数字多用表中影响测量结果的因素分析

邓志勇

（工业和信息化部电子第五研究所， 广东 广州 510610）

0 引言

数字多用表是一种非常普及的测量仪表， 它可以衍生出很多测量功能， 但最基本的功能还是交直流电压电流和电阻测量功能， 如何正确使用数字多用表， 对测量结果的影响至关重要。 本文结合日常使用及校准经验， 提出在数字多用表使用过程中应注意的相关事项， 对可能影响测量结果的因素进行了分析， 并提出了相关建议， 以避免这些潜在的测量误差的发生。

1 直流电压测量注意事项

1.1 热电势误差

热电势是在进行小电平、 微电平直流电压测量时最常见的一种误差源。 使用两种不同材料的金属进行电路连接， 当结合点温度不同时， 就会在回路中产生热电势。 金属之间的每个接触连接处都可认为是一个热电偶， 热电偶则根据温度成比例产生电压， 一般数字多用表的输入端口的材质是铜合金， 铜和其他材质金属连接时可能产生的热电势如表1 所示。

表1 铜跟不同材质的金属连接时可能产生的热电势 [1]

为了减少热电势对测量结果的影响， 接线端子的材质应尽量与数字多用表输入端口的材质一致， 接线端子与线之间的连接要牢靠， 推荐使用压接方式、 卷曲连接方式， 采用清洁的接线端子，避免使用氧化严重的接线端子， 从表1 中可以看出， 氧化铜与铜合金之间可产生高达1 000 μV/℃的热电势， 也可等待电路达到热平衡， 因为只有存在温度梯度时才会产生热电势。 允许的情况下， 可正负向两次测量然后取其平均值， 这些措施都可以减少热电势对小电平、 微电平测量结果的影响。

1.2 输入电阻导致的负荷误差

在进行直流电压测量时， 当使用数字多用表测量被测设备（DUT： Device Under Test） 时， 测量回路中的微小电流会在DUT 上产生压降， 因此，并不是全部电压都能加载到数字多用表的测量电路中。 实际的被测电压要比DUT 的电压小， 由此会产生负荷误差， 具体如图1 所示。

图1 电压测量回路

在图1 所示的电压测量回路例中， 测量回路电流： Ii=Ux/（Ri+Rx）， 测量端电压： Ui=URi=Ii×Ri=Ux×Ri/（Ri+Rx）， 大部分情况下， Ri＞＞Rx， Rx可以忽略不计， 则Ui≈Ux。 常见数字多用表的输入阻抗为10 MΩ， 分别测量分流器100 Ω 和100 kΩ 电压端的压降。

a） 分流器为100 Ω 时

Ui=Ux×Ri/（Ri+Rx）=Ux×107/（107+102）=0.999 99 Ux，误差为： 0.001%。

b） 分流器为100 kΩ 时

Ui=Ux×Ri/（Ri+Rx） =Ux×107/（107+105） =0.99 Ux，误差为： 1%。

由此可见， 当DUT 的内阻占数字多用表的输入阻抗比例较大时， 这种误差体现尤为明显， 这种情况一般出现在用标准分流器法， 测量阻值很大的分流器压降时， 或者测量绝缘电阻表的测试电压时， 因为一般绝缘电阻表的内阻都相对较高。为了减少这种误差的影响， 可以把数字多用表的输入阻抗设置为最大， 或者选用输入阻抗更大的数字多用表， 如果能确定DUT 的内阻和数字多用表的输入阻抗， 也可以通过计算修正， 以减少输入电阻导致的负荷误差。 必要时， 还需考虑输入零电流对测量结果的影响[2]。

2 电阻测量注意事项

2.1 高电阻测量误差

在测量高阻时， 由于高阻的绝缘材料自身表面吸潮、 吸附油膜等特性， 其表面电阻和电阻体本身等同于并联， 测量回路容易产生泄漏电流，从而影响测量结果； 同时根据电阻测量原理可知，在测量高阻时， 测试电流在μA 量级甚至nA 量级，由于测试电流极小， 因此极易受到周围环境的电磁干扰， 也会对测量结果产生影响， 如图2 所示。

