简单有效测量电阻温漂的一种方法

longshort

今天用本例方法（简称体温法）测试了三个商家共六种阻值的1/4W金属膜电阻，测量结果如下：





从上往下销售商分别是南京仁众、杭州优x、上海电子元器件之家、上海电子元器件之家、上海电子元器件之家、南京仁众。

根据阻值的不同，温漂分辨率分别为9.1ppm、9.1ppm、9.1ppm、30ppm、18ppm、9ppm。同一电阻档内，阻值越大分辨率越高。

从上往下数第三个电阻器的测试数据是0.1%误差，用来作为对照的，显然它的温度系数要小得多。

从数据来看，南京仁众和上海电子元器件之家销售的产品一致性较好。杭州优x的产品是台资，产品质量如何，显然无须明说了。

wbxms

楼主辛苦了。支持用实测数据说话。
里面有几个温漂为零的，觉得奇怪。一般情况下，即使是上百元一只的金封箔块电阻（标称5ppm以下），也很难找到达到这个指标的。这个问题值得进一步研究。
楼主的测试起码说明了，现在市场上多数现代型金属膜电阻（色环电阻）温飘这个指标并不差。我一向反对在缺乏实测数据，缺乏根据的情况下仅凭个人印象随意褒贬某件产品。

longshort

楼主辛苦了。支持用实测数据说话。
里面有几个温漂为零的，觉得奇怪。一般情况下，即使是上百元一只的金封 ...
wbxms 发表于 2011-6-24 17:37

    是的，这是低位表的局限。数据中有些电阻的TCR为零，实际并不一定有那么好。根据表中对应的分辨率，9.1ppm的分辨率表示从0ppm到9,1ppm都有可能，且方向是不定的。这需要使用更高位的数字表来检测。所以表中数据都是以相对应的分辨率步进的。

序号21的电阻器的高温点阻值是估读值，末位显示“8”大体上占四分之一的时间，四分之三的时间则显示“7”，因而认为其值在7.75~8.0之间，取了读数“78”。

3512435

有时间也试试看

washu

...里面有几个温漂为零的，觉得奇怪。一般情况下，即使是上百元一只的金封箔块电阻（标称5ppm以下），也很难找到达到这个指标的。这个问题值得进一步研究。
wbxms 发表于 2011-6-24 17:37

   
这个问题我上次就说过了，这次说详细一点：

1、这种测试是“两点测试”，建立在被测相关量为一次函数基础上。而电阻器、PN 结等很多电子元件的温度系数不是一次函数。比如纯净物体电阻温度系数公式为
R=Rc( 1+alpha( t-tc ) + beta( t-tc )^2 )


因此很显然这是一个如下图般的曲线：


注意上图是“电阻值”-“温度”曲线，如果把纵轴从“电阻值”变为“电阻值的变化率（德尔塔 RvsR）”，那么曲线看起来像这个样子



也就是说，在某个温度范围内，它的温度系数可能会反过来；在某个区间上它的变化率会趋于 0，...等等。所以，测试出“近乎 0”的结果是可以理解的。此外这是纯净物体的公式，如果是混合物体，比如几种金属的合金、金属氧化物等等，那么由于各自的温度系数、温度系数变化率均不同，综合起来的结果就是第一幅图的曲线，会有三个、四个乃至更多的波峰波谷，且出现在不同位置。所以会出现这样的结果，是因为测试方法的数学原理，不是那么正确的缘故。
*对于金属来说，上算式中的 beta 很小，所以很多人错误认为 beta 只用于热敏电阻计算，而简单把普通电阻器（实际上很多普通电阻器也就是用金属做的）温度曲线认为是一次函数了

2、热电势的误差难以消除，尽管楼主认为这不重要。我记得大学实验课有“测定金属的温度系数”，使用的是万用电桥，为什么呢？实验指导手册上说，由于测试需要给被测电阻加热，热电势是难以消除的，用直流电桥很难消除这一误差，因此使用万用电桥，万用电桥使用交流电来测试，能较好消除这个误差。一些万用表，也通过给测试电流换向或断开测试电流进行补偿的方式尽可能消除热电势导致的测量误差。

longshort

目前的市售电子器件中，稳压管、基准管、基准芯片等的TCR比较适用于第一图，而第二图的合金箔电阻不是一般爱好者用得起的，不过对于现代普通金属膜电阻的TCR设计，多半在全温范围（0~70C）呈现单调上升或下降的斜率，这有别于过去的设计理念。此外，现代电阻器在20~40C范围内的曲线比较平直，有助于一般的设计和应用。

