CN115825570A - 一种实现四端对阻抗的端对定义的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现四端对阻抗的端对定义的方法及应用，属于精密计量测试领域。所述方法将双级跟随器的电流输出端通过同轴线与阻抗的高电流端连接，并将双级跟随器的电压输出端通过同轴线与阻抗的高电压端连接，使得阻抗的高电压端的电流为0、高电流端的芯皮电流等大反向。本发明能够自动满足四端对阻抗的端对定义；本发明通过加入跟随器还能够使得电桥比率可变并隔离四端对阻抗电桥中的电桥负载变化的影响，加快了四端对阻抗电桥的平衡速度，实现了可变比率、准确快速的四端对交流阻抗高精度比较测量。

Description

一种实现四端对阻抗的端对定义的方法及应用

技术领域

本发明属于精密计量测试领域，涉及电磁计量中利用交流电桥实现四端对阻抗比较测量的方法，尤其涉及提高此种电桥平衡速度而采用的实现四端对阻抗的端对定义的方法及应用。

背景技术

交流阻抗是基本电学量，其包括电容、电阻和电感，它们的单位法拉(F)、欧姆(Ω)和亨利(H)均为国际单位制(SI)中的重要导出单位。其准确溯源涉及能源、材料、航天军工等众多领域的需求。

精确的传递阻抗量值比较测量需要准确的交流阻抗定义和交流电桥技术。传统基于端子的阻抗定义和经典交流电桥技术已无法满足阻抗量值传递精度要求。为此，研究人员提出了两端对阻抗的交流阻抗定义和二端对交流电桥测量技术，通过在二端(二线)阻抗定义的基础上引入屏蔽，引入基于端对(同轴端口)的交流阻抗定义方法。

二端对阻抗定义的缺点是测量引线仍然参与了阻抗的定义。为了消除引线影响，研究人员进一步提出了交流阻抗四端对定义，并发展出了精度更高的四端对交流电桥测量技术，使得10^-8-10^-9量级的交流阻抗量值传递成为可能，并形成一系列基于感应比例的高准确度的交流阻抗电桥，并带动了整个精密电磁测量技术的快速发展。

四端对定义的提出，完善了交流阻抗的定义。但为了实现无定向的交流阻抗四端对定义结构，交流电桥的复杂程度将大大增加，且平衡条件增多。采用此类四端对电桥进行一次测量时，需要反复多次的调节，耗时且繁琐。而且，电桥操作对测量操作人员的要求高，易造成电桥平衡误差，影响交流阻抗测量精度，也不利于此类测量仪器的推广。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种实现四端对阻抗的端对定义的方法及应用，自动实现四端对阻抗电桥的被比较阻抗的四端对定义，只需简单完成电桥主平衡，即可实现交流阻抗的精密比较测量，极大提高四端对阻抗电桥的收敛速度，实现四端对阻抗的快速比较测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供了一种实现四端对阻抗的端对定义的方法，所述方法将双级跟随器的电流输出端通过同轴线与阻抗的高电流端连接，并将双级跟随器的电压输出端通过同轴线与阻抗的高电压端连接，使得阻抗的高电压端的电流为0、高电流端的芯皮电流等大反向。

本发明的进一步改进在于：

所述双级跟随器包括：第一跟随器F₁、第二跟随器F₂和第三跟随器F₃；所述第一跟随器F₁作为第一级跟随器，所述第二跟随器F₂和第三跟随器F₃组合形成第二级跟随器；

所述第一级跟随器和第二级跟随器的供电电源±V_cc和±V_cc2相互独立，并且第一跟随器F₁的输出端与第二级跟随器的供电电源±V_cc2的中心点连接；

所述第二跟随器F₂的输出端与第三跟随器F₃的同相输入端连接。

本发明的进一步改进在于：

所述双级跟随器的输入端V_Input分别与第一跟随器F₁、第二跟随器F₂的同相输入端连接，同时双级跟随器的输入端V_Input通过输入电阻R_in与外皮连接；

所述第三跟随器F₃的输出端与双级跟随器的电流输出端I_out连接，第二跟随器F₂的反相输入端与双级跟随器的电压输出端V_out连接；

双级跟随器的电流输出端I_out的外皮与第一级跟随器的供电电源±V_cc的中心点连接；

双级跟随器的电压输出端V_out的外皮与输入端V_Input的外皮连接。

本发明的进一步改进在于：

所述双级跟随器的电流输出端I_out的芯线通过第一电阻R₁与电压输出端V_out的芯线连接，电流输出端I_out的皮线通过第二电阻R₂与电压输出端V_out的皮线连接。

