摘要：介绍了普通两线法和开尔文（Kelvin）四线连接方式测试电阻的原理及其优缺点。 关键词：开尔文，四线法 一 引言 通常1Ω以下的电阻叫作低电阻。在日常生产和实践中，很多时候要对低电阻进行测量，如电线电缆20℃导体电阻、金属热处理过程中的电阻、金属焊接后电阻率的变化，电阻值在10－4-10-8Ω，甚至更小。因测量电路中总是存在接触电阻和导线电阻，其数量级有时和被测电阻相同,甚至高于被测电阻，所以会对测量结果造成很大影响，甚至使测量结果完全失去正确性。 在电机类产品温升实验中，测量绕线电阻时就会遇见此类情况。一般所用的测量仪器或设备都包含连接、激励、测量和显示单元，有时还有后期数据处理单元。采用不同的测量方法和不同的连接方式引入的测量误差不同，得到的测量精度也不同，如何根据需要减少测量误差是测试技术的关键之一。对这些特殊低电阻的测量，需要选择合适的电路，消除电路中导线电阻、漏电电阻、温度等的影响，才能把误差降到最小，保证测量精度。两线法和四线法是其中比较常见的测试方法，其中四线法具有灵敏度高、测量准确加上方法巧妙，使用方便、对电源稳定性要求不高等特点，因为四引线法较好地避免了接触电阻和导线电阻的影响，已被广泛地应用于安规电阻测试中。 二 二线法测试与四线法测试的优缺点 两线法是把连续被测电阻导线也接到数字多用表上, 连接线的电阻也算在被测电阻值里, 无法将它们分开。 四线法也称kelvin 法测电阻, 用一对导线接电流源, 另一对线 ( 感知线 ) 把被测电阻上电压降引入数字多用表进行测量。由于流过感知线的电流很小, 所以测量的电阻值更接近真实值。四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值。 其实测量原理都一样，只是接线区别。 应该说，电流回路和电压测量回路是否分开接线的问题。 两线法——电流回路和电压测量回路合二为1，精度差。 四线法——电路回路和电压测量回路独立分开，精度高，但费线。 以PT100为例， 2线制： 传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。 4线制： 当测量电阻数值很小时，测试线的电阻可能引入明显误差，四线测量用两条附加测试线提供恒定电流，另两条测试线测量未知电阻的电压降，在电压表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过电压表，这样就可以精确测量未知电阻上的压降，计算得出电阻值。 三 二线法测试与四线法测试的原理。 1、普通二线测试原理 通常的开短路测试方法即为普通二线测试，如下图所示，二线测试是目前普遍应用的一种方案。
二线测试只有一个回路，所测得的阻抗为R1+R2＋R，即所测得的阻抗为馈线电阻和待测线路阻值之和，而R1和R2与R相比不能忽略，甚至超过R，故无法精确测定被测电阻之低阻值。但因为开路测试的条件一般为20Ω，故馈线电阻影响不大，可以忽略不计。二线测试的精度虽然不高，但是用来判断线路的开短路已经能满足绝大部分的需要。但仅适用于完全断线之测试，对于低阻值测试则无能为力。
rL 意指测试机元件阻抗+排线阻抗+探针内部阻抗+接触阻抗 rT 指匹配电阻 二端子测试时测试机之排线阻抗、探针内部阻抗及接触阻抗同时串联测定，当测量的电阻阻值较小时，馈线电阻产生的误差就不容忽视，故无法精确测得被测电阻的低阻抗值，这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。但由于接法简单，实际仍有应用，为使误差不致过大，要求引出线的电阻值：铜电阻-不应超过R0的0.2%；铂电阻-不应超过R0的0.1%。另外就是将线路电阻测量出来以后在二次仪表或者温度变送器内修正了（但环境温度的变化对引线电阻和连接导线的电阻变化量仍然无法修正之）。 2、低阻四线测试原理 四线连接方式如下图所示，连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线和一条检测线，二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求检测线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线的电流极小，近似为零。激励线即是电流供给回路，检测线即是电压测定回路，电流、电压两回路各自独立。电流供给回路两端子与电压测定回路两端子共计四端子，故称四线测试。
V≒I1 x R（因I2 (小电流)再乘上小电阻得到更小的压降），因电压表的内部阻抗非常高（MΩ级），远远大于电压测定回路的馈线电阻R3 和R4（Ω级），使得几乎全部的电流流经过R， 流经电压表的电流I2 几乎为零，故所量到的电压也几乎是R本身的压降，馈线电阻完全可以忽略，使所测得的R几乎近似于R 本身，由此可精确测定被测电阻 之微小阻值，其四线测试的测试精度可达到mΩ级。
四端子测试时电流供给回路与电压测定回路是个别独立的（电流供给回路2 端子与电压测定回路2 端子，共计4端子），由于电压测定计内部阻抗非常高，故电压测定回路中排线阻抗、接触阻抗、内部阻抗皆可忽略，因此可精确测得被测电阻之微小阻值。[1] 该测量原理的误差主要来自于恒流源的精度、电压表的测量精度、引线的固有热电势。 可采用如下措施提高测量精度： ①在电流回路中加入一具有极低温度系数的高精密电阻作为采样电阻，测量该采样电阻上的电压值VS进而精确得到恒流源的电流值I，从而消除由于温漂、失调等因素造成的恒流源误差； ②变换恒流源极性测量热电阻，可大大抑制热电势的影响。 在工程现场，如何用现有的数字万用表精确测量阻值很小的电阻是工程技术人员经常遇到的问题。按照四线测量法将恒流源电流流入被测电阻R的两根电流线和数字万用表电压测量端的两根电压线分离开，使得数字万用表测量端的电压不再是恒流源两端的直接电压。
从图中可以看出，四线测量法比通常的测量法多了两根馈线，断开了电压测量端与恒流源两端连线。由于电压测量端与恒流源端断开，恒流源与被测电阻Rx、馈线RL1、RL2构成一个回路。送至电压测量端的电压只有Rx两端的电压，馈线RL1、RL2电压没有送至电压测量端。因此，馈线电阻RL1和RL2对测量结果没有影响。馈线电阻RL3和RL4对测量有影响，但影响很小，由于数字万用表的输入阻抗（MΩ级）远大于馈线电阻（Ω级），所以，四线测量法测量小电阻的准确度很高。 四、结束语 四线法的优势，不仅消除了引线电阻和接触电阻，还可以大大减少热电动势的影响。因为电流端子是发热的源泉，但分开后由于恒流的作用，到底串联多大电阻、甚至串联个电池，都没有关系了，都是恒流的，因此接线端子也可以用很普通的。另一方面，两个电压端子由于不流过电流，因此不发热，并且距离发热的电流端子保持一定的距离，也可以减少热传导过来，接线端子可以采用低热的。 低阻四线测试技术是测试技术的新发展,弥补了二线测试技术不能测试低阻的缺陷,目前低阻四线测试技术还在发展完善中,随着时间的推移,低阻四线测试技术必将发挥越来越重要的作用。 参考文献: [1] 沉默的羔羊, 四线式测试技术研究[OL] http://blog.sina.com.cn/s/blog_60954b330100ghnd.html, 2009-12-11 |