CN104237832B - 一种复阻抗标准器的校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种复阻抗标准器的校准方法及装置，基于等电位数字采样技术，解决了现有方法校准复阻抗标准器准确度差，难以溯源的问题。本发明的装置包括双通道信号源、等电位串联器、参考标准阻抗器、被校复阻抗标准器、数字电压表、数字采样器和计算机；等电位串联器的电压输入端连接双通道信号源，参考标准阻抗器和被校复阻抗标准器通过等电位串联器串联连接，数字电压表连接等电位串联器的电压输出端；两个同步触发的数字采样器分别连接参考标准阻抗器和被校复阻抗标准器，用于测量参考标准阻抗器和被校复阻抗标准器输出的电压信号，并将测量结果传输至计算机；计算机用于计算得出复阻抗标准器的校准值。

Description

一种复阻抗标准器的校准方法及装置

技术领域

本发明涉及阻抗测量技术领域，尤其涉及一种复阻抗标准器的校准方法及装置。

背景技术

现代科学技术不断发展已经进入了信息化、数字化时代，对电子产品的各种要求也越来越高，准确可靠的阻抗测量是各类军用及民用电子产品至关重要的基础。为了在设计、制造、调试或维修过程中更好地使用元器件，保证元器件或设备的质量和性能，需要掌握高精度的测量方法。阻抗(以及由阻抗推导出的参数，如电容、电感、电阻、相角、介质损耗、品质因数、等效电路等)是元器件和材料的固有属性，也是与材料、元件和电路相联系的基本参数。阻抗的概念所涉及领域也非常广泛，从直流电阻到电磁波特征阻抗，阻抗概念渗透到了当今电磁学所研究的各个领域。在工业生产、元器件筛选、科学研究现场，广泛应用了多种类型的阻抗测量仪。为实现阻抗测量仪的快速自动化现场校准，出现了一种基于数字波形合成技术的复阻抗标准器。它可以产生双路幅值相位可调的电压电流信号来复现电容、电感、电阻以及任意形式的复阻抗值，是一种模拟的标准阻抗器，这种仪器的准确度高，可达0.01级。复阻抗标准器一般具有良好的电屏蔽，其五端口复阻抗标准器原理图如图1所示，其研制是针对五端RLC数字电桥的任意复阻抗量值校准问题，因此其电路特性配合五端RLC数字电桥，由IH端测量RLC数字电桥激励信号的频率，产生相应倍频信号，合成电压波形信号从PH-PL端差分输出，合成电流波形信号从IL端输出，IL端接入RLC数字电桥时，与参考端等电位。

对于标准阻抗器的计量，主要采用直接测量法和替代法两种方法。直接测量法是使用阻抗测量仪直接测量标准阻抗器，阻抗测量仪的示值即为阻抗值。而替代法是用替代装置比较已知阻抗值的标准阻抗器与被校标准阻抗器，两标准器的阻抗值越接近，测量准确度越高。这两种方法对于复阻抗标准器计量而言，存在一定的局限性，主要在于：

1)直接测量法依赖于阻抗测量仪的技术指标，目前阻抗测量仪的最佳测量不确定度为0.01级，导致这种方法仅能够满足0.03级及以下的复阻抗标准器的计量需求，准确度不高。

2)替代法可在复阻抗标准器复现电容、电感时开展计量，而复阻抗标准器复现交流电阻及其它任意形式复阻抗值时，无法有效溯源。此外，有效量程还严重依赖实物标准器的量程范围。

发明内容

本发明提出一种复阻抗标准器的校准方法及装置，基于等电位数字采样技术，将任意复阻抗溯源至参考标准阻抗、交流电压有效值和相位上，可实现频率为100Hz～1MHz，阻抗模在0.1Ω～100kΩ范围下复阻抗标准器校准问题，相对测量不确定度可达0.005％，并可解决该范围下的任意阻抗值的溯源问题。

