CN111856371A - 一种高频正交90度相位标准的实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频正交90度相位标准的实现装置，包括：高频恒流源，用于产生稳定的交流电流I；电流三通，输入端与所述高频恒流源的输出端电路连接；精密同轴分流器，通过同轴导线与所述电流三通的一输出端电路连接，用于分流并通过精密电压表测得与交流电流I无相位差的分流电压U₁；同轴测试夹具，通过同轴导线与所述电流三通的另一输出端电路连接，用于输出与所述交流电流I无相位差的励磁电流I₁；感应线圈，同轴地设置在所述同轴测试夹具内，用于感应获得相位比分流电压U₁超前90度的感应电压U₂。本发明可直接产生精准正交90度的相位源，省略了反馈补偿调节并减少了调节误差，精确度更高，可靠性好，简单实用。

Description

一种高频正交90度相位标准的实现装置

技术领域

本发明涉及正交相位发生器领域，特别地，涉及一种高频正交90度相位标准的实现装置。

背景技术

工业化的快速发展过程中，交流测量的应用十分广泛，除了对交流测量仪器中电压电流幅值的溯源外，高精度相位的溯源也愈发重要，传统相位校准中有一种调制器应用了精确的正交相位发生技术，适用于低频的相位测量仪器的校准。而随着技术的发展，对正交相位的产生的稳定性、可靠性和准确性的要求愈发严格。

传统的正交相位发生器原理采用数字合成正弦波型技术，通过反馈补偿进行调节。误差主要取决于信号源的电压电流幅值、相角误差以及反馈调节电路的误差等。其信号源需求长期稳定性极好、复现性良好的特点，反馈补偿电路也需求可靠性好、精确度高的设计要求。然而高频条件下的高精度相位源，因电感等原因，稳定性、准确性的控制难度大大增加，反馈补偿电路的设计也需求更高要求。因此传统的正交相位发生器原理制约了高频条件下正交相位标准技术发展，限制了高频正交90度相位高精度标准的实现。

发明内容

本发明提供了一种高频正交90度相位标准的实现装置，以解决现有悬置支撑结构因存在安装间隙和软垫无法轴向限位而发生轴向偏移的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高频正交90度相位标准的实现装置，包括：

高频恒流源，用于产生稳定的交流电流I；

电流三通，输入端与所述高频恒流源的输出端电路连接；

精密同轴分流器，通过同轴导线与所述电流三通的一输出端电路连接，用于分流并通过精密电压表测得与交流电流I无相位差的分流电压U₁；

同轴测试夹具，通过同轴导线与所述电流三通的另一输出端电路连接，用于输出与所述交流电流I无相位差的励磁电流I₁；

感应线圈，同轴地设置在所述同轴测试夹具内，用于在所述励磁电流I₁的作用下感应获得相位比分流电压U₁超前90度的感应电压U₂。

进一步地，所述的同轴测试夹具包括：

圆柱状壳体，一端与所述同轴导线的外壳电路连接；

导电圆棒，同轴的设置在所述圆柱状壳体内，所述导电圆棒的一端与同轴导线的中心线电路连接，另一端穿过感应线圈的圆心并通过圆柱状壳体与同轴导线的外壳电路连接。

进一步地，所述圆柱状壳体的内径与感应线圈的外径之差为1-3cm。

进一步地，所述圆柱状壳体的壁厚为0.5-2mm。

进一步地，所述导电圆棒采用导电铜棒。

进一步地，所述导电圆棒的直径为0.5-2mm。

进一步地，所述感应线圈包括环形无感骨架、均匀的缠绕在所述环形无感骨架上的线圈。

进一步地，所述圆柱状壳体内壁上设置有用于同轴地固定所述感应线圈的定位结构。

进一步地，所述圆柱状壳体上设置有供线圈两端延伸至圆柱状壳体外部的出线孔。

进一步地，所述圆柱状壳体上绝缘地固定设置有与所述线圈两端电路连接的接线桩。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用高频恒流源、精密同轴分流器、同轴导线、同轴测试夹具与感应线圈等线圈耦合技术，快速稳定发生高频正交90度相位源，其准确度高，稳定性好，可用于高频相位表的校准。采用此种方式，可以在基本电路原理基础上，直接产生精准正交90度的相位源，省略了反馈补偿调节并减少了调节误差，通过同轴原理消除线路中的电感造成的相位滞后误差，精确度更高，可靠性好，简单实用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的高频正交90度相位标准的实现装置结构示意图。

