四线制电阻测量原理

51 四探针法测电阻率 1. 理解四探针测量半导体或金属薄膜电阻率的原理 2. 了解四探针测量材料电阻率的注意事项

实验原理 四探针法测量电阻率常用的四探针法是将四根金属探针的针尖排在同一直线上的直线型四探针法如图 1-1a所示。当四根探针同时在一块相对于探针间距可视为半无穷大的平面上时如果探针接触处的材料是均匀的并可忽略电流在探针处的少子注入则当电流 I 由探针流入样品时可视为点电流源在半无穷大的均匀样品中所产生的电场线具有球面对称性即等势面为一系列以点电流源为中心的半球面。样品中距离点电源 r 处的电流密度 j电场ε和电位 V 分别

直流四探针法也称为四电极法主要用于低电阻率材料的测量。使用的仪器以及与样品的接线如图3-1所示。由图可见测试时四根金属探针与样品表面接触外侧两根1、4为通电流探针内侧两根2、3为测电压探针。由电流源输入小电流使样品内部产生压降同时用高阻抗的静电计、电子毫伏计或数字电压表测出其他二根探针的电压即V23伏。 a 仪器接线 b点电流源 c四探针排列 图1-1 四探针法测试原理示意图 一块电阻率为的均匀材料样品其几何尺寸相对于探针间距来说可以看作半无限大。当探针引入的点电流源的电流为I由于均匀导体内恒定电场的等位面为球面则在半径为r处等位面的面积为2r2则电流密度为 jI/2r2 1-1 52 根据电导率与电流密度的关系可得 E2222rIrIj 1-2 其中E为电场强度σ和ρ分别是样品的电导率和电阻率。若电流由探针流出样品则距点电荷r处的电势为 rIV2 1-3 因此当电流由探针1流入样品自探针4流出样品时根据电位叠加原理在探针2处的电位为 在探针 3 处的电位为 式中的S1是探针1和2之间的距离S2是探针2和3之间的距离S3是探针3和4之间的距离。各点的电势应为四个探针在该点形成电势的矢量和。所以探针 2、3 之间的电位为 通过数学推导可得四探针法测量电阻率的公式为 IVCrrrrIV231341324122311112 3-4 式中13413241211112rrrrC为探针系数单位为cmr12、r24、r13、r34分别为相应探针间的距离见图3-1c。若四探针在同一平面的同一直线上其间距分别为S1、S2、S3且S1S2S3S时则

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浅谈二线法和四线法测量电阻的优缺点

作者：戴胜岳

来源：《科技资讯》2012年第34期

摘 要：介绍了普通两线法和开尔文（Kelvin）四线连接方式测试电阻的原理及其优缺点。

关键词：开尔文 四线法

中图分类号：TM934 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（a）-0232-02

通常1Ω以下的电阻叫作低电阻。在日常生产和实践中，很多时候要对低电阻进行测量，如电线电缆20℃导体电阻、金属热处理过程中的电阻、金属焊接后电阻率的变化，电阻值在10-4～10-8 Ω，甚至更小。因测量电路中总是存在接触电阻和导线电阻，其数量级有时和被测电阻相同，甚至高于被测电阻，所以会对测量结果造成很大影响，甚至使测量结果完全失去正确性。

在电机类产品温升实验中，测量绕线电阻时就会遇见此类情况。一般所用的测量仪器或设备都包含连接、激励、测量和显示单元，有时还有后期数据处理单元。采用不同的测量方法和不同的连接方式引入的测量误差不同，得到的测量精度也不同，如何根据需要减少测量误差是测试技术的关键之一。对这些特殊低电阻的测量，需要选择合适的电路，消除电路中导线电阻、漏电电阻、温度等的影响，才能把误差降到最小，保证测量精度。两线法和四线法是其中比较常见的测试方法，其中四线法具有灵敏度高、测量准确加上方法巧妙，使用方便、对电源稳定性要求不高等特点，因为四引线法较好地避免了接触电阻和导线电阻的影响，已被广泛地应用于安规电阻测试中。

1 二线法测试与四线法测试的优缺点

两线法是把连续被测电阻导线也接到数字多用表上，连接线的电阻也算在被测电阻值里，无法将它们分开。

四线法也称kelvin法测电阻，用一对导线接电流源，另一对线（感知线）把被测电阻上电压降引入数字多用表进行测量。由于流过感知线的电流很小，所以测量的电阻值更接近真实值。四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值。