本发明的技术方案是：

1.一种复阻抗标准器的校准装置，其特征在于，包括双通道信号源、等电位串联器、参考标准阻抗器、被校复阻抗标准器、数字电压表、数字采样器和计算机；所述等电位串联器的激励信号输入端E端、F端连接所述双通道信号源，所述参考标准阻抗器的信号输入端IH、IL端分别接入所述等电位串联器的激励信号输出端A端、B端，所述被校复阻抗标准器的信号输入端IH、IL端分别接入所述等电位串联器的激励信号输出端C、D端，所述数字电压表连接等电位串联器的不平衡差值信号输出端G端；所述数字采样器包括两个同步触发的差分数字采样器，分别为第一数字采样器和第二数字采样器，所述第一数字采样器的信号输入端H、L端连接所述参考标准阻抗器信号输出端PH、PL端，用于测量所述参考标准阻抗器输出的差分电压信号，所述第二数字采样器的信号输入端H、L端连接所述被校复阻抗标准器的信号输出端PH、PL端，用于测量所述被校复阻抗标准器输出的差分电压信号；所述计算机用于根据所述数字采样器在电流平衡条件下测得的离散化数字电压信号以及参考标准阻抗器的校准值计算得出复阻抗标准器的校准值。

2.所述等电位串联器包括电压跟随器A，所述等电位串联器的B、D两个端口内部直接连接，并且连接电压跟随器A的输入端；电压跟随器A的输出端通过G端输出相对与参考端的电压；所述电流平衡是指，通过调节E端、F端的输入电压，使A、B端接入的参考标准阻抗器和C、D端接入的被校复阻抗标准器的电流频率、幅值和相位一致。

3.所述参考标准阻抗器可使用标准电容器、标准电感器或标准交流电阻器等可溯源的实物标准器。

4.所述双通道信号源为可分别调节两个通道的输入电压的幅值、相位和频率的电压信号源。

5.一种复阻抗标准器的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用一种等电位串联器，将被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器进行等电位串联：所述参考标准阻抗器的IH、IL端分别连接所述等电位串联器的A、B端，所述被校复阻抗标准器的IH、IL端分别连接所述等电位串联器的C、D端；

2)调节电流平衡，使被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器通过同样的电流：将所述等电位串联器的E端、F端连接可调幅值和相位的双通道信号源，等电位串联器的G端连接数字电压表；不断调节输入电压的幅值和相位，使数字电压表读数小于规定值，此时认为达到电流平衡，被校复阻抗标准器IL端输出电流与参考标准阻抗器IL端输出电流的电流频率、幅值和相位一致；

3)在电流平衡的条件下，用双通道数字采样器或可同步触发的两个数字采样器测量参考标准阻抗器和被校复阻抗标准器两端电压信号，并将测量结果传输给计算机；由计算机基于离散傅里叶变换的算法，得出被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器两端电压信号复比例值或得出参考标准阻抗器两端电压有效值U₀、被校复阻抗标准器两端电压信号有效值U_x、U_x相对U₀的相角差θ_x；

4)根据参考标准阻抗器的校准值以及由步骤3)测得的串联电流平衡条件下被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器两端电压信号的复比例值，可得出复阻抗标准器的校准值；若参考标准阻抗器的阻抗校准值为测得的被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器的电压复比例为那么，复阻抗标准器的校准值为：

若测得参考标准阻抗器两端电压有效值U₀、被校复阻抗U_x、U_x相对U₀的相角差θ_x，计算复阻抗标准器的校准值为：

6.所述步骤2)中，所述调节电流平衡的步骤包括：设置双通道信号源的输出信号时，先将等电位串联器E端的输入电压有效值设为U₁，若参考标准阻抗器的阻抗模为Z₀，被校复阻抗标准器的阻抗模为Z_x，那么F端的输入电压有效值U₂为：

然后调节U₂的相位，直至等电位串联器G端输出电压U_d最小时，再微调U₂幅值，直至U_d处于可接受的范围内，此时可认为达到电流平衡状态。

7.所述步骤3)中，所述双通道数字采样器通过设置N倍于信号源频率的采样速率进行整周期采样，得到离散化的被测数字波形信号，发送至计算机。

本发明的技术效果：

本发明提供的一种复阻抗标准器的校准方法及装置，基于等电位数字采样技术，将任意复阻抗溯源至参考标准阻抗、交流电压有效值和相位上，可实现频率为100Hz～1MHz，阻抗模在0.1Ω～100kΩ范围下复阻抗标准器校准问题，相对测量不确定度可达0.005％，将复阻抗参数的量传能力提升至0.01％，技术指标提升效果显著，解决了现有方法校准复阻抗标准器准确度差，难以溯源的问题，可有效的验证和评价复阻抗标准器，为复阻抗标准器的推广应用奠定了技术基础。

