CN106291034B - 可自校准电阻分压器 - Google Patents

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Abstract

可自校准电阻分压器，其特征在于，包括主分压器、参考分压器、阻抗匹配电路和锁相放大器。通过主分压器和参考分压器逐段比较的方法，实现了对电阻分压器的精确校准。本发明工艺制造难度小，可保障交流低电压的顺利向下传递。

Description

可自校准电阻分压器
技术领域
本发明涉及一种可自校准电阻分压器，尤其涉及一种用于交流低电压溯源的可自校电阻分压器
背景技术
交流电压是电学计量专业的重要参数之一，也为交流电流、交流阻抗等其他交流参量提供溯源依据。在交流低电压的溯源领域，由于具有电压低、频带宽的特点，是交流电压量值溯源的难点。目前用于毫伏级别交流低电压交流电压的溯源技术中主要使用的是感应分压器技术。
感应分压器是利用绕组间的强磁耦合作用,提供与绕组匝数成正比关系的高准确度电压比值的电测量仪器，其结构主要由绕组以及适用于不同频率的磁芯组成。如图1所示，通过把感应分压器作为比例标准，把交流标准电压源输出的准确可溯源高电压转换为低电压，若感应分压器的比例已知，则可通过感应分压器输出准确的低电压，从而实现毫伏及交流低电压的向下传递。
随着测试测量技术的不断发展，对毫伏级交流低电压溯源的需求不断增多。使用感应分压器技术进行交流低电压的溯源，存在以下缺点：
1、感应分压器的结构复杂，根据感应分压器的结构，其是在磁芯组成的绕组构成，这种结构绕制方法复杂，存在诸多依赖于经验的制造工艺。
2、由于感应分压器是通过绕组间强磁耦合进行工作的，磁芯在较低频率下由于输入阻抗较低导致其不能够正常工作，感应分压器在低频段存在磁误差，所以感应分压器只能用于中高频段，低频段指标准确度较低。
3、并且在频率较高的情况下(1MHz)，感应分压器绕组之间的匝间电容对感应分压器的准确度影响较大，易产生容性误差。
4、可自校准感应分压器的自校准过程中，涉及多只感应分压器的配合工作，涉及到主分压器、参考分压器、屏蔽保护分压器、隔离分压器、阻抗匹配电路和微差补偿器等，校准过程复杂。自校准系统中具有指零仪，需要增加一套微电位补偿系统。
发明内容
针对现有的交流低电压溯源技术中存在的不足，本发明提供了一种可自校准的十进制电阻分压器用于交流低电压的溯源，该发明组成部件少，结构简单，可通过自校准的方式配合阻抗匹配电路精确输出电压，基于该方法能够方便的对交流低电压进行溯源。
具体而言，本发明提供一种可自校准电阻分压器，其特征在于，包括主分压器、参考分压器、阻抗匹配电路和锁相放大器。
进一步地，其中，主分压器由一定数量的相同阻值的电阻串联组成，每只电阻在电路中分别具有高端、低端两端，参考分压器由与主分压器相同数量的阻值相同的电阻串联组成，每只电阻也有高端、低端两端，其中一只为参考电阻Rref，其两端连接阻抗匹配电路，阻抗匹配电路的输出也同时接入到锁相放大器。
进一步地，其中，主分压器和参考分压器的电阻的数量为：该值被1除时，商为有限小数。如2、4、5、8、10、16、20、25等，且优选为10的整数倍。
进一步地，其中，参考分压器为可动结构，各个电阻之间有开关控制相邻电阻之间的通断，通过该结构的动作、电阻间开关的选通或关短以及电源的接入位置选择，实现参考电阻两端的电势依次与主分压器每个电阻两端的电势基本相同。
进一步地，其中，所述参考分压器为一环形可动结构，通过旋转可实现参考电阻两端电势的调整，由于输入信号Ui始终不变，各电阻的阻值不变，所以参考电阻Rref输出的参考电势URref始终保持不变，并且实现了参考电阻Rref两端相对于地端的电势与主分压器对应的被测电阻两端相对于地端的电势基本相同。
进一步地，其中，所述阻抗匹配电路输入阻抗极高，输出阻抗低的电路，其理论输入电压等于输出电压。
进一步地，其中，所述阻抗匹配电路采用差分放大电路结构，具体包括4个运算放大器和多个电阻。