本发明的第二个方面，提供了一种实现四端对阻抗电桥快速比较测量的方法，所述方法利用上述实现四端对阻抗的端对定义的方法来实现四端对阻抗电桥快速比较测量。

本发明的进一步改进在于：

所述方法包括：

将第一阻抗Z₁的高电流端C_H1与第一个双级跟随器F_Z1的电流输出端连接、第一阻抗Z₁的高电压端P_H1与第一个双级跟随器F_Z1的电压输出端连接；第一个双级跟随器F_Z1的输入端通过切换连接能够与比率感应分压器的任意一个比率输出抽头连接，使得电桥比率可变；将第一阻抗Z₁的低电压端P_L1与开尔文平衡的高端连接；

将第二阻抗Z₂的高电流端C_H2与第二个双级跟随器F_Z2的电流输出端连接、第二阻抗Z₂的高电压端P_H2与第二个双级跟随器F_Z2的电压输出端连接；将第二阻抗Z₂的低电压端P_L2与开尔文平衡的低端连接；

在第二个双级跟随器F_Z2的输入端串联一个微差信号注入变压器后与比率感应分压器连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够自动满足四端对阻抗的端对定义；本发明通过加入跟随器还能够使得电桥比率可变并隔离四端对阻抗电桥中的电桥负载变化的影响，加快了四端对阻抗电桥的平衡速度，实现了可变比率、准确快速的四端对交流阻抗高精度比较测量。

附图说明

图1阻抗的四端对定义的原理图；

图2现有的用跟随器满足阻抗端对定义的原理图；

图3本发明实现四端对阻抗的端对定义的方法的原理图；

图4现有的四端对阻抗电桥原理图；

图5本发明的四端对阻抗电桥原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

四端对阻抗端对定义的原理如图1所示，当阻抗的四个端口电压和电流满足以下条件：高电压端U_H的电流为0、低电压端U_L的电压和电流均为0、高电流端C_H的电流为I_H、低电流端C_L的电流为I_L，则阻抗满足四端对定义条件，且该四端对阻抗定义为：Z＝U_H/I_L。

为了满足阻抗的定义条件，在阻抗测量电路中，一般采用在电流端设置幅值相位任意可调电源，在电压端设置指零仪测量流过电流大小的方法来实现。通过调整电源输出并结合指零仪判断，使得被测阻抗高电压端和高电流端、低电压端和低电流端分别满足上述四端对定义条件。但是，该测量过程中需要反复调整输出源，并进行指零判断，这样就导致四端对阻抗测量的步骤繁琐、周期长。

由于采用无定向结构设计(计量学名词)可最大限度降低交流测量线路互感耦合的影响，因此实现交流阻抗四端对定义，还需保证测量线路的无定向特性，即当四端对阻抗电流端同轴线芯皮电流(即同轴线的芯线里的电流和同轴线的外皮(即屏蔽层)里的电流)等大反向时，芯皮电流产生的磁场在同轴线外部抵消，不存在漏磁场。同时端口电压不受外界干扰磁场影响。在测量电路中，无定向结构需保证电路中各个网孔(网孔是指最小回路，电路理论中的名词)内芯皮电流的等大反向。

目前通用的方法是在同轴线的外皮短路的同轴线网孔内加一个扼流圈(即将同轴线绕制在一个镯环型磁芯上)来保证上述无定向要求。为确保效果，同轴线一般需要在磁芯上绕10-20匝，这样会导致引线长度的增加。

