GZ-10型高精度数字式表面电阻测试仪的研制

孔令刚

(1.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400037;2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037)

0 引言

科学技术的发展推动了非金属材料在各行各业的广泛应用。非金属材料以其质轻、耐腐蚀、高抗冲击性、易加工、性价比优等特点逐渐发展成“以塑代钢”的一个新兴产业，并取得了良好的社会经济效益。非金属材料为高分子聚合物，其显著特点是易产生静电集聚。大量事故调查分析表明，静电火花是煤矿、化工等有危险气体场所发生爆炸的主要点火源之一。在石油、化工、电子、橡胶、塑料等行业中，防静电是预防事故发生的重要内容[1];在煤炭行业，控制静电火花是有效控制瓦斯、煤尘爆炸事故的主要手段之一。控制静电火花的关键在于设备和材料必须具有抗静电性能，聚合物制品的抗静电性能主要是用表面电阻测试仪测量聚合物制品的表面电阻来评价。

模拟式表面电阻测试仪和一些常用的数字式表面电阻测试仪的工作原理是测量电压U固定，通过测量取样标准电阻上的电压Us来得到被测电阻值Rx。其计算公式为 Rx=Rs·U/Us[2]，式中 Rs为取样标准电阻值。由于Rx是与Us成反比，所以电阻的显示值是非线性的，即电阻无穷大时，电压为零。对于模拟式表面电阻测试仪，表头的零位处是∞，此处的刻度非常密，分辨力很低，整个刻度是非线性的。又由于测量不同的电阻时，其电压也会有些变化，所以普通的表面电阻测试仪的精度是很难提高的。这就给危险气体场所埋下了静电火花事故的隐患。

研制高精度的聚合物制品抗静电性表面电阻测试仪，有利于加强聚合物制品抗静电安全性检验，预防静电的产生，促进安全生产。

1 系统设计

本仪器由单片机进行控制和运算，被测电阻通过测试电路测量，然后经阻抗变换及放大，信号送给模数转换器进行A/D转换，并将得到的数字信号送给单片机，通过软件设计能够实现电阻阻值的判断测量，最后通过显示电路将被测电阻显示出来，系统框图如图1所示。

为了准确测量待测电阻，GZ-10型高精度数字式表面电阻测试仪内部设计了两套测试电路，通过测量转换档位开关来切换。当待测电阻小于2 MΩ时，采用低阻档测试电路测量;当待测电阻大于或等于2 MΩ时，采用高阻档测试电路测量。

图1 系统组成框图

2 硬件设计

2.1 电源

低压电源采用GZM-H45T5+12－5R成品开关电源，可提供－5 V，+5 V和+12 V直流电源供仪器使用。

高压测试电源采用LHPSIMDAC型可调高压模块，其输入电压为12 V的直流电，直流高压输出在0～1100 V范围内用电位器连续可调。根据仪表要求，采用电阻分压分段调节，使输出为50，100，250，500，1000 V等各档。输出短路电流为3 mA。

2.2 高阻档测量电路

采用测量双取样电阻的电压来计算被测电阻的方法，如图2所示。U为测试电压，Rx为待测未知电阻，R1为降压电阻，R01和Rx0为取样电阻，U0和Ux0为取样电压，则

图2 高阻档测量电路

即k值仅与电路的电阻值有关，当电路调定时，k值也不会再变，档位一定时k值可调节成该档10的整数幂。如k=10000，则。U0和 Ux0经电子开关K1和K2相继送入A/D转换电路转换成数字量，再经程序控制器作除法运算得到U0和Ux0的比值，即待测电阻的数字量，根据档位 (即k值大小)确定其幂指数。因此，待测电阻Rx仅与当时所测得的U0和Ux0的比值及k值有关，不像普通表面电阻测试仪那样因被测电压或电流的变化而变，所以其测量精度很高。

2.3 低阻档测量电路

低阻档采用比例法测量电路，如图3所示。R0为基准电阻，Rx为待测电阻，采用7135的双积分A/D转换器，Uin为输入电压，Uref为基准电压，N为输出值(数值)，则

改变基准电阻R0，即可改变待测电阻档位，如取R0为20000 Ω时，A/D转换器的输出值N=Rx，即输出值就是待测电阻值。通过档位改变R0，如R0=2000 Ω时，N=10Rx，即输出值是10倍待测电阻，只需改变小数点位置即可。因此，待测电阻值Rx仅与基准电阻值R0有关，不像普通表面电阻测试仪那样因被测电压或电流的变化而变，所以，选用高精度的基准电阻可提高其测量精度。

图3 低阻档测量电路

2.4 阻抗变换及放大模块

为提高仪器的输入阻抗、减少其分流作用带来的测量误差，仪器采用了静电级运放集成电路OPA128进行阻抗变换。为测量大于1012以上的电阻，在阻抗变换级后连接了可编程放大器OGA204U，通过改变可编程放大器的A0，A1的输入电平，使可编程放大器增益从1，10，100到1000可调，从而方便程序判别和控制。

2.5 A/D转换模块

整个仪器的测量精度的提高以及测量速度的提升，还取决于模数转换电路[3]。本仪器采用ICL7135双积分式4位半A/D转换器，由单片微机控制其A/D转换及数据运算处理，并将结果送显示模块显示。

2.6 显示模块

数码显示优于模拟显示或发光二极管显示，因为模拟显示较难读数，而发光二极管显示较难确定量级[4]。本仪器显示模块由显示驱动集成电路HD7279与6位LED数码管构成，其中1英寸 (25.4 mm)LED数码管4位显示待测电阻值，0.3英寸 (7.62 mm)LED数码管2位显示待测电阻的幂 (即方次)。

2.7 低阻值测量转换档位开关和高阻值测量转换档位开关

1)在测量2 MΩ以下电阻时，低阻值测量转换档位开关通过切换不同的基准电阻R0的电阻值，以改变其测量范围;当转换至大于2 MΩ档，即改变电路连接，切换到高阻值测量档。

2)高阻值测量转换档位开关根据测试电压换档并进行控制:①切换高压测试电源的分档电阻值;②切换测试电压的降压电阻的电阻值R1和取样电阻的电阻值R01;③切换待测电阻的取样电阻的电阻值Rx0，通过高低阻值换档开关切换，使待测电阻在合适的档位达到准确测量的目的。

3 样机测试

研制的GZ-10型高精度数字式表面电阻测试仪通过了法定计量检定机构的性能测试，测试结果如表1。

表1 GZ-10型高精度数字式表面电阻测试仪误差测试结果

测试结果表明，该表面电阻测试仪的测试相对误差小于等于3.5%，精度较高。

4 结语

GZ-10型高精度数字式表面电阻测试仪采用低阻档和高阻档两组测试电路进行分段测量，待测电阻值Rx不随被测电压或电流的变化而变化，因而保证了表面电阻测量的准确性;采用ICL7135 A/D转换器和单片微机控制其A/D转换及数据运算，并使用数码管显示测量结果，显示迅速且读数方便。

[1]开胜.BL-87型数字高阻计通过技术鉴定 [J].劳动保护，1988(6):40.

[2]林学江.高阻计和高阻测试技术 [J].电测与仪表，1987(11):42.

[3]刘艳云，付华良.基于STC89C54RD单片机和AD574的高精度电阻测试仪的设计 [J].电子测试，2013(9):46.

[4]郑芝明.浅谈表面电阻测试仪 [J].科学之友，2012(4):22.