一种电阻测试方法发明专利

专利名称：一种电阻测试方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410514148.0

专利申请（专利权）人：延安大学
权利人地址：陕西省延安市圣地路580号

专利发明（设计）人：陈佳妮,何智慧,王煜彤,崔巍,吴雄雄,霍亚杉

专利摘要：本发明提供了一种电阻测试方法，属于电子测量技术领域，测试方法的测试电路包括函数发生器，函数发生器正极连接电感后再串联待测电阻样品一端，待测电阻样品的另一端连接函数发生器的负极，函数发生器的正极和待测电阻样品正极与示波器的两个信号输入端连接；测试方法包括以函数发生器的负极为零电压点，调节示波器直至其面板上显示两条正弦波形；调节函数发生器的输入频率，记录此时示波器的两条正弦波之间的时间差值；根据所述输入频率、电感值、时间差值计算电阻值。本方案解决了现有技术中的现有的电阻测试方法对高频下的电阻进行测量计算时，由于电阻值会随着频率的变化而变化，会导致电阻的测量结果不够精确的问题。

主权利要求：
1.一种电阻测试方法，其特征在于，所述测试方法的测试电路包括函数发生器，所述函数发生器正极连接电感后再串联待测电阻样品一端，待测电阻样品的另一端连接函数发生器的负极，函数发生器的正极和待测电阻样品正极与示波器的两个信号输入端连接；所述测试方法包括如下步骤：以函数发生器的负极为零电压点，调节示波器直至其面板上显示两条正弦波形；
调节函数发生器的输入频率，记录对应输入频率下示波器的两条正弦波之间的时间差值；
根据所述输入频率、电感值、时间差值计算得到电阻值；
对同一个输入频率进行多次测试，得到多组同一个输入频率下示波器的两条波之间的时间差值，求多组时间差值的平均值，根据所述输入频率、电感值、时间差值的平均值计算得到电阻值；
根据测试需求，在测试需求的起始频率和截止频率之间，多次调节函数发生器的输入频率，重复计算电阻的过程，得到多组电阻值；将多组输入频率和对应的电阻值进行拟合，得到输入频率和电阻的拟合曲线；
当所述时间差值与输入频率满足单调函数关系时，通过所述拟合曲线得到对应的拟合函数；
将电阻测试电路的函数发生器替换为未知交流电电源，通过读取示波器上时间差值，带入所述拟合函数中，得到测试电路中未知交流电的频率。
2.根据如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述电阻值的相关计算公式为：其中，L是电感值，f是输入频率、Δt是时间差值或时间差值的平均值。
3.根据如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，还包括，对未知交流电电源的同一个输入频率进行多次测试，得到多组同一个输入频率下示波器的时间差值，求多组时间差值的平均值，带入所述拟合函数中，得到测试电路中当前未知交流电的频率。
4.根据如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述多次调节函数发生器的输入频率的步骤包括将输入频率从起始频率开始每次增加固定间隔频率作为示波器的一个输入频率。 说明书 : 一种电阻测试方法技术领域[0001] 本发明属于电子测量技术领域，具体涉及一种电阻测试方法。背景技术[0002] 导体导电性能的影响因素，通常包括导体的长度、横截面积、材料。然而导电性能也和频率有关。导体在低频电路中，可以看作纯电阻；但在高频电路中，就不再是纯电阻，而是还有电感和寄生电容的电阻。因此，在高频信号下，频率是影响导电性能的一个重要因素。[0003] 对于频率计的研究，人们提出了一些复杂的设备，如基于FPGA的频率计、基于硬件逻辑语言的数字频率计、基于单片机和蓝牙APP无线通信的频率计等，现有频率计都较为复杂。[0004] 测量电阻的方法包括伏安法、安阻法、万用电表等，然而这些方法存在较大的测量误差。为了降低误差，研究者提出了惠更斯电桥、四探针测方块电阻等新方法，高频下的电阻已不是纯电阻，会随着频率的变化而变化，但目前已知的测电阻随频率变化曲线的设备体积较大、笨重；且现有测量电阻的方法对高频下的电阻进行测量计算时，由于电阻值会随着频率的变化而变化，会导致电阻的测量结果不够精确。