專利名稱：一種低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量方法，尤其是是一種利用在線校準法，根據(jù)輸入端的標準電阻校準測量電阻的系統(tǒng)及方法，具體地說是一種低成本高精度的電阻測量方法及采用該方法的測量系統(tǒng)。
背景技術：
目前很多用于測量物理量的傳感器(如熱敏電阻)都是將需要測量的信號轉化為電阻信號，再通過對該電阻信號的測量，得出實際測量物理量的值；因此對電阻信號測量的準確性就直接決定了所測量的物理量值的準確性。傳統(tǒng)的測量方法都是通過對傳感器輸出的電阻信號加上一個已知的電流后，再測量其兩端的電壓值，根據(jù)電壓和電流計算出電阻，并經(jīng)過運算得到測量物理量的值；在此過程中，電流源的誤差、電壓的測量誤差都會給實際測量結果帶來誤差，而且隨著測量環(huán)境溫度和時間的變化，這些誤差也會變化；為了提高測量結果的準確性，必須使用高質量的電流源和電壓測量電路(如高精密、低溫漂的電阻、運算放大器，以及高質量的A/D轉換器等)來降低測量誤差，而且不管使用多么精密的、價格多么昂貴的器件，誤差或多或少總會存在， 從理論上無法消除該誤差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對儀表在測量物理量的過程中，為了提高電阻的測量精度，必須采用價格昂貴的、高精度、低溫漂的電流源和電壓測量電路，而且就算如此也無法完全消除誤差的問題，提出一種低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)及其測量方法；具體的說是利用在線校準法，根據(jù)輸入端的標準電阻校準測量電阻，從理論上完全消除了電流源和電壓測量電路所引入的誤差，以達到用低成本的電路實現(xiàn)高精度測量的目的。本發(fā)明的技術方案
一種低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，它包括電流源、多路聯(lián)動開關、電壓測量電路、處理器和顯示模塊；測量電阻和至少一個標準電阻R串聯(lián)后接電流源，測量電阻和各標準電阻的兩端分別連接各聯(lián)動開關的輸入端，所有聯(lián)動開關的輸出端并聯(lián)接電壓測量電路的正、負輸入端，電壓測量電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與聯(lián)動開關切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電阻測量系統(tǒng)的信號輸出，顯示測量結果。一種低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，它包括電流源、多路聯(lián)動開關、電壓測量電路、處理器和顯示模塊；測量電阻和至少一個標準電阻的一端并接后接電壓測量電路的負輸入端，每路聯(lián)動開關的輸入端并接后依次接測量電阻和至少一個標準電阻的另一端，所有聯(lián)動開關的輸出端并聯(lián)后分別接電流源和電壓測量電路的正輸入端，電壓測量電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與聯(lián)動開關切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電阻測量系統(tǒng)的信號輸出，顯示測量結果。本發(fā)明的每路聯(lián)動開關包含兩個同時打開或閉合的開關，開關是模擬開關或繼電器的觸點開關，所有的聯(lián)動開關由處理器控制打開或閉合。本發(fā)明的電壓測量電路為線性電路、采用差分輸入方式，包含正、負兩個輸入端； 電壓測量電路為差分A/D轉換器，或者電壓測量電路包括差分處理電路和通用A/D轉換器。一種低成本高精度的電阻測量方法，應用低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是它包括以下三種處理方法
(a)、當電壓測量電路的線性度誤差滿足測量精度的要求時，采用兩個標準電阻R1、
R2 ；
處理器控制聯(lián)動開關，依次將連接至標準電阻Rl和標準電阻R2的聯(lián)動開關閉合， 處理器分別讀出各輸入電阻對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程 V = kRx + b ；
其中V——電壓測量電路的輸出電壓； Rx——輸入電阻值；
k——電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)； b——電壓測量電路的零點偏移； 處理器解出電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)k和電壓測量電路的零點偏移b ；然后將連接至測量電阻的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結果V，處理器得到測量電阻值；