附图说明

图1是五端口复阻抗标准器原理图。

图2是本发明的复阻抗标准器校准装置结构示意图。

图3是等电位串联器工作原理图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，是本发明的复阻抗标准器校准装置结构示意图，本发明提供的一种复阻抗标准器的校准装置，包括双通道信号源、等电位串联器、参考标准阻抗器、被校复阻抗标准器、数字电压表、数字采样器和计算机；等电位串联器的激励信号输入端E端、F端连接所述双通道信号源，参考标准阻抗器的信号输入端IH、IL端分别接入等电位串联器的激励信号输出端A端、B端，被校复阻抗标准器的信号输入端IH、IL端分别接入等电位串联器的激励信号输出端C、D端，数字电压表连接等电位串联器的不平衡差值信号输出端G端；数字采样器包括两个同步触发的差分数字采样器，分别为第一数字采样器和第二数字采样器，第一数字采样器的信号输入端H、L端连接参考标准阻抗器信号输出端PH、PL端，用于测量所述参考标准阻抗器输出的差分电压信号，第二数字采样器的信号输入端H、L端连接被校复阻抗标准器的信号输出端PH、PL端，用于测量所述被校复阻抗标准器输出的差分电压信号；计算机用于根据所述数字采样器在电流平衡条件下测得的离散化数字电压信号以及参考标准阻抗器的校准值计算得出复阻抗标准器的校准值。

如图3所示，是等电位串联器工作原理图。等电位串联器包括电压跟随器A，等电位串联器的B、D两个端口内部直接连接，并且连接电压跟随器A的输入端，电压跟随器A的输出端通过G端输出相对与参考端的电压U_d；串联电流平衡是指，通过调节E端、F端的输入电压U₁、U₂，使A、B端接入的参考标准阻抗器Z₀和C、D端接入的被校复阻抗标准器Z_x的电流幅值和相位一致。

使用等电位串联器，一方面可实现被校复阻抗标准器IL端电位与其参考电位一致，并同时与参考标准阻抗器的参考电位一致的功能，减小泄漏电流的影响；另一方面，可将被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器实现“等效串联”，并以电压形式反馈串联电路电流差值。

等电位串联器，具有两组配对的BNC连接器，可连接被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器的IH-IL电流端，具有差分信号输出功能。A～G端均为同轴端口，皮线连接参考端。

所述双通道信号源为可分别调节两个通道的输入电压的幅值、相位和频率的电压信号源，通过可调幅值和相位的双通道信号源实现电流平衡，相位调节细度需达0.002°，幅值调节细度为满度的0.001％，或通过被校复阻抗标准器实现电流平衡，若通过调节被校复阻抗标准器方式实现电流平衡，复阻抗标准器电流输出应可调。

参考标准阻抗器可使用标准电容器、标准电感器或标准交流电阻器等可溯源的实物标准器。第一数字采样器和第二数字采样器是双通道数字采样器，各通道应为差分输入，其电压有效值测量范围应包含0.2V～2V，分辨力达1μV；通道间比例差小于10μV，采样速率大于100kS/s。

基于上述复阻抗标准器的校准装置，本发明还提出一种复阻抗标准器的校准方法，通过等电位串联器，使被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器通过同样的电流，采用DFT算法，测量被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器两端电压信号复比例或幅值和相位，并通过参考标准阻抗器的交流阻抗校准值，计算复阻抗标准器的校准值，这种方法将复阻抗标准器的量值，溯源到参考阻抗、交流电压和相位上，有效解决了复阻抗标准器的溯源问题。

一种复阻抗标准器的校准方法，包括以下步骤：

1)使用一种等电位串联器，将被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器进行等电位串联：所述参考标准阻抗器的IH、IL端分别连接所述等电位串联器的A、B端，所述被校复阻抗标准器的IH、IL端分别连接所述等电位串联器的C、D端；

2)调节电流平衡，使被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器通过同样的电流：将所述等电位串联器的E端、F端连接可调幅值和相位的双通道信号源，等电位串联器的G端连接数字电压表；不断调节输入电压的幅值和相位，使数字电压表读数小于规定值，此时认为达到电流平衡，被校复阻抗标准器IL端输出电流与参考标准阻抗器IL端输出电流的电流频率、幅值和相位一致；

3)在电流平衡的条件下，用双通道数字采样器或可同步触发的两个数字采样器测量参考标准阻抗器和被校复阻抗标准器两端电压信号，并将测量结果传输给计算机；由计算机基于离散傅里叶变换的算法，得出被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器两端电压信号复比例值或得出参考标准阻抗器两端电压有效值U₀、被校复阻抗标准器两端电压信号有效值U_x、U_x相对U₀的相角差θ_x；

