低電壓測量中常見的誤差來源分析

表1 賽貝克系數(shù)

　　使用相同材料的導(dǎo)體來構(gòu)建電路可以將產(chǎn)生的熱電動勢降至最低。例如，使用銅制套筒或接線片來連接銅導(dǎo)線，也就是形成銅 -銅的連接，將會產(chǎn)生最小的熱電動勢。而且，連接處還必須保持清潔、沒有氧化物。銅制套筒與銅壓制在一起的連接（又稱為“冷焊接”）不會出現(xiàn)氧化層，這時可達(dá)到 ≤0.2μV/℃的賽貝克系數(shù)；而銅與氧化銅的連接則可能產(chǎn)生高達(dá) 1mV/℃的賽貝克系數(shù)。

　　將電路中的溫度梯度減至最小也可以降低熱電動勢。使溫度梯度降至最小的一種方法是將相應(yīng)的結(jié)點對放置在互相接近的地方，并與一個公共的、大的散熱器實現(xiàn)很好的熱接觸。必須使用高導(dǎo)熱系數(shù)的絕緣體，因為大多數(shù)絕緣體都不能很好地傳導(dǎo)熱量，所以必須使用硬質(zhì)陽極化鋁、氧化鈹、特別填充的環(huán)氧樹脂、藍(lán)寶石或者金剛石等類的特殊絕緣材料來實現(xiàn)與散熱器的接觸。

　　對測試設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱并使其在恒定的環(huán)境溫度下達(dá)到熱平衡也能使熱電動勢效應(yīng)達(dá)到最小。如果熱電動勢相對為恒定的話，使用儀器的消零功能也能夠補(bǔ)償任何剩余的熱電動勢。為了使環(huán)境溫度保持恒定，應(yīng)當(dāng)使儀器設(shè)備避開陽光直射、排氣扇以及其它類似的熱流源或者氣流。用絕緣泡沫（例如聚亞安酯）將連接點包裹起來，也能夠使由于空氣流動引起的溫度波動降至最小。

　　1 避免熱電動勢的連接方法

　　如圖1所示，簡單的低壓電路通常由處在不同溫度下的不同材料連接在一起而構(gòu)成。這樣就會產(chǎn)生若干熱電動勢源，所有這些熱電動勢源都與電壓源和電壓表相串聯(lián)。而電壓表的讀數(shù)則是所有這些源的代數(shù)和。因此，不使信號源和測量儀器之間的連接電路影響測量讀數(shù)是非常重要的。以下各段將介紹一些很好的電路連接方法，以便使熱電動勢的電壓達(dá)到最小。

　　如果所有的電路連接都用一種金屬材料來實現(xiàn)，那么在測量工作中所引入的熱電動勢將是可以忽略的。然而這并非總是可以做到的。測試夾具常常采用彈簧觸點的連接方法，這些觸點可能由磷青銅、鈹銅合金或者其它具有高賽貝克系數(shù)的材料制成。在這些情況下，很小的溫度差別就可能產(chǎn)生相當(dāng)大的熱電動勢，足以影響測量的準(zhǔn)確度。

　　如果無法避免使用不同材料的話，則應(yīng)當(dāng)通過使用散熱器或者將電路與熱源隔離的方法，來減少測試電路內(nèi)的溫度梯度。

　　測量低溫環(huán)境下的源時可能會出現(xiàn)一些特殊的問題，因為連接低溫條件下的被測樣品和電壓表時常常要使用一些導(dǎo)熱系數(shù)比銅低的金屬，例如鐵等。這樣就會在電路中引入不同種類的金屬材料。此外，由于源可能處在接近0K的溫度之下，而電壓表則處在300K的溫度之下，這就出現(xiàn)了很大的溫度梯度。適當(dāng)?shù)倪x配低溫容器和電壓表之間連接導(dǎo)線的材料成分，并且保持所有不同金屬材料結(jié)點對都處在相同的溫度之下，就能夠以很好的準(zhǔn)確度來進(jìn)行非常低電壓的測量。

　　2 反向法來抵消熱電動勢

　　在測量小電壓的時候，例如測量兩個標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓差或者測量兩個背對背連接的熱電偶的電壓差時，可以采用反向的方法來抵消寄生熱電動勢所產(chǎn)生的誤差。其方法是先進(jìn)行一次測量，然后小心地交換兩個源的極性（如圖2），再進(jìn)行第二次測量。這兩個測量讀數(shù)之差的平均值就是我們所希望的電壓差。

　　在圖2中，電壓源Va、Vb代表兩個標(biāo)準(zhǔn)電池（或者兩個熱電偶）。在圖2a中測量出的電壓為：

　　在圖2b中將兩個標(biāo)準(zhǔn)電池反向，測量出的電壓為：

　　兩次測量值之差的平均值為：

　　注意，這種測量技術(shù)有效地抵消了電路中的熱電動勢項（Vemf）。這個熱電動勢項包括電路中所有熱電動勢的代數(shù)和，但不包括Va 、Vb 兩個電壓源之間的連接部位所產(chǎn)生的熱電動勢。如果被測電壓是由電流流經(jīng)一個未知電阻而產(chǎn)生的，那么可以采用電流反向法或者偏置補(bǔ)償歐姆法來消除熱電動勢的影響。