CN102608425A - 一种宽频阻抗测量系统及宽频阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽频阻抗测量系统，包括：待测元件屏蔽盒和阻抗分析仪，所述阻抗分析仪包括：交流信号发生器、参比元件和高速电压测量设备，所述待测元件屏蔽盒的I₊、I_-接口通过屏蔽线与阻抗分析仪连接，使得交流信号发生器、参比元件和待测元件形成串联回路，高速电压测量设备包括四个高速测量通道，分别连接待测元件屏蔽盒的U₊、U_-接口以及参比元件的两端，其中U₊、U_-接口为待测元件屏蔽盒内的元件两端电位的测量接口。本发明还提供了相应的宽频阻抗测量方法。本发明测量误差小；能够在测量频率较大及被测元件与参比元件的阻抗相差较大的情况下保持性能稳定；且本发明测量结果受环境、温度等因素影响小。

Description

一种宽频阻抗测量系统及宽频阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及交流电磁测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种宽频阻抗测量系统及宽频阻抗测量方法。

背景技术

目前，国内外市场流行的交流阻抗分析仪的测量电路是将待测元件与已知阻抗的参比元件串联，并将二者的串联电路两端分别连接信号源极和信号漏极。众所周知，被测元件与参比元件之间的电桥(通常是屏蔽线或屏蔽盒内的连接线)与信号地之间实际上存在一定的电压，这样就会产生漏电流进而导致流经被测元件的电流与参比元件的电流不相等，造成测量误差。现有技术中一般通过运算放大器实现被测元件与参比元件之间电桥的“虚地”(如图1所示)，从而减少电桥与信号地之间的漏电流。然而在实际测量中，即使接入运算放大器，电桥的电位也很难一直维持理想的零电位，尤其在测量频率增大或被测元件与参比元件的阻抗相差较大的情况下，电桥上的电位可能更大程度偏离零电位，造成交流阻抗分析仪性能不稳定、测量误差增大等缺陷。

综上所述，当前迫切需要一种能够在测量频率范围较宽以及被测元件与参比元件的阻抗相差较大的情况下保持性能稳定、且测量误差小的宽频阻抗测量系统及宽频阻抗测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在测量频率范围较宽以及被测元件与参比元件的阻抗相差较大的情况下保持性能稳定、且测量误差小的宽频阻抗测量系统及宽频阻抗测量方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种宽频阻抗测量系统，包括：待测元件屏蔽盒和阻抗分析仪，待测元件屏蔽盒具有I₊、I_-、U₊、U_-接口，所述阻抗分析仪包括：交流信号发生器、参比元件和高速电压测量设备，所述待测元件屏蔽盒的I₊、I_-接口通过屏蔽线与阻抗分析仪连接，使得交流信号发生器、参比元件和待测元件形成串联回路，高速电压测量设备包括四个高速测量通道，分别连接待测元件屏蔽盒的U₊、U_-接口以及参比元件的两端，其中U₊、U_-接口为待测元件屏蔽盒内的元件两端电位的测量接口。

其中，所述高速电压测量设备包括高速采样设备和矢量电压测量设备。

其中，所述高速采样设备为高速数字示波器或其它高速模数采集设备。

其中，所述宽频阻抗测量系统还包括中央数据处理控制器，用于对交流信号发生器进行控制，以及根据所测出的四路电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-信号计算出待测元件的阻抗；其中U_r+、U_r-为参比元件两端的电位，U_x+、U_x-为待测元件两端的电位。

其中，所述宽频阻抗测量系统还包括数据输出设备，用于输出测量结果。

其中，所述交流信号发生器为双通道交流信号发生器，其中一个信号通道作为所述串联回路的信号源极，另一个信号通道作为所述串联回路的信号漏极。

本发明还提供了一种基于上述宽频阻抗测量系统的宽频阻抗测量方法，包括下列步骤：

1)将待测元件安装在待测元件屏蔽盒内；

2)在不同的频率下同步测量参比元件两端的电位U_r+与U_r-以及待测元件两端的电位U_x+与U_x-；

3)根据同步测量得出的电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-，以及已知的参比元件阻抗Z_ref、待测元件至参比元件电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2，计算出各频率下待测元件的阻抗Z_x；

$Z_x=\frac{U_{x+}-U_{x-}}{\frac{U_{r+}-U_{r-}}{Z_{\mathrm{ref}}}+\frac{U_{x+}}{Z_{b1}}+\frac{U_{r+}}{Z_{b2}}}.$

其中，所述步骤3)中，所述电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2预先测出，测出电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2的方法如下：

