□ 北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院　吳裔騫　劉桂欣

　　在測(cè)量電阻時(shí)，四端接線法，又叫開(kāi)爾文連接法。當(dāng)被測(cè)電阻阻值小于幾歐，測(cè)試引線的電阻和探針與測(cè)試點(diǎn)的接觸電阻與被測(cè)電阻相比已不能忽略不計(jì)時(shí)，若仍采用兩線測(cè)試方法必將導(dǎo)致測(cè)試誤差增大。此時(shí)可采用開(kāi)爾文連接方式（或稱四線測(cè)試方式）來(lái)進(jìn)行測(cè)試，如圖1。

 
圖1 開(kāi)爾文連接法

　　如圖1，可以認(rèn)為A端和B端是電流端子，測(cè)試的時(shí)候通以一定的電流，然后從電壓端子C和B測(cè)量電壓，利用歐姆定律就可以得到兩個(gè)定義點(diǎn)（Kelvin接點(diǎn)）α和β之間的電阻。

　　對(duì)于小阻值的電阻，測(cè)試時(shí)由于接觸電阻和引線電阻的影響，二線法測(cè)試不準(zhǔn)。而采用四線法，就可以排除接觸電阻和引線電阻的影響。無(wú)論接到A和B的引線有多長(zhǎng)，電流不受影響。而C和D點(diǎn)只測(cè)試電壓，可以認(rèn)為沒(méi)有電流通過(guò)，因此也與引線電阻和接觸電阻無(wú)關(guān)。

　　以上內(nèi)容，是理論上，關(guān)于四線接線法的原理知識(shí)，在實(shí)際的計(jì)量檢測(cè)中，四端測(cè)量?jī)x器如何連接被測(cè)電阻，有一些問(wèn)題引起了筆者的思考：

　　1、 電壓夾子比電流夾子靠近電阻根部，是不是測(cè)量值更準(zhǔn)確？

　　從圖1，可以看出，測(cè)量結(jié)果R，包括R和α、β之間的兩段引線電阻，所以想當(dāng)然的就會(huì)從直覺(jué)上覺(jué)得，C、D電壓表兩根引線的夾子（即α、β兩點(diǎn)）越靠近電阻根部越好。于是在進(jìn)行連線時(shí)，把電壓的夾子靠近電阻，把電流的夾子夾在外面，如圖2，以為這樣的測(cè)量結(jié)果，比夾子交換位置測(cè)的準(zhǔn)。這一想法，是錯(cuò)誤的。

圖2下面的夾子是電壓端，上面的夾子是電流端

　　實(shí)際的情況是，無(wú)論電壓端在下面，還是電流端在下面，測(cè)得值是一樣的。只取決于下面的夾子結(jié)點(diǎn)離電阻的距離。因?yàn)閳D1是原理圖，實(shí)物結(jié)點(diǎn)的宏觀圖不好想象，讓我們來(lái)看看放大的具體情況，讀者便會(huì)明了了。

  
　　如圖3、4所示，無(wú)論電壓端在下面，還是電流端在下面，所測(cè)的電阻值，都是更靠近R的結(jié)點(diǎn)α、β之間的電阻值。

　　2、 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)，電壓和電流夾子是否可以互換？

　　標(biāo)準(zhǔn)電阻上，電流的接線柱，比電壓的接線柱粗，是因?yàn)樾‰娮枰鬟^(guò)大電流，才能得到合適的測(cè)量電壓，所以電流的接線柱要粗一些。如果拋開(kāi)粗細(xì)的問(wèn)題，或者說(shuō)把電壓的接線柱也做的像電流接線柱同樣粗，則如同圖3、圖4的變換，所得到的電阻值是一樣的。當(dāng)然，如果電流過(guò)大，或者測(cè)量精度很高，需要考慮熱電勢(shì)的影響因素的情況下，還得另當(dāng)別論。

　　3、 測(cè)一個(gè)1毫歐的柱狀電阻，兩對(duì)兒電壓和電流的測(cè)量端，使勁擠壓在電阻柱兩端即可？

　　把電壓和電流插片擠壓在一起，再讓其中一個(gè)插片和電阻接觸，這樣的方法和第2問(wèn)提到的夾子的方法，測(cè)量的具體情況是不一樣的。注意，這里的插片之間是沒(méi)有銅柱的，電流和電位是通過(guò)插片傳遞的，而不是通過(guò)接線柱。如圖5。

圖5

　　這樣測(cè)量，下面的插片的接觸電阻帶來(lái)的誤差無(wú)法忽略，大約幾歐至十幾歐，影響測(cè)量結(jié)果，如圖6、7所示，接觸電阻R’也被計(jì)算在測(cè)量結(jié)果中了。當(dāng)然，這也再一次證明了，無(wú)論夾子還是插片，電壓端和電流端互換位置，測(cè)量結(jié)果不變。

