CN109991478B - 电感测量装置与电感测量方法 - Google Patents

电感测量装置与电感测量方法 Download PDF

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    • G01R27/2611—Measuring inductance

Abstract

本发明公开一种电感测量装置，用以测量一待测电感电性连接于一第一测试节点与一第二测试节点之间。电感测量装置包括一参考电感单元、一直流电源、一第一电容、一第二电容与一电感仪表。参考电感单元具有一第一端、一第二端以及一参考电感值。直流电源的两端分别电性连接参考电感单元的第一端与第一测试节点。第一电容的两端分别电性连接参考电感单元的第一端与第一测试节点。第二电容的一端电性连接第二测试节点。电感仪表的一第一端与一第二端分别电性连接第一测试节点与第二电容的另一端。本发明还公开一种电感测量方法。

Description

电感测量装置与电感测量方法
技术领域
本发明关于一种电感测量装置与电感测量方法，特别是关于一种测量电感在直流电流下的饱和特性的电感测量装置与电感测量方法。
背景技术
在变压器与电感器这类利用铁芯及磁场工作的电感性元件中，当足够大的电流通过时，它们磁芯的磁场也会达到饱和，此时电感性元件的电性特性是为非线性的，这是在线性电路中所不希望出现的现象。举例来说，当施加交流电信号的时候，这种非线性现象会造成一次谐波和互调失真。因此，于实务上会通过实验测量以取得电感元件的磁饱和特性，以供电路设计考虑。
在测量电感在流经直流电流下的磁饱和特性时，以往采用的方式是将待测电感串联于两个感值极大的电感之间，以隔离待测电感与电源供应器，从而降低电源供应器对三用电表的影响，以使三用电表不受电源供应器的影响而测量出准确的电感值。但是，在实际的情况中，随着直流电流上升，两个串联的大电感也会随着饱和，导致测量值出现不准确的情况。
发明内容
本发明在于提供一种电感测量装置与电感测量方法，以克服以往测试架构在直流电流上升的情况下无法准确测量电感值的问题。
本发明公开了一种电感测量装置，用以测量一待测电感电性连接于一第一测试节点与一第二测试节点之间。该电感测量装置包括一参考电感单元、一直流电源、一第一电容、一第二电容与一电感仪表。参考电感单元具有一第一端、一第二端以及一参考电感值。直流电源的一端电性连接参考电感单元的第一端，直流电源的另一端电性连接第一测试节点。第一电容的一端电性连接参考电感单元的第一端，第一电容的另一端电性连接第一测试节点。第二电容的一端电性连接第二测试节点。电感仪表具有一第一端电性连接第一测试节点。电感仪表具有一第二端电性连接第二电容的另一端。其中，电感仪表测量第一测试节点与第二测试节点之间的电感值。
本发明公开了一种电感测量方法，包括提供一第一测试节点与一第二测试节点，用以电性连接一待测电感；将一第一电容的一端电性连接该参考电感单元的第一端，该第一电容的另一端电性连接该第一测试节点；将该参考电感单元的第二端电性连接该第二测试节点；将一直流电源并联连接该第一电容以提供一直流电流；将一第二电容电性连接于一电感仪表以隔离该直流电流；以及提供一交流信号，并以该电感仪表依据该交流信号测量该第一测试节点与该第二测试节点之间的电感值。
以上关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求书更进一步的解释。
附图说明
图1为根据本发明一实施例所绘示的电感测量装置的功能方块图。
图2为根据本发明一实施例所绘示的电感测量方法的步骤流程图。
图3A为根据本发明一实施例所绘示的电感测量装置的第一电流路径示意图。
图3B为根据本发明一实施例所绘示的电感测量装置的第二电流路径示意图。
图4为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量方法的步骤流程图。
图5为根据本发明再一实施例所绘示的电感测量装置的功能方块图。
图6为根据本发明又另一实施例所绘示的电感测量装置的功能方块图。
图7为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量方法的测量程序的步骤流程图。