(b)、當電壓測量電路的線性度誤差滿足測量精度的要求，且零點偏移b或者總傳輸系數(shù)k已知時，采用一個標準電阻Rl ；
處理器控制聯(lián)動開關，將連接至標準電阻Rl的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程V = kRx + b，根據(jù)已知的零點偏移b或者總傳輸系數(shù)k解出總傳輸系數(shù)k或者零點偏移b ；然后將連接至測量電阻的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結果V，處理器得到測量電阻值；
(c)、當電壓測量電路的線性度誤差超出測量精度的要求時，采用多個標準電阻Rl
Rn ；
處理器控制聯(lián)動開關，依次將連接至測量電阻和所有標準電阻的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出它們對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)它們的V判斷出離測量電阻最近的比測量電阻大的標準電阻和離測量電阻最近的比測量電阻小的標準電阻，根據(jù)這兩個標準電阻的阻值和它們對應的電壓測量電路的輸出結果V，代入線性傳輸方程V = kRx + b ；解出總傳輸系數(shù)k和零點偏移b，然后根據(jù)測量電阻對應的電壓測量電路的輸出結果V計算出測量電阻值。本發(fā)明所述的方法a中，標準電阻Rl和標準電阻R2的阻值設為待測量電阻的上、 下限或接近上、下限的電阻值；
所述的方法b中，如果電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)k已知，則標準電阻R的阻值設置為測量電阻的下限或接近下限的電阻值；如果電壓測量電路的零點偏移b已知，則標準電阻R的阻值設置為測量電阻的上限或接近上限的電阻值； 當下限為零電阻時，直接用短路線作為標準零電阻。本發(fā)明的標準電阻根據(jù)系統(tǒng)測量精度的要求選用對應的精密電阻；如系統(tǒng)測量精度要求0到70度范圍內精度優(yōu)于0. 5%時，可選用精度優(yōu)于0. 2%、溫漂優(yōu)于20ppm的精密電阻，如RXll精密線繞電阻。本發(fā)明的有益效果
在本發(fā)明中，只要電壓測量電路的線性度誤差足夠小(實際使用中，就算是低成本的電壓測量電路所使用的器件，如電阻、運算放大器以及A/D轉換器等，它們的線性度誤差都是可以忽略不計的)和電流源在測量標準電阻和測量電阻兩端電壓時的輸出變化足夠小(電路參數(shù)隨著溫度和時間的變化要比電路本身切換測量的速度慢很多，所以在測量標準電阻和測量電阻兩端電壓時的電流源的輸出變化完全可以忽略不計)，測量電阻的誤差就只與標準電阻相關，這就從理論上消除了電流源和電壓測量電路(如差分處理電路、A/D轉換器等)所帶來的誤差，從而達到了只需要使用低成本的電流源和電壓測量電路就能實現(xiàn)高精度測量電阻的目的；而本發(fā)明中所需要的標準電阻，在常規(guī)電阻測量電路的精密電流源中都是必須使用的，本發(fā)明無須再為該電阻增加成本。


圖1是本發(fā)明兩種連接方式中的方式(a)的結構示意圖。圖2是本發(fā)明兩種連接方式中的方式(b)的結構示意圖。圖3是使用多個標準電阻的傳輸曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。一種低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，它包括電流源、多路聯(lián)動開關、電壓測量電路、處理器和顯示模塊，其連接有以下兩種方式
(a)如圖1所示，測量電阻R和至少一個標準電阻串聯(lián)后接入電流源，測量電阻R和各標準電阻的兩端分別連接各聯(lián)動開關的輸入端，所有聯(lián)動開關的輸出端并聯(lián)接電壓測量電路的正、負輸入端，電壓測量電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與聯(lián)動開關切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電阻測量系統(tǒng)的信號輸出， 顯示測量結果；
(b)如圖2所示，測量電阻R和至少一個標準電阻的一端并接后接電壓測量電路的負輸入端，每路聯(lián)動開關的輸入端并接后依次接測量電阻R和至少一個標準電阻的另一端，所有聯(lián)動開關的輸出端并聯(lián)后分別接電流源和電壓測量電路的正輸入端，電壓測量電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與聯(lián)動開關切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電阻測量系統(tǒng)的信號輸出，顯示測量結果。本發(fā)明的電壓測量電路為差分輸入方式，包含正、負兩個輸入端；電壓測量電路可以為差分A/D轉換器，也可以為差分處理電路和通用A/D轉換器組成，其中一般也會包含放大電路和濾波電路等。 圖中的電壓測量電路的傳輸方程為(假設線性度誤差忽略不計)
