第六章阻抗测量

1第6章阻抗测量本章介绍：阻抗测量一般是指电阻、电容、电感及相关的Q值、损耗角、电导等参数的测量。其中，电阻表示电路中能量的损耗，电容和电感则分别表示电场能量和磁场能量的存储和寄生参数对阻抗测试的影响。由于电阻器、电感器和电容器受到所加的电压、电流、频率、温度及其它物理和电气环境的影响而改变阻抗值，因此在不同的条件下其电路模型不同。本章主要介绍阻抗的测量方法即阻抗模拟测量法和数字测量法等阻抗测量的基本技术。集总参数元件的测量主要采用电压-电流法、电桥法和谐振法。依据电桥法制成的测量仪总称为电桥，电桥主要用来测量低频元件。Q表是依据谐振法制成的测量仪器，Q表主要用来测量高频元件。阻抗的数字测量法有自动平衡电桥法；射频电压电流法；网络分析法等。现代的LF阻抗测量仪器一般都使用自动平衡电桥法。内含微处理器的各种智能化LCR测量仪已成为阻抗测量仪器的发展主流。阻抗测量有多种方法，必须首先考虑测量的要求和条件，然后选择最合适的方法，需要考虑的因素包括频率覆盖范围、测量量程、测量精度和操作的方便性。没有一种方法能包括所有的测量能力，因此在选择测量方法时需折衷考虑。应在测试频率范围内根据它们各自的优缺点选择正确的测试方法。6.1引言6.1.1集总参数元件特性表征1．阻抗定义及表示方法R|z|θZ{R,θ}+-.I.UZ图6-1阻抗定义示意图及阻抗参数关系图2（6.1）一般情况下阻抗为复数,它可用直角坐标和极坐标表示，即（6.2）两种坐标形式的转换关系为（6.3）（6.4）导纳Y是阻抗Z的倒数，即（6.5）其中G和B分别为导纳Y的电导分量和电纳分量。导纳的极坐标形式为（6-6）Y和分别是导纳幅度和导纳角。2.电阻器、电容器、电感器的电路模型元件类型：电阻器、电容器、电感器。一个实际的元件，如电阻器、电容器和电感器都不可能是理想的，存在着寄生电容、寄生电感和损耗。实际中只有在某些特定条件下，电阻器、电容器和电感器才能看成理想元件。（1）真值，有效值和指示值理解元件的真值，有效值和指示值对于元件测量是很重要的。..IUZ)sin(cos.jZZjXRIUZjRXarctgXRZ,22sin,cosZXZRjBGXRXjXRRjXRZY222211jYjBGY3（2）元件的影响因素测量器件的寄生参数影响1）频率：由于存在寄生参数，频率对所有实际元件都有影响。2）测试信号电平：对于某些元件，施加的测试信号（AC）可能会影响测试结果。3）直流偏置：对高K值型介电陶瓷电容器的电容有很显著的影响。4）温度：大多数元件都存在温度影响因素。对于电阻器、电容器和电感器，温度系数是一项重要的技术指标。5）其它影响因素：其它物理和电气环境，如湿度、磁场、光、大气条件、振动和时间都会改变阻抗值。例如，高K值型介电陶瓷电容器的电容会随着老化而降低。6.1.2元件参数测量的基本技术1.测量方法概述①电桥法优点：精度高（0.1%典型值），使用不同电桥可得到宽频率范围，价格低。缺点：需要手动平衡，单台仪器的频率覆盖范围较窄。频率范围：DC至300MHz。②谐振法优点：可测很高的Q值。缺点：需要调谐到谐振，阻抗测量精度低。频率范围：10KHz至70MHz。③电压电流法优点：可测量接地器件，适合于探头类测试需要。缺点：工作频率范围受使用探头的变压器的限制。频率范围：10KHz至100MHz。④RF电压电流法优点：高频范围内具有高的精度（0.1%典型值）和宽阻抗范围。缺点：工作频率范围受限于探头使用的变压器。频率范围：1MHz至3GHz。4⑤自动平衡电桥法优点：从低频至高频的宽频率范围，且宽的阻抗测量范围内具有高精度。缺点：不能适应更高的频率范围。频率范围：20Hz至110MHz。⑥网络分析法优点：高频率范围，当被测阻抗接近特征阻抗时得到高精度。缺点：改变测量频率需要重新校准，阻抗测量范围窄。频率范围：300KHz至3GHz或更高。