中心議題:
- LCR阻抗測量儀的原理性能概述
- LCR阻抗測量儀的主要參量考核校準
在目前的生產(chǎn)制造業(yè)中,與傳統(tǒng)的手動交流電橋相比,數(shù)字LCR阻抗測量儀因其測量性能穩(wěn)定可靠,無需進行反復的、復雜的手動平衡,還可以減少測量誤差和結(jié)果計算,故已被越來越多地被應用于交流阻抗參數(shù)的測量。要保證LCR阻抗測量儀測量準確度,對其性能的考核就顯得尤為重要。本文對LCR阻抗測量儀電容、電感、電阻和損耗參數(shù)在lkHz頻率下的校準作一初步探討。
1 原理性能概述
帶微處理器的LCR阻抗測量儀為多測量功能、寬頻率、寬測量范圍的數(shù)字計量儀器,主要應用于測量電感器、電容器、電阻器和損耗、Q值等主副參量的測量。其工作原理是以內(nèi)附的標準為基礎(chǔ),在1kHz下溯源于電容基準。它采用自動平衡等電流條件下測量被測元件與內(nèi)附標準量程電阻的相(矢)量電壓比例的方法給出被測元件的量值。一般說來,由正弦交流激勵電源、比較器、相量電壓比檢測器、數(shù)字控制和顯示電路幾部分組成。
在實際工作中,測量標準和被測量是用同一線路,而且相隔時間很短(大約僅為0.01s),測量線路幾乎沒有什么變化。標準的比例,被測的量值和相位都是經(jīng)過微處理器內(nèi)部精密計算后迅速顯示出來的。
還可顯示測量電路的聯(lián)接方式、同時顯示L、Q、C、D值,克服了傳統(tǒng)的手動交流電橋繁瑣的平衡及困難的計算。
此外,由于LCR阻抗測量儀可以方便地進行三端或四端測量,通過開路調(diào)零和短路調(diào)零消除了開路電容和短路電感的影響;還可以消除被測端沒有屏蔽的接線端的影響,這些影響可以通過LCR測量儀的非線性自動調(diào)整,使變化的電磁波中非線性部分得到控制。橋體的偏置電壓也可由內(nèi)部或外部提供。
2 主參量的校準
2.1電容參量的校準
選擇比被校LCR阻抗測量儀高二個等級(或高二個等級的標準阻抗測量儀和過渡量具)的標準電容器作為被測,主要考核電容示值的基本誤差。但標準電容器性能較為復雜,在音頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性最好的電容器應選擇石英電容器和三端鈕空氣電容器,其值可以準確的計算出來。在精密測量中,一般選擇三端鈕電容器作為標準器使用,并采用等電位屏蔽,即:使低電位端與屏蔽等電位,但不直接相連接。電橋測量時,讓標準電容器和被測電容器流過相同的電流。由于三端鈕電容器的測量是在等電位屏蔽的基礎(chǔ)上進行,屏蔽消除了寄生泄漏的影響,準確度較高,如果排除其他干擾,可以選擇10pF-1uF的容量作為標準電容考核電容示值基本誤差。但考核luF以上的電容示值量程,用大電容作標準時一定要注意測量頻率,如果測量頻率高于音頻范圍時,測量結(jié)果將會發(fā)生很大的變化,這時必須作頻率影響修正。如果選擇云母電容器作為考核標準,溫度系數(shù)較小但損耗較差,因此只能考核準確度較低的LCR阻抗測量儀。三端鈕電容器采用兩次測量法:首先將電容器接入LCR阻抗測量儀測量,然后斷開高電位端測量開路電容量,兩次測量值的增量即為被測電容器的實際值。
2.2電阻參量的校準
采用比被校LCR阻抗測量儀高二個等級(或高二個等級的標準阻抗測量儀和過渡量具)的精密交流電阻作標準,主要考核被校LCR阻抗測量儀測量電阻的性能,考核時必須注意了解所用的標準電阻的穩(wěn)定性。儀器顯示值與實際值的偏差應滿足被校LCR阻抗測量儀測量電阻的指標。此外,交流電阻的測量可采用二端鈕、三端鈕、四端鈕、五端鈕接線法,具體的測量接線視其阻值大小而定。選用不同量值的標準電阻作標準,對LCR阻抗測量儀的不同量程考核時要注意標準電阻的測量狀態(tài)。ZX<100Ω時,連接導線兩端鈕之間的并聯(lián)路電容影響可忽略不計,被測儀器一般采用串聯(lián)電路;測量高電阻(Zx>1kΩ)時,被測儀器采用并聯(lián)電路,連接導線端鈕之間的并聯(lián)電容影響較大,如果不接屏蔽,其交流電阻值和時間常數(shù)與周圍的電磁場有關(guān),變化的電磁能會使交流電阻的交流特性發(fā)生明顯的變化,因此精密交流電阻器應帶屏蔽,測量需要按三端鈕接線進行??己穗姌蛐‰娮枇砍虝r,要注意串聯(lián)電感影響測量,可用四端鈕或五端鈕接線。低于10Ω的交流電阻器可采用五端鈕接線法,屏蔽接地的目的是為了消除引線導納的影響。
電阻器測量時必須做二次測量,扣除LCR阻抗測量儀至被測電阻器的引線電阻。先使測量端短路平衡,然后再做測量電阻值的主測量,兩次測量值的增量即為被測電阻器的實際值。
2.3 電感參量的校準