4)根据参考标准阻抗器的校准值以及由步骤3)测得的串联电流平衡条件下被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器两端电压信号的复比例值，可得出复阻抗标准器的校准值；若参考标准阻抗器的阻抗校准值为测得的被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器的电压复比例为那么，复阻抗标准器的校准值为：

若测得参考标准阻抗器两端电压有效值U₀、被校复阻抗U_x、U_x相对U₀的相角差θ_x，计算复阻抗标准器的校准值为：

所述步骤2)中，设置双通道信号源的输出信号时，其幅值可参考标准阻抗器与被校复阻抗标准器的阻抗模比例，加载至等电位串联器的E、F端。

先将等电位串联器E端的输入电压有效值设为U₁，若参考标准阻抗器的阻抗模为Z₀，被校复阻抗标准器的阻抗模为Z_x，那么F端的输入电压有效值U₂为：

再调节U₂的相位，直至等电位串联器G端输出电压U_d最小时，再微调U₂幅值，直至U_d处于可接受的范围内，例如，U_d≤A_d·10^-4V时，A_d为等电位串联器中电压跟随器A的增益，此时可认为达到电流平衡状态，被校复阻抗标准器IL端输出电流与参考标准阻抗器IL端输出电流的电流频率、幅值和相位一致。

在计算设置双通道信号源的输出信号过程中，双通道信号源需要具备使用可调幅值和相位的数字波形合成技术，调节等电位串联器两端电流平衡的能力，使等电位串联器的输出电压处于可接受范围，被校复阻抗标准器IL端输出电流与参考标准阻抗器的电流频率、幅值和相位一致。

将等电位串联器E端的输入电压U₁有效值设为0.8V，若标准器的阻抗模为Z₀，被校复阻抗标准器的阻抗模为Z_x，那么将E端的输入电压U₂有效值设为：

调节U₂的相位，直至等电位串联器G端输出电压U_d最小时，再微调U₂幅值，直至U_d处于可接受的范围内，此时可认为串联电路实现平衡。

所述步骤3)中，用数字采样器测量参考标准阻抗器和被校复阻抗标准器两端电压信号，将双通道数字采样器通过设置N倍于信号源频率的采样速率，得到离散化的被测数字波形信号，发送至计算机，用基于DFT的电压有效值和相位测量算法，可计算出测量参考标准阻抗器两端电压有效值U₀、被校复阻抗U_x、U_x相对U₀的相角差θ_x，也可计算被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器的电压复比例K^&。

对于校准不同频率、不同阻抗模的复阻抗值，需选用不同的参考标准阻抗器，表1和表2分别给出了被校复阻抗模在0.1Ω～10MΩ之间所选用的推荐参考标准阻抗器。若以标准电容器作为参考标准阻抗器，可参考表1选择电容值。若以标准电感器作为参考标准阻抗器，可参考表2选择电感值。其中表1为标准电容器推荐电容值，表2为标准电感器推荐电感值。由于交流电阻参数目前国家尚未建立计量标准，交流电阻器的量值溯源性有待考证，因此建议使用标准电容器或标准电感器作为参考标准阻抗器。当复阻抗标准器复现的复阻抗模较小时，建议选择标准电感器作为参考，当复阻抗模较大时，可选择标准电容器作参考。

