开尔文四线法与电桥(uΩ电阻测试)

一、基本电桥电路

二、开尔文四线检测

1、概述

2、原理

3、测试设备介绍

1）mΩ级别测试 2）uΩ级别测试 3）nΩ级别测试

4、uΩ级别电阻测试方法

三、惠斯通与开尔文电桥

1、电阻桥定义解释

2、电阻桥相关计算

3、开尔文双电桥

4、电阻桥的应用

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一、基本电桥电路

图中R4是待测电阻，一般在调整电路参数时，选择合适的R1、R2、R3，使得：R1/R2 = R3/R4。

此时图中电压表的读数近似为0，电桥平衡。之后，如果R4电阻值发生变化，则两边电压会不相等，电压表示数不为0。则可以通过已知的R1、R2、R3、I1和电压表示数计算出R4的值。

电桥电路特别适合测量传感器的电阻，如铂电阻温度传感器、应变片等。由于这类传感器的电阻通常有一个标称阻值，在外界环境变化时，它的阻值会发生微小的变化；而电桥电路可以先调整平衡，再检测电阻的变化，所以特别适用。

现在考虑实际的工程应用，假设要测的电阻离电桥电路有一定的距离，连接上后，会是如下的状态：

图中的R5和R6是连线引入的电阻，如果被测电阻距离电桥电路很远，则接线引入的电阻会影响测量值。

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二、开尔文四线检测

1、概述

开尔文四线检测(Kelvin Four-terminal sensing)也被称之为四端子检测(4T检测， 4T sensing)、四线检测或4点探针法，它是一种电阻抗测量技术，使用单独的对载电流和电压检测电极，相比传统的两个终端(2T)传感能够进行更精确的测量。开尔文四线检测被用于一些欧姆表和阻抗分析仪，并在精密应变计和电阻温度计的接线配置。也可用于测量薄膜的薄层电阻。四线检测的关键优点是分离的电流和电压的电极，消除了布线和接触电阻的阻抗。

四线检测感应也被称为开尔文(Kelvin)检测，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。每两线连接，可以称得上是Kelvin连接。

图2.1.1 开尔文测试原理框图

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2、原理

假设我们希望一些组件位于一个显著的距离从我们的欧姆表测量电阻。这种情况下会产生问题，因为欧姆表测量所有的电路回路中的电阻，它包括导线的电阻(Rwire)连接的欧姆表被测量组件(Rsubject)：

通常情况下，导线的电阻非常小[仅几欧姆的导线上的压力表(大小)，主要取决于每数百英尺]，但若连接线很长，引入线电阻Rwire，测量误差将是巨大的。

在此情况下的电阻测量主体的一个巧妙的方法，涉及的电流表和电压表的使用。我们知道，从欧姆定律，电阻等于电压除以电流(R = V/I)。因此，我们应该能够确定电阻的主体成分，如果我们测量的电流通过，并且两端的电压下降。

电流在电路中的所有点相同，因为它是一个串联回路。因为我们只测量电压下降的整个主体电阻(而不是导线的电阻)。

不过，我们的目标，是从远处来衡量这个主题性，所以我们必须位于电压某处附近电流表，由另一对含有电阻的导线跨接受阻力：

起初，我们似乎已经失去了任何电阻测量这种方式的优点，因为现在电压表测量电压通过长着一双引入杂散电阻(电阻)线，再次进入测量电路。然而，经仔细检查可以看出，没有什么损失，因为电流几乎是微乎其微的。因此，那些长导线连接两端的电压表的(Rsubject)电阻将下降较小的电压，这是非常几乎相同的，就好像它是受电阻直接跨接在电压表指示：

将无法测得的电压表主要载流导线之间的任何电压下降，这样做没有考虑到在所有的阻力计算。可能会进一步提高测量精度，如果电压表的电流保持在最低限度，或者通过使用一个高品质(由低满量程电流)的动作和/或空电位(均衡)系统。

这种测量方法，避免了导线的电阻所引起的误差，被称之为开尔文四线检测(Kelvin Four-terminal sensing)电阻方法。特殊的连接称为开尔文夹子(下图)。