被测阻抗Z要满足端对定义，可以利用一个电压跟随器的输出端和反馈端，分别作为被测阻抗一端的电流端和电压端。具体的，如图2所示，电压跟随器的输出端通过同轴线与阻抗的高电流端连接，电压跟随器的反相输入端通过同轴线与阻抗的高电压端连接，二者在阻抗的电流端和电压端的连接处闭合，形成跟随器反馈回路。通过线路的无定向设计(譬如加入扼流圈)保证了电流端口芯皮引线电流等大反向。由于跟随器的反馈端无电流，只提供电位，自动满足了阻抗电压端定义要求。

图2中的黑色细实线是连接在一起的同轴线的外皮和电压跟随器的外壳，且两者连接至信号参考地。图2中的黑色粗实线为信号线、同轴线的芯线。图2中的椭圆圈代表端口，即同轴端口，一般就是面板上安装的同轴端子，通过同轴线与其它端口连接。

理想的电压跟随器本身可以实现四线制电阻电压端和电流端定义，但从阻抗端对定义角度出发，还需要考虑外皮电流流动，因此，单个电压跟随器存在跟随精度不够高、输出阻抗过高的缺点。

用跟随器实现四端对阻抗测量，要求跟随器具有极高的跟随精度和极低的输出阻抗。本发明采用具有缓冲结构的双级跟随器作为高精度跟随器。如图3图所示，所述双级跟随器包括：第一跟随器F₁、第二跟随器F₂和第三跟随器F₃。所述第一跟随器F₁作为第一级跟随器，所述第二跟随器F₂和第三跟随器F₃组合形成第二级跟随器。所述第二跟随器F₂和第三跟随器F₃的供电电源为同一个电源±V_cc2，且所述第二跟随器F₂和第三跟随器F₃组合形成一个低输出阻抗的跟随器，因此，两者组合形成第二级跟随器。

第一级跟随器和第二级跟随器的供电电源±V_cc和±V_cc2相互独立，并且第一跟随器F₁的输出端与第二级跟随器的供电电源±V_cc2的中心点连接。

由于第二级跟随器的供电电源±V_cc2与第一级跟随器的供电电源±V_cc是相互独立(即隔离)的，所以第二级跟随器的电源的中心点电位将随着输入信号的浮动而变化，即第二级跟随器的供电电源±V_cc2的中心点的电位相对地电位是可浮动的。又由于第二级跟随器的跟随信号是输入信号减去第一级跟随器的输出信号并叠加在最终的输出信号中，所以通过第二级跟随器补偿了第一级跟随器引入的跟随误差，在音频范围内可达到10^-7量级的电压跟随精度，从而实现了高精度电压跟随。

第二跟随器F₂的输出端与第三跟随器F₃的同相输入端连接，由于第三跟随器F₃是通过跟随器电路实现的，通过闭环反馈其输出阻抗已经很低，再与第二跟随器F₂组合形成第二级跟随器后，闭环负反馈将使得最终的输出阻抗进一步降低，这样利用第三跟随器F₃降低了输出阻抗，使得跟随器电路的输出阻抗小于1×10^-5Ω。第一跟随器F₁、第二跟随器F₂、第三跟随器F₃均可采用现有的JFET型精密运算放大器OPA627来实现。

进一步的，所述双级跟随器的输入端为V_Input，电流输出端为I_out，电压输出端为V_out。输入端、输出端指的是同轴端口，包含了芯线和外皮。输入端接到另一个端，指的是两端的芯、皮对应分别连接，输出端同理。

具体的，双级跟随器的输入端V_Input分别与第一跟随器F₁、第二跟随器F₂的同相输入端(对应图3中的+端)连接，同时输入端V_Input通过输入电阻R_in与其外皮(即参考地)连接，即输入端V_Input的同轴线中的芯线通过输入电阻R_in与其外皮连接，外皮又与地连接，用于设置运算放大器的直流偏置，输入电阻R_in决定了双级跟随器的输入的电阻，一般取10MΩ，也可以根据需要取100MΩ、500MΩ等。

第三跟随器F₃的输出端与电流输出端I_out连接，第二跟随器F₂的反相输入端(对应图3中的-端)与电压输出端V_out连接，电流输出端I_out的外皮与第一级跟随器的供电电源±V_cc的中心点连接，双级跟随器的电压输出端V_out的外皮与输入端V_Input的外皮连接，为电压参考地。

