CN105158720A - 一种校准90度相位角相对误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种校准90度相位角相对误差的方法，包括：建立幅值相等、相位相反的第一交流电压和第二交流电压，将第一交流电压经第一90度移相器和第二90度移相器加在第一反相加法器的一输入端上，将第一交流电压加在第一反相加法器的另一输入端上，测得第一反相加法器的第一输出电压；将第一交流电压经第一90度移相器加在第二反相加法器的一输入端上，将第二交流电压经第二90度移相器加在第二反相加法器的另一输入端上，测得第二反相加法器的第二输出电压；根据第一交流电压、第二交流电压、第一输出电压和第二输出电压分别获得第一、第二90度移相器的相位相对误差。本发明获得的相位误差准确度高，能够满足高精度校准需求。

Description

一种校准90度相位角相对误差的方法

技术领域

本发明涉及计量测试领域，尤其是一种校准90度相位角相对误差的方法。

背景技术

相位是重要的计量参数，众多电参数的测量与相位直接相关，许多非电量的测量也转化为相位角的测量。

在精密电磁测量中，测量交流电压所用的电阻或电容分压器、电压互感器等，测量交流电流所用的分流器、电流互感器等，均存在一定相位误差。相位误差会影响测量准确度，在低功率因素的测量线路中，相位误差对测量准确度的影响尤为显著。

在对相位测量仪进行校准时，通常利用标准相位源。在某些测量准确度要求较高的场合，相位源输出信号的准确度无法满足要求，不能直接用于对相位测量仪的校准，所以需要对相位源输出信号的误差进行准确测量。

目前，相位测量的方法主要为过零检波法，将两路信号经过整形后再进行过零比较，通过检测信号过零点形成计数闸门信号，从而将相位测量转化为高频脉冲个数的测量，受信号失真、电压噪声等影响，信号的过零点检测存在一定误差，所以，基于过零检波法原理的相位测量仪的准确度受到一定限制，目前准确度最高的相位测量仪误差约为±0.02°，无法满足部分高精度校准需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种校准90度相位角相对误差的方法，以解决采用现有方法获得的相位角精度较低的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种校准90度相位角相对误差的方法，包括：

建立幅值相等、相位相反的第一交流电压和第二交流电压，将所述第一交流电压经第一90度移相器和第二90度移相器加载在第一反相加法器的一输入端上，还将所述第一交流电压加载在所述第一反相加法器的另一输入端上，测量获得所述第一反相加法器的第一输出电压；

将所述第一交流电压经所述第一90度移相器加载在第二反相加法器的一输入端上，将所述第二交流电压经所述第二90度移相器加载在第二反相加法器的另一输入端上，测量获得所述第二反相加法器的第二输出电压；

根据所述第一交流电压、第二交流电压、第一输出电压和第二输出电压分别获得所述第一90度移相器和第二90度移相器的相位相对误差。

进一步地，通过交流电源经双级感应分压器获得所述第一交流电压和第二交流电压。

进一步地，所述第一反相加法器和第二反相加法器采用相同电路结构的积分电路，所述第一反相加法器包括三个第一电阻及一个第三运算放大器。

进一步地，先构建第一电路，通过该第一电路测量获得所述第一反相加法器的第一输出电压，再拆除该第一电路，构建第二电路，利用该第一电路中的第一反相加法器充当所述第二反相加法器，将第一90度移相器和第二90度移相器分别加载在所述第二反相加法器的两输入端，测量获得所述第二反相加法器的第二输出电压。

进一步地，所述第一90度移相器为积分电路、RC移相器、微分电路或相位源，所述第二90度移相器为积分电路、RC移相器、微分电路或相位源。

进一步地，所述第一90度移相器和第二90度移相器均为积分电路，所述第一90度移相器包括第二电阻、第一电容和第一运算放大器，所述第一90度移相器包括第二电阻、第一电容和第二运算放大器。

进一步地，所述第一90度移相器的相位相对误差为δ₁，所述第二90度移相器的相位相对误差为δ₂，且

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{j\Δ}}_2}{2U_1}$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1-{\mathrm{j\Δ}}_2}{2U_1}$