校準LCR阻抗測量儀測量電感的范圍和準確度方法同考核C、R一樣,但由于附加效應的影響,使電感的精密測量比較困難,主要的原因是電磁場非線性因素,這是電感本身的材料引起的。一個通電線圈周圍的電場強度可以確定,但其周圍的電場強度是非線性的,尤其是磁性材料對不同的電壓幅度和不同頻率非線性響應比較大,這些因素造成了電感測量的復雜性,選用的標準電感必須有頻響的測量數(shù)據(jù),LCR阻抗測量儀應給出被測電感的等值電路,現(xiàn)代的自動電橋用雙T網(wǎng)絡原理,選用元件匹配,能滿足較寬的頻率范圍測量電感。
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電感測量受頻率影響較大,因此在考核LCR阻抗測量儀測量電感性能時,要注意所選用的標準電感本身的諧振頻率,在這個頻率下電感測量準確度最高。例如,一個高頻電感在100MHz下測量時,為3uH,Q為100,而在lkHz下測量電阻為18mΩ,Ω為0.1,因此100MHz下測量時的電感變成lkHz下的感性電阻了。
沙利文的標準電感(100uH—lH)在IkHz下可作為0.01%的標準電感考核LCR阻抗測量儀,而在10kHz下準確度就有較大的變化。在考核LCR阻抗測量儀測量小電感性能時要采用四端測量法,為了得到準確的測量結(jié)果,電壓端和電流端之間的耦合要盡可能小。
電感器不能加金屬屏蔽,因為會引起渦流,使得電感器測量值隨工作電流和頻率的變化而改變。但是測量電感器的連接線應該帶屏蔽,連接導線的長度一般在80cm一100cm。無論電感器量值的大小,接至電感器的引線端都不能屏蔽,該引線端應盡量短,其目的是為了減少分布電容的影響。還需要注意的是:
被測電感器的周圍不能有金屬、鐵磁物質(zhì)存在。電感器測量也必須做二次測量,扣除LCR阻抗測量儀至被測電感器的引線電阻。先使測量端短路平衡,然后再做測量電感值的主測量,兩次測量值的增量即為被測電感器的實際值。
2.4 電容損耗因數(shù)的校準
損耗因數(shù)標準器由電容和電阻組合而成,有串聯(lián)等效電路和并聯(lián)等效電路兩類。取值范圍為(10-1~10-5)的十進步進式多盤損耗箱或1、2、5、8跳躍步進式損耗箱。電容量值為100pF~1uF的單值標準電容器。電容損耗因數(shù)的校準一般校準范圍為(10-4~1)。
2.5 頻率特性考核
交流阻抗測量的準確度與頻率有關(guān),阻抗測量的靈敏度和頻率是成比例的。每一交流阻抗都具有專用頻率,在其專用頻率下阻抗測量的靈敏度最高。因此LCR阻抗測量儀的頻率范圍應較寬,才能滿足各種交流阻抗的測量,目前LCR阻抗測量儀的頻率在10Hz一10MHz之間,如美國GR公司生產(chǎn)的1689(M),Quadtech公司的7600,HP和Agillent公司的4284??己薒CR阻抗測量儀的頻率主要是通過數(shù)字頻率計直接測量LCR阻抗測量儀的各個頻率,看其是否滿足其頻率指標,如考核GRl689數(shù)字電橋的頻率,在測試夾“-”端與地之間用頻率計監(jiān)測,儀器編程可選擇測試頻率12Hz,100Hz,1kHz,10kHz,100kHz等,頻率測量之偏差應小于儀器對頻率的指標要求。
2.6 測量電壓考核
交流阻抗測量需要特殊的電壓幅度,像鐵芯電感、半導體電容都是非線性元件,在測量時電壓不能太小,在整個測量過程中交流信號在測量引線中引起的噪聲會增加失真度,另外被測阻抗的非線性也會引起諧波畸變。增加電壓幅度可以克服上述現(xiàn)象。因此,要求LCR阻抗測量儀測量電壓在一定幅度內(nèi)可調(diào)。測量電壓一般在5mV~1.25V,有利于交流阻抗的測量,而測量電壓與頻率有關(guān),因此考核測量電壓時必須注明測量時的頻率。具體方法是用直接測量法,LCR阻抗測量儀不接被測,在測試夾具“-”端與地之間用數(shù)字電壓表監(jiān)測:儀器頻率可選12Hz,lkHz和100kHz三種情況下測量5mV~1.25V,電壓偏差應滿足電橋測量電壓指標要求;也可選擇在某一電壓下,以不同的頻率考核該一電壓的變化,其電壓偏差也應滿足電壓指標要求。
3 總結(jié)
總之,一臺LCR阻抗測量儀的校準,除了要考核其測量頻率范圍、電壓幅度等性能外,更重要的是要考核其組合測量即測量L、C、R的性能。在校準其測量L、C、R性能時,要注意測量頻率和聯(lián)接方式。當一臺LCR阻抗測量儀既可以進行三端測量又可以進行四端測量時,為了得到比較準確的測量結(jié)果。選擇測量聯(lián)結(jié)方式按以下原則進行:
(1)阻抗低于10Q用四端測量;
(2)阻抗高于10kΩ用三端測量;
(3)在10Ω-10kΩ之間的阻抗必須消除開路電容和導線的串聯(lián)電阻影響,應在四端測量上加上屏蔽接地,即采用五端測量法。