鉴别微电流测量水平的镜子

2011-8-3 17:49

检验产品性能水平必须有个标准,
检验微电流测量仪器的水平,应当参考以下技术指标:

1, 最小等效电压源电动势
电流源与电压源间可等效变换。
  虽然大多高阻测量, 泄漏电流测量,半导体测试等,所加的测试电压较高, 运算放大器失调电压和信号输入回路的热电势等等可忽略,  但当等效电压源电动势较小时影响将极大.

例如光电二极管和某些场合，光敏二极管的等效模型是电流源与分流体电阻和二极管的并联.

  以滨松的S2386-8K为例，25度时，体电阻最小200M欧，反向饱和电流最大50pA，
  光照度10-6lx时光电流最小0.26pA，不考虑二极管影响时，等效电压源的电动势为
  52微伏。如采用类似LMC6062的前置运放，不考虑其他因素，仅0~50度时失调电压可达150微伏，可造成极大误差。
LMC6062的失调电压150微伏时，300K度可使二极管分流0.29pA，体电阻可分流0.075pA，而光电流仅为0.26pA，误差极大。

2，测量的动态范围
做为产品，尤其是仪器，必须有可测量的范围：如最小量程和最高量程。
在相同读数精度下，一个仪器量程范围1pA~100pA(100倍）, 另一个仪器1pA~20mA（20亿倍），哪个好？

3，测量精度
读数精度：若干次测量示值的平均值与参考值的差与参考值之比
读数重复精度：若干次测量示值间的最大跳动量与参考值之比
满量程精度：若干次测量示值的平均值与参考值的差与量程之比
满量程重复精度：若干次测量示值间的最大跳动量与量程之比
灵敏度（分辨率）：若干次测量示值间的最大跳动量的2倍
测量范围：灵敏度值~最大量程

显然，读数精度比满量程精度苛刻的多。

4，响应速度
当输入信号阶跃变化，示值达到稳定所需的时间。

5，输入电缆最大长度
绝大多数实际应用，输入信号电缆是伸出仪器的，其长度对测量可有很大影响。

6，环境温度范围
很多参数是温度的函数

7，环境最高湿度
   湿度对高阻及微电流测量影响极大

8，IP防护等级
   污染等级对高压系统、高阻测量和微电流测量影响极大

9，开机预热时间
   好仪器不存在预热，一些仪器需预热数十分钟甚至一两小时。

10，供电电源
   电网供电，还是电池供电，结果可差很大

11，EMC
   EMC不同等级对此类测量影响差别可极大

12，振动冲击
   对此类测量的影响不容忽视

13，量程转换
   自动还是手动，对响应速度指标影响很大。

彭建学  上海

2011-8-3 18:01

还有：
1，材料成本
2，制造环境要求
3，制造工艺成本（含周期）
4，产品的一致性
5，产品的维护成本
6，采购周期
7，检验及测试成本（含周期）

彭建学上海

彭建学上海

2011-8-3 18:19

如果每层都有可能漏电时，每层都得加，
此时，只能架“高架桥”了。

做到完全不漏电不可能，首先彻底绝缘的材料不存在，其次，运放表面和其内部也会漏电。

彭建学上海

2011-8-4 11:55

回6楼：
1，考虑最坏情况进行设计，绝不一定增加成本。
好的技术就是用低廉的原材料，实现性能优异的产品，这是我一贯的设计风格。
比如，我测量1PA, 用偏置电流1000pA的运放就可了，我也不会用超过100M的取样电阻，我也不用
电池供电，我也不会用金属机箱，测试电缆长度允许至少2米，

2，如果非自动校零，那么温漂指标将难以保证，这会对环境温度有严格要求，并且开机必须进行较长时间
的预热（热稳定时间）。
  我设计的产品必为自动校零，且一般最多只有一个调节电位器，那就是A/D转换电压基准调节。

3，筛选必会增加原材料成本（当选用原材料本身就贵时，更是如此），和人工成本。
  我设计产品时因考虑了离散性和最坏情况，因此不需筛选，并且原材料本身就便宜。

  一些原材料筛选代价很高，甚至只能在整机后筛选。

4，非线性时变的偏差无法消除。
比如100G欧取样电阻，如果要求不管在工业或实验室环境怎么变，等效取样电阻误差不超过0.1%，
那么与100G电阻并联的分流泄漏电阻要高达100000G，除非整台仪器置于真空中。

