CN209979738U - 阻抗记录器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种阻抗记录器，包括被测器件、相位测量电路、幅值测量电路和数据记录器，所述被测器件分别连接相位测量电路的输入端和幅值测量电路的输入端，相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端连接数据记录器，所述数据记录器包括数据处理器、数据存储器和显示器，所述相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端均连接数据处理器的输入端，数据处理器的输出端分别连接数据存储器和显示器。本阻抗记录器能够测量并记录被测器件阻抗的幅值和相位，具有采样率高、精度高、频带宽等特点，可应用于电化学分析、材料性能分析和电气设备的监测。

Description

阻抗记录器

技术领域

本实用新型涉及一种测量仪器，尤其涉及一种阻抗记录器。

背景技术

现今，现代工业中很多领域都需要进行元件或系统阻抗参数特性的测量和分析，电力传输系统中，需要对不同介质输电线路的阻抗进行测量，在传感器、生物医学、电路分析等领域，阻抗测量都具有重要地位。

目前，阻抗测量仪器大多是以集成电路为基础，AD5933是一种高精度的集成阻抗测量芯片，其实质是通过测量输入电压与输出电流之间的关系，达到对复阻抗测量的目的，由于测量电路无法进行对称设置，因此不能消除导线引进的空间电磁电流噪声的干扰，另外因为这种固化的芯片没有灵活的滤波手段，也不能实现一次数据采集来完成多个频率信号同步处理的功能。

电气设备通常是由电阻、电容和电感组成的电路，对电路中电流的流动所起的阻碍作用叫做阻抗，有时很难直接同时测量设备的电容、电阻、电感和角速度，而阻抗通常与设备的电容、电阻、电感和角速度有关，因此，通过测量阻抗和计算，可以获得设备的电容、电阻、电感和角速度。在不同频率下，电路所表现出的阻抗将不同，它将改变信号的相位和幅度，如果采用率足够高，则可以使用阻抗记录器来监测电气设备。因此，亟需要研究设计一种高采样率、高精度且高性能的阻抗记录器用于监测设备的阻抗。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能够记录阻抗的大小和相位的阻抗记录器，其频带宽，采样率高，可应用于电化学分析、材料性能分析和电气设备的监测。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为，一种阻抗记录器，包括被测器件、相位测量电路、幅值测量电路和数据记录器，所述被测器件分别连接相位测量电路的输入端和幅值测量电路的输入端，相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端连接数据记录器，所述数据记录器包括数据处理器、数据存储器和显示器，所述相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端均连接数据处理器的输入端，数据处理器的输出端分别连接数据存储器和显示器。

作为本实用新型的一种改进，所述幅值测量电路包括交流电压源、峰值电压检测器、可变电阻，所述交流电压源连接被测器件，向被测器件输入交流信号，可变电阻的一端引出作为幅值测量电路的输入端，另一端接地，被测器件连接可变电阻的一端，峰值电压检测器的输入端连接可变电阻的一端，峰值电压检测器的输出端引出作为幅值测量电路的输出端。

作为本实用新型的一种改进， 所述相位测量电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、或门、均值电压检测器、直流电压源，所述第一运算放大器和第二运算放大器的反相输入端引出作为相位测量电路的输入端，被测器件连接第一运算放大器和第二运算放大器的反相输入端，第一运算放大器和第二运算放大器的正相输入端均接地，第一运算放大器和第二运算放大器的正电源和负电源均连接直流电压源，第一运算放大器和第二运算放大器的输出端连接或门的输入端，或门的输出端连接均值电压检测器的输入端，均值电压检测器的输出端引出作为相位测量电路的输出端。

作为本实用新型的一种改进， 所述峰值电压检测器包括二极管、第一电阻、第一电容，所述二极管的正极引出作为峰值电压检测器的输入端，第一电阻和第一电容并联连接，二极管的负极连接第一电阻和第一电容的一个连接端，第一电阻和第一电容的另一个连接端接地，将二极管的负极与第一电容的连接端引出作为峰值电压检测器的输出端。

作为本实用新型的一种改进，所述均值电压检测器包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻的一端引出作为均值电压检测器的输入端，第二电容的一端串联连接第二电阻，第二电容的另一端接地，将第二电阻和第二电容的连接端引出作为均值电压检测器的输出端。

作为本实用新型的一种改进， 所述可变电阻的阻值范围是10Ω-10KΩ，交流电压源的振幅为4V，输出频率范围为1KHz -1MHz。

作为本实用新型的一种改进， 所述第一运算放大器和第二运算放大器均采用高速电压反馈式运放芯片LM7171BIN。

作为本实用新型的一种改进， 所述数据记录器采用FRDM-KL46Z开发板，采样率是100HZ。

作为本实用新型的一种改进， 所述相位测量电路能够测量的阻抗相位范围是0°-90°。

相对于现有技术，本实用新型的阻抗记录器整体结构设计巧妙，电路结构简单，能够同时测量并记录显示被测器件的阻抗，本阻抗记录器的使用频率范围为1KHz -1MHz，频带宽，采样率为100HZ，采样率高，能够测量阻抗的相位范围是0°-90°。