一般来说，“鳄鱼”式夹子，通常在铰链点连接，半“下巴”彼此共用。开尔文夹子，半部分钳口彼此绝缘，只有被测定的导线与夹子的尖端处接触。因此，目前通过“C”(电流)的半“下巴”不通过“P”(电压)的半“下巴”，而不会产生任何沿其长度的错误诱导压降。

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相同的原理，使用不同的接触点的传导电流和电压测量是用在精密分流电阻器，用于测量大量的电流。精密分流电阻器“转换”一个当前值成比例的电压值。因此，电流可以通过测量分流器两端的电压下降被精确地测量。

使用分流电阻和电压电流测量，特别适合涉及幅度特别大电流的应用。在这种应用中，分流电阻器的电阻可能是毫欧或微欧(测量实例见本节“4、uΩ级别电阻测试方法”)，在满电流的情况下，以便只有适量的电压将被丢弃。这种低电阻线的连接电阻，表示这样的分流上测量的电压必须这样做，在这样一种方式，以避免检测电压降载电流导线连接，以免引起巨大的测量误差。为了使由分流电阻本身的电压表的测量电压下降，没有任何杂散电压源自电线或连接电阻，分流器通常配有四个连接端子：

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3、测试设备介绍

1）mΩ级别测试

图2.3.1 测量范围：1mΩ～2kΩ

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2）uΩ级别测试

图2.3.2 测量范围1uΩ～20kΩ

表2.3.1 分辨率达到1uΩ

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3）nΩ级别测试

图2.3.3 分辨率达到0.01uΩ

RM3545说明书移步：https://download.csdn.net/download/liht_1634/87961550。

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4、uΩ级别电阻测试方法

1）测试之前需调零

2）打开OVC偏置电压补偿功能

3）温度补偿

4）接入探针测试35uΩ电阻

5）注意事项：不可以直接夹在电阻两端测量，会偏大至43uΩ以上。

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三、惠斯通与开尔文电桥

1、电阻桥定义解释

惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。其电路形式如下图所示。

在电桥中有三个电阻阻值是固定的，分别为R1、R2、R3，第四个电阻是可变的为Rx，Rx发生变化时，图中B、D两点之间的电压发生变化，通过采集电压的变化就可以知道环境中物理量的变化，而从实现测量的目的。下面举例介绍电桥电路的计算方式。

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2、惠斯通电阻桥相关计算

假设流过R1、R2桥臂的电流为I1，流过R3、Rx桥臂的电流为I2，电桥供电电压为VCC，如下图所示。

通过欧姆定律可以计算出每个电阻两端的电压。在R1和R2这两个桥臂上，R1、R2将VCC电压分压，R2电阻两端得到的电压即为V1；在R3和Rx这个桥臂上，R3、Rx将VCC电压分压，R3电阻两端得到的电压即为V2。下面分别用欧姆定律计算V1和V2。

流过电阻R1和R2的电流I1：

R2两端的电压V1：

流过电阻R3和Rx的电流I2：

R3两端的电压：

V1和V2的电压差：

由此可以看出：如果4个电阻都相等，即R1=V2=R3=Rx，那么△V=0，即电桥处于平衡状态；Rx发生变化会导致△V发生变化。

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3、开尔文双电桥

开尔文电桥是惠斯通电桥的变形，在测量小阻值电阻时能给出相当高的准确度。具体移步：https://baike.baidu.com/item/%E5%BC%80%E5%B0%94%E6%96%87%E6%B5%8B%E8%AF%95/9321756?fr=aladdin

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4、电阻桥的应用

在实际使用中，我们通常将其中三个电阻值固定，而将另外一个电阻换成热敏电阻、压敏电阻、PT100等，这时候就可以用电桥来测物理量了。如果将PT100接入电桥，随着环境温度的变化，PT100的阻值发生变化导致△v发生变化，将差分电压△v通过差分运放放大后进入单片机的AD采样，再对照PT100的“电阻-温度”对应表就可以知道当前环境的温度了。

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