跟随器的作用是实现阻抗的电流驱动并将输入电压准确跟随到阻抗的电压端，因此跟随器的电源需提供驱动电流。为避免跟随器的电流端口的外皮电流与电压端口的外皮电流不规则流动，需要将二者分开设置。图3中的浅黑色虚线为电流参考地，即双级跟随器的屏蔽外壳和电流输出端的外皮(屏蔽外壳和电流输出端的外皮是连成一体的)，连接至双级跟随器的供电电压±V_cc的中心点(即电流参考地)，黑色细实线外皮为同轴线的外皮，即电压参考地，图3中的椭圆圈代表同轴端口，通过同轴线与其它端口连接。

而且，由于双级跟随器在未外接被测阻抗Z时，电流输出端I_out和电压输出端V_out之间是没有连接引线的，本发明将双级跟随器的电流输出端I_out和电压输出端V_out的芯线和皮线分别通过第一电阻R₁和第二电阻R₂连接，即电流输出端I_out的芯线通过第一电阻R₁与电压输出端V_out的芯线连接，电流输出端I_out的皮线通过第二电阻R₂与电压输出端V_out的皮线连接。这样通过第一电阻R₁和第二电阻R₂使得跟随器反馈环路、电压地和电流地不处于开路状态，进而可保证双级跟随器的I_out和V_out开路时正常工作，R₁和R₂的电阻值一般取1kΩ和50Ω。

当采用双级跟随器实现阻抗端对定义时，将双级跟随器的电流输出端I_out通过同轴线与阻抗Z的高电流端C_H连接，将双级跟随器的电压输出端V_out通过同轴线与阻抗Z的高电压端P_H连接。因为电流输出端I_out和电压输出端V_out的芯和皮在阻抗的C_H和P_H的连接处分别短接(在四端对阻抗内部，C_H和P_H的芯和皮是分别短接的)，将第一电阻R₁和第二电阻R₂短路，并将输入端V_Input电压准确跟随至阻抗Z的定义点。四端对阻抗的定义点为其电压端和电流端的短接处，有高端定义点和低端定义点，本发明只涉及高端定义点。理想跟随器的闭环反馈若在阻抗的定义点处闭合，则可以将输入电压准确无误的跟随至输出点即阻抗定义点处。

根据阻抗端对定义，需要其电流端的芯皮电流等大反向，电压端的芯皮电流为零。第一电阻R₁和第二电阻R₂的作用是使得双级跟随器在未外接阻抗时正常工作。当双级跟随器外接阻抗时，若去掉第一电阻R₁和第二电阻R₂，四端对定义将自动满足。但由于需要第一电阻R₁和第二电阻R₂的，因此只要第一电阻R₁和第二电阻R₂的电阻值设置满足一定要求(例如设置为1kΩ和50Ω)，绝大部分电流仍会在电流端的芯皮之间流动，电压端的芯皮电流的影响可忽略，这样使得双级跟随器的电流输出端I_out的芯皮电流等大反向，电压输出端V_out的芯皮上基本无电流流过，从而实现了测量线路的无定向设计，解决了必须采用扼流圈实现无定向设计的难题。

本发明通过分隔跟随器电流参考地和电压参考地的设计(图3的浅黑色虚线表示的电流参考地、黑色细实线表示的电压参考地)，并通过第二电阻R₂连接电流参考地和电压参考地，线路的无定向设计保证了电流端口芯皮引线电流等大反向。跟随器的反馈端无电流，只提供电位，满足了阻抗电压端定义。

进一步的，本发明还提供了一种应用上述方法实现四端对阻抗电桥快速比较测量的方法，即利用2套双级感应分压器端对定义结构替代传统四端对阻抗电桥中的2个源组合网络，实现被比较四端对阻抗的端对定义，具体如下：