V = kRx + b ；
其中V——電壓測量電路的輸出電壓； Rx——輸入電阻值；
k——電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)； b——電壓測量電路的零點偏移；
根據(jù)測量系統(tǒng)精度要求的不同，本發(fā)明有以下四種實現(xiàn)方式(本發(fā)明兩種連接方式的實現(xiàn)方式一樣)
A、電壓測量電路的線性度誤差忽略不計，只需要得到該電路準確的零點偏移和該電路與電流源的總傳輸系數(shù)，就能滿足測量精度要求時(此時需要兩個標準電阻，這兩個標準電阻的阻值通常設置為測量電阻R輸入的上、下限，該處理方法為該發(fā)明最常見的一種處理方法，因為就算是低成本的電流源和電壓測量電路所使用的器件，其線性度誤差都可以忽略不計，但其零點偏移和傳輸系數(shù)會誤差較大，而且最關鍵的是它們同時會隨著時間和溫度的變化而變化)；
處理器控制聯(lián)動開關，依次將連接至標準電阻Rl和標準電阻R2的聯(lián)動開關閉合，處理器分別讀出各輸入電阻對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程V = kRx + b ；處理器解出總傳輸系數(shù)k和零點偏移b ；然后將連接至測量電阻R的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結果V，處理器得到測量電阻R值；
在實際使用時，隨著溫度和時間的變化，電流源和電壓測量電路本身的參數(shù)會發(fā)生變化(也就是傳輸方程中的k和b會發(fā)生變化)，但只要處理器控制聯(lián)動開關，通過標準電阻重新修正k和b (該動作可以定時進行，如果處理器還連接有溫度傳感器，也可以根據(jù)溫度的變化進行)，就能保證實際測量電阻R的值與電路本身參數(shù)的變化無關；
B、電壓測量電路的線性度誤差忽略不計，只需要得到準確的零點偏移，就能滿足測量精度要求時(此時只需要一個標準電阻，這個標準電阻的阻值通常設置為待測量電阻R輸入的下限，當下限為零電阻時，可以直接用短路線作為標準零電阻)
處理器控制聯(lián)動開關，將連接至標準電阻的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程V = kRx + b，總傳輸系數(shù)k根據(jù)實際電路的理論計算值或人工測量值代入方程，解出零點偏移b;然后將連接至測量電阻R的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結果V， 處理器得到測量電阻R值；
C、電壓測量電路的線性度誤差忽略不計，只需要得到準確的總傳輸系數(shù)，就能滿足測量精度要求時(此時只需要一個標準電阻，這個標準電阻的阻值通常設置為待測量電阻R 輸入的上限)
處理器控制聯(lián)動開關，將連接至標準電阻R的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程V = kRx + b，零點偏移b根據(jù)實際電路的理論計算值或人工測量值代入方程，解出總傳輸系數(shù)k ；然后將連接至測量電阻R的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和處理結果V，處理器得到測量電阻R值；
D、當電壓測量電路的線性度誤差不能忽略不計，也就是傳輸方程不能作為一個直線方程處理時，可以根據(jù)線性度誤差的大小(相對與測量精度而言)將傳輸曲線平均分為多段， 線性度誤差越大則需要分段數(shù)越多，每一小段作為直線來處理來，這樣就需要多個標準電阻來校準每一小段范圍內的測量電阻R，如圖3
處理器控制聯(lián)動開關，依次將連接至測量電阻R和所有標準電阻R的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出它們對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)它們的V判斷出離測量電阻R最近的比測量電阻R大的標準電阻和離測量電阻R最近的比測量電阻R小的標準電阻，根據(jù)這兩個標準電阻的阻值和它們對應的電壓測量電路的輸出結果V，代入線性傳輸方程V = kRx + b ；解出總傳輸系數(shù)k和零點偏移b，然后根據(jù)測量電阻R對應的電壓測量電路的輸出結果 V計算出測量電阻R值。 本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
權利要求
