CN102955080A - 用于测量电学参数的便携式测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量电学参数的便携式测量仪，包括：方波脉冲产生单元，用于产生施加于被测对象的方波脉冲电压；信号采集单元，用于同时采集被测对象在方波脉冲电压激励下的电压时域波形信号和电流时域波形信号；数据处理单元，用于对电压波形时域信号和电流时域波形信号进行处理，以得到与施加于被测对象上的电压和电流相关的电学参数；供电单元，用于为测量仪中的其它部分提供稳定可靠的电源。另外，本发明提供相应的测量方法。本发明所提供的测量仪和测量方法的测量速度快，而且测量仪构成简单，具有体积小、重量轻、成本低、便携性好等优点，适合工程领域中电学参数的现场测量。

Description

用于测量电学参数的便携式测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及电路及电子技术领域，尤其涉及一种用于测量与施加于电子器件、材料等对象上的电压和电流相关的电学参数的便携式测量仪及其测量方法。

背景技术

在一些涉及电路电子的工程应用中，有时需要对其中所涉及的电子器件、材料等对象上所施加的电压、电流以及该对象的与施加于其上的电压和电流相关的电学参数(例如，电阻值、电容值、电感值、电阻抗谱)进行测量，以用于例如调整该对象的电学特性。

以下，以超声技术中所使用的超声换能器为例来说明现有的电学参数的测量技术及其存在问题。

近几十年来，超声技术得到了飞速发展，其不仅在传统工农业技术中得到广泛应用，而且已经渗透到国防、生物、医学、航空航天及科学研究等高技术领域。超声换能器是在超声频率范围内(20KHz～10MHz)将电信号转换为声信号或者将声信号转换为电信号的能量转换器件，是超声技术中的关键元器件。超声换能器的电阻抗特性是影响超声换能器工作特性的重要参数，根据其电阻抗谱可确定超声换能器的谐振频率点，以设计驱动超声换能器的电信号频率；同时电阻抗特性还用于指导设计超声换能器的阻抗匹配。因此，在设计和研发超声设备时，需要对所使用的超声换能器的电阻抗进行测量，以获得超声换能器的电阻抗谱。

传统的测量方法是采用精密阻抗分析仪进行测量。阻抗分析仪的测量原理是基于频域的，其内部含有频率扫描电路，能以较小的步进调整正弦波的固定频率，并实时测量新的频率点上的阻抗，最终可得到设定的频率范围内的电阻抗谱。阻抗分析仪的测量精度高，但其结构复杂，价格昂贵，操作要求高，便携性不好，不利于生产现场的使用。

除了上述电阻抗谱测量之外，目前用于测量电子器件、材料等对象的其它电学参数的测量方法也普遍地或多或少地存在着结构复杂、价格昂贵、操作要求高、便携性不好、不利于生产现场的使用等问题。

发明内容

本发明为了适应工程的实际应用要求，提供一种体积小、重量轻、便携性好、成本低的用于测量电学参数的测量仪及其测量方法，其测量速度快，操作简单，便于生产现场或维修现场的测量。

为了实现以上目的，本发明提供的便携式测量仪包括：方波脉冲产生单元，用于产生施加于被测对象的方波脉冲电压；信号采集单元，用于同时采集所述被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电压时域波形信号和电流时域波形信号；数据处理单元，用于对所述电压时域波形信号和电流时域波形信号进行处理，以得到与施加于所述被测对象上的电压和电流相关的电学参数；供电单元，用于为所述测量仪中的其它部分提供稳定可靠的电源。

优选的是，所述便携式测量仪还包括：电流采样单元，用于与所述被测对象连接组成被测电路，所述方波脉冲产生单元所产生的方波脉冲电压施加于所述被测电路，所述信号采集单元通过电流采样单元采集所述被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电流时域波形信号。

优选的是，所述电流采样单元为一个电流采样电阻。

优选的是，所述电学参数为电阻抗谱，所述数据处理单元执行所述电压时域波形信号和电流时域波形信号的滤波和傅里叶变换计算，以得到所述被测对象的频域电阻抗谱。

另外，本发明提供一种相应的测量方法。

本发明的有益效果如下：

(1)通过测量电压和电流时域波形信号，并根据待测量电学参数的属性直接在时域对电压和电流时域波形信号进行处理或者通过时-频域转换将电压和电流时域波形信号转换为频域信号进行处理，因此，测量速度快；