附图说明

图1为本实用新型所提出的阻抗记录器的结构框图。

图2为本实用新型较佳实施例的阻抗记录器的电路图。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解和认识，下面结合附图对本实用新型作进一步描述和介绍。

如图1所示，一种阻抗记录器，包括被测器件Zx、相位测量电路、幅值测量电路和数据记录器，所述被测器件Zx分别连接相位测量电路的输入端和幅值测量电路的输入端，相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端连接数据记录器，所述数据记录器包括数据处理器、数据存储器和显示器，所述相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端均连接数据处理器的输入端，数据处理器的输出端分别连接数据存储器和显示器。

如图2所示，为本实用新型的较佳实施例，在本实施例中，所述幅值测量电路包括交流电压源V5、峰值电压检测器、可变电阻Rr，所述交流电压源V5连接被测器件Zx，向被测器件Zx输入交流信号，可变电阻Rr的一端引出作为幅值测量电路的输入端，另一端接地，被测器件Zx连接可变电阻Rr的一端，峰值电压检测器的输入端连接可变电阻Rr的一端，峰值电压检测器的输出端引出作为幅值测量电路的输出端。

可选地，在本实施例中，所述峰值电压检测器包括二极管D3、第一电阻R2、第一电容C4，所述二极管D3的正极引出作为峰值电压检测器的输入端，第一电阻R2和第一电容C4并联连接，二极管D3的负极连接第一电阻R2和第一电容C4的一个连接端，第一电阻R2和第一电容C4的另一个连接端接地，将二极管D3的负极与第一电容C4的连接端引出作为峰值电压检测器的输出端。

可选地，在本实施例中，所述可变电阻Rr的阻值范围是10Ω-10KΩ，二极管D3采用1N5817，第一电阻R2的取值为20 MΩ，第一电容C4的取值为1nF。

可选地，在本实施例中，所述交流电压源V5的振幅为4V，输出频率范围为1KHz -1MHz，由于最大频率主要受运算放大器性能的限制，阻抗通常用交流信号测量，平均电压检测器不能在低频下工作，因此最小频率设置为1KHz。

在本实施例中，所述相位测量电路包括第一运算放大器U4、第二运算放大器U5、或门U6A、均值电压检测器、直流电压源V9-V12，所述第一运算放大器U4和第二运算放大器U5的反相输入端引出作为相位测量电路的输入端，被测器件Zx连接第一运算放大器U4和第二运算放大器U5的反相输入端，第一运算放大器U4和第二运算放大器U5的正相输入端均接地，第一运算放大器U4和第二运算放大器U5的正电源和负电源均连接直流电压源V9-V12，第一运算放大器U4和第二运算放大器U5的输出端连接或门U6A的输入端，或门U6A的输出端连接均值电压检测器的输入端，均值电压检测器的输出端引出作为相位测量电路的输出端。

可选地，在本实施例中，所述均值电压检测器包括第二电阻R3和第二电容C3，所述第二电阻R3的一端引出作为均值电压检测器的输入端，第二电容C3的一端串联连接第二电阻R3，第二电容C3的另一端接地，将第二电阻R3和第二电容C3的连接端引出作为均值电压检测器的输出端。

可选地，在本实施例中，所述第一运算放大器U4和第二运算放大器U5均采用高速电压反馈式运放芯片LM7171BIN。

可选地，在本实施例中，所述数据记录器采用FRDM-KL46Z开发板，采样率是100HZ。KL46Z用于计算结果并显示阻抗。KL46Z连接到峰值电压检测器和平均电压检测器。将峰值电压检测器和平均电压检测器的电压和平均电压检测器的电压分别读出10次，然后计算相位和幅值。KL46Z开发板中的液晶显示器将交替显示阻抗的相位和幅度。

可选地，在本实施例中，或门U6A采用74LS32四2输入或门U6A，直流电压源V9-V12为+5V和-5V双电源，LM7171BIN连接+5V和-5V，74LS32连接到+5V和接地。+5V电源为KL46Z供电，KL46Z也需要接地。第二电阻R3的取值为100KΩ，第二电容C3的取值为10nF。