进一步地，其中，所述锁相放大器既用于校准阻抗匹配电路的比例误差，又能在可自校准电阻分压器校准过程中用于测量主分压器与参考分压器每段之间的微差，其参考端Ref和输入端A连接到阻抗匹配电路的输入端，锁相放大器的输入端B连接到阻抗匹配电路的输出端。
进一步地，其中，所锁相放大器可以精确测量出阻抗匹配电路输入信号Uzi与输出信号Uzo的差值U-，并据此，可计算出阻抗匹配电路的比例由于其中Uzi为已知信号，可得阻抗匹配电路的实际比例，随后通过这个实际比例值并经过计算，可把阻抗匹配电路输入、输出的值修正为相等值。
一种可自校准电阻分压器的工作方法，其特征在于：
步骤一，用参考分压器电阻Rref的电压作为参考电压，与主分压器第一段编号为1的电阻进行比较，实现过程是用电阻1的电压和参考分压器电阻Rref分别连接锁相放大器；建立第一段的平衡方程：
δ1-ΔEs＝Δ1
其中δ1为主分压器电阻1的电压，ΔEs为参考分压器电阻Rref的电压，Δ1为锁相放大器的读数；
步骤二，旋转该环形结构，并改变参考分压器的输入，使参考分压器电阻Rref作为十段中第二个位置，所以参考分压器电阻Rref电压不变，依然为ΔEs。建立第二段平衡方程：
δ2-ΔEs＝Δ2
其中δ2为主分压器电阻1的电压，ΔEs为参考分压器电阻Rref的电压，Δ2为锁相放大器和阻抗匹配电阻经过阻抗匹配电路修正之后的读数；
重复步骤二的操作，分别建立第三段到第十段的平衡方程，十个方程相加得：
由电阻分压器自校准原理可知：在电阻分压器自校准过程中，参考分压器输出的参考电势是不变的，而主分压器输入电压为10倍的参考电势，由主分压器结构可知，主分压器每只电阻上电压理论上等于参考电势，但由于电阻阻值存在误差，主分压器每只电阻电压与参考电势存在微小误差，若应用参考电势和主分压器每只电阻进行比较，误差可能为正误差、零或者负误差，但主分压器每只电阻电压之和等于10倍的参考电势，所以进行十次比较之后，主分压器的误差之和应为零。
可以求得
故确定参考分压器的误差ΔEs，可据此对分压器进行校准。
技术效果：
本发明提供了一种用于低电压可自校准的十进制电阻分压器，采用逐段比较的方法，实现了对十进制电阻分压器的精确校准。可自校准的十进制电阻分压器结构简单，工艺制造难度小，可保障交流低电压的顺利向下传递。
本发明自校准过程中采用锁相放大器作为测量手段，采用锁相放大器对阻抗匹配电路进行精确校准。并且在自校准的过程中采用锁相放大器可以精确测量两路信号微小差值，实现了自校准电路的简化。
利用参考分压器输出作为主分压器的输出，用于校准交流低电压信号；在实际工作点进行自校后马上传递，避免宽量程的频率适应性或引入重复性等误差。
附图说明
附图1是现有技术感应分压器原理
附图2是本发明可自校准分压器结构图
附图3是本发明参考分压器环形结构图
附图4是阻抗匹配电路的校准电路图
附图5是本发明感应分压器的工作过程示意图
具体实施方式
参考附图2-5，示出了本发明具体实施方式。本发明采用多只电阻的特定结构构成可自校准的电阻分压器，为了方便，这里以10只电阻构成的十进制电阻分压器为例进行说明，但是应当知道，其他数量电阻构成的多进制电阻分压器也可以使用，并在本发明保护范围内。
参见图2，本发明的可自校准电阻分压器包括主分压器、参考分压器、阻抗匹配电路和锁相放大器四个部分。所述各个组成部分的结构及连接方式如下：主分压器由十只电阻串联组成，每只电阻在电路中分别具有高端、低端两端，这两端在自校准过程中分别接入锁相放大器，同时，参考分压器也是由十只电阻组成，每只电阻也有高端、低端两端，其中一只为参考电阻，该参考电阻两端连接阻抗匹配电路，阻抗匹配电路的输出也同时接入到锁相放大器。
其中主分压器是本发明中被校准的对象，用于校准完毕后交流电压的溯源，其两端连接交流标准电压源。