图2是高频下普通测试导线等效图。

图3是高频下普通测试导线上压降U矢量图。

图中：1、精密同轴分流器；2、高频恒流源；3、同轴测试夹具；4、感应线圈；5、同轴导线；6、电流三通；7、精密电压表。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种高频正交90度相位标准的实现装置，包括：

高频恒流源2，用于产生稳定的交流电流I；

电流三通6，输入端与所述高频恒流源2的输出端电路连接；

精密同轴分流器1，通过同轴导线5与所述电流三通6的一输出端电路连接，用于分流并通过精密电压表7测得与交流电流I无相位差的分流电压U1；

同轴测试夹具3，通过同轴导线5与所述电流三通6的另一输出端电路连接，用于输出与所述交流电流I无相位差的励磁电流I1；

感应线圈4，同轴地设置在所述同轴测试夹具3内，用于在所述励磁电流I1的作用下感应获得相位比分流电压U1超前90度的感应电压U2。

本实施例采用高频恒流源2、精密同轴分流器1、同轴导线5、同轴测试夹具3与感应线圈4等线圈耦合技术，快速稳定发生高频正交90度相位源，其准确度高，稳定性好，可用于高频相位表的校准。采用此种方式，可以在基本电路原理基础上，直接产生精准正交90度的相位源，省略了反馈补偿调节并减少了调节误差，通过同轴原理消除线路中的电感造成的相位滞后误差，精确度更高，可靠性好，简单实用。

在本发明的优选实施例中，所述的同轴测试夹具3包括：

圆柱状壳体，一端与所述同轴导线5的外壳电路连接；

导电圆棒，同轴的设置在所述圆柱状壳体内，所述导电圆棒的一端与同轴导线的中心线电路连接，另一端穿过感应线圈4的圆心并通过圆柱状壳体与同轴导线的外壳电路连接。

在本发明的优选实施例中，所述圆柱状壳体的内径与感应线圈4的外径之差为1-3cm，可减少圆柱状壳体的体积和电磁干扰。

在本发明的优选实施例中，所述圆柱状壳体的壁厚为0.5-2mm，可有效减少圆柱状壳体的自重。

在本发明的优选实施例中，所述导电圆棒采用导电铜棒，直径为0.5-2mm。

在本发明的优选实施例中，所述感应线圈4包括环形无感骨架、均匀的缠绕在所述环形无感骨架上的线圈。

在本发明的优选实施例中，所述圆柱状壳体内壁上设置有用于同轴地固定所述感应线圈4的定位结构，方便感应线圈4的安装固定。

在本发明的优选实施例中，所述圆柱状壳体上设置有供线圈两端延伸至圆柱状壳体外部的出线孔。

在本发明的优选实施例中，所述圆柱状壳体上绝缘地固定设置有与所述线圈两端电路连接的接线桩。

下面对本发明的上述实施例的工作原理做进一步的详细的说明。

众所周知，线路中采用电感可以实现电压电流的90°正交，但是实际使用过程中，由于线路电感的影响，会产生相位移，影响正交精度。本项目是类似原理的电磁感应同轴结构原理产生正交，并消除线路电感达到高精度90°正交的目的。

以高频恒流源2产生稳定的交流电流I，通过同轴导线5串联一个精密同轴分流器1。由于同轴结构能尽可能地降低线路上的电感，所以可以将该精密同轴分流器1视为无感标准电阻，从而达到消除由线路电感引起的交流相位滞后的误差。流经该精密同轴分流器1所产生的压降通过精密电压表7测量为分流电压U₁，由于I＝U₁/R，所以分流电压U₁与交流电流I基本可视为无相位差。

该精密同轴分流器1再通过电流三通6和同轴导线串联一个同轴测试夹具3，同轴测试夹具3采用巧妙的同轴式结构设计，轴心的导电圆棒与圆柱状壳体组成电流输出回路，其中同轴测试夹具3轴心的导电圆棒一端与同轴导线的中心线电路连接，另一端通过圆柱状壳体回流到同轴导线的外壳电路，由于同轴导线5和同轴测试夹具3均基于同轴设计原理，大大降低了输出回路的感抗，从而减小了感抗引起的相位滞后。接着再将一个均匀缠绕在无感骨架上的线圈穿入同轴测试夹具3中心的导电圆棒，则线圈上生成的感应电压U₂为：