发明内容[0005] 为了解决现有技术中的电阻测试方法对高频下的电阻进行测量计算时，由于电阻值会随着频率的变化而变化，会导致电阻的测量结果不够精确的问题，本发明提供了一种电阻测试方法。[0006] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0007] 一种电阻测试方法，所述测试方法的测试电路包括函数发生器，所述函数发生器正极连接电感后再串联待测电阻样品一端，待测电阻样品的另一端连接函数发生器的负极，函数发生器的正极和待测电阻样品正极与示波器的两个信号输入端连接；所述测试方法包括如下步骤：[0008] 以函数发生器的负极为零电压点，调节示波器直至其面板上显示两条正弦波形；[0009] 调节函数发生器的输入频率，记录对应输入频率下示波器的两条正弦波之间的时间差值；[0010] 根据所述输入频率、电感值、时间差值计算得到电阻值。[0011] 进一步地，还包括，对同一个输入频率进行多次测试，得到多组同一个输入频率下示波器的两条波之间的时间差值，求多组时间差值的平均值，根据所述输入频率、电感值、时间差值的平均值计算得到电阻值。[0012] 进一步地，所述电阻值的相关计算公式为：[0013][0014] 其中，L是电感值，f是输入频率、Δt是时间差值或时间差值的平均值。[0015] 进一步地，还包括，根据测试需求，在测试需求的起始频率和截止频率之间，多次调节函数发生器的输入频率，重复计算电阻的过程，得到多组电阻值；将多组输入频率和对应的电阻值进行拟合，得到输入频率和电阻的拟合曲线[0016] 进一步地，还包括，当所述时间差值与输入频率满足单调函数关系时，通过所述拟合曲线得到对应的拟合函数；[0017] 将电阻测试电路的函数发生器替换为未知交流电电源，通过读取示波器上时间差值，带入所述拟合函数中，得到测试电路中未知交流电的频率。[0018] 进一步地，还包括，对未知交流电电源的同一个输入频率进行多次测试，得到多组同一个输入频率下示波器的时间差值，求多组时间差值的平均值，带入所述拟合函数中，得到测试电路中当前未知交流电的频率。[0019] 进一步地，所述多次调节函数发生器的输入频率的步骤包括将输入频率从起始频率开始每次增加固定间隔频率作为示波器的一个输入频率。[0020] 本发明提供的一种电阻测试方法具有以下有益效果：[0021] 本发明的函数发生器在此充当电源，其正极连接电感后再串联待测电阻样品的一端，从待测电阻样品另一端再回到函数发生器负极，示波器一条信号线连接函数发生器正极，另一条连接待测电阻样品处的正接线柱，都以电源负极为零电压点。[0022] 高频下的电阻已不是纯电阻，是会随着频率的变化而变化，以及某些材料电阻本身就与频率有关，本发明方法通过改变函数发生器的频率，通过示波器来获得测量电阻随电源频率的变化曲线，通过获得变化曲线来帮助用户探究电阻与频率之间的关系，从而使高频下的电阻的测量结果更为精确。[0023] 除此之外，本发明方法可以通过简单替换待测电阻样品的种类，实现对不同固体的测量，不仅可以用于传统的电阻测量，还可以帮助用户探究不同种类的电阻与频率之间的关系，具有更广泛的应用领域和功能，用户可以根据需要灵活选择电路的功能，满足不同实验或测量的要求，提升了电路的多功能性和适用性。附图说明[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0025] 图1为现有技术串联RL电路结构示意图；[0026] 图2为现有技术串联RL电路中总电压与电感和电阻的关系示意图；[0027] 图3为本发明电路实施例的电路实体器件连接示意图；[0028] 图4为本发明电路实施例的电路连接结构示意图；[0029] 图5为本发明方法实施例的示波器波形图；[0030] 图6为本发明方法实施例的电阻‑电源频率关系图；[0031] 图7为本发明频率计算方法实施例的时间差值‑电源频率关系图。具体实施方式[0032] 为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。