(2)测量仪构成简单，具有体积小、重量轻、成本低、便携性好等优点，适合工程领域中与施加于被测对象上的电压和电流相关的电学参数的现场测量。

附图说明

图1是本发明的便携式测量仪的示意性结构图；

图2是本发明实施例的便携式测量仪的示意性结构图；

图3是本发明实施例的超声换能器电阻抗时域测量法的原理图；

图4是本发明实施例的方波脉冲产生单元的电路原理图；

图5a和5b是示出本发明实施例的便携式测量仪和现有的阻抗分析仪的测量结果对比曲线图。

具体实施方式

以下，将参照附图和实施例对本发明进行详细描述。

图1是本发明的便携式测量仪的示意性结构图。如图1所示，本发明的便携式测量仪包括方波脉冲产生单元10、信号采集单元20、数据处理单元30和供电单元40，其中，方波脉冲产生单元10用于产生施加于被测对象的方波脉冲电压；信号采集单元20用于同时采集被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电压时域波形信号和电流时域波形信号；数据处理单元30用于对所述电压时域波形信号和电流时域波形信号进行处理，以得到与施加于所述被测对象上的电压和电流相关的电学参数；供电单元40用于为所述测量仪中的其它部分提供稳定可靠的电源。这里指出，数据处理单元30的处理可包括时域处理及时-频域转换处理。具体地讲，根据待测量电学参数的属性，数据处理单元30的处理可以是直接在时域对电压和电流时域波形信号进行处理(例如，待测量电学参数为电阻值的情况下)，也可以是通过时-频域转换将电压和电流时域波形信号转换为频域信号进行处理(例如，待测量电学参数为电阻抗谱的情况下)。

此外，在需要显示被测对象的电学参数的情况下，本发明的便携式测量仪还可包括显示控制单元50，其用于显示通过数据处理单元30得到的被测对象的电学参数。显示控制单元50还可包括供用户查看电学参数的功能按键。在需要将被测对象的电学参数发送到其它设备(例如计算机)进行进一步处理的情况下，本发明的便携式测量仪还可包括数据传输单元60，其用于将通过数据处理单元30得到的被测对象的电学参数传输到其它设备中。

图2是本发明的一个实施例的便携式测量仪的示意性结构图。如图2所示，本实施例的便携式测量仪中增加了电流采样单元70，其用于与被测对象连接组成被测电路。方波脉冲产生单元10所产生的方波脉冲电压施加于由电流采样单元70和被测对象连接组成的被测电路，信号采集单元20通过电流采样单元70采集被测对象在方波脉冲电压激励下的电流时域波形信号。

在一个优选实施例中，电流采样单元70为一个电流采样电阻。在测量被测对象的电学参数时，该电流采样电阻与被测对象串联，方波脉冲产生单元10所产生的方波脉冲电压施加于由该电流采样电阻与被测对象组成的串联电路，信号采集单元20同时对在方波脉冲电压刺激下被测对象和电流采样电阻两端的电压进行采样，以得到被测对象和电流采样电阻的电压时域波形信号，并通过将采样得到的电流采样电阻的电压时域波形信号除以电流采样电阻的阻值来得到被测对象在方波脉冲电压刺激下的电流时域波形信号。

以下，以测量超声换能器的电阻抗谱作为示例来对本优选实施例进行详细描述。

图3是本优选实施例的超声换能器电阻抗时域测量法的原理图。图中，Z_l为超声换能器的Mason等效阻抗，它由RLC动态谐振回路305与静态电容C_o 304及静态电阻R_o303并联构成。R_s302是电流取样电阻。方波脉冲产生单元V_p301产生的方波脉冲施加在超声换能器与电流取样电阻R_s302组成的串联电路上。通过测量仪中的信号采集单元20分别对超声换能器和电流采样电阻R_s302两端的电压波形u(t)和u_r(t)进行采样。超声换能器的电阻抗谱可通过下式由测量仪中的数据处理单元30计算得到：

$Z\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{F\left\{u\left(t\right)\right\}}{F\left\{u_r\left(t\right)\right\}}{Z}_r\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(1\right)$

其中，F{u(t)}和F{u_r(t)}分别为超声换能器和电流取样电阻R_s302的经过滤波的电压时域波形信号的傅里叶变换，Z_r(ω)为电流采样电阻R_s302的复阻抗。

