一種寬頻阻抗測量系統及寬頻阻抗測量方法

2023-09-22 21:09:45 2

專利名稱：一種寬頻阻抗測量系統及寬頻阻抗測量方法
技術領域：
本發明涉及交流電磁測量技術領域，具體地說，本發明涉及一種寬頻阻抗測量系統及寬頻阻抗測量方法。
背景技術：
目前，國內外市場流行的交流阻抗分析儀的測量電路是將待測元件與已知阻抗的參比元件串聯，並將二者的串聯電路兩端分別連接信號源極和信號漏極。眾所周知，被測元件與參比元件之間的電橋(通常是屏蔽線或屏蔽盒內的連接線)與信號地之間實際上存在一定的電壓，這樣就會產生漏電流進而導致流經被測元件的電流與參比元件的電流不相等，造成測量誤差。現有技術中一般通過運算放大器實現被測元件與參比元件之間電橋的 「虛地」(如圖I所示)，從而減少電橋與信號地之間的漏電流。然而在實際測量中，即使接入運算放大器，電橋的電位也很難一直維持理想的零電位，尤其在測量頻率增大或被測元件與參比元件的阻抗相差較大的情況下，電橋上的電位可能更大程度偏離零電位，造成交流阻抗分析儀性能不穩定、測量誤差增大等缺陷。綜上所述，當前迫切需要一種能夠在測量頻率範圍較寬以及被測元件與參比元件的阻抗相差較大的情況下保持性能穩定、且測量誤差小的寬頻阻抗測量系統及寬頻阻抗測
量方法。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠在測量頻率範圍較寬以及被測元件與參比元件的阻抗相差較大的情況下保持性能穩定、且測量誤差小的寬頻阻抗測量系統及寬頻阻抗測量方法。為實現上述發明目的，本發明提供了一種寬頻阻抗測量系統，包括待測元件屏蔽盒和阻抗分析儀，待測元件屏蔽盒具有I+、I-、U+、U_接口，所述阻抗分析儀包括交流信號發生器、參比元件和高速電壓測量設備，所述待測元件屏蔽盒的I+、I-接口通過屏蔽線與阻抗分析儀連接，使得交流信號發生器、參比元件和待測元件形成串聯迴路，高速電壓測量設備包括四個高速測量通道，分別連接待測元件屏蔽盒的U+、u_接口以及參比元件的兩端，其中 U+、U-接口為待測元件屏蔽盒內的元件兩端電位的測量接口。其中，所述高速電壓測量設備包括高速採樣設備和矢量電壓測量設備。其中，所述高速採樣設備為高速數字示波器或其它高速模數採集設備。其中，所述寬頻阻抗測量系統還包括中央數據處理控制器，用於對交流信號發生器進行控制，以及根據所測出的四路電位Uy Upux+、ux_信號計算出待測元件的阻抗；其中 ur+、Ur-為參比元件兩端的電位，Ux+、Ux-為待測元件兩端的電位。其中，所述寬頻阻抗測量系統還包括數據輸出設備，用於輸出測量結果。其中，所述交流信號發生器為雙通道交流信號發生器，其中一個信號通道作為所述串聯迴路的信號源極，另一個信號通道作為所述串聯迴路的信號漏極。
本發明還提供了一種基於上述寬頻阻抗測量系統的寬頻阻抗測量方法，包括下列步驟I)將待測元件安裝在待測元件屏蔽盒內；2)在不同的頻率下同步測量參比元件兩端的電位Ur+與Ur_以及待測元件兩端的電位Ux+與Ux-；3)根據同步測量得出的電位Ur+、Ur_、Ux+、Ux_，以及已知的參比元件阻抗ZMf、待測元
件至參比元件電橋兩端與信號地之間的阻抗zbl、Zb2，計算出各頻率下待測元件的阻抗Zx ； Ux-UxZx=Ur+-UrX+ U；+ , Ur+ 。
Zref Zb1 Zb2其中，所述步驟3)中，所述電橋兩端與信號地之間的阻抗Zbl、Zb2預先測出，測出電橋兩端與信號地之間的阻抗zbl、zb2的方法如下31)將已知標準元件安裝在待測元件屏蔽盒內；32)在不同的頻率下同步測量參比元件兩端的電位U-與以及已知標準元件兩端的電位Ux+與ux_ ；33)根據同步測量得出的電位1+、1_、1+、4_，以及已知的參比元件阻抗2%、標準元件阻抗zMlib，計算出各頻率下電橋兩端與信號地之間的阻抗Zbl、Zb2 ；
LL +LL
Zb2=lL-u_ u_-u
calibref
相對於現有技術，本發明具有下列技術效果
1、測量誤差小。
2、能夠在測量頻率較大的情況下保持性能穩定。
3、能夠在被測元件與參比元件的阻抗相差較大的情況下保持性能穩定。
4、測量結果受環境、溫度等因素影響小。