N₂——同轴测试夹具3内感应线圈匝数，

S——感应线圈4的横截面积，

Φ——同轴测试夹具3中心的导电铜棒通过电流产生的感应磁通量，

B——同轴测试夹具3中心的导电铜棒通过电流产生的磁感应强度，

H——同轴测试夹具3中心的导电铜棒通过电流产生的磁场强度，

μ₀——真空磁导率，

根据安培环路定律：

N₁——励磁线圈匝数，由于此处为单一导电铜棒，因此N₁＝1，

I₁——同轴测试夹具3中心的导电铜棒通过的励磁电流，

l_e——线圈的有效磁路长度，此处为线圈的几何半径π(D+d)/2，其中D为线圈的外环直径，d为线圈的内环直径。

将(2)式带入(1)式，感应电压可以换算为

所以感应电压U₂为中心圆棒上励磁电流I₁的微分，而励磁电流I₁又可以写为

I_m——同轴测试夹具3中心轴通过的最大电流值，

ω——恒流源输出电流I的角频率,

将(4)式带入(3)式，感应电压U₂可以写为

所以得到感应电压U₂相位超前励磁电流I₁90度，已知精密电压表7测得的分流电压U₁与交流电流I同相位，也就是分流电压U₁与励磁电流I₁同相位，即可得到感应电压U₂相位精确超前分流电压U₁和励磁电流I₁ 90度，实现了高频正交90度相位标准。

本发明的上述实施例采用同轴结构设计是由于在测量过程中使用的普通测试导线，不仅有电阻影响，高频条件下也会有电感的影响，其等效电路图和压降U矢量如图2和图3所示。在高频条件下测试导线上的压降U为电阻与电感上的压降矢量和，而且频率越高ωL越大：

U＝IR+jωLI (6)

I——测试导线上流经的电流，

R——测试导线上的等效电阻，

L——测试导线上的等效电感，

ω——电流I的角频率，

由此可见，为保证压降U和电流I之间相位同步，必须减小θ，也就是减小线路中的电感L的影响。

本发明采用同轴原理在高频条件下减小线路中的所有的电感，使得电压U₁和交流电流I保持相位一致，再经过同轴原理及线圈耦合技术，保障由交流电流I产生的电压U₁和感应电压U₂可以精确的90度正交，从而帮助高频正交90度相位标准的实现。

本发明的上述实施例主要是采用高频恒流源技术、同轴结构原理与线圈耦合技术，快速稳定的发生高频正交90度相位源，优化了对于高频相位表的校准方法。本发明在电路中所有地方都采用了同轴结构原理，同轴导线传输电流、精密同轴分流器1采样电流、感应线圈4穿在同轴测试夹具3中心的导电圆棒上，基本消除了线路中的电感作用，大大减小了因电感引入的相位移误差。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，包括：

高频恒流源(2)，用于产生稳定的交流电流I；

电流三通(6)，输入端与所述高频恒流源(2)的输出端电路连接；

精密同轴分流器(1)，通过同轴导线(5)与所述电流三通(6)的一输出端电路连接，用于分流并通过精密电压表(7)测得与交流电流I无相位差的分流电压U1；

同轴测试夹具(3)，通过同轴导线(5)与所述电流三通(6)的另一输出端电路连接，用于输出与所述交流电流I无相位差的励磁电流I1；

感应线圈(4)，同轴地设置在所述同轴测试夹具(3)内，用于在所述励磁电流I1的作用下感应获得相位比分流电压U1超前90度的感应电压U2。

2.根据权利要求1所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，所述的同轴测试夹具(3)包括：

圆柱状壳体，一端与所述同轴导线(5)的外壳电路连接；

导电圆棒，同轴的设置在所述圆柱状壳体内，所述导电圆棒的一端与同轴导线(5)的中心线电路连接，另一端穿过感应线圈(4)的圆心并通过圆柱状壳体与同轴导线(5)的外壳电路连接。

3.根据权利要求2所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，

所述圆柱状壳体的内径与感应线圈(4)的外径之差为1-3cm。

4.根据权利要求2所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，

所述圆柱状壳体的壁厚为0.5-2mm。

5.根据权利要求2所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，所述导电圆棒采用导电铜棒。

6.根据权利要求2所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，所述导电圆棒的直径为0.5-2mm。

7.根据权利要求2所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，所述感应线圈(4)包括环形无感骨架、均匀的缠绕在所述环形无感骨架上的线圈。

8.根据权利要求2所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，所述圆柱状壳体内壁上设置有用于同轴地固定所述感应线圈(4)的定位结构。

9.根据权利要求7所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，所述圆柱状壳体上设置有供线圈两端延伸至圆柱状壳体外部的出线孔。

10.根据权利要求7所述的高频正交90度相位标准的实现装置，其特征在于，所述圆柱状壳体上绝缘地固定设置有与所述线圈两端电路连接的接线桩。

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