这里，由于数据处理单元30中所涉及的滤波和傅里叶变换处理属于公知技术，因此，省略其描述。电流采样电阻R_s302的复阻抗Z_r(ω)需要在测量仪研制前通过阻抗分析仪进行精密测量，并将该测量数据存入测量仪的信号采集单元20或数据处理单元30中，以用于在数据处理单元30中根据公式(1)计算超声换能器电阻抗谱。

以下，对本优选实施例中的各个部分的具体实现进行说明。

图4是本优选实施例的方波脉冲产生单元的电路原理图。如图4所示，本优选实施例的方波脉冲产生单元包括电池、升压斩波(BOOST)电路和方波脉冲开关，其中，BOOST电路用于放大电池的电压；方波脉冲开关用于控制所述电压的输出，以产生施加于超声换能器的方波脉冲电压。具体地讲，V_i201为电池电压，BOOST电路包括电感L₁202、MOS开关管Q₁203、二极管D₁204和电容C₁205。V_i201通过PWM(脉宽调制)驱动信号控制Q₁203后，可在C₁205两端得到远高于V_i的电压，使得到的方波脉冲电压满足测量要求。方波脉冲开关为MOS开关管Q₂206，通过控制Q₂206的导通和截止，产生施加于超声换能器的方波脉冲电压。此外，方波脉冲产生单元还可包括用于使方波脉冲电压反相后再施加于超声换能器的反相单元。在图4中，反相单元包括电容C₂208、电感L₂209和电阻R₂210。从Q₂206得到的方波脉冲电压经过C₂208反相后，在超声换能器Z_l211上形成负脉冲。由于超声换能器两个电极间没有极性的区分，因而其激励效果与正脉冲一样。这种脉冲形成电路具有电路简单、输入电压低的特点，很适合在便携式仪器中的应用。

通过将图4电路产生的方波脉冲利用夹具施加在由超声换能器和电流采样电阻R_s302组成的串联电路两端后，由信号采集单元20分别对超声换能器和电流采样电阻R_s302两端的电压进行采集。在本优选实施例中，信号采集单元20可包括模数转换器和存储器，其中，模数转换器用于同时对超声换能器和电流采样电阻R_s302两端的电压进行采样；存储器用于存储采样的超声换能器和电流采样电阻R_s302两端的电压。这里，为保证信号采集单元20的采集速度和处理速度，模数转换器优选高速模数转换器件(ADC)，存储器优选高速存储器。

然后，数据处理单元30读取记录在存储器中的数据，经过信号滤波算法后，采用快速傅里叶变换(FFT)算法对两路信号(即，超声换能器的电压波形信号u(t)和电流采样电阻R_s302的电压波形信号u_r(t))进行频域变换，最后通过公式(1)计算得到超声换能器的电阻抗谱。数据处理单元30可采用已知的任何数据处理芯片技术来实现。

此外，供电单元40可包括充电电池和电源管理电路，其中，电源管理电路用于控制充电电池(包括电池电源的开关、电平变换等)，以使为电阻抗测量仪中的其它部分提供稳定可靠的电源。这里，充电电池例如可通过USB接口进行充电。

另外，如上所述，在本优选实施例中，超声换能器电阻抗测量仪还可包括显示控制单元50和数据传输单元60。其中，显示控制单元50可由有机发光显示屏(OLED)和仪器按键构成，用于显示测量结果，并且使用者可通过按键操作移动光标来查看各个频率点的阻抗值。数据传输单元60可由有线接口(例如，USB驱动接口)和/或无线接口(例如，蓝牙接口)构成，通过这些接口可将测量数据传输到其它设备(例如计算机)中。

从以上描述可看出，本实施例的超声换能器电阻抗测量仪不同于传统的基于频域的电阻抗测量方式，而是直接测量超声换能器的时域电压和电流信号，并对测量得到的时域电压和电流信号进行时-频域转换和处理(即，傅里叶变换)，快速得到频域内的电阻抗谱。也就是说，本实施例的超声换能器电阻抗测量仪采用的是基于脉冲响应的时域测量法，超声频带范围内电阻抗谱的单次测量可在0.5秒内完成，测量速度快。此外，该测量仪构成简单，可采用电池供电，具有体积小、重量轻、成本低、便携性好等优点，适合工程领域中电阻抗的现场测量。

