如何精确测量材料的绝缘电阻值

我们知道，很多的场合需要对材料的绝缘性进行测量，材料的绝缘性在某些情况下决定了设备的安全运行能力，这就需要定量的测量相关的绝缘电阻值，而通常情况下，材料的绝缘电阻值是很大的，不能够单一的通过普通数字万用表来获取。

之前的时候，我做过一次实验，我用手中的万用表测试了几个电阻式样，当测量到M电阻时，我的万用表就不起作用了，连续测了几次要么就是读不出值，要么就是数值错误，我想到了一种可能性：也许是万用表的偏置电流比较大造成的。

我做一下解释，很多的万用表采用的电阻测量方法是伏安法，也就是大家在学校里学过的公式R=U/I，只要获取电阻两边的电压和电流就可以得出电阻的阻值，通常情况下我们都可以获取到电阻两边的电压，毕竟在测量电阻时这个电压实际上就是测试电压，是可以预先得知的，而电流的监测就不是那么容易了，如果阻值很大，电流将变得非常微弱，假设我们使用电流采样电阻来获取电流值，那需要后端的采集部分的输入偏置电流远低于采样电流才可以精确地获取绝缘电阻值，假设电阻两边的测试电压是1V,那么流过M电阻的电流只有10nA,这对检测部分元器件性能的要求还是很高的。

针对之前的猜测，我做了一个实验，找了两个M的电阻串联，然后在串联电阻的两边加上了V的直流电压，用万用表测量串联电阻中间点对地的电压，我得到了很完美的50V分压值，这个实验充分证明了，通过增大电阻两边的电压可以实现间接的获取电阻值的方法，同时也克服了万用表的偏置电流问题，增大测试电压后，采样电阻的电流远远大于偏置电流，所以电阻检测值很准确，这就是精确测量材料绝缘电阻值的第一种方案：增大测试电压。

第一种方法只是一个最基础的方案，对于M以下的绝缘电阻测量比较合适，想象以下，当我们把这个电阻值再增大0倍也就是G时，我们显然不能够按照比例增大测试电压来间接的获取电阻值，因为需要的测试电压太大了，为了一个材料的绝缘电阻测量不太值得这么做。通常的一般的测试场合只能够提供-0V左右的测试电压，这个测试电压范围也是比较常用的，在这个条件下我们可以采用什么方案呢？

我采用了两种方案，分别对应两个阻值范围的绝缘电阻测量，在G以下的电阻，采用分压+低输入偏置电流运放+24位ADC采集方案，由于测试过程比较复杂，我略过一些基础的步骤，首先将阻值相近的电阻与被测材料串联，加上0V的测试电压，将串联电阻中心点电压通过精密电阻分压送入低输入偏置电流运放，射随输出，这样就克服信号的高阻影响，然后射随输出信号接入24位ADC得出精确的采样值，按照分压原理反计算出实际的串联电流得出串联电阻值，进而得出绝缘电阻值，通过实际的校准和多次平均，这样的方法对于G以下电阻测量可以达到5%以内的精度。

接下我们看一下G以上的部分，我采用的方法是通过RC充电的方案来间接获取绝元电阻值，原理是这样的，首先通过已知电阻给固定电容充电10s，然后切断RC串联回路，对电容进行放电，当放电电压达到某一阈值时计算曲线参数；同样的流程也应用到被测绝缘电阻上，得到另一组曲线参数，然后通过已知曲线的参数反向计算出绝缘电阻值，这个方案实现起来需要注意很多的细节，首先由于绝缘电阻值过大，需要考虑外壳等接触部分的漏电流影响，所以需要保护接地，同时采集端的基准电压需要与供电电压同源，避免电源不统一导致的噪声叠加，同时在操作之前需要对电容进行放电，确保测量的一致性，整个的测量结果在增加校准功能后可以达到10%-20%的测量精度，这个主要受制于器件的成本，如果可以使用更低偏置电流运放，测量结果会更精确，，不过对于高值电阻，一般这个测量精度已经满足大部分的使用场景。

当然了，精确测量材料的绝缘电阻的方法不止以上两个，我也实验过电阻并联和传统的桥式电路测量法，这两种办法在某一电阻范围内确实很有效，可以达到很高的精度，但是鉴于我需要比较宽范围的测量，所以没有采用，如果感兴趣，大家也可以尝试一下，也许会有新的收获。

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