31)将已知标准元件安装在待测元件屏蔽盒内；

32)在不同的频率下同步测量参比元件两端的电位U_r+与U_r-以及已知标准元件两端的电位U_x+与U_x-；

33)根据同步测量得出的电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-，以及已知的参比元件阻抗Z_ref、标准元件阻抗Z_calib，计算出各频率下电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2；

$Z_{b1}=Z_{b2}=\frac{U_{x-}+U_{r+}}{\frac{U_{x+}-U_{x-}}{Z_{\mathrm{calib}}}-\frac{U_{r+}-U_{r-}}{Z_{\mathrm{ref}}}}.$

相对于现有技术，本发明具有下列技术效果：

1、测量误差小。

2、能够在测量频率较大的情况下保持性能稳定。

3、能够在被测元件与参比元件的阻抗相差较大的情况下保持性能稳定。

4、测量结果受环境、温度等因素影响小。

附图说明

图1示出了现有技术中通过运算放大器实现被测元件与参比元件之间电桥的“虚地”的示意图；

图2示出了本发明一个实施例提供的宽频阻抗测量系统的示意图；

图3示出了本发明一个实施例的测量原理图；

图4示出了本发明一个实施例的一个测量实例的测量结果；

图5示出了本发明一个实施例的另一个测量实例的测量结果；

图6示出了本发明一个实施例的又一个测量实例的测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。

图2示出了根据本发明的一个实施例提供的一种宽频阻抗测量系统。如图2所示，该宽频阻抗测量系统包括：待测元件屏蔽盒和阻抗分析仪。待测元件安装在所述待测元件屏蔽盒内。待测元件屏蔽盒提供四个接口，分别为：I₊、I_-、U₊、U_-接口。其中I₊、I_-为电流接口，U₊、U_-为待测元件两端电位的测量接口。阻抗分析仪包括：交流信号发生器、参比元件和高速电位测量设备。待测元件屏蔽盒的I₊、I_-接口通过屏蔽线与阻抗分析仪连接，使得交流信号发生器、参比元件和待测元件形成串联回路。高速电位测量设备具有四个高速采样通道，这四个高速采样通道分别连接参比元件两端和待测元件屏蔽盒的U₊、U_-接口，用于在不同的频率下同步测量参比元件两端的电位U_r+与U_r-以及待测元件屏蔽盒内所安装元件两端的电位U_x+与U_x-。根据同步测量得出的电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-即可计算出待测元件在各频率下的阻抗，对与这一点在下文中将有更详细的描述。在一个实施例中，高速电位测量设备包括高速采样设备和矢量电压测量设备。高速采样设备可以是高速数字示波器或其它高速模数采集设备，矢量电压测量设备可采用中国专利申请201110380805.X中所记载的锁相频率计。高速电位测量也可以采用市面上的其它多通道矢量电压测量设备，比如StanfordResearch SR830锁相放大器(相对更适合于100kHz以下的低频矢量电压测量)、HP 8508A矢量电压表(相对更适合于100kHz以上的高频矢量电压测量)或者二者的组合，只要能够同步测出四路电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-信号即可。当单个矢量电压测量设备的通道数不足4个时，可以同步使用多个矢量电压测量设备进行测量，这是本领域技术人员易于理解的。上述待测元件屏蔽盒、交流信号发生器、参比元件和高速电位测量设备以及它们之间连接线路均处于屏蔽环境中，具体的屏蔽方案可根据实际情况灵活调整，这是本领域技术人员易于理解的。

在一个实施例中，交流信号发生器采用双通道交流信号发生器，此时一个信号通道作为信号源极，另一个信号通道作为信号漏极。通过调节这两个信号通道的幅值差和相位差，可以使得被测元件与参比元件之间的电桥与信号地之间的电位尽量接近0(可通过观察高速数字示波器所实时采集的电桥电位来进行调节)。这样就可以进一步提高阻抗测量的准确性。

在一个实施例中，所述宽频阻抗测量系统还包括中央数据处理控制器和数据输出设备，中央数据处理控制器用于对交流信号发生器进行控制，以及根据所测出的四路电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-信号计算出待测元件的阻抗。数据输出设备用于输出测量结果的，可以采用显示面板作为数据输出设备。

下面进一步介绍上述实施例的阻抗测量原理。

为避免电桥与信号地之间的漏电流对测量结果造成影响，本实施例在测量过程中对电桥两端的电位进行实时测量，通过电桥到信号地之间的阻抗换算成漏电流，并将其自动补偿，从而准确获得流经被测元件的电流，从而准确测量出被测元件的阻抗。