表1 标准电容器推荐电容值

表2 标准电感器推荐电感值

根据标准阻抗器的溯源证书，计算被校复阻抗标准器等效阻抗。以标准电容器为例，若其电容值为C，损耗为D，对应的标准复阻抗值为(D<<0.1时)；

式中：ω——校准点频率f对应的角频率，ω＝2πf

被校复阻抗标准器复现的值可由(2)式计算：

类似的，若以电感为L，品质因数为Q的标准电感器作为标准阻抗器时，被校复阻抗标准器复现的值可由(3)式计算。

上述内容为本发明具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复阻抗标准器的校准装置，其特征在于，包括双通道信号源、等电位串联器、参考标准阻抗器、被校复阻抗标准器、数字电压表、数字采样器和计算机；所述等电位串联器的激励信号输入端E端、F端连接所述双通道信号源，所述参考标准阻抗器的信号输入端IH、IL端分别接入所述等电位串联器的激励信号输出端A端、B端，所述被校复阻抗标准器的信号输入端IH、IL端分别接入所述等电位串联器的激励信号输出端C、D端，所述数字电压表连接等电位串联器的不平衡差值信号输出端G端；所述数字采样器包括两个同步触发的差分数字采样器，分别为第一数字采样器和第二数字采样器，所述第一数字采样器的信号输入端H、L端连接所述参考标准阻抗器信号输出端PH、PL端，用于测量所述参考标准阻抗器输出的差分电压信号，所述第二数字采样器的信号输入端H、L端连接所述被校复阻抗标准器的信号输出端PH、PL端，用于测量所述被校复阻抗标准器输出的差分电压信号；所述计算机用于根据所述数字采样器在电流平衡条件下测得的离散化数字电压信号以及参考标准阻抗器的校准值计算得出复阻抗标准器的校准值；

所述等电位串联器包括电压跟随器A，所述等电位串联器的B、D两个端口内部直接连接，并且连接电压跟随器A的输入端；电压跟随器A的输出端通过G端输出相对与参考端的电压；所述电流平衡是指，通过调节E端、F端的输入电压，使A、B端接入的参考标准阻抗器和C、D端接入的被校复阻抗标准器的电流频率、幅值和相位一致。

2.根据权利要求1所述的复阻抗标准器的校准装置，其特征在于，所述参考标准阻抗器可使用可溯源的标准电容器、标准电感器或标准交流电阻器实物标准器。

3.根据权利要求1所述的复阻抗标准器的校准装置，其特征在于，所述双通道信号源为可分别调节两个通道的输入电压的幅值、相位和频率的电压信号源。

4.一种复阻抗标准器的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用一种等电位串联器，将被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器进行等电位串联：所述参考标准阻抗器的信号输入端IH、IL端分别连接所述等电位串联器的激励信号输出端A、B端，所述被校复阻抗标准器的信号输入端IH、IL端分别连接所述等电位串联器的激励信号输出端C、D端；

2)调节电流平衡，使被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器通过同样的电流：将所述等电位串联器的激励信号输入端E端、F端连接可调幅值和相位的双通道信号源，等电位串联器的不平衡差值信号输出端G端连接数字电压表；不断调节输入电压的幅值和相位，使数字电压表读数小于规定值，此时认为达到电流平衡，被校复阻抗标准器的IL端输出电流与参考标准阻抗器的IL端输出电流的电流频率、幅值和相位一致；

3)在电流平衡的条件下，用双通道数字采样器或可同步触发的两个数字采样器测量参考标准阻抗器和被校复阻抗标准器两端电压信号，并将测量结果传输给计算机；由计算机基于离散傅里叶变换的算法，得出被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器两端电压信号复比例值或得出参考标准阻抗器两端电压有效值U₀、被校复阻抗标准器两端电压信号有效值U_x、U_x相对U₀的相角差θ_x；

4)根据参考标准阻抗器的校准值以及由步骤3)测得的串联电流平衡条件下被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器两端电压信号的复比例值，可得出复阻抗标准器的校准值；若参考标准阻抗器的阻抗校准值为测得的被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器的电压复比例为那么，复阻抗标准器的校准值为：

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其中，Z₀为参考标准阻抗器的阻抗模，θ₀为参考复阻抗标准器的阻抗角，K为被校复阻抗标准器与参考标准阻抗器电压复比例的模，若测得参考标准阻抗器两端电压有效值U₀、被校复阻抗U_x、U_x相对U₀的相角差θ_x，K即为被校复阻抗标准器两端电压有效值与参考标准阻抗器两端电压有效值之比，计算复阻抗标准器的校准值为：

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5.根据权利要求4所述的复阻抗标准器的校准方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述调节电流平衡的步骤包括：设置双通道信号源的输出信号时，先将等电位串联器E端的输入电压有效值设为U₁，若参考标准阻抗器的阻抗模为Z₀，被校复阻抗标准器的阻抗模为Z_x，那么F端的输入电压有效值U₂为：

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然后调节U₂的相位，直至等电位串联器G端输出电压U_d最小时，再微调U₂幅值，直至U_d处于可接受的范围内，此时可认为达到电流平衡状态。

6.根据权利要求4所述的复阻抗标准器的校准方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述双通道数字采样器通过设置N倍于信号源频率的采样速率进行整周期采样，得到离散化的被测数字波形信号，发送至计算机。