[0033] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0034] 此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。[0035] 如图1所示，在串联RL电路中，电压是复数，令总电压为U，L两端电压为UL，R两端电压为UR。如图2所示，有如下关系式：[0036][0037][0038] 由于是串联电路，故各元件的电流相等，则 其中RL＝jωL是电感的阻抗，R为电阻。于是有 通过φ，L，ω就可以求解出R。[0039] 首先将函数发生器作为输入端，使其输入信号为U＝Umsinωt，令其初相位为零。而后将电阻作为输出端，由矢量图可知输出信号为UR＝URmsin(ωt‑φ)。将输入端和输出端分别以电源负极为零电压点输入到同一示波器的两个通道，根据示波器显示信号求出φ。又已知L，ω，即可求出R。[0040] 数字示波器可显示两波时间差Δt值，经过数学推导有 再由得 如此便可计算出待测物的电阻值。[0041] 方法实施例[0042] 本发明提供了一种电阻测试方法，如图3所示，本发明的测试方法所适用的电阻测试电路，包括函数发生器，示波器，导线，电路板，电感，BaBi0.5Mo0.5Nb5O15‑δ陶瓷(待测电阻样品)。[0043] 函数发生器在此充当电源，其正极连接电感后再串联待测电阻样品的一端，从待测电阻样品另一端再回到函数发生器负极。示波器一条信号线连接函数发生器正极，另一条连接待测电阻样品处的正接线柱，都以电源负极为零电压点，每个电子器件之间通过导线进行连接。[0044] 选用特殊陶瓷材料BaBi0.5Mo0.5Nb5O15‑δ陶瓷作为待测电阻样品，将其连接在RL串联交流电路中，利用该交流电路特性探究此BaBi0.5Mo0.5Nb5O15‑δ陶瓷在不同频率下的导电特性。初步测量分析后，本实施例中选择探究BaBi0.5Mo0.5Nb5O15‑δ陶瓷在1MHZ到19MHZ频率段的导电特性。自搭建仪器零件列表如下表1所示。[0045] 表格1自搭建仪器零件列表[0046][0047][0048] 系统性能指标：测量范围：材料范围，固体；频率范围，0μHZ到60MHZ精确度：0.2ns。响应时间：仪器响应极其迅速。尺寸：76cm*26cm*21cm。[0049] 本电路的设计实现了多功能性，可以用于电阻的测量、电阻与频率关系的探究以及测量未知交流电的频率，具有一体三用的特点。一体三用的设计简化了实验或测量过程，节约了时间和成本，使用户能够更高效地完成相关任务。[0050] 便捷性和高效性：用户可以通过同一电路实现电阻测量、频率关系探究和未知交流电频率测量，无需使用多个独立的设备或电路，提高了使用的便捷性和操作效率。[0051] 多功能性和灵活性：本电路不仅可以用于传统的电阻测量，还可以帮助用户探究电阻与频率之间的关系，以及测量未知交流电的频率，具有更广泛的应用领域和功能。用户可以根据需要灵活选择电路的功能，满足不同实验或测量的要求，提升了电路的多功能性和适用性。[0052] 准确性和稳定性：通过设计精密的电路结构和采用合适的元件，本电路可以提供准确可靠的测量结果，保证了测量数据的准确性和稳定性。用户可以信赖本电路提供的测量结果，用于科研实验、工程应用或教学实验，有助于提高工作效率和结果可靠性。相较于现有的测量电阻与频率关系的设备，大大的降低了成本。[0053] 本电路的一体三用设计不仅提升了使用便捷性和操作效率，还增加了功能多样性和应用灵活性，同时保证了测量结果的准确性和稳定性，为用户提供了强大的工具支持。[0054] 本发明的测试方法包括如下步骤：[0055] (1)使用函数发生器作为电源。[0056] (2)连接如图4所示的串联RL电路。[0057] (3)示波器从函数发生器正极连接一条信号线，从电阻处的正接线柱再连接另一条信号线，两条信号线都需以负极为零电压点。[0058] (4)调节示波器直至其面板上显示两条清晰的正弦波形。[0059] (5)由起始频率1MHZ开始每次增加0.5MHZ，直至截止频率19MHZ，如图5所示，分别读出在每个对应频率下的两条波之间的时间差Δt值。