每种方法都有其各自的优缺点。必须首先考虑测量的要求和条件，然后选择最适合的方法，需要考虑的因素包括频率覆盖范围、测量量程、测量精度和操作的方便性。没有一种方法能包括所有的测量能力，因而在选择测量方法时需折衷考虑。1Z3ZxZ321ZZZZx图6-2电桥法DsxRVVIVZ211xZ2VI图6-4电压电流法sR1V图6-3谐振法QCxLxR122212121121VVRRVRVVIIVIVZxRxZIVRRR1I2I图6-5（a）低阻抗类型V1V2V2RxZIVRR图6-5（b）高阻抗类型122/21221VVRRVVVIVZx1V2VDUTxZRLH图6-6自动平衡电桥法2V1V输入信号xZ反射信号定向偶合器或电桥图6-7网络分析法1V2V52.仪器分类阻抗测量仪器分为两种：①模拟阻抗测量仪器;②数字式阻抗测量仪器。3.测试连接头所有阻抗测试都涉及连接头的问题。常用的连接方法有：①两端接线柱式（或香蕉插头）②有极性的同轴的连接头③中性精密同轴连接头④三端连接头⑤四端连接头⑥五端连接头⑦四端对接头。四端对连接头适用于宽量程范围的阻抗测量，实际的阻抗测量范围不仅取决于测量仪器，而且也取决于四端对连接头与DUT的正确连接。否则也会限制测量范围。每种连接方法各有优缺点，必须根据DUT的阻抗和要求的测量精度，选择最适合的连接方法。在使用4端或5端连接头时，必须提供足够的测试信号电流。此外，为进行精确的测量，应正确实施开路/短路补偿。特别是对于施加直流偏置电压的电解电容器，应在直流偏置设置为On(0V)时进行开路/短路补偿。本节思考题与习题1.阻抗元件的一般影响因素主要有哪些?2.选择阻抗测量的方法时,需要考虑哪些因素?3.判断右图连接头的接法正确与否？并说明理由。4.有时使用不同仪器会得到不同的电感测量结果，这是什么原因造成的？5.测量电阻、电容、电感的主要方法有哪些？它们各有什么特点？对应于每一种方法举出一种测量仪器。6.2阻抗标准6.2.1电阻标准1.标准概况电阻计量标准器具分为一等和二等两个等级，一等电阻标准包括10-3Ω，10-2Ω，10-1Ω，1Ω，10Ω，102Ω，103Ω，104Ω，105Ω9个标称值及一等电阻标准装置。二等电阻标准除上述9个标称值及电阻标准装置外，还有106Ω和107Ω及其相应装置。HCLPDUTHPLCjYjBGZY1jxZjXRIUZ..324x324ZZZZx323244jjjjxZZZZxsssUjUU0.2121211QQQQCCCtgsss6电阻工作计量器具有13个标称值。从10-4Ω到108Ω，每个标称值又有0.00005级到0.2级不等的7到9个准确度等级。2.标准电阻器用作标准电阻器的电阻材料必须具备以下条件：①电阻值稳定；②电阻的温度系数小（不大于510/oC）；③对铜的热电动势小（不大于2V）。6.2.2电容标准1.标准概况标准电容器分为三等。一等和二等标准电容量具采用标称值分别为1pF，10pF，100pF和1000pF的标准电容器。它们的差别在不确定度和年稳定度。三等标准电容量具采用标称值为10-4pF-1F的标准电容器。2.标准电容器标准电容器的电介质必须满足以下条件：①频率和温度的变化不引起电容量变化；②介电损耗小；③绝缘良好，耐反压高。6.2.3电感标准1.标准概况采用标称值为1μH-10000H的标准电感器作为标准电感量具。标准电感量具分成0.01级、0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.5级和1.0级，对应的级别指数a为0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5和1.0，对应的最大允许误差δ和年稳定度γ为a%。1μH-1H的标准电感量具在1000Hz下定级；大于1H的，在100Hz下定级。在非定级频率下使用标准电感量具时，必须用它的实际电感值。