面对低电压我们该怎么测｜掌握低电压测量

引言
进行精密、准确的电压测量技术已为人们所熟知。但是当测量分辨率必须扩展到1微伏以下时，很多方法就达不到要求了，例如工业环境下温度、压力、力等物理参数的测量就属于这种情况。
例如，工业温度的测量通常需要0.1℃的分辨率。但是这类测量的数据必须记录到0.01℃或0.001℃，以确保所需的测量精度。这一量级的温度变化对应的电压变化为微伏量级甚至更低，因此大多数热电偶的灵敏度约为40 u V/℃。
误差源
这些极低电压测量过程中可能会引入大量原本在高电平下可以忽略的噪声误差。这些误差源包括约翰逊噪声、热电EMF、磁场和接地环路。掌握并尽可能减小这些因素的影响对于提高低压测量效果是至关重要的。
热电EMF和约翰逊噪声
热电或约翰逊噪声电压会限制所有电气测量的最终分辨率。它是由电路电阻内部的热骚动引起的。
这种噪声电压为图1 ：

图1

其中:k是玻尔兹曼常数，1.38×10-23焦耳/K
T是温度，单位为°K
R是电阻，单位为Ω
B是噪声带宽，单位为Hz
这个公式表明，降低温度、电阻或噪声带宽可以减少电路噪声。
通过一定的滤波措施降低噪声带宽可以减少热噪声。但是，这也会延长获得指定精度所需的测量时间。
降低电路电阻可以减少某些情况下的噪声。但是当检测电流时这种方法无助于解决问题，因为它降低信号的幅度比热噪声还大。例如，在测量电流方法中如果降低电阻100倍，可以减少噪声10倍。但是根据欧姆定律，降低电阻100倍也会将待测电压降低100倍，这就使得噪声电压相比之下更大了。
热电电压是低电压测量中最常见的误差源。当电路的不同部分处于不同温度，或者当由不同材料制成的导体连接在一起时，例如普通的焊点，就会出现这种电压。例如，附着在铜上的引线锡焊的热电EMF是3u V/℃。
构建电路时导线使用相同的材料能够最大限度减少热电EMF。还可以采取其它措施尽量减少热电EMF。例如，由卷边铜套管和接线片制成的接头构成的是冷焊铜-铜连接点，其产生的热电EMF很小。
尽量减少电路内部的温度梯度也有利于减少热电EMF。常见的做法是将所有连接点放得靠近，提供连接到共用大块散热片的良好热耦合。这种耦合必须通过具有较高热传导率的电绝缘体来实现。由于大多数电绝缘体导热性能都不好，必须采用一些特殊的绝缘材料实现连接点到散热片的耦合，例如硬阳极氧化铝、氧化镀、特殊填充的环氧树脂、蓝宝石或者金刚石等。
此外，允许测试设备预热，在恒定的环境温度下达到热平衡，也有利于最大限度减少热电EMF。产生的其余热电EMF相对固定，一般可以通过测量仪器上提供的零位调整功能进行补偿。为保持环境温度恒定，设备应尽量远离直接光照、排气扇之类的热源或冷气源。
磁场
除了热噪声，电路引线在磁场中的运动也会产生寄生电压。即使地球相对很弱的磁场也会在摇摆的引线中产生纳伏级的噪声，因此引线应尽量短并严格固定好。
物理学基本原理认为磁场在电路中感应的电压大小与电路引线包围的面积成正比。因此，引线必须靠紧布线，或者进行屏蔽以尽量减少磁场感应的电压。最常用的一种磁屏蔽材料是镍铁高导磁合金，它是一种在低磁通密度下具有高磁导率的特殊合金材料。载流导线也应该进行屏蔽或者采用双绞线的方式，以防止产生磁场影响其它电路。
接地环路
所谓的接地环路也会产生噪声和误差电压。这些环路通常是当测试中使用的各种仪器的接地点不同而形成的。一个典型的例子是多台仪器插在不同仪器架上的配电板中。通常情况下，这些接地点之间存在较小的电位差。这种电位差会引起较大的循环噪声电流，产生意外的电压降。
解决接地环路的办法是将所有设备在一个点上接地。实现这一目标最简单的方法是使用隔离的电源和仪器，然后为整个系统寻找一个良好的接地点。
很多数字万用表都具有支持这类测量的1 uV灵敏度。这些仪器通常都有隔离输入端和低达100nV的灵敏度。但是这种设备往往具有几个微伏的不确定度，并且在100nV分辨率下速度较慢。
还有一种具有几百微伏噪声和偏移的数字纳伏计。这类仪器的设计能够在单数字转换情况下产生15nV噪声电平以内的测量读数。
测试系统的安全性
很多电气测试系统或仪器能够测量或提供危险的电压和电功率。还有一种可能是，系统在某种故障情况下（例如：编程错误或仪器失效），即使系统显示不存在危险，也输出了危险电压。因此保护操作人员始终不受这些高压和电功率的伤害是十分必要的。具体保护措施包括:
·设计测试夹具防止操作人员接触任何危险电路。
·确保待测器件完全密封，以保护操作人员不受飞出碎片的伤害。
·对操作人员可能接触到的所有电气连接进行双重绝缘。双重绝缘能够确保即使一层绝缘失效也可以保护操作人员。
·使用高可靠、具有故障保险功能的互锁开关，使得当测试夹具封口打开时能够断开电源。
·如果可能，使用全自动的机械手，这样操作人员就不需要接触测试夹具的内部或打开防护罩。
·对系统的所有用户进行正确的培训，使得他们了解所有潜在的危险，懂得如何保护自己不受伤害。
测试系统的设计者、集成商和安装人员都有责任确保操作和维护人员的保护措施都健全有效。
推荐仪器：2182A型纳伏表
低电压/低阻测量、简化脉冲式I-V、电阻和微分电导的测量

2182A型纳伏表

双通道2182A纳伏表用于需要稳定、低噪声电压和温度测量的应用。是可靠地、重复地表征低阻材料和器件特性的最佳仪表，并且比其他的低电压测量方案能提供更快的测量速度及更好的噪声性能。2182A是2182的升级产品，增强了脉冲功能、噪声更低、更快的反转电流法和简化的Delta模式测低阻（与可程控电流源配合，反转极性来精确测量低阻材料或器件。如与6220或6221 电流源配合）。
测量：

电压范围从10nV到100V
6221支持低达50μs的脉冲I-V 测量
6220或6221支持微分电导
电阻范围从10nΩ到100MΩ
热电偶温度范围从-200℃到 1820℃
双通道支持测量电压、温度或者某个未知电阻与参考电阻的比值
电源同步具有110dB的NMRR，最大限度减小了交流共模电流的影响
在Delta模式下，能够在最高24Hz下协同测量与反相电流源，噪声的平均多次读数低至1nV

图2

该图2显示吉时利2182A纳伏表与纳伏/微欧计的直流噪声参数比较。所有的数据是在输入端用低热电势短路头短路时以每秒10个读数情况下得到的。
仪器来源：https://www.smart-ele.com/h-pd-300.html

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