[0060] (6)将数据代入 中计算电阻值，L是电感值，f是输入频率、Δt是时间差值。[0061] (7)计算不确定度，分析误差，分析数据。[0062] 对每个对应输入频率下示波器的两条波之间的时间差值进行多次测试后，实验数据记录如下表格2所示[0063] 表格2实验数据时间差记录[0064][0065][0066][0067] 对表2中的六组时间差值数据求时间差值的平均值，结果如下表格3所示表格3数据时间差处理记录[0068][0069][0070] 将表3的测试数据带入公式 中得如下表格4所示。[0071] 表格4电阻值记录[0072]f/kHz 19000 18500 18000 17500 17000 16500 16000R/Ω 284.2 263.5 259.3 244.4 256.0 235.0 239.7f/kHz 15500 15000 14500 14000 13500 13000 12500R/Ω 245.8 223.1 224.1 218.5 207.4 214.2 202.0f/kHz 12000 11500 11000 10500 10000 9500 9000R/Ω 212.8 229.0 229.3 231.7 226.9 208.3 202.6f/kHz 8500 8000 7500 7000 6500 6000 5500R/Ω 207.4 200.4 198.9 200.2 200.1 199.4 193.9f/kHz 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000R/Ω 204.5 189.4 183.6 180.7 177.3 163.2 148.6f/kHz 1500 1000 R/Ω 124.2 91.1 [0073] 对本发明方法的示波器的时间差值和测试电阻值得不确定度进行分析。[0074] 1)对Δt计算不确定度有：[0075] A类不确定度 B类不确定度 经过系统误差分析Δ仪取0.2ns，合成不确定度 n是测试组数，Δti是第i组测试的时间差值， 是n组测试数据的时间差值的均值。[0076] 2)对电阻计算不确定度有：[0077][0078] 由不确定度传递公式有 相对不确定度具体地计算如下表格5所示。[0079] 表格5电阻计算不确定度记录[0080][0081][0082] 由表4中的R‑f数据的关系绘制如图6所示，显示了基于RL电路下陶瓷在高频情况下导电性能随频率的变化情况。结果表明，在1MHZ至19MHZ频率下，陶瓷电阻随频率增大整体呈上升趋势；在1MHZ至5MHZ区间增长较快，在5MHZ至19MHZ区间增长较缓慢且存在上下波动。[0083] 本发明的电阻测试方法具有以下有益效果：[0084] 降低了电阻测量误差：本发明通过引入新的测量方法，显著减少了在电阻测量过程中常见的接触电阻、测量仪器精度等误差，提高了测量结果的准确性和可靠性。[0085] 改善了测电阻与频率关系装置的问题：本发明针对现有测量装置在测量电阻与频率关系时存在的问题进行了改进，提出较简练的装置。通过解决现有装置的局限性，本发明为电阻与频率关系的研究和应用提供了更可靠的工具，推动了相关领域的技术进步和创新。[0086] 综合效益：本发明不仅在降低测量误差和改善测电阻与频率关系装置方面具有显著优势，还在提高测量效率、简化操作流程和扩展应用领域等方面带来了综合效益。通过提供更精确、可靠的测量结果和更便捷、高效的操作体验，本发明为相关行业的研究人员和工程师提供了强有力的支持，推动了技术创新和发展。[0087] 使用本实施例的测量电路装置加样品可将发明的测试装置做成一频率计。[0088] 本发明的频率计具有操作简单的优点，用户只需选定合适的待测物，所选的待测物必须是能得到时间差和频率的单调函数的，如果不是单调函数就会出现一个时间差对应多个频率值的问题并将电路与待测物连接到未知交流电源上(将电阻测试电路中的函数发生器替换成未知交流电电源，待测电阻样品换成选定的待测物)，通过测量时间差即可获取未知频率值，操作简单直观。