图8A为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量装置的第一电流路径示意图。
图8B为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量装置的第二电流路径示意图。
图9为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量方法的校正程序的步骤流程图。
图10A为根据本发明又再一实施例所绘示的电感测量装置的第三电流路径示意图。
图10B为根据本发明又再一实施例所绘示的电感测量装置的第四电流路径示意图。
图11为根据本发明再一实施例所绘示的电感测量装置的功能方块图。
其中，附图标记：
1～5 电感测量装置
12～52 直流电源
14～54 参考电感单元
16～56 电感仪表
28～58 处理单元
542 第一电流侦测器
544 第二电流侦测器
C1 第一电容
C2 第二电容
C3 第三电容
DUT 待测电感
E1 第一端
E2 第二端
E3 第三端
L1 第一电感
L2 第二电感
NT1 第一测试节点
NT2 第二测试节点
P1、P2、P3、P4、P5、P6 电流路径
SW 开关元件
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域的技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求书及附图，本领域的技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
请参照图1，图1为根据本发明一实施例所绘示的电感测量装置的功能方块图。电感测量装置1用以测量一待测电感DUT的电感值。电感测量装置1具有一直流电源12、一参考电感单元14、一第一电容C1、一第二电容C2与一电感仪表16。直流电源12两端分别电性连接参考电感单元的第一端与第一测试节点NT1。此参考电感单元14的两端分别电性连接所述的参考电感单元的第一端与一第二测试节点NT2。第一电容C1的两端分别电性连接第一测试节点NT1与参考电感单元的第一端。第二电容C2的一端电性连接所述的第二测试节点NT2。电感仪表16的一端电性连接所述的第一测试节点NT1。电感仪表16的另一端电性连接第二电容C2的另一端。于此实施例中，电感测量装置1用以通过第一测试节点NT1与第二测试节点NT2分别电性连接待测电感DUT的两端。
参考电感单元14具有一等效参考电感值。需说明的是，在此及后续所提到的电感值为电感在某个直流电流下的电感值。而通过调整直流电源12的输出电流，电感测量装置1可用以测量待测电感DUT在所欲的直流电流下的电感值。在一实施例中，参考电感单元14即为单个电感。在另一类的实施例中，参考电感单元14由多个电感连接而成。在又另一类的实施例中，参考电感单元14具有多个电感且具有至少一电感以外的电子元件。相关细节请容后续详述，在图1所示的实施例中先以参考电感单元14为单一个电感的情况进行说明。
请一并参照图2，图2为根据本发明一实施例所绘示的电感测量方法的步骤流程图。此电感测量方法适用于如图1所示的电感测量装置1，且此电感测量方法包括以下步骤。
在步骤S101中，提供一参考电感单元，该参考电感单元具有一参考电感值。在步骤S103中，提供一第一测试节点与一第二测试节点，用以电性连接一待测电感。在步骤S105中，将一第一电容的一端电性连接该参考电感单元的第一端，该第一电容的另一端电性连接该第一测试节点。在步骤S107中，将该参考电感单元的第二端电性连接该第二测试节点。在步骤S109中，将一直流电源并联连接该第一电容以提供一直流电流。在步骤S111中，将一第二电容电性连接于一电感仪表以隔离该直流电流。在步骤S113中，提供一交流信号，并以该电感仪表依据该交流信号测量该第一测试节点与该第二测试节点之间的电感值。
请一并参照图3A与图3B，图3A为根据本发明一实施例所绘示的电感测量装置的第一电流路径示意图，图3B为根据本发明一实施例所绘示的电感测量装置的第二电流路径示意图。