前天对几个3296的多圈电位器加温测试，发现在45C之下时TCR基本上是平的，过50C后就呈下降趋势，有点象第二图中的C类合金TCR曲线的右半部分。

xjw01

我想只要满足一定的实验条件，并且定出特定方法的分辨率下限，那么简单的方法仍然是准确而有效的，当然，所 ...
longshort 发表于 2011-6-22 16:20

    功率法能否考虑使用用串联中频电压加热使之升温。如果可行的话，将变得比较简便。
中频电使用磁环耦合得到。

longshort

功率法能否考虑使用用串联中频电压加热使之升温。如果可行的话，将变得比较简便。
中频电使用磁 ...
xjw01 发表于 2011-7-5 07:53

无论是直流电流还是中频电流，在电阻器中产热的机理是一样的，所以还是直流来得简便。最近的功率法实验应该说没有成功，对于1/4W金属膜电阻，与自然升温法比较一致的施加功率不能低于全功率的20%，但也不能高于全功率的70%，且并不在所有值的范围都适用。所以最后还是觉得外部升温的方法比较简单可靠，就是一定要准备一个温度测量的表，否则没有温度坐标就等于少了一个必要的变量。

加温可以使用电吹风，把温度探头和被测电阻用胶带绑一下，就可以进行测量了。不过吹风温度要控制住并保持几秒钟以稳定阻值，否则读数会乱跳。温差大些算出的TCR会精确些，但是可能曲线会发生变化。

washu

...目前的市售电子器件中，稳压管、基准管、基准芯片等的TCR比较适用于第一图，而第二图的合金箔电阻不是一般爱好者用得起的，不过对于现代普通金属膜电阻的TCR设计，多半在全温范围（0~70C）呈现单调上升或下降的斜率，这有别于过去的设计理念。此外，现代电阻器在20~40C范围内的曲线比较平直，有助于一般的设计和应用
longshort 发表于 2011-7-5 07:31

   
我都强调了，第一个图是电阻值-温度曲线，曲线的斜率是温度系数；第二个图是电阻的变化率-温度曲线，曲线的斜率是电阻的变化率的变化率（温度系数的变化率），因此即使是普通电阻，其温度系数（不是电阻）也会在某个温度区间呈下图的曲线，并非只有金箔电阻才有这个表现。只不过，金箔电阻的 alpha 平缓且 beta 很小很小很小很小，一般电阻 a 陡峭，beta 稍大。

但你后面说的话是正确的，现代电阻器设计，尽可能保证常温区的斜率单调且小，因此测试出很小的温度系数是不奇怪的事情。而厂家给出比如 50ppm per K、100ppm per K 的温度系数，是在 -55 to +125 度（或某个温度范围），然后就一个很大的测试基数，比如抽测 1 万个，得出的综合数据，其中某个随机样本，也可能很小，比如几个 ppm per K，而某个样本也可能很大，达到0.02、3% per K 也不奇怪。因此我们的小样本测试，定性和定量依据都不是很充足。

washu

...加温可以使用电吹风，把温度探头和被测电阻用胶带绑一下，就可以进行测量了
longshort 发表于 2011-7-5 08:07

   
定量测试我认为这样是不可以的，就好像我之前用手指头捏、用烙铁烫，那个是定性测试，比如反映了 PTF56 好过国产 RJ14，RJ14 又好过不知名细铁脚假冒伪劣电阻。

定量测是的话，你这样温度不均匀，导致的问题很多。我尝试制作了微型恒温槽，将 Fluke 金封电阻放进去测试，环境温度 32-34 度，恒温槽设计温度 58 度（尚未用 18b20 准确测试），经过反复三次的加热冷却，确定每次加热到恒温后、撤掉回复常温后电阻值都一致，定量计算出此电阻温度系数，结果比 Fluke 标称略微大了一点点点。从加热情况看来，恒温槽到达恒温后，电阻值还有一个快速 - 缓慢的波峰-波谷过程，最后趋向于 0 变化，整个过程第一多小时有余，撤掉恒温槽，电阻恢复常温也需要大半个小时，一次测试周期大约两个半到三个小时以上，还只是为了研究测试方法进行的非常粗糙的测试。所以你用很短时间快速测试了很多电阻的数据，我认为不能作为定量研究用。