圖I示出了現有技術中通過運算放大器實現被測元件與參比元件之間電橋的「虛地」的示意圖；圖2示出了本發明一個實施例提供的寬頻阻抗測量系統的示意圖；圖3示出了本發明一個實施例的測量原理圖；圖4示出了本發明一個實施例的一個測量實例的測量結果；圖5示出了本發明一個實施例的另一個測量實例的測量結果；圖6示出了本發明一個實施例的又一個測量實例的測量結果。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步地描述。圖2示出了根據本發明的一個實施例提供的一種寬頻阻抗測量系統。如圖2所示， 該寬頻阻抗測量系統包括待測元件屏蔽盒和阻抗分析儀。待測元件安裝在所述待測元件屏蔽盒內。待測元件屏蔽盒提供四個接口，分別為I+、I-、U+、U_接口。其中1+、1_為電流接
5口，U+、U_為待測元件兩端電位的測量接口。阻抗分析儀包括交流信號發生器、參比元件和高速電位測量設備。待測元件屏蔽盒的I+、I—接口通過屏蔽線與阻抗分析儀連接，使得交流信號發生器、參比元件和待測元件形成串聯迴路。高速電位測量設備具有四個高速採樣通道，這四個高速採樣通道分別連接參比元件兩端和待測元件屏蔽盒的U+、U_接口，用於在不同的頻率下同步測量參比元件兩端的電位Up與Up以及待測元件屏蔽盒內所安裝元件兩端的電位Ux+與Ux_。根據同步測量得出的電位Ur+、Ur_、Ux+、Ux-即可計算出待測元件在各頻率下的阻抗，對與這一點在下文中將有更詳細的描述。在一個實施例中，高速電位測量設備包括高速採樣設備和矢量電壓測量設備。高速採樣設備可以是高速數字示波器或其它高速模數採集設備，矢量電壓測量設備可採用中國專利申請201110380805. X中所記載的鎖相頻率計。高速電位測量也可以採用市面上的其它多通道矢量電壓測量設備，比如Stanford Research SR830鎖相放大器(相對更適合於IOOkHz以下的低頻矢量電壓測量)、HP 8508A 矢量電壓表(相對更適合於IOOkHz以上的高頻矢量電壓測量)或者二者的組合，只要能夠同步測出四路電位Ur+、Ur_、Ux+、Ux_信號即可。當單個矢量電壓測量設備的通道數不足4個時，可以同步使用多個矢量電壓測量設備進行測量，這是本領域技術人員易於理解的。上述待測元件屏蔽盒、交流信號發生器、參比元件和高速電位測量設備以及它們之間連接線路均處於屏蔽環境中，具體的屏蔽方案可根據實際情況靈活調整，這是本領域技術人員易於理解的。在一個實施例中，交流信號發生器採用雙通道交流信號發生器，此時一個信號通道作為信號源極，另一個信號通道作為信號漏極。通過調節這兩個信號通道的幅值差和相位差，可以使得被測元件與參比元件之間的電橋與信號地之間的電位儘量接近0(可通過觀察高速數字示波器所實時採集的電橋電位來進行調節)。這樣就可以進一步提高阻抗測量的準確性。在一個實施例中，所述寬頻阻抗測量系統還包括中央數據處理控制器和數據輸出設備，中央數據處理控制器用於對交流信號發生器進行控制，以及根據所測出的四路電位 υ#、υρ、υχ+、υχ_信號計算出待測元件的阻抗。數據輸出設備用於輸出測量結果的，可以採用顯示面板作為數據輸出設備。下面進一步介紹上述實施例的阻抗測量原理。為避免電橋與信號地之間的漏電流對測量結果造成影響，本實施例在測量過程中對電橋兩端的電位進行實時測量，通過電橋到信號地之間的阻抗換算成漏電流，並將其自動補償，從而準確獲得流經被測元件的電流，從而準確測量出被測元件的阻抗。圖3示出了典型的寬頻阻抗測量原理示意圖，現有技術中完全忽略電橋與測量屏蔽線或屏蔽盒上的信號地之間的阻抗Zbl與Zb2以及電橋自身的串聯阻抗Zbs構成的阻抗網絡(該阻抗網絡以虛線加陰影繪出)。本實施例則需要補償上述阻抗網絡所造成的影響。 如圖3所示，本實施例用於補償的流經Zbl與Zb2阻抗的電流以Ibl、Ib2表示。根據基爾霍夫定律，流經被測元件Zx、參比元件Zref及電橋阻抗Zbl與Zb2之間的電流滿足複數計算公式 ⑴Ix = Iref+Ibl+Ib2(I)其中Ix表示流經待測元件的電流，Iref表示流經參比元件的電流。如前文所述，交流信號發生器第一通道作為信號源、被測元件、參比元件與交流發生器第二通道作為信號漏依次使用屏蔽線纜連接在一起，被測元件兩端的正負電位Ux+與 Ux-以及參比元件兩端的正負電位ur+與Ur-分別通過屏蔽線纜連接到四通道高速採樣設備， 其中Ux_與Ur+即電橋電位Ubl與ub2。測量通過中央數據處理控制器發送命令啟動信號發生器開始，然後採樣設備採集到的數據通過多通道矢量電壓測量設備分析得到四引線對應的電位幅值IUx+1、|ux_|、Ur+U ur_|與相對相位ψχ+、ψχ_、ΨΓ+, ψΓ_ο測量頻率範圍內的任一頻率下多通道矢量電壓測量設備的分析結果通過數據處理控制器根據複數計算公式(2) 可準確得到被測元件的阻抗
