低電壓測量中常見的誤差來源分析

表1 賽貝克系數

　　使用相同材料的導體來構建電路可以將產生的熱電動勢降至最低。例如，使用銅制套筒或接線片來連接銅導線，也就是形成銅 -銅的連接，將會產生最小的熱電動勢。而且，連接處還必須保持清潔、沒有氧化物。銅制套筒與銅壓制在一起的連接（又稱為“冷焊接”）不會出現氧化層，這時可達到 ≤0.2μV/℃的賽貝克系數；而銅與氧化銅的連接則可能產生高達 1mV/℃的賽貝克系數。

　　將電路中的溫度梯度減至最小也可以降低熱電動勢。使溫度梯度降至最小的一種方法是將相應的結點對放置在互相接近的地方，并與一個公共的、大的散熱器實現很好的熱接觸。必須使用高導熱系數的絕緣體，因為大多數絕緣體都不能很好地傳導熱量，所以必須使用硬質陽極化鋁、氧化鈹、特別填充的環氧樹脂、藍寶石或者金剛石等類的特殊絕緣材料來實現與散熱器的接觸。

　　對測試設備進行預熱并使其在恒定的環境溫度下達到熱平衡也能使熱電動勢效應達到最小。如果熱電動勢相對為恒定的話，使用儀器的消零功能也能夠補償任何剩余的熱電動勢。為了使環境溫度保持恒定，應當使儀器設備避開陽光直射、排氣扇以及其它類似的熱流源或者氣流。用絕緣泡沫（例如聚亞安酯）將連接點包裹起來，也能夠使由于空氣流動引起的溫度波動降至最小。

　　1 避免熱電動勢的連接方法

　　如圖1所示，簡單的低壓電路通常由處在不同溫度下的不同材料連接在一起而構成。這樣就會產生若干熱電動勢源，所有這些熱電動勢源都與電壓源和電壓表相串聯。而電壓表的讀數則是所有這些源的代數和。因此，不使信號源和測量儀器之間的連接電路影響測量讀數是非常重要的。以下各段將介紹一些很好的電路連接方法，以便使熱電動勢的電壓達到最小。

　　如果所有的電路連接都用一種金屬材料來實現，那么在測量工作中所引入的熱電動勢將是可以忽略的。然而這并非總是可以做到的。測試夾具常常采用彈簧觸點的連接方法，這些觸點可能由磷青銅、鈹銅合金或者其它具有高賽貝克系數的材料制成。在這些情況下，很小的溫度差別就可能產生相當大的熱電動勢，足以影響測量的準確度。

　　如果無法避免使用不同材料的話，則應當通過使用散熱器或者將電路與熱源隔離的方法，來減少測試電路內的溫度梯度。

　　測量低溫環境下的源時可能會出現一些特殊的問題，因為連接低溫條件下的被測樣品和電壓表時常常要使用一些導熱系數比銅低的金屬，例如鐵等。這樣就會在電路中引入不同種類的金屬材料。此外，由于源可能處在接近0K的溫度之下，而電壓表則處在300K的溫度之下，這就出現了很大的溫度梯度。適當的選配低溫容器和電壓表之間連接導線的材料成分，并且保持所有不同金屬材料結點對都處在相同的溫度之下，就能夠以很好的準確度來進行非常低電壓的測量。

　　2 反向法來抵消熱電動勢

　　在測量小電壓的時候，例如測量兩個標準電池的電壓差或者測量兩個背對背連接的熱電偶的電壓差時，可以采用反向的方法來抵消寄生熱電動勢所產生的誤差。其方法是先進行一次測量，然后小心地交換兩個源的極性（如圖2），再進行第二次測量。這兩個測量讀數之差的平均值就是我們所希望的電壓差。

　　在圖2中，電壓源Va、Vb代表兩個標準電池（或者兩個熱電偶）。在圖2a中測量出的電壓為：

　　在圖2b中將兩個標準電池反向，測量出的電壓為：

　　兩次測量值之差的平均值為：

　　注意，這種測量技術有效地抵消了電路中的熱電動勢項（Vemf）。這個熱電動勢項包括電路中所有熱電動勢的代數和，但不包括Va 、Vb 兩個電壓源之間的連接部位所產生的熱電動勢。如果被測電壓是由電流流經一個未知電阻而產生的，那么可以采用電流反向法或者偏置補償歐姆法來消除熱電動勢的影響。