其中，△₁为所述第一输出电压，△₂为所述第二输出电压，U₁为所述第一交流电压，j为虚数单位。

进一步地，通过锁相放大器分别测量获得所述第一输出电压和第二输出电压。

本发明提供了一种校准90度相位角相对误差的方法，通过设置幅值相等、相位相反的两电压，再结合90度移相器和反相加法器获得90度移相器的相位误差，且获得的相位误差准确度高，能够满足高精度校准需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的校准90度相位角相对误差的方法的步骤图；

图2为本发明实施例中第一电路的原理图；

图3为本发明实施例中第二电路的原理图；

图4为本发明实施例中采用积分电路结构的90度移相器时第一电路的原理图；

图5为本发明实施例中采用积分电路结构的90度移相器时第二电路的原理图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种校准90度相位角相对误差的方法，包括：

建立幅值相等、相位相反的第一交流电压U₁和第二交流电压U₂，将所述第一交流电压U₁经第一90度移相器和第二90度移相器加载在第一反相加法器的一输入端上，还将所述第一交流电压加载在所述第一反相加法器的另一输入端上，测量获得所述第一反相加法器的第一输出电压△₁；

将所述第一交流电压U₁经所述第一90度移相器加载在第二反相加法器的一输入端上，将所述第二交流电压U₂经所述第二90度移相器加载在第二反相加法器的另一输入端上，测量获得所述第二反相加法器的第二输出电压△₂；

根据所述第一交流电压U₁、第二交流电压U₂、第一输出电压△₁和第二输出电压△₂分别获得所述第一90度移相器和第二90度移相器的相位相对误差。请结合图2，在图2所示的第一电路中，U_s为交流电源，T_s为双级感应分压器，R₁为第一电阻，A₃为第三运算放大器，U₁、U₂分别为双级感应分压器的输出电压，U_o1、U_o2分别为两只移相器的输出电压，△₁为运放A₃输出电压。

在本实施例中，通过交流电源U_s经双级感应分压器T_s获得所述第一交流电压U₁和第二交流电压U₂，双级感应分压器T_s是电压比例固定为1：1的比例器，具有三个电压输出端子，当中间电压端子接地时，另外两个电压U₁和U₂的幅值相等，相位相反，即存在关系：

U₁＝-U₂

由图2可知，两只移相器的输出电压分别为：

U_o1＝U₁*j(1+δ₁)

U_o2＝U_o1*j(1+δ₂)

进一步地，可得：

U_o2＝U₁*j(1+δ₁)*j(1+δ₂)＝-U₁(1+δ₁+δ₂+δ₁δ₂)

在本实施例中，所述第一反相加法器包括三个第一电阻R₁及一个第三运算放大器A₃，其输出电压△₁为：

△₁＝-(U₁+U_o2)＝U₁(δ₁+δ₂+δ₁δ₂)

通常，90度移相器的相对误差δ₁和δ₂均很小，上式乘积项的影响可忽略，则可知：

△₁＝U₁(δ₁+δ₂)

请参考图3，在图3所示的第二电路中，所述第一反相加法器和第二反相加法器采用相同电路结构的积分电路。

具体地，先构建第一电路，通过该第一电路测量获得所述第一反相加法器的第一输出电压△₁，再拆除该第一电路，构建第二电路，利用该第一电路中的第一反相加法器充当所述第二反相加法器，将第一90度移相器和第二90度移相器分别加载在所述第二反相加法器的两输入端，测量获得所述第二反相加法器的第二输出电压△₂。即重复利用之前的第一反相加法器，将第一反相加法器接在第二电路中充当第二反相加法器。

在本实施例中，请参考图2，该第一电路包括交流电源U_s、双极感应分压器T_s、第一90度移相器、第二90度移相器和第一反相加法器，交流电源U_s通过所述双极感应分压器T_s产生所述第一交流电压和第二交流电压。对于第二电路，请参考图3，在此不再赘述。

由图3可得：

U'_o1＝U₁*j(1+δ₁)