以下，将以一个具体的测量示例对本优选实施例提出的电阻抗测量仪进行具体说明。

在该示例中，便携式超声换能器电阻抗测量仪采用DSP处理器作为数据处理单元30，采用高速ADC作为信号采集单元20中的模数转换和采样芯片。利用该测量仪对直径为2cm、厚度为1mm的压电陶瓷球面自聚焦超声换能器在水中进行了阻抗测量，同时也采用阻抗分析仪Agilent 4294A进行测量，以对便携式测量仪的测量结果进行对比。

图5a和5b分别是本示例的便携式测量仪和现有的阻抗分析仪的测量结果对比曲线图，其中，图5a是幅频特性对比图，图5b是相频特性对比图。该测量结果表明，本发明提出的便携式超声换能器电阻抗测量仪能获得较好的测量准确度，在并联谐振频率点(1.93MHz)处的阻抗测量值与现有的阻抗分析仪测量结果的幅值相对误差为1.01％，相位相对误差为2.82％。而且，其测量频带宽，测量速度快，仪器成本低，可满足工程上超声换能器电阻抗现场测量的要求。

另外，本发明还提供相应的用于测量电学参数的测量方法。所述测量方法包括以下步骤：

步骤1、将方波脉冲电压施加于被测对象；

步骤2、同时采集所述被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电压时域波形信号和电流时域波形信号；

步骤3、对所述电压时域波形信号和电流时域波形信号进行处理，以得到与施加于所述被测对象上的电压和电流相关的电学参数。

优选的是，增加一个电流采样单元来单独对电流时域波形信号进行采样。具体地讲，在步骤1之前，将一个电流采样单元与所述被测对象连接组成被测电路。然后，在步骤2中，将方波脉冲电压施加于所述被测电路；在步骤3中，通过所述电流采样单元采集所述被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电流时域波形信号。

更优选的是，所述电流采样单元为一个电流采样电阻，所述被测电路为由所述电流采样电阻与所述被测对象串联组成的串联电路。在这种情况下，在步骤2中，同时对在所述方波脉冲电压刺激下所述被测对象和电流采样电阻两端的电压进行采样，以得到被测对象和电流采样电阻的电压时域波形信号，并通过将采样得到的电流采样电阻两端的电压时域波形信号除以电流采样电阻的阻值来得到所述被测对象在所述方波脉冲电压刺激下的电流时域波形信号。

如上优选实施例所示，所述电学参数为电阻抗谱。在这种情况下，在步骤2中，执行所述电压时域波形信号和电流时域波形信号的滤波和傅里叶变换计算，以得到所述被测对象的频域电阻抗谱。

以上已参照附图和实施例对本发明进行了详细描述，但是，应该理解，本发明并不限于以上所公开的示例性实施例。应该给予权利要求以最广泛的解释，以涵盖所公开的示例性实施例的所有变型、等同结构和功能。

例如，除了电流采样电阻R_s302之外，电流采样单元70还可采用其它已知的电流采样电路来对被测对象在方波脉冲激励下的电流时域波形进行采样。例如，电流采样单元70可采用基于电磁感应原理的罗可夫斯基线圈或基于法拉第磁光效应的光学电流传感器等来测量脉冲电流波形。

此外，还可将电流采样单元70集成到信号采集单元20中。

此外，本发明除了可用于前述的超声换能器电阻抗谱测量外，还可用于20MHz以下的其它被测物的电阻抗谱测量，例如电介质材料的电阻抗谱测量等。

另外，除了电阻抗谱之外，还可测量被测对象的其它与施加于其上的电压和电流相关的电学参数。具体地讲，在数据处理单元30中除了根据通过信号采集单元20测得的电压和电流时域波形信号计算被测对象的电阻抗谱之外，还可对通过信号采集单元20测得的电压和电流时域波形信号进行计算，实现对电容、电感和电阻等器件参数的测量。

Claims (16)

1.一种用于测量电学参数的便携式测量仪，包括：

方波脉冲产生单元，用于产生施加于被测对象的方波脉冲电压；

信号采集单元，用于同时采集所述被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电压时域波形信号和电流时域波形信号；

数据处理单元，用于对所述电压时域波形信号和电流时域波形信号进行处理，以得到与施加于所述被测对象上的电压和电流相关的电学参数；

供电单元，用于为所述测量仪中的其它部分提供稳定可靠的电源。

2.根据权利要求1所述的便携式测量仪，其特征在于，还包括：

电流采样单元，用于与所述被测对象连接组成被测电路，

所述方波脉冲产生单元所产生的方波脉冲电压施加于所述被测电路，

所述信号采集单元通过电流采样单元采集所述被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电流时域波形信号。