  相对于100M ，100G对生产工艺要求会高很多，材料成本和人工成本会高很多。

5，测量范围和精度是仪器的重要指标

用假如1pA~20mA, 取样电阻分10档，最大取样电阻100G，如果用干簧继电器切换取样电阻，假如对100G档分流误差0.1%，不考虑其他分流，仅考虑干簧管分流，要求每个干簧管断开电阻高达10×1000×100＝1000000G欧，工艺能保证吗？如何检验工艺？

6，只按典型值设计，是不负责任的设计，这会产生两个结果：一是依赖整机筛选，而是让用户碰运气。
说到低，要么责任心问题，要么水平问题，要么认识问题。
大多大学老师无法理解15年总工经历的我为什么要在不增成本的基础上，非按最坏情况设计产品不可。
引起动车事故的产品是否按典型值设计的，我得怀疑。

7，就个体而言，我不认为外国人设计的就是好的，我见多了去了。很多问题用耳朵也能想出来，为何要解剖外国的？

8，弄个运放、电池、几个电阻放在金属盒里开着，就算达到某某级别啦，那还要什么产品规范和标准干吗？

不谈测量范围、不谈精度、不谈环境条件、不谈...........，只谈达到多少级，还比来比去，是否欠谨慎.

我的贴子很少有绝对的词，常用“可，大概，约，较”等字眼。

彭建学  上海

2011-8-5 10:35

回9楼：
  1，对24位A/D方案：
   根：基准和250欧电阻稳定性
   关键点：对满度20mA，24A/D极限分辨力1.192nA；实际分辨取决于等效带宽（1秒即1Hz）内的噪声
         量； D/A等效位数需至少26位。
  2，对PWM方案：
   根：基准稳定性、斜波稳定性及斜波中杂波分量
   关键点：比较器和驱动器件的响应速度、边沿陡度、传输电缆分布参数。

如此高的分辨率，能否采用通信？

回15楼：
   主要技术指标：
   测量范围0.1pA~20mA, 最小量程1pA,
      精度：5%@1～100pA, 2%@100pA-10nA, 1%@10nA~1uA, 0.5%@1uA~100uA,
               0.2%@100uA~20mA
      速度：0.5秒～1毫秒@手动量程转换；3秒～30毫秒@自动量程转换
   工作环境温度：－10～55度
   工作环境湿度：20～85%RH
   开机预热：小于5度开机预热15分钟，高于5度无需预热。
   供电：220VAC+/-20%
   电缆长度：最大2米
RS232接口：

定型产品为 keithley的1/5价格。

彭建学  上海

2011-8-5 10:54

用什么原材料不是关键，关键是作为产品必须要有适应性，要符合规范和标准。

先不谈成本（包括制造、装配、检验成本），100M欧和100G欧那个适应性好？哪个更令人放心？

绝大多数技术秘密都是窗户纸，没捅破前很费劲，所以不要小看雕虫小计，细节决定成败，我很欣赏雕虫小计多的人，我很想做这样的人。

复杂高深的东西，分解开都是雕虫小计。

我们公司的产品高的80万一台，但我们还是努力减小成本，用我们同事的话说，可至少省出天天喝酒的钱。

减少成本和降低资源消耗，至少是做事努力的表现。

彭建学上海

2011-8-5 13:32

回楼上:
1, 测量范围不是叫用户拆来拆去的，
那不是仪器，是玩具
2，梅雨天10pA, 晴天1fA, 不是仪器，是玩具

3, 最小量程1pA（灵敏度0.1pA），不超过100M ,这是我的过往成绩。
最小量程0.1pA(灵敏度10fA），就用100M ,凭我的经验，没有任何问题，速度会降低3倍，
而且自动量程，最大量程20mA, 而且满足电子测量仪器通用技术条件。

我只看人家的说明书，从不拆人家的东西，我做的东西，照样不少国外著名企业买。

彭建学上海

2011-8-6 17:11

其实,我在lymex的帖子中对他做的表示了赞赏,
但我觉得他的表述可能会引起误导别人,
给人感觉是: 采用超高阻好象超微电流测量的唯一途径, 至少极其重要.