测试用装置和电阻处理，用两个大功率三极管作为发热元件，一个三极管 Vbe 作为温度反馈，LM358 双运放控制，AD780 作为电压/温度基准；用 4 跟细铜导线焊接在被测电阻末端（焊接时用铜夹子夹住电阻引脚、防止热量导入电阻内部），这样内部和外部的温差就只在铜导线上，任何不同金属之间的连结点之间都没有温差，保证尽可能低的热电势（即使如此，加温后测试也有几个 uV 结果，而常温下不到 1.6uV）



第一次加热至稳定：



撤掉：


第三次加温前，于常温下测试电阻值：



第三次加温至稳定（两个字的差别，与诸多因素，包括环境温度有关，可以忽略不计）：



恢复常温稳定后测试电阻值，与加温前一致：




以最后一次测试值计算，电阻变化 1.23 毫欧姆，温度变化 24 度，温度系数 2.56ppm per K，Fluke 标称值 2.5ppm，大致相当。

longshort

我都强调了，第一个图是电阻值-温度曲线，曲线的斜率是温度系数；第二个图是电阻的变化率-温度 ...
washu 发表于 2011-7-5 13:12

哥们，您把问题复杂化了。本帖的前提就是在业余条件下的“简单”和“有效”，对于二次及二次以上的曲线，没必要去研究为什么。再说那个贝他值一般都很小，没有您的第一图那么夸张，真要追究它的作用，那就得把范围扩大到您说的那个-55C~+125C，可是民用品根本不需要考虑这么多，普通爱好者的应用范围也就0~50C的范围。在这个范围里，完全可以简化掉二次项，或者稍微复杂一点点，将0~25C和25~50C分为两个折线段，拟合的误差也不见得大到哪里去，毕竟要的是“简单”和“有效”。

另外，业余条件下这样测量电阻的温漂，多半就是为了自己的设计选配材料，这跟几万个测试的批量好象没什么关系吧。

washu

哥们，您把问题复杂化了。本帖的前提就是在业余条件下的“简单”和“有效”，对于二次及二次以上的曲线， ...
longshort 发表于 2011-7-5 13:53

   
阿，我这是解释：

里面有几个温漂为零的，觉得奇怪。一般情况下，即使是上百元一只的金封 ...
wbxms 发表于 2011-6-24 17:37

所以，要理解为何厂家给出的数据很大，自己实测可能很小甚至为零，需要理解温度系数的数学原理，以及测试的统计原理。另外，第一个图纵轴是按 ppm 画的哦，一点都不夸张 所以它在曲线上又画了一条斜线，意思就是，实际使用的时候，按照这条斜线的斜率去理解温度系数就可以了，曲线是正经的，但你用不着。

至于“简单有效”地去测试，我认为不如不要去测试，只要大家是买的正品而不是山寨货，一般都不会有需要担心的问题，厂家也会有数据，只要正确理解这个数据就可以了。而极少数业余爱好者比如 38 那边捣鼓的标准电阻温度系数补偿什么这个那个的，才需要自己去搞这种测试，而且我对这个测试的方法也存疑（温度差、热电势、测试电流与温度系数反转等）。

longshort

定量测试我认为这样是不可以的，就好像我之前用手指头捏、用烙铁烫，那个是定性测试，比如反映了 PTF56 好过国产 RJ14，RJ14 又好过不知名细铁脚假冒伪劣电阻。

定量测是的话，你这样温度不均匀，导致的问题很多。我尝试制作了微型恒温槽，将 Fluke 金封电阻放进去测试，环境温度 32-34 度，恒温槽设计温度 58 度（尚未用 18b20 准确测试），经过反复三次的加热冷却，确定每次加热到恒温后、撤掉回复常温后电阻值都一致，定量计算出此电阻温度系数，结果比 Fluke 标称略微大了一点点点。从加热情况看来，恒温槽到达恒温后，电阻值还有一个快速 - 缓慢的波峰-波谷过程，最后趋向于 0 变化，整个过程第一多小时有余，撤掉恒温槽，电阻恢复常温也需要大半个小时，一次测试周期大约两个半到三个小时以上，还只是为了研究测试方法进行的非常粗糙的测试。所以你用很短时间快速测试了很多电阻的数据，我认为不能作为定量研究用。


