测量开关和扫描器及著名实验室图片

飘八零

作者：lymex
什么是测量开关

假如你有了很多基准，那么如何接线测试呢？大部分高位万用表只有一个电压输入，一次只能测试一个基准。
要想测试所有的基准，那自然要轮换的来测试。每换一次，就要做一次重新接线。麻烦不说，关键是有人为干扰，有接错的可能，尤其是转换不会是及时的、周期的、准确的、重复性的。
图：比利时某计量单位的电压系统

顾名思义，测量开关其实就是开关，只不过是专门给测试、测量用的，功能上也就是转换测试对象，所以主要是信号级别的，电压和电流不很大，但其它要求比较高，比如很低的热电动势、很小的干扰、很高的绝缘、很好的稳定性。另外，测量开关一般是程控的、自动的。但早期的开关是顺序扫描的，因此现在这样的开关都叫扫描器，英文Scanner。
图：Dataproof的低热扫描器


测量开关的种类和性能
用按钮、琴键、旋钮来控制，这样的开关如果材料选的好，可以做成顶级的，热电动势可以小于10nV。

2、继电器的
常见，主要是可以程控，当然也可以面板手动操作。
继电器可以采用干簧的，特点是速度快、绝缘电阻高、灵敏度高因此耗电小发热小。不过，现在多数计量开关都采用磁保持继电器，只有在动作的时候才需要一个脉冲驱动，然后驱动就可以撤掉，继电器内部有磁铁，能够保持吸和。如果需要断开，需要在线圈上加一个反向脉冲电压，或者在另一个线圈上加上正脉冲电压。因此，磁保持继电器是基本不发热的，所以热电动势可以做的更小。Dataproof等采用那种Printact小型磁保持，是没有引线的，直接用印刷电路板做静止极，这样就少了一个焊接环节，对减少热电动势很有利。




Dataproof的开关一般可以保证<50nV，典型值做到<20nV。高联的开关外表和DP的非常类似，指标也是一样的，因此猜测内部结构也一样。


3、电子的
一般采用场效应管，就是一种压控电阻，这样就没有残余电动势，同时能做到开路绝缘高、短路电阻小、驱动不需要电流的优势，这样就基本上无消耗、无发热，对控制热电有帮助。另外具有速度快、无震颤等优势，适合高速转换。
比如VMOS管，小型的开启状态电阻可以<0.1欧，而开路漏电流可以做到pA级别或更小，控制电压要5V到10V。缺点是不隔离，耦合电容比较大。
再比如PhotoMOS，最早电信系统用的多，属于光电隔离型的，初级部分是一个高效发光二极管，照射到次边的光电池组上，产生电动势，来驱动一对串联的MOS管，这样控制部分和输出部分高度隔离。这种开关的缺点，一个是导通电阻不算很小，常见的是典型值0.85欧，同时开关速度不是很快，毫秒级。这种PhotoMos开关，经过我DIY和两年多的测试，效果还不错，热电动势不大于100nV。
PhotoMos

成品开关

下面列举一些成品的东西，看人家都是怎么做的
HP
HP什么都做，主要有一些内部带有开关的采集控制器

3421数据采集/控制器，含开关，很老的东西






HP3852A，也很老，但很大、插件很多，貌似功能很强   





Keithley
K有一款比较现代的7001



Dataproof
Dataproof是一个小公司，但专门做高性能低热开关/扫描器，其产品常测试机构采用
前面板有2种形式，按钮的和轻触的（点击可见大图）



后面板也有多种形式，其中，接线柱的和直接F4单芯裸铜线的是常见的两种（点击可见大图）


Guildline
加拿大高联公司是一个专业高端计量设备厂家，也生产一款6664A/B开关/扫描器




Transmille
英国的Transmille是一个不大的后起计量公司，有个10×4的开关/扫描器




开关的用途

正规用途
正规用途都是计量里面，考核、对比、测试多个基准用的。基准可以是2线的电压基准，也可以是4线的电阻基准。



国内203所的JVS（国家副基准），用了高联的32×2扫描器



Fluke的JVS上，用的是Dataproof的32×2



Fluke的电压考核系统



高联的电阻测试系统



美国国家标准技术局（NIST）的电压系统，2个Dataproof的32×2开关



Transmille的温度测试系统



Transmille的电压系统



Transmille的电压测试系统



特殊开关/扫描器

Guarded Scanner
用于高阻测试，可以排除普通开关漏电的影响。

Jake
美国NIST利用DCC和替换技术与QHR，可以使得电阻的对比误差减少最小。而其中的替换就是用如下机械手来实现的，实际上也是一种开关。

清水11111

很好。学习学习，谢谢提供！

gaobingic

NIST的JVS也看到了！呵呵！继电器RELAY方面Aromat(安罗麦特）的不错！

量院高才生

好多东西都是没见过的，学习了

likeliu

大开眼界！