也许密封在真空管内的100000G欧电阻能够做到很稳定，但管外、安装基础、pcb表面、芯片表面
泄漏电阻受环境影响很大。

测微电流需要用高阻，但任何事不能走极端，极端走到一定程度，自然就会有限制因素，

事物总是共生的，只不过是不同条件下显现的程度不同。

彭建学上海

2011-8-8 17:18

回27楼：
1，0.1pA是我09年水平，而且最大量程20毫安，自动量程。

你是靠人工拆换电阻更换量程。
2，自动量程的方法有多种，成本代价相差很多，我那1秒是成本最低的自动量程方法。
  自动量程识别是需要时间的。

3，你按你自己的想法来别人的思路，断定别人的水平，本身就没有科学性。

4，说实在的，你做的和你说的，实在反映不出你是个思路狭窄的人，误导自己可以，误导网友则很不应该。

5，“如何防潮、如何扩大动态范围，可以用常规的办法解决”，这句话，只有你能够轻漂漂说出来，
  说明你不是一个做事说话严谨的人。

6，你别忘了，你说你是1982年就在英国研究微电流测量了。

我本身是学柴油机出身的，电尤其微弱信号测量是自学的，你跟我比什么？

7，我的0.1PA水平是两年前做的，到现在没长进。
一是我不可能天天玩它；二是我想你这样搞，早就轻松1fA了；三是我敢肯定的说，我做出经得起用的，100M欧电阻测0.01pA，十分的轻松。

8，你说我理论脱离实际，恐怕说反了。我在企业做了15年总工了，你做了应该有20年吧？
如果你是大学老师，你说的做的，我能理解。

9，请说说与1000G欧电阻等效并联的泄漏电阻如何做到较高湿度和存在一定污染下大于10000G，才仅仅
  保证这一项误差不超过10%？

10，测量微电流，仅靠高阻和防潮防污染, 靠人工换电阻来选量程，只是你的认识和水平。

彭建学  上海

。

2011-8-9 09:14

微电流信号测量的要点：
1，调制
由于测量“系统”存在多种直流偏置，且这些偏置是随时间和温度漂移的，
因此，必须采用调制，才能使保证良好的环境适应性。
否则，靠人工时刻校零是不实用的。
2，自动量程
仪器的量程范围都较广，否则不是仪器，可能是工业用的传感器或变送器或其它单一量程的东西。
3，反馈回路
反馈电阻不宜过大，否则与反馈电阻并联的泄漏电阻会带来很大误差，由于泄漏电阻与环境湿度、污染
度、温度、材质密切相关，很难消除其影响。
4，响应速度
响应速度可定义为对阶跃输入的响应时间，不是指数据更新速率。
5，100M欧测1fA,电压信号为0.1微伏，是完全可以的，但速度必须降低。
如自动量程，速度还要降低，降低多少取决于自动量程的设计成本。
6，输入电缆及其处理
7，我是做事说话很保守的人，因为我专门从事产品研发21年，再简单的东西做好了都要下功夫。
8，我原本也是很心高的人，什么都认为简单，真正做了之后，才发觉想的太简单了。
我真的没有一丝唬人的动机，只是提个醒：要想做好，就得认真对待，不要盲目。

彭建学上海

2011-8-9 22:28

自然辩证法告戒我:
1,走极端就是回到原点
用偏流很大的运放测fA行不通；
  一味追求低偏流的运放也无用，因为1V电压通过1000G表面泄漏电阻就有漏电流1000fA；
用1k欧电阻测fA行不通；
  一味追求超高阻也无用，因为与100G取样电阻并联的泄漏电阻在不同环境条件下变化极大；
2，量变到质变
1G~1000G表面泄漏电阻与1M取样电阻并联值，基本还是1M欧。
1G~1000G表面泄漏电阻与100G取样电阻并联值，在1G~100G间变化。
3，事物是共生的
强信噪比时，噪声忽略；
弱信噪比时，多种噪声淹没信号；

微弱信号检测技术的核心是：一是抑制噪声（包括直流偏置及其漂移），
                        二是精确检测被噪声淹没的信号，
                        三是环境的适应性，如温湿度
                        四是保证一定的实时性，即响应速度，
                        五是具备一定的测量范围，满足不同客户的需求

彭建学  上海

2011-8-9 22:50

工艺是表，技术是根。

例如：
1，温漂
恒温控制，代价高；
自动校零，代价低；
2，直流泄漏
手动校零，存在时漂和温漂；
自动校零，时漂和温漂可忽略；
3，反馈电阻
超高阻，成本高，工艺要求高，环境影响大；
一般高阻，成本低（最多增加1片普通运放），工艺简单，环境影响小；

我是实用主义者。
彭建学上海

2011-8-10 10:33

如果使用条件很苛刻、适用范围极窄、碰不得、摸不起，这不是实验室里的摆设吗，连玩具都不如。

应当在相同的基准条件下比较：
1，相同的温湿度
2，相同的测量导线
3，相同的220VAC供电
4，相同的阶跃输入及输入交变周期
5，相同的量程范围
6，相同的量程换档方式（手动、自动）
7，相同的粉尘环境和置放时间

比较：
1，精度、灵敏度
2，成本

彭建学上海