3.根据权利要求2所述的便携式测量仪，其特征在于，所述电流采样单元为一个电流采样电阻，

所述被测电路为由所述电流采样电阻与所述被测对象串联组成的串联电路，

所述信号采集单元采集电压时域波形信号和电流时域波形信号的步骤包括：

同时对在所述方波脉冲电压刺激下所述被测对象和电流采样电阻两端的电压进行采样，以得到所述被测对象和电流采样电阻两端的电压时域波形信号，并通过将采样得到的电流采样电阻的电压时域波形信号除以电流采样电阻的阻值来得到所述被测对象在所述方波脉冲电压刺激下的电流时域波形信号。

4.根据权利要求3所述的便携式测量仪，其特征在于，所述信号采集单元包括：

模数转换器，用于同时对所述被测对象和电流采样电阻两端的电压进行采样，以得到所述被测对象和电流采样电阻的电压时域波形信号；

存储器，用于存储采样得到的所述被测对象和电流采样电阻的电压时域波形信号，以供所述数据处理单元使用。

5.根据权利要求1所述的便携式测量仪，其特征在于，所述方波脉冲产生单元包括：

电池；

升压斩波电路，用于放大所述电池的电压；

方波脉冲开关，用于控制所述电压的输出，以产生施加于所述被测对象的方波脉冲电压。

6.根据权利要求5所述的便携式测量仪，其特征在于，所述方波脉冲产生单元还包括：

反相单元，用于使所述方波脉冲电压反相后再施加于所述被测对象。

7.根据权利要求1所述的便携式测量仪，其特征在于，所述供电单元包括：

充电电池；

电源管理电路，用于控制所述充电电池，以使为所述测量仪中的其它部分提供稳定可靠的电源。

8.根据权利要求1所述的便携式测量仪，其特征在于，还包括：

显示控制单元，用于显示通过数据处理单元得到的所述被测对象的电学参数。

9.根据权利要求8所述的便携式测量仪，其特征在于，所述显示控制单元还包括供用户查看所述电学参数的功能按键。

10.根据权利要求1所述的便携式测量仪，其特征在于，还包括：

数据传输单元，用于将通过数据处理单元得到的所述被测对象的电学参数传输到其它设备中。

11.根据权利要求10所述的便携式测量仪，其特征在于，所述数据传输单元包括USB驱动接口和蓝牙接口中的至少一个。

12.根据权利要求1所述的便携式测量仪，其特征在于，所述电学参数为电阻抗谱，

所述数据处理单元执行所述电压时域波形信号和电流时域波形信号的滤波和傅里叶变换计算，以得到所述被测对象的频域电阻抗谱。

13.一种用于测量电学参数的测量方法，包括：

将方波脉冲电压施加于被测对象；

同时采集所述被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电压时域波形信号和电流时域波形信号；

对所述电压时域波形信号和电流时域波形信号进行处理，以得到与施加于所述被测对象上的电压和电流相关的电学参数。

14.根据权利要求13所述的测量方法，其特征在于，还包括：

将电流采样单元与所述被测对象连接组成被测电路；

将方波脉冲电压施加于所述被测电路；

通过所述电流采样单元采集所述被测对象在所述方波脉冲电压激励下的电流时域波形信号。

15.根据权利要求14所述的测量方法，其特征在于，所述电流采样单元为一个电流采样电阻，

所述被测电路为由所述电流采样电阻与所述被测对象串联组成的串联电路；

所述采集电压时域波形信号和电流时域波形信号的步骤包括：

同时对在所述方波脉冲电压刺激下所述被测对象和电流采样电阻两端的电压进行采样，以得到所述被测对象和电流采样电阻的电压时域波形信号，并通过将采样得到的电流采样电阻的电压时域波形信号除以电流采样电阻的阻值来得到所述被测对象在所述方波脉冲电压刺激下的电流时域波形信号。

16.根据权利要求13所述的测量方法，其特征在于，所述电学参数为电阻抗谱，

所述对所述电压时域波形信号和电流时域波形信号进行处理的步骤包括：

执行所述电压时域波形信号和电流时域波形信号的滤波和傅里叶变换计算，以得到所述被测对象的频域电阻抗谱。

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