其中，参考分压器用于为主分压器提供参考电势，采用十只电阻使得其构成十进制电阻分压器，将其作为比例标准用于交流低电压溯源具有很高的自校准准确度，校准时，其两端也连接交流标准电压源。在优选的方案中，参见图3，参考分压器的十只电阻构成大致一环形结构，两端接标准电压源，该环形结构可根据需要转动，实现输出是同一电阻的绝对电势差，而电阻两端电压输出的参考电势始终不变。具体来说，每两只电阻之间有选择选择开关，图4a中是把参考电阻Rref与10号电阻之间断开，其它电阻串联连接，从顺时针方向的角度来看，图4a中，输入信号Ui高端和低端分别连接电阻Rref和10号电阻，此时电阻Rref输出URref作为该参考分压器的参考电势输出。参见图4b，其为顺时针转动该环形结构一个电阻位置后的视图，其中通过开关把10号电阻与9号电阻之间断开，其它电阻串联连接，从顺时针方向的角度来看，图4b中输入信号Ui高端和低端分别连接10号电阻和9号电阻，此时电阻Rref输出URref作为该参考分压器的参考电势输出。
通过依次旋转该环形结构，通过选择电阻间不同开关的开闭，实现在不同位置连接输入信号Ui，而输出信号的电阻不变。由于输入信号Ui始终不变，各电阻的阻值不变，所以参考电阻Rref输出的参考电势URref始终保持不变，并且实现了参考电阻Rref两端相对于地端的电势与主分压器对应的被测电阻两端相对于地端的电势基本相同，提高了校准精度。
当然参考分压器的电阻也可以不是环形结构，只要能实现电阻绝对电势按照进制调整即可。工作中，参考电阻逐段对应地与主分压器的各只电阻进行电压对比，用于最后计算主分压器第一段分压比。
参见图4，阻抗匹配电路用于匹配参考分压器的电阻，阻抗匹配电路是输入阻抗极高，输出阻抗低的电路，其理论输入电压等于输出电压，本发明采用差分放大电路用于电阻分压器的自校准之中，进行输入输出阻抗匹配，减小阻抗匹配引入的误差。如图所示，该阻抗匹配电路是输入为信号Uzi，输出端输出信号是Uzo。锁相放大器有两个作用，首先用于校准阻抗匹配电路的比例误差，其次在可自校准电阻分压器校准过程中用于测量主分压器与参考分压器每段之间的微差。用锁相放大器作为指零仪，对比差和角差进行精确计算，排除了干扰信号的影响。
根据锁相放大器原理，能够对两路同频率信号之间的微小差值进行准确测量。如图5所示为阻抗匹配电路校准方法，已知信号Uzi为输入阻抗匹配电路的输入信号，同时连接到锁相放大器的参考端Ref(reference)和输入端A，输出端Uzo连接到锁相放大器的输入端B。根据锁相放大器的原理，锁相放大器可以精确测量出信号Uzi与Uzo的差值U-，则U-＝Uzi-Uzo，则阻抗匹配电路的比例其中Uzi为已知信号，可得阻抗匹配电路的实际比例。使用这个实际比例值并通过计算把阻抗匹配电路输入、输出的值修正为相等值。
结合图4、图5示出了本发明可自校准十进制感应分压器校准过程。具体包括：
步骤一，用参考分压器电阻Rref的电压作为参考电压，与主分压器第一段编号为1的电阻进行比较，实现过程是用电阻1的电压和参考分压器电阻Rref分别连接锁相放大器。建立第一段的平衡方程：
δ1-ΔEs＝Δ1
其中δ1为主分压器电阻1的电压，ΔEs为参考分压器电阻Rref的电压，Δ1为锁相放大器的读数。
步骤二，旋转该环形结构，并改变参考分压器的输入，使参考分压器电阻Rref作为十段中第二个位置，所以参考分压器电阻Rref电压不变，依然为ΔEs。建立第二段平衡方程：
δ2-ΔEs＝Δ2
其中δ2为主分压器电阻1的电压，ΔEs为参考分压器电阻Rref的电压，Δ2为锁相放大器和阻抗匹配电阻经过阻抗匹配电路修正之后的读数。。
重复步骤二的操作，分别建立第三段到第十段的平衡方程，十个方程相加得：
由电阻分压器自校准原理可知：在电阻分压器自校准过程中，参考分压器输出的参考电势是不变的，而主分压器输入电压为10倍的参考电势，由主分压器结构可知，主分压器每只电阻上电压理论上等于参考电势，但由于电阻阻值存在误差，主分压器每只电阻电压与参考电势存在微小误差，若应用参考电势和主分压器每只电阻进行比较，误差可能为正误差、零或者负误差，但主分压器每只电阻电压之和等于10倍的参考电势，所以进行十次比较之后，主分压器的误差之和应为零。