如前述地，所述的待测电感的两端分别电性连接至所述的第一测试节点NT1与所述的第二测试节点。而如步骤S105至步骤S111与图3A所示，由于第一电容C1与第二电容C2的直流特性，电源12所提供的直流电流沿电流路径P1传输。另如步骤S105至步骤S111与图3B所示，由于第一电容C1与第二电容C2的交流特性，电感仪表16所提供的交流信号沿电流路径P2传输。需说明的是，电流路径P2包括了如图3B中经过参考电感单元14与待测电感DUT的分支路径，而不为单一回路。
电感仪表16依据所述的交流信号取得一并联电感值。此并联电感值为待测电感DUT与参考电感单元14并联所形成的等效电感值。需说明的是，在此实施例中，电感仪表16以双端子测量法取得电感值，在实务上，电感仪表16也可采用三端子测量法、四端子测量法或是六端子测量法，本领域技术人员经详阅本说明书后当可依照实际所需微调本发明所提供的电感测量装置的电路架构，以使电感测量装置符合三端子测量法、四端子测量法或是六端子测量法的架构，相关细节于此不再赘述。
如前述地，由于并联电感值为待测电感DUT与参考电感单元14并联所形成的等效电感值，在某个直流电流下的并联电感值可表达如下式：
Figure BDA0001531595070000051
其中，LP为并联电感值，LDUT为待测电感DUT的电感值，Lref为所述的等效参考电感值。基于上式，待测电感DUT的电感值LDUT可以由测量得的并联电感值LP与已知的等效参考电感值Lref反推而得。换句话说，当所述的预设参考电感值相同于等效参考电感值时，即可依据上式取得待测电感DUT的电感值。于实务上，参考电感单元14可以是一个经过验证的标准元件，因此参考电感单元14的等效参考电感值可视为已知。或者，在另一种情况中，参考电感单元14可以是一个用户自定义的电路，参考电感单元14的等效参考电感值v通过测量而得。相关细节请容于后续实施例中说明。
在一实施例中，当电感仪表16取得并联电感值时，电感仪表16将并联电感值提供给外部的电子装置，并由外部的电子装置依据预设参考电感值与所述的并联电感值取得所述的待测电感的电感值。在另一实施例中，电感仪表16还具有处理单元(未绘示于图1)。当电感仪表16取得并联电感值时，处理单元依据预设参考电感值与所述的并联电感值取得所述的待测电感的电感值。
在一类的实施例中，参考电感模块中可具有多个电感单元以便于实际操作。请参照图4以对此进行说明，图4为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量方法的步骤流程图。于步骤S401中，提供一第一电感以及一第二电感；于步骤S403中，将第一电容的一端电性连接第一电感的一端，第一电容的另一端电性连接第二电感的一端；于步骤S405中，将第一电感的另一端电性连接第二电感的另一端；于步骤S407中，以电感仪表依据交流信号测量参考电感单元，以取得参考电感值。以下举不同的实施方式以对此做更进一步说明。
请接着参照图5，图5为根据本发明再一实施例所绘示的电感测量装置的功能方块图。图5所示的实施例中的电感测量装置3的架构大致上相同于前述的电感测量装置1。惟在此实施例中，电感测量装置3还具有第三电容C3，且电感测量装置3具有处理单元38，用以依据预设参考电感值与所述的并联电感值取得所述的待测电感的电感值。第三电容C3的两端分别电性连接第一测试节点NT1与电感仪表36。换句话说，电感仪表36通过第三电容C3电性连接第一测试节点NT1。其中，第三电容C3的电容值相等于第二电容C2的电容值。从另一个角度来说，在此结构下，电感仪表36的两端阻抗值相互匹配，可以取得较为精确的并联电感值，并不需要对并联电感值另作补偿校正。在此实施例中，参考电感单元34具有第一电感L1与第二电感L2。第一电感L1与第二电感L2并联于参考电感单元的第一端与第二端之间。
请再参照图6，图6为根据本发明又另一实施例所绘示的电感测量装置的功能方块图。在图6所示的实施例中，电感测量装置4还包括开关元件SW。开关元件SW具有第一端E1、第二端E2与第三端E3。第一端E1电性连接参考电感单元的第一端。第二端E2电性连接第一测试节点NT1。第三端E3电性连接第二电感L2。开关元件SW用以选择性地将第三端E3导通至第一端E1或是将第三端E3导通至第二端E2。于实务上，开关元件SW可以是一个手动开关；或者，电感测量装置4可以具有相关的控制电路，以依据预设的控制脚本来控制开关元件SW各个端点之间的导通与否。