图3示出了典型的宽频阻抗测量原理示意图，现有技术中完全忽略电桥与测量屏蔽线或屏蔽盒上的信号地之间的阻抗Z_b1与Z_b2以及电桥自身的串联阻抗Z_bs构成的阻抗网络(该阻抗网络以虚线加阴影绘出)。本实施例则需要补偿上述阻抗网络所造成的影响。如图3所示，本实施例用于补偿的流经Z_b1与Z_b2阻抗的电流以I_b1、I_b2表示。根据基尔霍夫定律，流经被测元件Z_x、参比元件Z_ref及电桥阻抗Z_b1与Z_b2之间的电流满足复数计算公式(1)：

I_x＝I_ref+I_b1+I_b2                     (1)

其中I_x表示流经待测元件的电流，I_ref表示流经参比元件的电流。

如前文所述，交流信号发生器第一通道作为信号源、被测元件、参比元件与交流发生器第二通道作为信号漏依次使用屏蔽线缆连接在一起，被测元件两端的正负电位U_x+与U_x-以及参比元件两端的正负电位U_r+与U_r-分别通过屏蔽线缆连接到四通道高速采样设备，其中U_x-与U_r+即电桥电位U_b1与U_b2。测量通过中央数据处理控制器发送命令启动信号发生器开始，然后采样设备采集到的数据通过多通道矢量电压测量设备分析得到四引线对应的电位幅值|U_x+|、|U_x-|、|U_r+|、|U_r-|与相对相位Ψ_x+、Ψ_x-、Ψ_r+、Ψ_r-。测量频率范围内的任一频率下多通道矢量电压测量设备的分析结果通过数据处理控制器根据复数计算公式(2)可准确得到被测元件的阻抗：

$Z_x=\frac{U_{x+}-U_{x-}}{\frac{U_{r+}-U_{r-}}{Z_{\mathrm{ref}}}+\frac{U_{x+}}{Z_{b1}}+\frac{U_{r+}}{Z_{b2}}}---\left(2\right)$

其中Z_ref与Z_b1(Z_b2)分别为参比元件阻抗与电桥两端与信号地之间的阻抗，均以随频率变化的数据表形式存储在存储器中。Z_ref随频率变化的数据表为标准元件的已知参数，Z_b1(Z_b2)随频率变化的数据表可以通过网络分析仪的反射与透射信号测量得到。一般地，可以假定电桥两端对称，此时Z_b1＝Z_b2，Z_b1(Z_b2)可通过一个已知阻抗随频率变化数据表的用于校准的标准元件Z_calib校准得到。具体地，将标准元件Z_calib替代被测元件Z_x，并通过复数计算公式(3)，计算得到Z_b1(Z_b2)：

$Z_{b1}=Z_{b2}=\frac{U_{x-}+U_{r+}}{\frac{U_{x+}-U_{x-}}{Z_{\mathrm{calib}}}-\frac{U_{r+}-U_{r-}}{Z_{\mathrm{ref}}}}---\left(3\right)$

被测元件测试结束后，中央数据处理控制器可将测量结果送到显示面板予以显示，或根据用户选择将结果存储进存储器中。

结合上述原理，在一个实施例中，还提供了一种基于上述宽频阻抗测量系统的测量方法，包括下列步骤：

1)将待测元件安装在待测元件屏蔽盒内；

2)在不同的频率下同步测量参比元件两端的电位U_r+与U_r-以及待测元件屏蔽盒内所安装元件(即待测元件)两端的电位U_x+与U_x-；

3)根据同步测量得出的电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-，以及已知的参比元件阻抗Z_ref、待测元件至参比元件电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2，计算出各频率下待测元件的阻抗Z_x；

$Z_x=\frac{U_{x+}-U_{x-}}{\frac{U_{r+}-U_{r-}}{Z_{\mathrm{ref}}}+\frac{U_{x+}}{Z_{b1}}+\frac{U_{r+}}{Z_{b2}}}.$

步骤3)中，所述电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2预先测出，测出电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2的方法如下：

31)将已知标准元件安装在待测元件屏蔽盒内；

32)在不同的频率下同步测量参比元件两端的电位U_r+与U_r-以及待测元件屏蔽盒内所安装元件(即已知标准元件)两端的电位U_x+与U_x-；

33)根据同步测量得出的电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-，以及已知的参比元件阻抗Z_ref、标准元件阻抗Z_calib，计算出各频率下电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2；

$Z_{b1}=Z_{b2}=\frac{U_{x-}+U_{r+}}{\frac{U_{x+}-U_{x-}}{Z_{\mathrm{calib}}}-\frac{U_{r+}-U_{r-}}{Z_{\mathrm{ref}}}}.$