经典的基于感应比率臂(感应分压器)的四端对交流同轴电桥的原理如图4所示，在交流阻抗四端对测量桥路中，由于需要满足四端对阻抗每个端对的定义条件，因此需要在每个电流、电压端对进行负载平衡。如图4所示，整个桥路包括：比率感应分压器、源感应分压器和注入感应分压器3个感应分压器装置、多个辅助平衡和源组合网络、多个扼流圈、多个指零仪等关键部件。其中信号发生器发送信号驱动源感应分压器给电桥供电，并且信号发生器的同步参考信号连接至指零仪，源感应分压器的高低供电端与比率感应分压器与华格纳平衡的高低供电端分别连接，源组合网络1的输出与第一阻抗Z₁的高电流端连接，源组合网络2的输出与第一阻抗Z₂的高电流端连接，第一阻抗Z₁的低电流端C_L1串接一个信号注入变压器后与第二阻抗Z₂的低电流端C_L2连接，第一阻抗Z₁的高电位端串接一个指零仪变压器后与比率感应分压器的高端连接，第一阻抗Z₁的低电位端与开尔文平衡的高端连接，第二阻抗Z₂的高电位端串接一个指零仪变压器和微差信号注入变压器后与比率感应分压器的低端连接，第一阻抗Z₂的低电位端与开尔文平衡的低端连接。电桥辅助平衡措施有：两个被比较阻抗高端的端对定义平衡、华格纳辅助平衡、开尔文平衡。电桥要同时满足上述4个辅助平衡和电桥主平衡条件才能完成一次测量。

多个端对定义平衡和辅助平衡使得四端对桥路的复杂程度远远高于二端对电桥。对现有的四端对电桥进行一次测量，需要反复进行负载平衡、主平衡，直到所有的四端对定义条件满足后方能进行一次测量，操作过程耗时繁琐。

本发明中，采用上述利用双级跟随器满足阻抗端对定义的快速实现方法，可实现四端对阻抗快速比较测量。

如图5所示，利用两套双级跟随器F_Z1和F_Z2实现四端对阻抗电桥被比较阻抗Z₁和Z₂的高电压端和电流端的端对对定义实现，替代了传统四端对电桥中的2套源组合网络，大大降低了四端对电桥的复杂度。同时由于采用跟随器隔离了电桥装置与外部负载，使得电桥的辅助平衡相关性和平衡次数均大大减少。

具体的，将第一阻抗Z₁的高电流端C_H1与第一个双级跟随器F_Z1的电流输出端连接、第一阻抗Z₁的高电压端P_H1与第一个双级跟随器F_Z1的电压输出端连接、第一个双级跟随器F_Z1的输入端与比率感应分压器的比率输出抽头10连接，由于跟随器的加入隔离了电桥负载，还可通过切换连接，将第一个双级跟随器F_Z1的输入端连接至比率感应分压器的任意比率输出抽头(例如图5中的抽头1-10)，形成可变电桥比率，这样将大大增加了四端对电桥的测量范围。将第一阻抗Z₁的低电压端P_L1与开尔文平衡的高端连接、第二阻抗Z₂的高电流端C_H2与第二个双级跟随器F_Z2的电流输出端连接、第二阻抗Z₂的高电压端P_H2与第二个双级跟随器F_Z2的电压输出端连接、在第二个双级跟随器F_Z2的输入端串联一个微差信号注入变压器后与比率感应分压器的抽头-1连接；将第一阻抗Z₁的低电流端和第二阻抗Z₂的低电流端通过一个信号注入变压器连接、将第一阻抗Z₁的低电压端P_L1与开尔文平衡的高端连接(形成的网孔中需加入一个扼流圈)、将第二阻抗Z₂的低电压端P_L2与开尔文平衡的低端连接，当开尔文平衡条件满足时，第一阻抗Z₁和第二阻抗Z₂的低电压端P_L1和P_L2的电压和电流将均近似为0、低电流端C_L1和C_L2的芯皮电流等大反向，从而满足了第一阻抗Z₁和第二阻抗Z₂的四端对定义。其它部分的连接方式与现有电桥相同，即将比率感应分压器的高低供电端分别与华格纳平衡的高低供电端连接，将信号发生器发送信号驱动源感应分压器给电桥供电，并且将信号发生器的同步参考信号连接至指零仪，将源感应分压器的高低供电端与比率感应分压器与华格纳平衡的高低供电端分别连接。