1.一種低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是它包括電流源、多路聯(lián)動開關、電壓測量電路、處理器和顯示模塊；測量電阻和至少一個標準電阻R串聯(lián)后接電流源，測量電阻和各標準電阻的兩端分別連接各聯(lián)動開關的輸入端，所有聯(lián)動開關的輸出端并聯(lián)接電壓測量電路的正、負輸入端，電壓測量電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與聯(lián)動開關切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電阻測量系統(tǒng)的信號輸出，顯示測量結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是所述的每路聯(lián)動開關包含兩個同時打開或閉合的開關，開關是模擬開關或繼電器的觸點開關，所有的聯(lián)動開關由處理器控制打開或閉合。
3.根據(jù)權利要求1所述的低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是所述的電壓測量電路為線性電路、采用差分輸入方式，包含正、負兩個輸入端；電壓測量電路為差分A/D轉換器，或者電壓測量電路包括差分處理電路和通用A/D轉換器。
4.一種低成本高精度的電阻測量方法，應用如權利要求1所述的低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是它包括以下三種處理方法(a)、當電壓測量電路的線性度誤差滿足測量精度的要求時，采用兩個標準電阻R1、R2 ；處理器控制聯(lián)動開關，依次將連接至標準電阻Rl和標準電阻R2的聯(lián)動開關閉合，處理器分別讀出各輸入電阻對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程V = kRx + b ；其中V——電壓測量電路的輸出電壓； Rx——輸入電阻值；k——電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)； b——電壓測量電路的零點偏移；處理器解出電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)k和電壓測量電路的零點偏移b ；然后將連接至測量電阻的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結果V，處理器得到測量電阻值；(b)、當電壓測量電路的線性度誤差滿足測量精度的要求，且零點偏移b或者總傳輸系數(shù)k已知時，采用一個標準電阻Rl ；處理器控制聯(lián)動開關，將連接至標準電阻Rl的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程V = kRx + b，根據(jù)已知的零點偏移b或者總傳輸系數(shù)k解出總傳輸系數(shù)k或者零點偏移b ；然后將連接至測量電阻的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結果V，處理器得到測量電阻值；(c)、當電壓測量電路的線性度誤差超出測量精度的要求時，采用多個標準電阻Rl Rn ；處理器控制聯(lián)動開關，依次將連接至測量電阻和所有標準電阻的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出它們對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)它們的V判斷出離測量電阻最近的比測量電阻大的標準電阻和離測量電阻最近的比測量電阻小的標準電阻，根據(jù)這兩個標準電阻的阻值和它們對應的電壓測量電路的輸出結果V，代入線性傳輸方程V = kRx + b ；解出總傳輸系數(shù)k和零點偏移b，然后根據(jù)測量電阻對應的電壓測量電路的輸出結果V計算出測量電阻值。
5.根據(jù)權利要求4所述的低成本高精度的電阻測量方法，其特征是所述的方法a中，標準電阻Rl和標準電阻R2的阻值設為待測量電阻的上、下限或接近上、下限的電阻值；所述的方法b中，如果電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)k已知，則標準電阻R的阻值設置為測量電阻的下限或接近下限的電阻值；如果電壓測量電路的零點偏移b已知，則標準電阻R的阻值設置為測量電阻的上限或接近上限的電阻值； 當下限為零電阻時，直接用短路線作為標準零電阻。
6.一種低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是它包括電流源、多路聯(lián)動開關、電壓測量電路、處理器和顯示模塊；測量電阻和至少一個標準電阻的一端并接后接電壓測量電路的負輸入端，每路聯(lián)動開關的輸入端并接后依次接測量電阻和至少一個標準電阻的另一端，所有聯(lián)動開關的輸出端并聯(lián)后分別接電流源和電壓測量電路的正輸入端，電壓測量電路的信號輸出端與處理器相連，處理器的控制信號輸出端與聯(lián)動開關切換電路相連，處理器與顯示模塊相連，顯示模塊作為電阻測量系統(tǒng)的信號輸出，顯示測量結果。
