CN105021881B

CN105021881B - 高精度大量程电流电压的分级测量方法

Info

Publication number: CN105021881B
Application number: CN201510465243.7A
Authority: CN
Inventors: 刘杨; 陈震宇; 付雪微
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-09-01
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: CN105021881A

Abstract

高精度大量程电流电压的分级测量方法，属于弱电电流、电压信号的测量领域，本发明为解决现有技术无法完成大量程信号的高精度测量问题。本发明方法利用n个不同量程、不同精度的电流电压传感器对同一待测信号进行测量；并将n个电流电压传感器按测量精度由低到高的顺序进行排序依次测量待测信号；先由量程大、精度低的初级传感器开始测量并取结果中的精确部分，后通过电流电压基准源将实测信号中的已确定的精确部分进行补偿，并对剩余信号进行下一级的测量直至量程最小、精度最高的传感器测量结束，再进行数据融合，从而实现对弱电领域的大电流、大电压信号的高精度测量。

Description

高精度大量程电流电压的分级测量方法

技术领域

本发明属于弱电电流、电压信号的测量领域，特别适用大电流、大电压信号的高精度测量领域。

背景技术

在当今弱电信号的电流电压测量领域中，普遍采用万用表、电流测量仪等仪器进行测量。这些传统的测量仪器由于受测量机理及器件性能的制约，无法同时兼顾量程与精度，如对幅值超过1A的电流信号精确测量到pA级别。而在测量领域，实现对这种“大幅值”信号的高精度电流电压检测是十分必要的。

经查验相关文献，中国专利申请号：201410521569.2，专利名称：一种高精度电流传感器检测电路及其检测方法。该专利设计了一种由具有较大量程的第一电流传感器和具有较小量程的第二电流传感器及ADC转换器组成，该方法在大幅值信号时使用大量程传感器、在小幅值信号时使用小量程传感器，无法对大量程信号进行高精度测量。

中国发明专利申请号：201410182909.3，专利名称为：一种高精度电流检测电路及应用该电路的限流装置，该专利发明一种高精度电流检测电路包括待测器件、放大器和负载对电流进行检测，但无法对大电流信号进行检测。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术无法完成大量程信号的高精度测量工作的问题，提供了一种高精度大量程电流电压的分级测量方法。

本发明所述的高精度大量程电流电压的分级测量方法，该方法利用n个不同量程、不同精度的电流电压传感器对同一待测信号进行测量；并将n个电流电压传感器按测量精度由低到高的顺序进行排序依次测量待测信号；

该测量方法包括以下步骤：

步骤一、上位机控制第1级电流电压传感器测量待测信号，测量结果去掉最后一位误差位后，获取第1级测量结果Res(1)，并上传给上位机，第1级测量结果Res(1)的精确度为千分位；

步骤二、上位机生成控制信号，通过电流电压基准源产生第1路补偿信号，第1路补偿信号是与第1级测量结果Res(1)同等幅值的信号，将待测信号与第1路补偿信号作差获取第1路中间信号；

步骤三、上位机控制第2级电流电压传感器测量待测信号，测量结果与第1路中间信号作差，去掉最后一位误差位后，获取第2级测量结果Res(2)，并上传给上位机，第2级测量结果Res(2)的精确度为千分位；

步骤四、上位机生成控制信号，通过电流电压基准源产生第2路补偿信号，第2路补偿信号是第1级测量结果Res(1)与第2级测量结果Res(2)相加的和信号，将待测信号与第2路补偿信号作差获取第2路中间信号；

按照步骤三和步骤四的过程完成其它电流电压传感器测量，然后执行步骤五；

步骤五、由上位机将多级测量结果进行处理，并输出最终测量结果Res_final：

其中：Res_bias为电流电压基准源输出信号偏差。

本发明的优点：本发明所述基于分级测量策略的高精度大量程电流电压测量方法精度高、量程大，采用分级测量的策略，在测量量程大的同时，保证了极高的测量精度。

附图说明

图1是本发明所述的高精度大量程电流电压分级测量方法的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的高精度大量程电流电压的分级测量方法，该方法利用n个不同量程、不同精度的电流电压传感器对同一待测信号进行测量；并将n个电流电压传感器按测量精度由低到高的顺序进行排序依次测量待测信号；

该测量方法包括以下步骤：

其中：Res_bias为电流电压基准源输出信号偏差。

电流测量精度从低到高依次为MA、kA、A、mA、μA、pA；电压测量精度从低到高依次为MV、kV、V、mV、μV、pV。

本实施方式的方案包括各级测量部件、高精度电流电压基准源、上位机三个部分。

所述各级测量部件由若干不同量程、不同精度的电流电压传感器组成，量程越大、精度越低的传感器所处测量顺序越靠前。再通过与基准源部分、***电路部分和上位机部分进行配合实施分级测量策略，从而实现大电流、大电压信号的高精度测量。