根据实际操作验证，本发明电桥的华格纳电源平衡和指零仪的开尔文平衡只需一次平衡后，基本就不用再做调整。完成电桥辅助平衡的初始设置后，四端对电桥的一次测量仅需完成电桥主平衡即可完成，这样大大提高了测量速度。在1kHz下，四端对阻抗电桥阻抗测量不确定度水平可达到1×10^-7(k＝2)。

区别于常规采用源组合网络+指零仪实现四端对阻抗定义方法，本发明提出的四端对阻抗比较测量快速实现方法，可自动满足阻抗的四端对定义，跟随器的加入还可隔离电桥负载变化的影响，加快四端对阻抗电桥的平衡速度，实现准确快速的四端对交流阻抗高精度比较测量，阻抗测量精度仅受精密跟随器的跟随精度限制；本发明同样适用于交流电参数精密测量仪器或类似测量系统中。

本发明采用双级跟随器满足了交流阻抗端对定义，实现了四端对阻抗快速比较测量，本发明可用于四端对阻抗快速自动测量领域中，对端对测量技术商用化，提高计量仪器的性能具有重大意义。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种实现四端对阻抗的端对定义的方法，其特征在于：所述方法将双级跟随器的电流输出端通过同轴线与阻抗的高电流端连接，并将双级跟随器的电压输出端通过同轴线与阻抗的高电压端连接，使得阻抗的高电压端的电流为0、高电流端的芯皮电流等大反向。

2.根据权利要求1所述的实现四端对阻抗的端对定义的方法，其特征在于：所述双级跟随器包括：第一跟随器F₁、第二跟随器F₂和第三跟随器F₃；所述第一跟随器F₁作为第一级跟随器，所述第二跟随器F₂和第三跟随器F₃组合形成第二级跟随器；

所述第一级跟随器和第二级跟随器的供电电源±V_cc和±V_cc2相互独立，并且第一跟随器F₁的输出端与第二级跟随器的供电电源±V_cc2的中心点连接；

所述第二跟随器F₂的输出端与第三跟随器F₃的同相输入端连接。

3.根据权利要求2所述的实现四端对阻抗的端对定义的方法，其特征在于：所述双级跟随器的输入端V_Input分别与第一跟随器F₁、第二跟随器F₂的同相输入端连接，同时双级跟随器的输入端V_Input通过输入电阻R_in与外皮连接；

所述第三跟随器F₃的输出端与双级跟随器的电流输出端I_out连接，第二跟随器F₂的反相输入端与双级跟随器的电压输出端V_out连接；

双级跟随器的电流输出端I_out的外皮与第一级跟随器的供电电源±V_cc的中心点连接；

双级跟随器的电压输出端V_out的外皮与输入端V_Input的外皮连接。

4.根据权利要求3所述的实现四端对阻抗的端对定义的方法，其特征在于：所述双级跟随器的电流输出端I_out的芯线通过第一电阻R₁与电压输出端V_out的芯线连接，电流输出端I_out的皮线通过第二电阻R₂与电压输出端V_out的皮线连接。

5.一种实现四端对阻抗电桥快速比较测量的方法，其特征在于：所述方法利用如权利要求1所述的实现四端对阻抗的端对定义的方法来实现四端对阻抗电桥快速比较测量。

6.根据权利要求5所述的实现四端对阻抗电桥快速比较测量的方法，其特征在于：所述方法包括：

将第一阻抗Z₁的高电流端C_H1与第一个双级跟随器F_Z1的电流输出端连接、第一阻抗Z₁的高电压端P_H1与第一个双级跟随器F_Z1的电压输出端连接；第一个双级跟随器F_Z1的输入端通过切换连接能够与比率感应分压器的任意一个比率输出抽头连接，使得电桥比率可变；将第一阻抗Z₁的低电压端P_L1与开尔文平衡的高端连接；

将第二阻抗Z₂的高电流端C_H2与第二个双级跟随器F_Z2的电流输出端连接、第二阻抗Z₂的高电压端P_H2与第二个双级跟随器F_Z2的电压输出端连接；将第二阻抗Z₂的低电压端P_L2与开尔文平衡的低端连接；

在第二个双级跟随器F_Z2的输入端串联一个微差信号注入变压器后与比率感应分压器连接。

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