CN106841818B - 一种基于谐振原理的电感测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于谐振原理的电感测量装置，待测电感与电路中的电容构成一个并联振荡系统，该逆变电路的工作频率自动与并联振荡系统的振荡频率保持一致，无论待测电感的大小如何，并联振荡系统始终处于谐振状态，解决了谐振法测电感的失谐问题，无需使用频率可调交流激励信号和和谐振检测装置，整个电路结构简单，设计成本低，易于普及。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，涉及一种基于谐振原理的电感测量装置。
背景技术
随着电子工业的发展，人们对电子元件的测量场合，测量精度，测量成本，测量方法的难易程度有了更高的要求。电感元件已经广泛的应用在振荡，滤波，延迟，陷波等场合，目前电感测量方法有很多种，常见的主要有交流电桥法，阻抗相角法和谐振法，它们有各自的优缺点。交流电桥法测电感的原理和惠斯通电桥法测电阻的原理相同，都有四个桥臂，测量过程中要用到交流电源，通过调节四个桥臂中的一个，使电桥达到平衡状态，从而利用平衡电桥关系来求得电感的感抗，间接求得电感量。该方法测量精度高，但是测量过程中需要手动调节参数值，测量过程繁琐而且测量周期比较长。阻抗相角法和欧姆定律类似，通过测得流过电感元件中的电流矢量以及电感两端电压的矢量，通过欧姆定律得到阻抗矢量，进而测得电感量。该方法需要测量的量比较多，需要多次测量取平均值。谐振法测电感是将电感置于振荡电路中，使电路达到谐振状态，通过谐振频率和电容值求出电感值。目前常用的谐振法测电感装置一般都需要频率可调的交流信号源提供激励和高精度的峰值检测电路监测电路是否达到谐振状态，而往往因为峰值检测电路的精度不够高，系统无法处于完全谐振状态，出现失谐，进而使电感测量误差较大。除了以上三种测量电感的实验方法外，实验室还经常用测感仪测电感，通过测感仪测电感方便快捷，精度有保证，但是一台测感仪价格昂贵，难以普及。一些计算电感量的经验公式，通过电感的一些物理参数来计算电感量，过程简单，但是误差较大，只能作粗略计算。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于谐振原理的电感测量装置，无需使用频率可调的交流信号源和高峰值检测电路，解决了普通谐振法的测量精度问题，与交流电桥法，阻抗相角法相比，该方法的测量电路非常简单，测量过程非常快捷，降低了测量成本提高了测量效率。
技术方案
一种基于谐振原理的电感测量装置，其特征在于包括Q1MOS管、Q2MOS管、RFC1电感扼流圈、RFC2电感扼流圈、D1二极管、D2二极管、D3二极管、D4二极管、C1电容、C2电容、C3电容、R1电阻、R2电阻、R3电阻、R4电阻和直流电源；D1二极管和D2二极管分别为Q1MOS管和Q2MOS管的寄生二极管，C1和C2分别为Q1MOS管和Q2MOS管漏极与源极之间跨接的电容；R1电阻与R2电阻串联后并联于直流电源，Q1MOS管的栅极连接于R1电阻与R2电阻的分压端，Q1的源极接直流电源负极，Q1的漏极通过RFC1电感扼流圈连接电源正极；R3电阻与R4电阻串联后并联于直流电源，Q2MOS管的栅极连接于R3电阻与R4电阻的分压端，Q2的源极接直流电源负极，Q2的漏极通过RFC2电感扼流圈连接电源正极；D3二极管的负端连接于Q2MOS管的漏极，其正端连接Q1MOS管的栅极；D4二极管的负端连接于Q1MOS管的漏极(d极)，其正端连接Q2MOS管栅极；两个测量端分别连接Q1MOS管和Q2MOS管的漏极，C3电容并联于两个测量端之间；所述RFC1与RFC2电感量相等；所述C1与C2电容值相等；所述D3与D4二极管相同，所述Q1MOS管与Q2MOS管相同，R1电阻与R3电阻阻值相等，R2电阻与R4电阻阻值相等。
一种利用所述基于谐振原理的电感测量装置测量电感量值的方法，其特征在于：将被测电感L3并联于两个测量端，测量L3两端电压的频率f，根据求得被测电感L3的电感量值，其中：C1电容与C3电容已知。
实验过程中，C1＝550pF，C3＝100nF，测量标称22uH，47uH和100uH的工字电感时，示波器显示谐振频率分别为105.98KHz和72.32KHz，50.85KHz测量值分别为22.4uH和48.16uH，97.46uH，测量误差分别为1.82％和2.47％，2.54％。
有益效果
本发明提出的一种基于谐振原理的电感测量装置，待测电感与电路中的电容构成一个并联振荡系统，该逆变电路的工作频率自动与并联振荡系统的振荡频率保持一致，无论待测电感的大小如何，并联振荡系统始终处于谐振状态，解决了谐振法测电感的失谐问题，无需使用频率可调交流激励信号和和谐振检测装置，整个电路结构简单，设计成本低，易于普及。通过实验验证，测量标称值为22uH，47uH和100uH的工字电感时，默认标称值为标准值的情况下，测量值与标称值的误差分别为1.82％和2.47％，2.54％。