U'_o2＝U₂*j(1+δ₂)

△₂＝-(U'_o1+U'_o2)＝-[U₁*j(1+δ₁)+U₂*j(1+δ₂)]

再结合U₁＝-U₂，可得：

△₂＝U₁*j(δ₂-δ₁)

通过锁相放大器分别测量获得所述第一输出电压△₁和第二输出电压△₂，锁相放大器可以分别测量出第一输出电压△₁和第二输出电压△₂的同相和正交分量，结合上述公式可以进一步得到：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{j\Δ}}_2}{2U_1}$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1-{\mathrm{j\Δ}}_2}{2U_1}$

其中，j为虚数单位。

在本实施例中，如图4-5所示，所述第一90度移相器和第二90度移相器均为积分电路，所述第一90度移相器包括第二电阻R₂、第一电容C和第一运算放大器A₁，所述第一90度移相器包括第二电阻R₂、第一电容C和第二运算放大器A₂。

其它形式的90度相位电路，如RC移相器、微分电路、相位源等，其相位误差均可用本发明方法进行校准。

本发明提供了一种校准90度相位角相对误差的方法，通过设置幅值相等、相位相反的两电压，再结合90度移相器和反相加法器获得90度移相器的相位误差，且获得的相位误差准确度高，能够满足高精度校准需求。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种校准90度相位角相对误差的方法，其特征在于，包括：

建立幅值相等、相位相反的第一交流电压和第二交流电压，将所述第一交流电压经第一90度移相器和第二90度移相器加载在第一反相加法器的一输入端上，还将所述第一交流电压加载在所述第一反相加法器的另一输入端上，测量获得所述第一反相加法器的第一输出电压；

将所述第一交流电压经所述第一90度移相器加载在第二反相加法器的一输入端上，将所述第二交流电压经所述第二90度移相器加载在第二反相加法器的另一输入端上，测量获得所述第二反相加法器的第二输出电压；

根据所述第一交流电压、第二交流电压、第一输出电压和第二输出电压分别获得所述第一90度移相器和第二90度移相器的相位相对误差。

2.如权利要求1所述的校准90度相位角相对误差的方法，其特征在于，通过交流电源经双级感应分压器获得所述第一交流电压和第二交流电压。

3.如权利要求1所述的校准90度相位角相对误差的方法，其特征在于，所述第一反相加法器和第二反相加法器采用相同电路结构的积分电路，所述第一反相加法器包括三个第一电阻及一个第三运算放大器。

4.如权利要求3所述的校准90度相位角相对误差的方法，其特征在于，先构建第一电路，通过该第一电路测量获得所述第一反相加法器的第一输出电压，再拆除该第一电路，构建第二电路，利用该第一电路中的第一反相加法器充当所述第二反相加法器，将第一90度移相器和第二90度移相器分别加载在所述第二反相加法器的两输入端，测量获得所述第二反相加法器的第二输出电压。

5.如权利要求1所述的校准90度相位角相对误差的方法，其特征在于，所述第一90度移相器为积分电路、RC移相器、微分电路或相位源，所述第二90度移相器为积分电路、RC移相器、微分电路或相位源。

6.如权利要求5所述的校准90度相位角相对误差的方法，其特征在于，所述第一90度移相器和第二90度移相器均为积分电路，所述第一90度移相器包括第二电阻、第一电容和第一运算放大器，所述第一90度移相器包括第二电阻、第一电容和第二运算放大器。

7.如权利要求1所述的校准90度相位角相对误差的方法，其特征在于，所述第一90度移相器的相位相对误差为δ₁，所述第二90度移相器的相位相对误差为δ₂，且

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1+{\mathrm{j\Δ}}_2}{2U_1}$

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{{\mathrm{\Δ}}_1-{\mathrm{j\Δ}}_2}{2U_1}$

其中，△₁为所述第一输出电压，△₂为所述第二输出电压，U₁为所述第一交流电压，j为虚数单位。

8.如权利要求1所述的校准90度相位角相对误差的方法，其特征在于，通过锁相放大器分别测量获得所述第一输出电压和第二输出电压。