电流电压基准源为一个或几个高精度的电流或电压源，作为分级测量策略中的基准源对实际需测信号进行各测量部分的补偿。

上位机接收各级测量部件的测量结果并对各部分结果进行拼接和整合从而给出最终完整的测量结果；并在各个测量阶段中控制电流电压基准源对需测信号进行相应补偿。

使用分级测量的策略，即先由量程大、精度低的初级传感器开始测量并取结果中的精确部分，后通过电流电压基准源将实测信号中的已确定的精确部分进行补偿，并对剩余信号进行下一级的测量直至量程最小、精度最高的传感器测量结束，再进行数据融合，从而实现对弱电领域的大电流、大电压信号的高精度测量。

如图1所示，先由测量范围最大、分辨率最低的测量部件1对待测信号进行测量，选取其中精确的部分作为测量结果的第一部分——测量结果1，并返回给上位机；上位机生成控制信号，通过高精度电流电压基准源产生和测量结果1同等幅值的信号，并与待测信号做差来减小下一级所需测量的量程，将待测信号变为中间信号1。再通过量程更小、精度更高的测量部件2来进行下一级测量，从而给出整体结果中间部分的测量结果2并继续通过基准源对待测信号进行补偿生成中间信号2。如此一级级测量直到量程最小、测量精度最高的测量部件n测量结束，将各部分测量结果通过上位机进行数据拼接、整合，即可得到最终测量结果，完成对于高精度大量程电流、电压信号的检测。

具体实施方式二：本实施方式给出一个具体实施例。本实施方式中测量部件为电流传感器，待测信号为电流信号。

假定待测信号为1.0012345678928…A，测量仪器分别为第1级电流传感器、第2级电流传感器、第3级电流传感器、第4级电流传感器，其量程与分辨率分别为±10A、1mA，±10mA、1μA，±10μA、1nA，和±10nA、0.1pA，是按精度从小到大的顺序排序的。电流基准源分辨率为10nA。

首先，待测信号由第1级电流传感器进行测量，测量结果为1.001A，忽略含有误差的最低位，则第1级电流传感器所测的结果精确部分——Res(1)为1.00A，则上位机控制电流基准源生成-1.00A的电流(第1路补偿信号)施加到待测信号上，从而生成第1路中间信号为：1.234567892mA(即0.001234567892A)。再通过第2级电流传感器对待测信号进行测量，测量结果为1.235mA，忽略含有误差的最低位，则第2级电流传感器所测的结果精确部分——Res(2)为1.23mA，则上位机控制电流基准源生成-1.00123A的电流(即第2路补偿信号，第1级测量结果Res(1)与第2级测量结果Res(2)相加的和信号)施加到待测信号上，从而生成第2路中间信号为：4.567892μA。再通过第3级电流传感器对待测信号进行测量，测量结果为4.569μA，忽略含有误差的最低位，则第3级电流传感器所测的结果精确部分——Res(3)为4.56μA，此时上位机应控制电流基准源生成-1.00123456A的电流(第3路补偿信号：Res(1)+Res(2)+Res(3))施加到待测信号上，从而生成第3路中间信号为：7.892nA。但由于电流基准源精度为10nA，故电流基准源生成-1.00123456A的电流时在最低位存在误差，故还需要通过分级测量的方法对电流基准源的输出值进行测量，从而得到电流基准源的准确输出值，精度需达到10nA。假设电流基准源生成的实际电流为-1.00123454A，则生成的实际第3路中间信号为7.892nA，测得电流基准源输出信号偏差Res_bias为-0.00000002A。

最后，通过第4级电流传感器进行测量，测量结果为7.8926nA，忽略含有误差的最低位，则第4级电流传感器所测的结果精确部分——Res(4)为7.892nA。最后通过上位机将4个测量结果(Res_1～Res_4)进行叠加组合得到测量结果为1.001234587892A。再通过测得的电流基准源输出信号偏差对测量结果1.001234587892A进行补偿，即得到最终精度为pA的测量结果——1.001234567892A。上位机对数据的处理公式可以总结为：

其中Res_final为最终测量结果，Res(i)为第i部分测量部件的测量结果的精确部分，Res_bias为电流基准源输出信号偏差。

以上对本发明提供的高精度大量程电流电压的分级测量方法进行了详细的说明，所使用的测量部件并不仅限于现有各类电流、电压测量仪器，也包括通过等效手段实现的电流、电压测量方法。对本领域的技术员而言，在不背离本发明精神的前提下对他所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims

1.高精度大量程电流电压的分级测量方法，其特征在于，该方法利用n个不同量程、不同精度的电流电压传感器对同一待测信号进行测量；并将n个电流电压传感器按测量精度由低到高的顺序进行排序依次测量待测信号；

该方法包括以下步骤：

步骤三、将第1路中间信号作为下一级待测信号，上位机控制第2级电流电压传感器对第1路中间信号进行测量，去掉最后一位误差位后，获取第2级测量结果Res(2)，并上传给上位机，第2级测量结果Res(2)的精确度为千分位；

<mrow> <mi>Re</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <mi>f</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mi>Re</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>Re</mi> <mi>s</mi> <mo>_</mo> <mi>b</mi> <mi>i</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> </mrow>

其中：Res_bias为电流电压基准源输出信号偏差。

2.根据权利要求1所述的高精度大量程电流电压的分级测量方法，其特征在于，电流测量精度从低到高依次为MA、kA、A、mA、μA、pA；电压测量精度从低到高依次为MV、kV、V、mV、μV、pV。