与现有的谐振法测电感装置相比，不需要特别使用频率可调的交流信号源，也不需要检测电路是否达到谐振状态，因为该电路加上直流电后，开关管会自动根据电感电容参数而工作在谐振频率下，解决了失谐问题，使测量精度得以提高。同时该电路结构简单，设计成本低，与实验室中的测感仪相比，降低了测量成本，更易于普及。与交流电桥法，阻抗相角法相比，减小了测量周期，提高测量效率。
附图说明
图1：电感测量电路拓扑图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
采用两个相同的MOS管，RFC是电感扼流圈，相当于恒流源，L3是待测电感。二极管D3，D4的存在使这两个MOS管互补工作状态下，同一时刻下，一个处于开通状态，则另一个处于关断状态。D1，D2是MOS管的寄生二极管，C1，C2是各自MOS管寄生输出电容和电路中漏极源极并联的电容之和。当Q1管关断，Q2管开通时，C2两端电压为零，C1，C3和L3发生并联谐振。当Q1管开通，Q2管关断，C1两端电压为零，C2，C3和L3发生并联谐振。令C1＝C2，谐振过程中，C1，C2两端电压的变化决定二极管D3和D4的开通和关断，进而决定开关管Q1和Q2开通和关断，在C3和L3两端，则产生交流电压，交流电压频率就是系统谐振频率。系统谐振频率与开关管工作频率相同为由此我们可以看出，该电路实际上是一个逆变电路，该逆变电路的工作频率可以自动地跟随系统的谐振频率，该电路只要上电就一定工作在谐振状态。C1，C3的值已知，我们只需要用示波器测出L3两端电压的频率即可求出待测电感L3的电感量。
如图所示，测量电路中，选择开关管的要求是根据无线电能传输系统的工作频率，这里MOS管采用IRFP360，C1，C2直接采用IRFP360的输出电容Coss为560pF，D3和D4采用FR604，RFC1和RFC2是220uH电感，C3采用104电容100nF，DC电压取5～10V，L3是被测电感。工作时Q1，Q2因为芯片差异，不可能同时导通。工作过程如下：
假设Q1导通，Q2关断，则二极管D3关断，D4开通，Q1的导通电阻R(on)很小，此时C1两端电压为0V。Q2关断，RFC2给C2，C3充电，电感L3也给C3充电，C2两端电压迅速上升。当电感L3电流为零时，RFC2同时给L3，C2，C3充电，电感L3电流反向增加，C2两端电压继续上升，当电感L3电流大于RFC2的电流时，RFC2，C2，C3共同给电感L3供电，C2两端电压开始下降，下降到时，D3导通，此时Q1门限电压等于C2两端电压，当C2两端电压继续下降到MOS管的开关门限电压Uth(on)时，Q1关断，此时Q2仍然处于关断状态。Q1关断，C1两端电压迅速升高，C2两端电压继续下降，当C1两端电压上升为Uth(on)时，Q2导通，当C1两端电压上升为时，D4关断，此时工作状态为Q1关断，Q2导通，二极管D3导通，D4关断，分析过程与上述类似，此时C3和L3两端电压波形反向。电路稳定工作状态下，Q1，Q2会有少许同时处于关断的死区时间，考虑到Uth(on)一般为2～3V，C1和C2容量又很小，电压上升很快，死区时间很小可忽略不计。
电路稳定工作时，电感L3两端电压为交流电压，交流电压频率为C1，C3和L3的并联谐振频率，交流电压频率与电磁谐振系统谐振频率相同，即实现了频率跟随，只要电路通电，则该电路始终工作在谐振状态下，只需用示波器测出L3两端交流电压频率f，可得
Claims (1)
1.一种基于谐振原理的电感测量装置，其特征在于包括Q1 MOS管、Q2 MOS管、RFC1电感扼流圈、RFC2电感扼流圈、D1二极管、D2二极管、D3二极管、D4二极管、C1电容、C2电容、C3电容、R1电阻、R2电阻、R3电阻、R4电阻和直流电源；D1二极管和D2二极管分别为Q1 MOS管和Q2 MOS管的寄生二极管，C1和C2分别为Q1 MOS管和Q2 MOS管漏极与源极之间跨接的电容；R1电阻与R2电阻串联后并联于直流电源，Q1 MOS管的栅极连接于R1电阻与R2电阻的分压端，Q1的源极接直流电源负极，Q1的漏极通过RFC1电感扼流圈连接电源正极；R3电阻与R4电阻串联后并联于直流电源，Q2 MOS管的栅极连接于R3电阻与R4电阻的分压端，Q2的源极接直流电源负极，Q2的漏极通过RFC2电感扼流圈连接电源正极；D3二极管的负端连接于Q2 MOS管的漏极，其正端连接Q1 MOS管的栅极；D4二极管的负端连接于Q1 MOS管的漏极，其正端连接Q2 MOS管栅极；两个测量端分别连接Q1 MOS管和Q2 MOS管的漏极，C3电容并联于两个测量端之间；所述RFC1与RFC2电感量相等；所述C1与C2电容值相等；所述D3与D4二极管相同，所述Q1 MOS管与Q2 MOS管相同，R1电阻与R3电阻阻值相等，R2电阻与R4电阻阻值相等；
将被测电感L3并联于两个测量端，测量L3两端电压的频率f，根据求得被测电感L3的电感量值，其中：C1电容与C3电容已知。
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