2.标准电感器对于标准电感器，要求作为单位量的电感值不随电流和频率的大小而改变。标准电感器适用大理石或木质框架把铜线绕成线圈状。实际标准电感器中，除电感L以外还存在线圈电阻和杂散电容。本节思考题与习题1.用作标准电阻器的电阻材料必须具备哪些条件?72.对于标准电感器，要求作为单位量的电感值不随哪些因素的大小而改变?6.3阻抗的模拟测量法6.3.1电压-电流法电压-电流法又叫伏安法，根据欧姆定律，可测量未知阻抗上的交流电压值U和流过它的电流值I计算出被测阻抗值：jxZjXRIUZ..（6.8）jYjBGZY1（6.9）6.3.2电桥法电桥法又叫指零法，以电桥平衡原理为基础。1.电桥的平衡条件（6-10）（6-11)（6-12）（6-13）2.交流四臂电桥由测量信号源、测量桥路、平衡指示电路、平衡调节机构、显示电路和电源等组成。324ZZZZx图6-11精密万用电桥方框图平衡调节机构平衡指示电路电源测量桥路显示电路测量信号源323244jjjjxZZZZx324ZZZZx324x交流电桥D4Z3Z2ZxZ83.变压器耦合臂电桥它们分别为电压比例臂构成的桥路和电流比例臂构成的桥路。电压比例臂是使各绕组的端电压严格与匝数成正比，而电流比例臂是使各绕组中流过的电流严格与匝数成反比。两电桥的平衡条件都为（6-14）4.电桥法测量集总参数元件的误差（1）标准元件值的误差：当标准元件值不准确时会直接影响测量误差，误差的大小决定于电路的形式和元件的准确度。（2）电桥指示器的误差：当指示器灵敏度较低时，难于判断最小值的准确位置，因而产生指示误差。特别是当信号源中含有较高次谐波电压时。（3）屏蔽不良引起误差：寄生耦合和外界电磁场的干扰也会引起误差。6.3.3谐振法测量元件参数谐振法是利用调谐回路的谐振特性而建立的阻抗测量方法。测量线路简单方便，在技术上的困难要比高频电桥小。(6.15)sxZWWZ21LC10电流比例臂构成的桥路xZsZ1W2W1I2I电压比例臂构成的桥路xZsZ1W2W.1U.2UDD9(6.16)(6.17)1.谐振法测电容、电感（1）直接测量根据(6.15)、(6.16)、(6.17)由已知的标准电容值C（PF），可求得电感L或由已知的标准电感值L（H），可求得电容C（2）替代法1)替代法测电容选择适当电感L(不必为标准电感)，接入标准可变电容sC（如虚线所示），调回路至谐振，然后接入被测电容xC。当xC较小时（6-18）当xC较大时，xC应和sC串联接入，同样方法，xC为（6-19）2）替代法测电感①并联替代法：用于测量较大的电感，如图6-14所示。(6-20)(6-21)(6-22)②串联替代法：用于测量较小的电感。如图6-15所示（6-23）（6-24）(6-25)0100CLXLCCL20201121ssxCCC222411sxCfLL)(411222ssxCCfL12241sCfL22241sxCfLL2122214ssssxCCfCCL1221ssssxCCCCC图6-13谐振法直接测电容xCsC振荡器DML图6-12谐振法测量原理8理理图CVALM图6-14并联替代法测量电感的原理图信号源sCLVxLsCL图6-15串联替代法测电感V12241sCfL10(6-26)6.3.4Q值测量1．Q表组成原理及测量原理Q表是根据谐振原理制成的，又称为品质因素测量仪。它由高频振荡器、测量电路和输入、输出指示器等组成。高频振荡器常采用多频段式，其频率范围视Q表的工作频率范围而定。1C和2C组成分压电路，2C上的电压1U作为Q表谐振回路的信号电压，2C＞＞1C、2C＞＞sC且2C和sC损耗小到可以忽略不计的程度。当测量电感时，被测电感xL接于端子1和2之间，保持高频振荡器输出和频率为某一值；调整标准电容sC使回路串联谐振，即2PV的指示值为最大值，此最大值2U等于1U的Q倍，即12U