开尔文连接概述
获得低电阻高精度读数的方法和技术概述
更新于 2024 年 7 月
开尔文连接和测试测量
开尔文连接，也称为四端子感应或开尔文感应，是一种用于高精度测量电阻的方法，特别是在低电阻场景中。
这种常用技术对于最大限度地减少测量设置中与接触和引线电阻相关的误差至关重要。
下面概述了开尔文连接的原理、应用和优点。
为了测量元件的电阻，需要通过一组测试引线强制使测试电流流过该元件。
然后，电表测量其端子之间的电压以得出元件的电阻值。
1.两线连接
然而，在任何实际测量中，电阻值都取决于测试引线的电阻和所用任何连接的接触电阻。
引线电阻和接触电阻会引起较小的电压降，如果 UUT 电阻远高于这些“误差”电阻，则通常可以忽略不计。
双线法的问题在于，当测量小电阻值（通常为 1Ω 或更小）时，测试引线的电阻除了会导致元件两端的电压降外，还会导致相对明显的电压降（见右图）。
因此，电表测得的电压将不是您要测量的元件两端电压的真实值。
考虑等效电路测量电阻R(uut)
- 电源设置为恒定的1 安培
- 假设接触电阻和引线电阻之和为0.1 欧姆
- 测量R(uut) = 0.1 欧姆电阻时
V=IR，所以
UUT 的电压降为0.1 伏
接触电阻+引线电阻的电压降为0.1伏
DMM 电压表将其视为0.2 伏的电压降。
- DMM 根据R=V/I = 0.2 OHMS 计算电阻！
即我们试图测量的实际值的两倍。
重复同样的操作，但测量10 欧姆电阻时
V=IR，所以
UUT 的电压降为10 伏
接触电阻+引线电阻的电压降为0.1伏
DMM 电压表将其视为10.1 伏的电压降。
- DMM 根据R=V/I = 10.1 OHMS 计算电阻！
即比我们试图测量的实际值高出 1%。
随着您尝试测量的 UUT 电阻的实际值增加，接触和引线损耗变得不那么重要，但它们始终存在。
2. 四线连接
鉴于双线法的局限性，四线（开尔文）法通常是低电阻测量的首选。
这些测量可以使用单独的电流源和电压表进行。
在这种配置下，测试电流通过一组测试引线（电源线）强制通过测试电阻，而通过第二组引线（感测引线）测量被测组件两端的电压。
在整个电流路径中电流都是相同的，即使导线和接触电阻会引起一些电压降。
尽管可能有一些小电流流过感测对，但由于所用电压测量装置的阻抗非常高，因此通常可以忽略不计（pA 或更少）。
由于感测引线路径中的电流接近于零，因此导线电阻和接触电阻不会导致电压测量路径中的电压下降。
因此，电压表测得的电压降基本上与测试电阻两端的电压相同。
因此，与双线法相比，可以更准确地确定电阻值。
现在考虑这个用于测量电阻R(uut)的 4 线开尔文电路的新电路
- 电源设置为恒定的1 安培
- 假设接触电阻和引线电阻之和仍为0.1 欧姆
- 测量R(uut) = 0.1 欧姆电阻时
V=IR，所以
UUT 的电压降为0.1 伏
由于此感应路径中没有电流流动，因此接触电阻 + 引线电阻没有电压降。
DMM 电压表仅看到R(uut)上的电压降，为0.1 伏。
- DMM 根据R=V/I = 0.1 OHMS 计算电阻。
这次实际上没有因引线和接触电阻而导致的误差。
3.半开尔文连接。
许多测试和设备制造商使用的连接到被测设备实际上不是“真”开尔文，而是“半”开尔文。
这里最好地说明了使用“弹簧”探针的情况。
可以看出，弹簧探头不提供真正的开尔文连接，因为四根电线终止于探头插座，而不是终止于与 UUT 的接触点。
这将消除电线电阻的影响，但不会消除任何接触电阻。
如果接触电阻足够低，这可能是一个可以接受的折衷方案。
物理位置、引脚分离和拓扑等其他因素也可能使得半开尔文解决方案可接受使用。
为了达到“真正的”开尔文，每根“电源”和“感应”引线都需要直接连接到测试元件引线，并尽可能靠近测试元件本身。
4. 真正的开尔文连接
如前所述，测量电阻 <1Ω 时，真开尔文提供了最理想的连接方法。
然而，在设计测试夹具时，必须考虑连接方法的机械方面。
在这种情况下，弹簧探头可以替代开尔文刀片。
然而，流过被测元件的电流也必须流过弹簧探头本身，从而引入额外的、不受欢迎的电压降。
使用弹簧探针制成的夹具具有更容易构造、更容易维护的优点，并且比开尔文刀片具有更长的使用寿命，开尔文刀片在插入和移除测试组件的动作中容易磨损。
但是，由于弹簧探头只能提供半开尔文连接，因此在测量小于 1Ω 的电阻时不应使用它们。
5 个 LCR 表/AT 测试仪和补偿。
大多数 LCR 表（和 Voltech AT 测试仪）允许您执行短路和开路补偿，以进一步消除引线对测量的影响。乍一看，这种补偿会消除引线和接触电阻的影响。
然而，重要的是要认识到每个测试单元连接之间的接触电阻可能有很大差异。
事实上，这将是不同的和不可重复的，即使看似“良好”的接触，每个组件之间的每次单独配合之间的误差也会在 20 兆欧到 150 兆欧之间。
4 线/半开尔文
任何固定的“一次性”短路补偿的问题在于，它只会消除补偿时看到的接触/引线电阻。由于这会随着每次后续 UUT 插入而改变，因此它只会从实际测量中消除固定偏移。
4 线/真开尔文
如上所述，感测线中的接触电阻在每次插入时都会发生变化
然而，在真开尔文中，感测路径中的零电流意味着无论恒定电阻的瞬时水平如何，相关的接触电阻电压降都不会被高阻抗电压表看到。
六，结论
开尔文连接的优点
高精度：通过消除引线和接触电阻的影响，开尔文连接可提供高精度的电阻测量。
低电阻测量：对于需要测量极低电阻的应用至关重要，而这很难通过双线方法实现。
可重复性：确保一致且可重复的测量，这对于质量控制和制造过程至关重要。
总之，开尔文连接是精密电气测量中一种非常宝贵的技术，特别是对于低电阻应用。通过使用四个端子将电流供应与电压测量分开，它们可以消除由于引线和接触电阻引起的误差，从而提供更准确、更可靠的结果。这种方法在需要高精度测量的领域中是不可或缺的，并且仍然是电气工程的基本实践。