　　那么如果避免接觸電阻R’帶來(lái)的誤差呢？如果在電流插片不變的情況下，電壓插片不是擠壓在電流插片外面，而是直接接觸電阻柱體兩端（如圖8的實(shí)物圖所示），其原理圖如圖9,，接觸電阻帶來(lái)的誤差就被消除了，測(cè)量精度大幅度增加。

　　由此得到的經(jīng)驗(yàn)是，電壓和電流的兩個(gè)插片，最好不要在所測(cè)電阻物體之外，提前接觸，應(yīng)分別接觸所測(cè)電阻。

　　在實(shí)際的計(jì)量檢測(cè)過(guò)程中，有的四端測(cè)量法的儀器，引出兩個(gè)夾子，每個(gè)夾子上既有電流線又有電壓線，那么其制作原理，應(yīng)該是在接觸所測(cè)電阻前（即夾子尖端）電壓線和電流線，無(wú)交集，尤其是在夾子的物理連接處，不能短接。一旦短接，其接觸電阻及夾子本身的電阻都會(huì)被測(cè)量進(jìn)去，造成很大的誤差。筆者發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)很多接地導(dǎo)通測(cè)試儀等四端測(cè)量?jī)x器廠家設(shè)計(jì)的夾子，都是電壓端和電流端提早短接，知其然不知其所以然，貽笑大方。

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　　4、 插片連接，ZX54電阻箱接線柱的設(shè)計(jì)，妙處何在？

 
圖10

　　如圖10，ZX54電阻箱的接線柱設(shè)計(jì)，因?yàn)槠?.01Ω盤(pán)的電阻很小，需要四端接線減小誤差。每個(gè)接線柱，有兩層結(jié)構(gòu)，電流和電壓插片分別插入，克服了問(wèn)題3中的情況，避免了由于插接不實(shí)，沒(méi)有觸碰接線柱，“插片”通過(guò)“插片”連接的情況，而是直接和接線柱牢固連接，從而避免了接觸電阻帶來(lái)的誤差，個(gè)中原因，在問(wèn)題3中已經(jīng)詳細(xì)介紹了，此處不再贅述。在這里值得提一句的是，ZX54的精度相對(duì)較高，電流和電壓插片上下互換的時(shí)候，熱電勢(shì)帶來(lái)的誤差會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，值得注意。

　　以上4個(gè)設(shè)問(wèn)，循序漸進(jìn)，闡述了筆者在電阻測(cè)量工作中的一些心得體會(huì)，涉及到標(biāo)準(zhǔn)電阻、電橋、電阻箱、微歐計(jì)、接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀的測(cè)量與使用，在此與全國(guó)同行交流探討，獻(xiàn)丑之處，懇請(qǐng)指正。

　　附：使用臺(tái)灣固緯GPT-9804接地導(dǎo)通電阻測(cè)試功能，測(cè)試一個(gè)116mΩ左右的小電阻，不同的連接方法，測(cè)得的電阻值的真實(shí)情況。由于GPT-9804的分辨力和重復(fù)性足夠好，所以也不必考量具體測(cè)量誤差，只是知道接線的方法不同，帶來(lái)的接觸電阻的區(qū)別就是了。

　　圖11  測(cè)量 四端測(cè)量的GPT-9804及被電阻（標(biāo)稱值115.2 mΩ）。

1、直接短接，測(cè)量結(jié)果為：0

2、用手按著兩個(gè)電流端，電位端接在相應(yīng)的電流端后邊，測(cè)量結(jié)果為：1.5~2.5mΩ

3、電位端接在相應(yīng)的電流端后邊，電流端插入端子的孔內(nèi)。測(cè)量結(jié)果為：117.9mΩ

4、電位端接在相應(yīng)的電流端后邊，電流端接駁插片，擰壓在接線柱上。測(cè)量結(jié)果為：118.5mΩ

5、電流端通過(guò)插片擠壓在接線柱，電壓端插入接線柱，分別和接線柱連接。測(cè)量結(jié)果為：116.5mΩ。

　　通過(guò)比較，第5種方法，測(cè)量值最接近實(shí)際值，接觸電阻最小。

　　以上5個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示出不同的接線方法，對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。試驗(yàn)過(guò)程中，筆者也試驗(yàn)了，將同一顏色的電壓、電流的插頭位置互換，的確不影響測(cè)量結(jié)果。與前面理論分析中的結(jié)論吻合，算是理論聯(lián)系實(shí)際的佐證。