可以求得
故确定参考分压器的误差ΔEs，可据此对分压器进行校准。此外，还可直接利用参考分压器的输出作为可自校准电阻分压器的数据进行量值传递。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.可自校准电阻分压器，其特征在于，包括主分压器、参考分压器、阻抗匹配电路和锁相放大器，主分压器由一定数量的相同阻值的电阻串联组成，每只电阻在电路中分别具有高端、低端两端，这两端在自校准过程中分别接入锁相放大器，同时，参考分压器由与主分压器相同数量的阻值相同的电阻串联组成，每只电阻也有高端、低端两端，其中一只为参考电阻，该参考电阻两端连接阻抗匹配电路，阻抗匹配电路的输出也同时接入到锁相放大器；其中主分压器是被校准的对象，用于校准完毕后交流电压的溯源，其两端连接交流标准电压源；参考分压器用于为主分压器提供参考电势，将其作为比例标准用于交流低电压溯源具有很高的自校准准确度，校准时，其两端也连接交流标准电压源，主分压器和参考分压器的电阻的数量为：该值被1除时，商为有限小数。
2.根据权利要求1所述的电阻分压器，其特征在于：主分压器和参考分压器的电阻的数量为10的整数倍。
3.根据权利要求1或2所述的电阻分压器，其特征在于：参考分压器为可动结构，各个电阻之间有开关控制相邻电阻之间的通断，通过该结构的动作、电阻间开关的选通或关断以及电源的接入位置选择，实现参考电阻两端的电势依次与主分压器每个电阻两端的电势相同。
4.根据权利要求3所述的电阻分压器，其特征在于：所述参考分压器为一环形可动结构，通过旋转可实现参考电阻两端电势的调整，由于输入信号Ui始终不变，各电阻的阻值不变，所以参考电阻Rref输出的参考电势URref始终保持不变，并且实现了参考电阻Rref两端相对于地端的电势与主分压器对应的被测电阻两端相对于地端的电势相同。
5.据权利要求4所述的电阻分压器，其特征在于：主分压器和参考分压器的电阻的数量为10个。
6.根据权利要求1或2所述的电阻分压器，其特征在于：所述阻抗匹配电路为输入阻抗极高，输出阻抗低的电路，其理论输入电压等于输出电压。
7.如权利要求5所述的一种可自校准电阻分压器的工作方法，其特征在于：
步骤一，用参考分压器电阻Rref的电压作为参考电压，与主分压器第一段编号为1的电阻进行比较，实现过程是用电阻1的电压和参考分压器电阻Rref的电压分别连接锁相放大器；建立第一段的平衡方程：
δ1-ΔEs＝Δ1
其中δ1为主分压器电阻1的电压，ΔEs为参考分压器电阻Rref的电压，Δ1为锁相放大器的读数；
步骤二，旋转该环形可动结构，并改变参考分压器的输入，使参考分压器电阻Rref作为十段中第二个位置，所以参考分压器电阻Rref电压不变，依然为ΔEs，建立第二段平衡方程：
δ2-ΔEs＝Δ2
其中δ2为主分压器电阻1的电压，ΔEs为参考分压器电阻Rref的电压，Δ2为锁相放大器和阻抗匹配电阻经过阻抗匹配电路修正之后的读数；
重复步骤二的操作，分别建立第三段到第十段的平衡方程，十个方程相加得：
由电阻分压器自校准原理可知：在电阻分压器自校准过程中，参考分压器输出的参考电势是不变的，而主分压器输入电压为10倍的参考电势，由主分压器结构可知，主分压器每只电阻上电压理论上等于参考电势，但由于电阻阻值存在误差，主分压器每只电阻电压与参考电势存在微小误差，若应用参考电势和主分压器每只电阻进行比较，误差可能为正误差、零或者负误差，但主分压器每只电阻电压之和等于10倍的参考电势，所以进行十次比较之后，主分压器的误差之和应为零；
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故确定参考分压器的误差ΔEs，可据此对分压器进行校准。
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