请一并参照图7、图8A与图8B，图7为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量方法的测量程序的步骤流程图，图8A为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量装置的第一电流路径示意图，图8B为根据本发明另一实施例所绘示的电感测量装置的第二电流路径示意图。此电感测量方法适用于如图6所示的电感测量装置4。于电感测量方法先将开关元件的第一端E1导通至第三端E3，以进行一测量程序。如图7所示，此测量程序包括以下步骤。于步骤S201中，将所述的待测电感的两端分别电性连接至所述的第一测试节点与所述的第二测试节点。于步骤S203中，以所述的直流电源提供一直流电流于所述的参考电感单元、所述的待测电感与所述的直流电源所形成的一第一电流路径。此第一电流路径如图8A所示。于步骤S205中，通过所述的第一测试节点与所述的第二测试节点提供一交流信号至所述的第一电容、所述的参考电感单元、所述的待测电感与所述的第二电容所形成的一第二电流路径。此第二电流路径如图8B所示。于步骤S207中，依据所述的交流信号取得一并联电感值；于步骤S209中，依据一测量参考电感值与所述的并联电感值取得所述的待测电感的电感值。其中，测量参考电感值理想上相等于等效参考电感值。步骤S201至步骤S209的相关细节大致上相仿于前述的步骤S101至步骤S109，于此不再赘述。
延续图7的实施例的相关叙述，请再参照图9、图10A与图10B，图10A为根据本发明又再一实施例所绘示的电感测量装置的第三电流路径示意图，图10B为根据本发明又再一实施例所绘示的电感测量装置的第四电流路径示意图。如图9所示，此电感测量方法中，还包括将所述的开关元件的所述的第三端E3导通至所述的第二端E2以进行一校正程序。需注意的是，在校正程序中，电感测量装置4并未通过第一测试节点NT1与第二测试节点NT2电性连接待测电感DUT。从另一个角度来说，第一测试节点NT1与第二测试节点NT2之间并未电性连接有待测电感DUT。
所述的校正程序包括以下步骤。于步骤S301中，以所述的直流电源提供所述的直流电流于所述的参考电感单元与所述的直流电源所形成的一第三电流路径。第三电流路径如图10A所示。于步骤S303中，通过所述的第一测试节点与所述的第二测试节点提供一交流信号至所述的第一电容、所述的参考电感单元与所述的第二电容所形成的一第四电流路径。第四电流路径如图10B所示。于步骤S305中，依据所述的交流信号取得所述的测量参考电感值。其中，测量参考电感值为第一电感L1与第二电感L2的并联电感值。理想上，此测量参考电感值即为参考电感单元44的等效参考电感值。步骤S301至步骤S305的相关细节相仿于前述的步骤S103至步骤S107与步骤S203至步骤S207，于此不再重复赘述。
通过上述步骤，电感测量装置4在校正程序中可以实时地测量到当下的等效参考电感值。因此，即使第一电感L1的电感值与第二电感L2的电感值因为实际的物理条件而飘移，而使得等效参考电感值飘移，电感测量装置4仍可通过校正程序取得测量参考电感值以校正前述的等效参考电感值，进而取得准确的待测电感DUT的电感值。
请再参照图11，图11为根据本发明再一实施例所绘示的电感测量装置的功能方块图。在图11所示的实施例中，电感测量装置5的参考电感单元54还具有第一电流侦测器542与第二电流侦测器544。第一电流侦测器542串联于第一电感L1与第二测试节点NT2之间。第一电流侦测器542用以依据流经第一电感L1的电流产生一第一侦测值。第二电流侦测器544串联于第二电感L2与第二测试节点NT2之间。第二电流侦测器544用以依据流经第二电感L2的电流产生一第二侦测值。通过第一侦测值与第二侦测值，流经第一电感L1的电流与流经第二电感L2的电流得以被实时地监控。从另一个角度来说，当进行校正程序时，当第一侦测值与第二侦测值偏离预期太多时，直流电源所提供的直流电流也可以适时地被调整，甚至第一电感L1或第二电感L2也可以被更换，以确保测量品质。