權利要求
1.一種寬頻阻抗測量系統，其特徵在於，包括待測元件屏蔽盒和阻抗分析儀，待測元件屏蔽盒具有I+、I-、U+、U_接口，所述阻抗分析儀包括交流信號發生器、參比元件和高速電壓測量設備，所述待測元件屏蔽盒的I+、I-接口通過屏蔽線與阻抗分析儀連接，使得交流信號發生器、參比元件和待測元件形成串聯迴路，高速電壓測量設備包括四個高速測量通道， 分別連接待測元件屏蔽盒的u+、u_接口以及參比元件的兩端，其中u+、u_接口為待測元件屏蔽盒內的元件兩端電位的測量接口。
2.根據權利要求I所述的寬頻阻抗測量系統，其特徵在於，所述高速電壓測量設備包括高速採樣設備和矢量電壓測量設備。
3.根據權利要求2所述的寬頻阻抗測量系統，其特徵在於，所述高速採樣設備為高速數字示波器或其它高速模數採集設備。
4.根據權利要求I所述的寬頻阻抗測量系統，其特徵在於，所述寬頻阻抗測量系統還包括中央數據處理控制器，用於對交流信號發生器進行控制，以及根據所測出的四路電位 Ur+,Ur_,Ux+,Ux_信號計算出待測元件的阻抗；其中UpUp為參比元件兩端的電位，ux+、ux_為待測元件兩端的電位。
5.根據權利要求I所述的寬頻阻抗測量系統，其特徵在於，所述寬頻阻抗測量系統還包括數據輸出設備，用於輸出測量結果。
6.根據權利要求I所述的寬頻阻抗測量系統，其特徵在於，所述交流信號發生器為雙通道交流信號發生器，其中一個信號通道作為所述串聯迴路的信號源極，另一個信號通道作為所述串聯迴路的信號漏極。
7.一種基於權利要求I所述的寬頻阻抗測量系統的寬頻阻抗測量方法，其特徵在於， 包括下列步驟1)將待測元件安裝在待測元件屏蔽盒內；2)在不同的頻率下同步測量參比元件兩端的電位U-與以及待測元件兩端的電位ux+ 與 Ux-；3)根據同步測量得出的電位Ur+、Ur_、Ux+、Ux_，以及已知的參比元件阻抗ZMf、待測元件至參比元件電橋兩端與信號地之間的阻抗zbl、Zb2，計算出各頻率下待測元件的阻抗Zx ；7Ux+-Ux
8.根據權利要求7所述的寬頻阻抗測量方法，其特徵在於，所述步驟3)中，所述電橋兩端與信號地之間的阻抗Zbl、Zb2預先測出，測出電橋兩端與信號地之間的阻抗Zbl、Zb2的方法如下31)將已知標準元件安裝在待測元件屏蔽盒內；32)在不同的頻率下同步測量參比元件兩端的電位U#與以及已知標準元件兩端的電位Ux+與Ux_ ；33)根據同步測量得出的電位Ur+、Ur_、Ux+、Ux_,以及已知的參比元件阻抗ZMf、標準元件阻抗zMlib，計算出各頻率下電橋兩端與信號地之間的阻抗Zbl、Zb2 ；
全文摘要
本發明提供了一種寬頻阻抗測量系統，包括待測元件屏蔽盒和阻抗分析儀，所述阻抗分析儀包括交流信號發生器、參比元件和高速電壓測量設備，所述待測元件屏蔽盒的I+、I-接口通過屏蔽線與阻抗分析儀連接，使得交流信號發生器、參比元件和待測元件形成串聯迴路，高速電壓測量設備包括四個高速測量通道，分別連接待測元件屏蔽盒的U+、U-接口以及參比元件的兩端，其中U+、U-接口為待測元件屏蔽盒內的元件兩端電位的測量接口。本發明還提供了相應的寬頻阻抗測量方法。本發明測量誤差小；能夠在測量頻率較大及被測元件與參比元件的阻抗相差較大的情況下保持性能穩定；且本發明測量結果受環境、溫度等因素影響小。
文檔編號G01R27/02GK102608425SQ20121008137
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月26日 優先權日2012年3月26日
發明者沈保根, 邵曉萍, 陸俊 申請人:中國科學院物理研究所