下面给出几个利用上述宽频阻抗测量系统及方法进行实际测量的结果。

在一个测量实例中，参比元件使用一只1kΩ的标准元件，经过一只100Ω的标准元件校准获得该电桥阻抗并将其存储起来，待测元件选用一只1kΩ的金属膜电阻元件，扫描频率范围为1Hz～100MHz，测量结果如图4所示，根据每个频率点进行5次测量的统计分析可知其测量不确定度最优小于100ppm。

在一个测量实例中，参比元件使用一只1MΩ的标准元件，经过一只100kΩ的标准元件校准获得该电桥阻抗并将其存储起来，待测元件选用一只10MΩ的金属膜电阻元件，扫描频率范围为1Hz～100MHz，测量结果如图5所示。从测量结果不难看出该电阻元件在10kHz以上逐渐显现电容属性，因而阻抗模表现出明显下降。

在一个测量实例中，参比元件使用一只10Ω的标准元件，经过一2Ω的标准元件校准获得该电桥阻抗并将其存储起来，待测元件选用一段长16cm、直径0.23mm铜漆包线，扫描频率范围为1Hz～100MHz，测量结果如图6所示。从测量结果不难看出该段导线电阻约为0.1Ω，通过尺寸换算其电导率约为5×10⁵S/cm，与纯铜的电导率数值吻合较好。此外，高频下该段导线显现明显电感属性，因而阻抗模表现出明显上升。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽频阻抗测量系统，其特征在于，包括：待测元件屏蔽盒和阻抗分析仪，待测元件屏蔽盒具有I₊、I_-、U₊、U_-接口，所述阻抗分析仪包括：交流信号发生器、参比元件和高速电压测量设备，所述待测元件屏蔽盒的I₊、I_-接口通过屏蔽线与阻抗分析仪连接，使得交流信号发生器、参比元件和待测元件形成串联回路，高速电压测量设备包括四个高速测量通道，分别连接待测元件屏蔽盒的U₊、U_-接口以及参比元件的两端，其中U₊、U_-接口为待测元件屏蔽盒内的元件两端电位的测量接口。

2.根据权利要求1所述的宽频阻抗测量系统，其特征在于，所述高速电压测量设备包括高速采样设备和矢量电压测量设备。

3.根据权利要求2所述的宽频阻抗测量系统，其特征在于，所述高速采样设备为高速数字示波器或其它高速模数采集设备。

4.根据权利要求1所述的宽频阻抗测量系统，其特征在于，所述宽频阻抗测量系统还包括中央数据处理控制器，用于对交流信号发生器进行控制，以及根据所测出的四路电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-信号计算出待测元件的阻抗；其中U_r+、U_r-为参比元件两端的电位，U_x+、U_x-为待测元件两端的电位。

5.根据权利要求1所述的宽频阻抗测量系统，其特征在于，所述宽频阻抗测量系统还包括数据输出设备，用于输出测量结果。

6.根据权利要求1所述的宽频阻抗测量系统，其特征在于，所述交流信号发生器为双通道交流信号发生器，其中一个信号通道作为所述串联回路的信号源极，另一个信号通道作为所述串联回路的信号漏极。

7.一种基于权利要求1所述的宽频阻抗测量系统的宽频阻抗测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将待测元件安装在待测元件屏蔽盒内；

2)在不同的频率下同步测量参比元件两端的电位U_r+与U_r-以及待测元件两端的电位U_x+与U_x-；

3)根据同步测量得出的电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-，以及已知的参比元件阻抗Z_ref、待测元件至参比元件电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2，计算出各频率下待测元件的阻抗Z_x；

$Z_x=\frac{U_{x+}-U_{x-}}{\frac{U_{r+}-U_{r-}}{Z_{\mathrm{ref}}}+\frac{U_{x+}}{Z_{b1}}+\frac{U_{r+}}{Z_{b2}}}.$

8.根据权利要求7所述的宽频阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2预先测出，测出电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2的方法如下：

31)将已知标准元件安装在待测元件屏蔽盒内；

32)在不同的频率下同步测量参比元件两端的电位U_r+与U_r-以及已知标准元件两端的电位U_x+与U_x-；

33)根据同步测量得出的电位U_r+、U_r-、U_x+、U_x-，以及已知的参比元件阻抗Z_ref、标准元件阻抗Z_calib，计算出各频率下电桥两端与信号地之间的阻抗Z_b1、Z_b2；

$Z_{b1}=Z_{b2}=\frac{U_{x-}+U_{r+}}{\frac{U_{x+}-U_{x-}}{Z_{\mathrm{calib}}}-\frac{U_{r+}-U_{r-}}{Z_{\mathrm{ref}}}}.$

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