流过时产生的磁场引起的，根据电磁场理论可知，当导体有变化电流流过时就会在导体周围产生变化磁场，而变化的磁场又会在导体附近的导体回路里产生感应电势，一般四线制测量线呈“丫”字型连接，电流线电流通过被测电阻形成△型闭合回路，当测量电流流过这个闭合回路时产生的磁通变化在电压线回路中产生感应电势，这个感应电势就是造成测量信号噪声的原因而提供一种低噪声四线制测量夹。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种低噪声四线制测量夹，包括第一测量夹、第二测量夹、测量总线，所述测量总线一端分别与所述第一测量夹、第二测量夹相连接，所述测量总线另一端与外部设备相连接。

进一步地，所述测量总线包括两条电压测量导线、两条电流激励导线，所述两条电压测量导线双绞、两条电流激励导线双绞先连到第一测量夹后端，然后一条电压线V+、一条电流线I+分别与所述第一测量夹前端导体相连接，另一条电压线V-穿过第一测量夹前端左侧的圆孔，并且与所述第二测量夹的前端导体相连接，另一条电流线I-穿过第一测量夹前端右侧的圆孔，并且与所述第二测量夹的前端导体相连接。

进一步地，电压线、电流线分布在待测电阻R两侧。

进一步地，所述第一测量夹为一对装设在一起的金属导体夹持块。

进一步地，所述第二测量夹为一对装设在一起的金属导体夹持块。

本发明的有益效果在于：

(1)低噪声四线制测量夹结构简单，设计合理，使用方便，节约成本；

(2)低噪声四线制测量夹在测量时，把这两条测量连线放在被测量电阻两侧，使电流回路和电压回路除过被测电阻外没有其它交集，使得电流回路产生的变化磁通不会在电压回路产生感应电势，极大的减少了噪声对测量数据的影响，由于电流回路和电压回路还有被测电阻是它们共同的交集，因此还不能完全消除这种磁感应造成的噪声，但是根据电磁感应原理，由于两个回路交集面积很小很小，所以产生的感应电动势也很小,由此产生的噪声影响也很微小，比普通开尔文测量夹小了很多。

【附图说明】

图1为本发明低噪声四线制测量夹结构示意图；

图2为本发明低噪声四线制测量夹的测量电流回路产生的磁通量面积与低噪声开尔文四线制测量夹回路产生的磁通量面积比示意图，S1为电压回路磁通量面积，S2为电流回路磁通量面积；

图3为本发明现有技术二线制法测量电阻原理；

图4为本发明现有技术四线制测量电阻原理电路连接方法；

图5为本发明现有技术四线制测量电阻原理；

附图标记：1、第一测量夹；2、第二测量夹；3、测量总线；31、电压测量导线双绞；32、电流激励导线双绞。

【具体实施方式】

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示，一种低噪声四线制测量夹，包括第一测量夹1、第二测量夹2、测量总线3，所述测量总线3一端分别与所述第一测量夹1、第二测量夹2相连接，所述测量总线3另一端与外部设备相连接。

优选地，所述测量总线3包括两条电压测量导线31、两条电流激励导线32，所述两条电压测量导线双绞31、两条电流激励导线双绞32先连到第一测量夹1 后端，然后一条电压线V+、一条电流线I+分别与所述第一测量夹1前端导体相连接，另一条电压线V-穿过第一测量夹1前端左侧的圆孔，并且与所述第二测量夹2的前端导体相连接，另一条电流线I-穿过第一测量夹1前端右侧的圆孔，并且与所述第二测量夹2的前端导体相连接。

优选地，电压线、电流线分布在待测电阻R两侧。

优选地，所述第一测量夹1为一对装设在一起的金属导体夹持块。

优选地，所述第二测量夹2为一对装设在一起的金属导体夹持块。

如图2所示，在对待测物进行测量时，例如待测物为电阻R时，首先使用第一测量夹和第二测量夹具分别夹持在待测电阻R两侧，并通过测量总线上的连接端口将低噪声开尔文四线制测量夹与监测仪器进行连接；在测量时，第一测量夹上的电压线与第二测量夹上的电压线尽可能的靠近待测电阻R，同时将二者的位置关系调整至平行或尽可能的接近平行，从而最大限度的减小测量电流通过的回路所形成的区域面积S1；而测量电流回路会产生磁通量的大小受到回路形成的区域面积S2影响，回路的区域面积S2越小，产生的磁通量也就越小。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。