可选地，在本实施例中，所述相位测量电路能够测量的阻抗相位范围是0°-90°。

在本实施例中，在幅值测量电路中被测器件Zx与可变电阻Rr是串联，如果可变电阻Rr的电压以及交流电压源V5输出的电压可知，可变电阻Rr的电压值可通过峰值电压检测器来测量，由于峰值电压检测器测量二极管D3的负极电压，因此测量电压应加上二极管D3的接通电压，由此，被测器件Zx的阻抗幅值（具体为幅值的绝对值）可由下式（1）计算得出：

（1）

其中，Vpeak是峰值电压检测器的电压测量值，单位为V，Von为二极管D3的接通电压，单位为V。

在本实施例中，在相位测量电路中，第一运算放大器U4和第二运算放大器U5均工作在开环状态，分别放大来自交流电压源V5的信号和可变电阻Rr的信号，并且交流电压源V5的信号和可变电阻Rr的信号均为正弦波信号，通过第一运算放大器U4和第二运算放大器U5可将正弦波信号变换为方波信号，然后通过比较两个方波信号之间的相位差就能得出两个正弦波信号之间的相位差，也就能计算得出被测器件Zx的阻抗相位。接着，将两个方波信号输入到或门U6A，或门U6A的输出信号依然是方波，通过均值电压检测器对或门U6A输出的方波信号的占空比进行测量，可计算得出被测器件Zx的阻抗相位。被测器件Zx的阻抗相位的计算式如下式（2）-（4）：

（2）

（3）

（4）

其中，θ表示被测器件Zx和可变电阻Rr的相位之和，单位为°，Vaverage表示均值电压检测器的测量电压，单位为V，Xc表示被测器件Zx阻抗的虚部，单位为Ω，R表示被测器件Zx阻抗的实部，单位为Ω。

综合上式（2）-（4）可得被测器件Zx阻抗的实部R的计算式（5）：

（5）

最后，通过反三角函数变换得出被测器件Zx的阻抗相位的计算式（6）：

（6）

上式中即为被测器件Zx的阻抗相位，单位为°。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种阻抗记录器，其特征在于：包括被测器件、相位测量电路、幅值测量电路和数据记录器，所述被测器件分别连接相位测量电路的输入端和幅值测量电路的输入端，相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端连接数据记录器，所述数据记录器包括数据处理器、数据存储器和显示器，所述相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端均连接数据处理器的输入端，数据处理器的输出端分别连接数据存储器和显示器，所述数据记录器采用FRDM-KL46Z开发板，所述相位测量电路的输出端和幅值测量电路的输出端连接FRDM-KL46Z开发板的输入端。

2.如权利要求1所述的阻抗记录器，其特征在于，所述幅值测量电路包括交流电压源、峰值电压检测器、可变电阻，所述交流电压源连接被测器件，向被测器件输入交流信号，可变电阻的一端引出作为幅值测量电路的输入端，另一端接地，被测器件连接可变电阻的一端，峰值电压检测器的输入端连接可变电阻的一端，峰值电压检测器的输出端引出作为幅值测量电路的输出端。

3.如权利要求2所述的阻抗记录器，其特征在于，所述相位测量电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、或门、均值电压检测器、直流电压源，所述第一运算放大器和第二运算放大器的反相输入端引出作为相位测量电路的输入端，被测器件连接第一运算放大器和第二运算放大器的反相输入端，第一运算放大器和第二运算放大器的正相输入端均接地，第一运算放大器和第二运算放大器的正电源和负电源均连接直流电压源，第一运算放大器和第二运算放大器的输出端连接或门的输入端，或门的输出端连接均值电压检测器的输入端，均值电压检测器的输出端引出作为相位测量电路的输出端。

4.如权利要求3所述的阻抗记录器，其特征在于，所述峰值电压检测器包括二极管、第一电阻、第一电容，所述二极管的正极引出作为峰值电压检测器的输入端，第一电阻和第一电容并联连接，二极管的负极连接第一电阻和第一电容的一个连接端，第一电阻和第一电容的另一个连接端接地，将二极管的负极与第一电容的连接端引出作为峰值电压检测器的输出端。

5.如权利要求4所述的阻抗记录器，其特征在于，所述均值电压检测器包括第二电阻和第二电容，所述第二电阻的一端引出作为均值电压检测器的输入端，第二电容的一端串联连接第二电阻，第二电容的另一端接地，将第二电阻和第二电容的连接端引出作为均值电压检测器的输出端。

6.如权利要求5所述的阻抗记录器，其特征在于，所述可变电阻的阻值范围是10Ω-10KΩ。

7.如权利要求6所述的阻抗记录器，其特征在于，所述第一运算放大器和第二运算放大器均采用LM7171BIN运放芯片。

8.如权利要求7所述的阻抗记录器，其特征在于，所述交流电压源的振幅为4V，输出频率范围为1KHz-1MHz。

9.如权利要求8所述的阻抗记录器，其特征在于，所述相位测量电路能够测量的阻抗相位范围是0°-90°。

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