综合以上所述，本发明所提供的电感测量装置通过并联参考电感单元与待测电感，避免了以往的隔离电感在大直流电流会因为直流饱和效应而影响电感测量结果的问题。另一方面，本发明所提供的电感测量装置还通过第一电容或第二电容以隔离直流电流路径与交流电流路径。如此一来，测量模块的测量值将不受到直流电源的影响。即使直流电源上升，仍可以准确的测量出待测电感的特性。
虽然本发明以前述的实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所为的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求书。

Claims (10)

1.一种电感测量装置，用以测量一待测电感电性连接于一第一测试节点与一第二测试节点之间，其特征在于，该电感测量装置包括：
一参考电感单元，具有一第一端、一第二端以及一参考电感值；
一直流电源，该直流电源的一端电性连接该参考电感单元的第一端，该直流电源的另一端电性连接该第一测试节点；
一第一电容，该第一电容的一端电性连接该参考电感单元的第一端，该第一电容的另一端电性连接该第一测试节点；
一第二电容，该第二电容的一端电性连接该第二测试节点；以及
一电感仪表，具有一第一端电性连接该第一测试节点，以及一第二端电性连接该第二电容的另一端；
其中，该电感仪表量测一并联电感值，其中该并联电感值为该参考电感单元与该待测电感并联所形成的等效电感值。
2.根据权利要求1所述的电感测量装置，其特征在于，该参考电感单元包括：
一第一电感，两端分别连接该参考电感单元的第一端与该第二端；以及
一第二电感，两端分别连接该参考电感单元的第一端与该第二端。
3.根据权利要求2所述的电感测量装置，其特征在于，还包括：
一开关元件，具有一第一端、一第二端与一第三端，该开关元件的该第一端电性连接该第一电感的一端，该开关元件的该第二端电性连接该第一测试节点，该开关元件的该第三端电性连接该第二电感的一端，该开关元件可控制导通该开关元件的该第三端与该开关元件的该第一端或导通该开关元件的该第三端与该开关元件的该第二端。
4.根据权利要求2所述的电感测量装置，其特征在于，还包括：
一第一电流侦测器，串联连接于该第一电感的另一端与该第二测试节点之间；以及
一第二电流侦测器，串联连接于该第二电感的另一端与该第二测试节点之间。
5.根据权利要求3所述的电感测量装置，其特征在于，该开关元件导通该开关元件的该第三端与该开关元件的该第二端时，该电感仪表测量该参考电感单元，以取得该参考电感值。
6.根据权利要求1所述的电感测量装置，其特征在于，还包括：
一第三电容，该第三电容的一端电性连接该第一测试节点，该第三电容的另一端电性连接该电感仪表的第一端；
其中，该第三电容的电容值相等于该第二电容的电容值。
7.根据权利要求1所述的电感测量装置，其特征在于，还包括：
一处理单元，电性连接该电感仪表，用以依据该参考电感值，以及该第一测试节点与该第二测试节点之间的电感值，计算该待测电感的电感值。
8.一种测量电感测量方法，其特征在于，包括：
提供一参考电感单元，该参考电感单元具有一参考电感值；
提供一第一测试节点与一第二测试节点，用以电性连接一待测电感；
将一第一电容的一端电性连接该参考电感单元的第一端，该第一电容的另一端电性连接该第一测试节点；
将一直流电源并联连接该第一电容以提供一直流电流；
将一第二电容电性连接于一电感仪表以隔离该直流电流；以及
通过该电感仪表提供一交流信号，并以该电感仪表依据该交流信号量测一并联电感值，其中该并联电感值为该参考电感单元与该待测电感并联所形成的等效电感值。
9.根据权利要求8所述的电感测量方法，其特征在于，提供该参考电感单元包括：
提供一第一电感以及一第二电感；
将该第一电容的一端电性连接该第一电感的一端，该第一电容的另一端电性连接该第二电感的一端；
将该第一电感的另一端电性连接该第二电感的另一端；以及
以该电感仪表依据该交流信号测量该参考电感单元，以取得该参考电感值。
10.根据权利要求8所述的电感测量方法，其特征在于，还包括：
依据该参考电感值，以及该第一测试节点与该第二测试节点之间的电感值，计算该待测电感的电感值。
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