两线制、三线制、四线制的区别和原理

几线制的称谓，是在两线制变送器诞生后才有的。这是电子放大器在仪表中广泛应用的结果，放大的本质就是一种能量转换过程，这就离不开供电。因此最先出现的是四线制的变送器；即两根线负责电源的供应，另外两根线负责输出被转换放大的信号(如电压、电流、等)。DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表的出现，供电为220V.AC，输出信号为0--10mA.DC的四线制变送器得到了广泛的应用,目前在有些工厂还可见到它的身影。

七十年代我国开始生产DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表，并采用国际电工委员会(IEC)的:过程控制系统用模拟信号标准。即仪表传输信号采用4-20mA.DC,联络信号采用1-5V.DC，即采用电流传输、电压接收的信号系统。采用4-20mA.DC信号，现场仪表就可实现两线制。但限于条件，当时两线制仅在压力、差压变送器上采用，温度变送器等仍采用四线制。现在国内两线制变送器的产品范围也大大扩展了，应用领域也越来越多。同时从国外进来的变送器也是两线制的居多。

因为要实现两线制变送器必须同时满足以下条件:

1．V≤Emin-ImaxRLmax

变送器的输出端电压V等于规定的最低电源电压减去电流在负载电阻和传输导线电阻上的压降。

2. I≤Imin

变送器的正常工作电流I必须小于或等于变送器的输出电流。

3. P＜Imin(Emin-IminRLmax)

变送器的最小消耗功率P不能超过上式,通常＜90mW。

式中:Emin=最低电源电压，对多数仪表而言Emin=24(1-5%)=22.8V,5%为24V电源允许的负向变化量；

Imax=20mA；

Imin=4mA；

RLmax=250Ω+传输导线电阻。

如果变送器在设计上满足了上述的三个条件，就可实现两线制传输。所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。两线制变送器由于信号起点电流为4mA.DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA.DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。而且两线制还便于使用安全栅,利于安全防爆。

四线制电阻测量原理

1. 前言

在电路中，电阻是非常重要的元件之一。为了准确测量电阻的数值，工程师们发明了各种测量电阻值的方法。其中，四线制电阻测量原理是一种精确测量电阻值的方法。

2. 传统电阻测量方法的问题

在传统的两线制测量方法中，电压电流的测量都是通过同一根导线进行的。然而，导线中会存在一定的电阻，会对测量结果造成影响。这种影响称为导线电阻影响。为了尽量减小导线电阻的影响，通常需要使用较粗的导线材料，增加导线的横截面积。但即使如此，导线电阻依然会引入一定的误差。

3. 四线制电阻测量原理的基本概念

四线制电阻测量方法通过使用两对导线，分别用于电流源和电压测量，从而消除导线电阻对测量结果的影响。其中，电流源导线称为电流线，用于提供稳定的电流；电流测量导线称为电流测量线，用于测量电流源输出的电流；电压测量导线称为电压测量线，用于测量待测电阻两端的电压。

4. 四线制电阻测量原理的工作原理

在四线制电阻测量中，首先通过电流线和电流测量线连接待测电阻，使电流从电流线流过待测电阻，并通过电流测量线返回电流源。然后，通过电压测量线连接待测电阻两端，测量待测电阻两端的电压。

根据欧姆定律，电阻可以通过电流和电压的比值计算得到。而在四线制电阻测量中，电流线和电流测量线之间的电压降为导线电压，可以通过测量电压测量线两端的电压得到。因此，可以通过以下公式计算电阻值：

电阻值 = 电压测量线两端电压 / 电流测量线电流 5. 四线制电阻测量原理的优点

相较于传统的两线制电阻测量方法，四线制电阻测量具有以下几个优点：

5.1 消除导线电阻影响

通过使用独立的电流线和电压测量线，四线制电阻测量消除了导线电阻的影响，可以得到更准确的电阻值。

5.2 提高测量精度

四线制电阻测量方法不仅可以消除导线电阻的影响，还可以避免其他测量误差如电压源内阻和测量仪器电阻对测量结果的干扰，提高了测量的精度。

5.3 适用于低电阻测量