图2 高阻测量示意图

因此在高阻测量时， 应采取必要的预防措施，保持测试环境干燥和被测绝缘电阻表面清洁度。同时应通过屏蔽线或双绞线测量高阻， 并使连接处的拾取面积最小， 用尽可能短的测试线也可以提高抗干扰能力。

2.2 低阻测量误差

一般数字多用表提供两种电阻测量方式， 即2线和4 线电阻测量[3]。

对于2 线制电阻测量， 测试引线的电阻及接触电阻都将被测量到。 接触电阻随着接触点的清洁程度、 接触面的大小和接触面的松紧程度而变化， 通常这种变化可达到几毫欧， 假如此变化为2 mΩ， 对于标称100 mΩ 标准电阻器， 则误差为2%， 这对于小电阻测量来说肯定是无法接受的。因此， 在使用2 线电阻测量时， 测试线短路清零后， 应尽量在保持测试线形状位置不变的情况下使用， 因为一旦测试线移动变化， 其引线电阻会随之发生变化。

对于4 线制电阻测量， 是用一对引线接入电流源， 另一对引线（感应引线） 把被测电阻上的电压降引入测量回路， 由于几乎没有测试电流流过感应引线， 这样引线电阻不会造成测量误差。一般当被测电阻小于等于100 kΩ 时， 推荐使用四端法测量， 以避免接触电阻与测量导线电阻的影响。

3 小信号测量注意事项

小信号测量时除了前面提到的热电势影响外，同时也要注意测量结果特别容易受到外来噪声源影响， 例如： 接地环路引起的噪声、 磁环路引起的噪声[4]。

当数字多用表和DUT 的接地参考点存在电压差时， 就会产生接地环路噪声。 数字多用表不接地可消除接地环路， 如果数字多用表必须接地，那么就一定和DUT 连接到同一个共同的接地点上。另外， 要将数字多用表和DUT 连接到同一个电源插座上。

磁环路引起的噪声也会对微小信号测量产生很大影响， 暴露的测试线可视为天线， 拾取周围环境的电磁干扰， 测量用的线缆尽可能地短、 使用双绞线可减少噪声拾取回路的面积， 或将所有的测试引线尽可能地彼此靠近排列并套装捆紧在一起， 这些措施都可以减少磁环路带来的误差，当然最好的办法是尽量避免在磁场环境下测量。

4 其他注意事项

在数字多用表的使用过程中， 还需注意以下事项。

4.1 量程的选择

在使用手动量程的数字多用表时， 应选择合适的量程， 以某数字多用表为例， 其各个量程的最大允差如表2 所示， 分别用6、 60 V 量程测量6 V 直流电压。

表2 数字多用表技术指标

用6 V 量程测量， 则允差△=±（0.15%×6.000 V+2×0.001 V）=±0.011 V， 相对允差约为±0.18%； 用60 V 量程测量， 则其允差为△=± （0.15%×6.00 V+2×0.01 V） =±0.029 V， 即相对允差为±0.48%， 显然用6 V 量程测量的结果更准确。

一般数字多用表各个量程输入建议最小为满量程的10% （有些可低到满量程的1%）， 最高可到满量程的120%。 在测量信号刚好处于两个量程的转换点时， 为了得到最高的精度， 应选择手动量程， 使尽量接近满量程测量[5]。

4.2 交流和直流耦合的选择

如果数字多用表选择交流耦合， 测量回路中将串联一个电容器， 以阻塞信号中的直流成分。如果希望测量包括直流成分在内的信号， 此时将得到完全错误的结果。 这时可以选择直流耦合。如果数字多用表不能直接提供交流加直流测量，那么可分别测量直流成分和交流成分， 然后使用有效值加法将两者相加：从而得到想要的结果。

同时在交流电压测量时， 也需考虑波峰因数和频带宽度的影响。

5 结束语

以上阐述了数字多用表使用过程中的各种误差来源、 影响测量结果的因素和采取的措施， 采取这些措施固然会避免潜在的测量误差， 提高测量结果的准确性， 但是否采取这些措施， 还需综合考虑对测量结果的准确性要求、 测量的效率和成本。