相较于传统频率计，本发明的方法无需繁琐的设置和调试，减少了操作复杂性，提高了使用的便捷性和操作效率。[0089] 本实施例所选的陶瓷作为待测物刚好满足这个要求，由表3中的数据Δt‑f关系可绘制如下图7所示，由图可知f与Δt呈一一对应的函数关系，使用计算机的Excel软件拟合‑1.401数据曲线功能拟合成函数：f＝623.621Δt 。[0090] 此函数中，Δt单位为ns，f单位为MHZ，将此电路中的函数发生器替换为未知交流电，通过读取示波器上Δt值，本发明可对交流电的同一个输入频率进行多次测试，得到多组同一个输入频率下示波器的两条波之间的时间差值，求多组时间差值的平均值，带入此函数中就可求出此电路交流电的频率，由此便可作为一频率计，可测频率范围为1MHZ至19MHZ。[0091] 本实施例中使用上述频率计测量的数据，如下表格6所示。[0092] 表格6频率计数据记录[0093][0094][0095] 对频率计中示波器的时间差值和计算得到的频率的不确定度作如下的分析:[0096] 1)对Δt计算不确定度。[0097] A类不确定度 B类不确定度 Δ仪取0.2ns，合成不确定度[0098] 2)对f计算不确定度。[0099] f＝623.621Δt‑1.401，[0100] 由不确定度传递公式有 相对不确定度相对误差 频率计计算如下表6所示。[0101] 表7频率计计算数据记录[0102]f真/MHZ f测/MHZ uΔt/ns uf/MHZ Ef E17.0 18.3 0.12 0.24 1.3％ 7.6％16.4 16.9 0.14 0.24 1.4％ 3.0％15.2 15.7 0.16 0.26 1.6％ 3.2％14.0 13.9 0.14 0.17 1.2％ 0.7％11.2 11.1 0.14 0.12 1.1％ 0.8％9.0 8.37 0.14 0.07 0.8％ 7.0％7.3 6.64 0.12 0.04 0.6％ 9.0％6.5 6.07 0.14 0.04 0.7％ 6.6％5.4 5.19 0.14 0.03 0.6％ 3.9％4.4 4.23 0.14 0.02 0.5％ 3.9％3.2 3.24 0.14 0.01 0.4％ 1.2％2.1 2.27 0.12 0.01 0.4％ 8.1％1.7 1.84 0.19 0.01 0.5％ 8.2％1.0 1.04 0.14 0.01 0.9％ 4.0％[0103] 频率计提供了一种新型测量频率设备，相较于传统的示波器测频率方法，该方法不仅可以让学生明白示波器原理，还可以让学生对RL交流电路有更深的理解和应用，加深学生对交流电路特性、高频下陶瓷特性的认识，促进学生物理核心素养的发展。[0104] 通过选定合适的待测物(所选的待测物必须是能得到时间差和频率的单调函数的)，得到时间差与频率之间的函数关系，随后，将电路和选定的待测物连接到未知交流电源上，即可通过测量时间差来获取未知频率值。相较于传统的频率计，本发明的创新原理简单易行，操作更为便捷。本发明的设计带来了以下主要有益效果：[0105] 1)原理简单：本发明的创新原理基于时间差与频率的函数关系，利用待测物与电路的连接方式实现频率测量，原理清晰简单易懂。用户无需深入了解复杂的频率计工作原理，只需掌握时间差与频率的关系即可进行测量，降低了技术门槛，适用于广泛的用户群体。[0106] 2)实用性和便捷性：通过本发明的频率的计算方法，用户可以快速、准确地获取未知频率值，适用于各种需要频率测量的场合，提升了实用性和适用范围。操作简便的特点使该方法更易于推广和应用，用户可以快速掌握并运用于实际工作中，提高了工作效率和准确性。[0107] 综上所述，基于时间差与频率函数关系的频率计算方法相比传统频率计具有操作简便、原理清晰和实用性强的优势，为用户提供了更为便捷和高效的频率测量方案。[0108] 应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

专利地区：陕西

专利申请日期：2024-04-26

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118362782B