7.根據(jù)權利要求6所述的低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是所述的每路聯(lián)動開關包含兩個同時打開或閉合的開關，開關是模擬開關或繼電器的觸點開關，所有的聯(lián)動開關由處理器控制打開或閉合。
8.根據(jù)權利要求6所述的低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是所述的電壓測量電路為線性電路、采用差分輸入方式，包含正、負兩個輸入端；電壓測量電路為差分A/D轉換器，或者電壓測量電路包括差分處理電路和通用A/D轉換器。
9.一種低成本高精度的電阻測量方法，應用如權利要求6所述的低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)，其特征是它包括以下三種處理方法(a)、當電壓測量電路的線性度誤差滿足測量精度的要求時，采用兩個標準電阻R1、R2 ；處理器控制聯(lián)動開關，依次將連接至標準電阻Rl和標準電阻R2的聯(lián)動開關閉合，處理器分別讀出各輸入電阻對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程 V = kRx + b ；其中V——電壓測量電路的輸出電壓；Rx——輸入電阻值；k——電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)；b——電壓測量電路的零點偏移；處理器解出電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)k和電壓測量電路的零點偏移b ；然后將連接至測量電阻的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結果V，處理器得到測量電阻值；(b)、當電壓測量電路的線性度誤差滿足測量精度的要求，且零點偏移b或者總傳輸系數(shù)k已知時，采用一個標準電阻Rl ；處理器控制聯(lián)動開關，將連接至標準電阻Rl的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，并代入線性傳輸方程V = kR χ+ b，根據(jù)已知的零點偏移b或者總傳輸系數(shù)k解出總傳輸系數(shù)k或者零點偏移b ；然后將連接至測量電阻的聯(lián)動開關閉合，讀出對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)以上步驟得到的傳輸方程和輸出結果V，處理器得到測量電阻值；(C)、當電壓測量電路的線性度誤差超出測量精度的要求時，采用多個標準電阻Rl Rn ；處理器控制聯(lián)動開關，依次將連接至測量電阻和所有標準電阻R的聯(lián)動開關閉合，處理器讀出它們對應的電壓測量電路的輸出結果V，根據(jù)它們的V判斷出離測量電阻最近的比測量電阻大的標準電阻和離測量電阻最近的比測量電阻小的標準電阻，根據(jù)這兩個標準電阻的阻值R和它們對應的電壓測量電路的輸出結果V，代入線性傳輸方程V = kRx + b ； 解出總傳輸系數(shù)k和零點偏移b，然后根據(jù)測量電阻對應的電壓測量電路的輸出結果V計算出測量電阻值。
10.根據(jù)權利要求9所述的低成本高精度的電阻測量方法，其特征是 所述的方法a中，標準電阻Rl和標準電阻R2的阻值設為待測量電阻的上、下限或接近上、下限的電阻值；所述的方法b中，如果電壓測量電路和電流源的總傳輸系數(shù)k已知，則標準電阻R的阻值設置為測量電阻的下限或接近下限的電阻值；如果電壓測量電路的零點偏移b已知，則標準電阻R的阻值設置為測量電阻的上限或接近上限的電阻值； 當下限為零電阻時，直接用短路線作為標準零電阻。
全文摘要
一種低成本高精度的電阻測量系統(tǒng)及其測量方法，包括電流源、多路聯(lián)動開關、電壓測量電路、處理器和顯示模塊，處理器通過多路聯(lián)動開關，切換輸入電阻依次為標準電阻R1、R2，讀出電壓測量電路的輸出，并代入傳輸方程求解，然后切換輸入為測量電阻，根據(jù)傳輸方程和電壓測量電路輸出電壓求出測量電阻的值；本發(fā)明中只要電壓測量電路的線性度誤差足夠小，測量電阻的誤差就只與標準電阻相關，從理論上消除了電流源和電壓測量電路，如差分處理電路、A/D轉換器等所帶來的誤差，達到了只需要使用低成本的電流源和電壓測量電路就能實現(xiàn)高精度測量電阻的目的；本發(fā)明中的標準電阻，在常規(guī)電阻測量電路的精密電流源中都是必須使用的，無須再增加成本。
文檔編號G01R27/14GK102288831SQ201110125369
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權日2011年5月16日
發(fā)明者鐘小梅 申請人:鐘小梅