测试用装置和电阻处理，用两个大功率三极管作为发热元件，一个三极管 Vbe 作为温度反馈，LM358 双运放控制，AD780 作为电压/温度基准；用 4 跟细铜导线焊接在被测电阻末端（焊接时用铜夹子夹住电阻引脚、防止热量导入电阻内部），这样内部和外部的温差就只在铜导线上，任何不同金属之间的连结点之间都没有温差，保证尽可能低的热电势（即使如此，加温后测试也有几个 uV 结果，而常温下不到 1.6uV） ...
washu 发表于 2011-7-5 13:27

温度是否均匀的问题，要看设计的方法。我用手指捏的方式就是考虑到小范围内的温度探头与电阻器的温度均衡，四周都是封闭的，探头与被测件的距离等于零，完全可以认为温度是同步变化的。如果用电吹风加温，用胶带或塑料袋封实而形成密闭空间，那样也能得到温度场均匀的环境的。只要方法得当，得到的结果一定是可信的。并且因为这些方法的温度都不是很高，对电阻器伤害小，测试的重复性和重现性都很好。

有恒温槽当然好，可是有几个人拥有它呢？再说恒温槽内部仍然存在温度场，无论时间多么久，温度的一致性都是有限的。没有具体的目的性，TCR的测量几近没有意义。说实在的，精密测量和粗略测量是由于不同的应用目的而区分的，不能简单地照搬计量学的方法去处理业余应用的数据。对于校准三位半、四位半甚至五位半的表来说，粗略测量的TCR分辨率有10ppm就足敷应用了。退一步来说，如果需要配一组电阻器以用于分压器、升压器等，假如这组电阻器的TCR在15~20ppm之间分布，只要保证漂移方向一致，那么配合出来的分压器或升压器由TCR引起的比例误差就可以控制在最大5ppm，这并不需要很高级的测试手段。

实际上，测试数据的可信度与要求的项目准确度、稳定度有关系，过高的测试精度用于运行性能并不高的项目上，不仅伤财，而且也很劳民啊．．．

wbxms

所以，要理解为何厂家给出的数据很大，自己实测可能很小甚至为零 ...
washu 发表于 2011-7-5 14:15

我认为实测普通金属膜的温漂在0附近，可能性不大。
前边几位讲的都很对，严格的讲电阻的温漂曲线就应当是一条规则或不规则的曲线。
高档的箔块电阻或是专门的金封线绕温漂曲线很可能通过零点或是实测值明显低于标称值（例如标称2ppm实测0.3ppm），是因为它们设计和制造的时候仔细研究了温漂的构成因素并进行精心选择，也就是说，这些东西本身就是使用了极低温漂的材料和工艺；另外通过选择，使构成温漂的几个因素互相进行反向补偿，因此最后的效果就是总的温漂更低，并且有可能在某一个区间通过零点，所以说这些电阻测得值比标称参数明显低一些甚至为零都不奇怪，超标的几乎没有。
相比之下，普通的金属膜电阻有可能使用低温漂的浆料等技术，受成本限制，不大可能使用多项低温漂措施并且进行很有效地反向补偿，因此表现在温漂曲线上，就是这条曲线不通过零点的水平线。也就是说，它的温漂曲线总在远离零点的地方摆动。
以上只是个人粗浅看法，没有得到权威证实。

longshort

阿，我这是解释：
...至于“简单有效”地去测试，我认为不如不要去测试，只要大家是买的正品而不是山寨货，一般都不会有需要担心的问题，厂家也会有数据，只要正确理解这个数据就可以了。而极少数业余爱好者比如 38 那边捣鼓的标准电阻温度系数补偿什么这个那个的，才需要自己去搞这种测试，而且我对这个测试的方法也存疑（温度差、热电势、测试电流与温度系数反转等）。
washu 发表于 2011-7-5 14:15

"不如不要去测试"——这个可不敢苟同。
50ppm的器件和25ppm的器件在四位半表上很容易区分出来。+50ppm和-50ppm的器件那就更明显了，我用它来做东西还有意义么？无论如何，用常规的业余手段将材料匹配到5ppm的水平，无疑是件非常有意义的事情。