LCR阻抗測量儀校準(zhǔn)初探 - 全文

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　　0 引言

　　在目前的生產(chǎn)制造業(yè)中，與傳統(tǒng)的手動(dòng)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(jìn)行反復(fù)的、復(fù)雜的手動(dòng)平衡，還可以減少測量誤差和結(jié)果計(jì)算，故已被越來越多地被應(yīng)用于交流阻抗參數(shù)的測量。要保證LCR阻抗測量儀測量準(zhǔn)確度，對(duì)其性能的考核就顯得尤為重要。本文對(duì)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(zhǔn)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(jì)量儀器，主要應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在1kHz下溯源于電容基準(zhǔn)。它采用自動(dòng)平衡等電流條件下測量被測元件與內(nèi)附標(biāo)準(zhǔn)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(lì)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(shí)際工作中，測量標(biāo)準(zhǔn)和被測量是用同一線路，而且相隔時(shí)間很短(大約僅為0.01s)，測量線路幾乎沒有什么變化。標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)顯示L、Q、C、D值，克服了傳統(tǒng)的手動(dòng)交流電橋繁瑣的平衡及困難的計(jì)算。

　　此外，由于LCR阻抗測量儀可以方便地進(jìn)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(dòng)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(zhǔn)

　　2.1電容參量的校準(zhǔn)

　　選擇比被校LCR阻抗測量儀高二個(gè)等級(jí)(或高二個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗測量儀和過渡量具)的標(biāo)準(zhǔn)電容器作為被測，主要考核電容示值的基本誤差。但標(biāo)準(zhǔn)電容器性能較為復(fù)雜，在音頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性最好的電容器應(yīng)選擇石英電容器和三端鈕空氣電容器，其值可以準(zhǔn)確的計(jì)算出來。在精密測量中，一般選擇三端鈕電容器作為標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，讓標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行，屏蔽消除了寄生泄漏的影響，準(zhǔn)確度較高，如果排除其他干擾，可以選擇10pF-1uF的容量作為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)一定要注意測量頻率，如果測量頻率高于音頻范圍時(shí)，測量結(jié)果將會(huì)發(fā)生很大的變化，這時(shí)必須作頻率影響修正。如果選擇云母電容器作為考核標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)較小但損耗較差，因此只能考核準(zhǔn)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(shí)際值。

　　2.2電阻參量的校準(zhǔn)

　　采用比被校LCR阻抗測量儀高二個(gè)等級(jí)(或高二個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗測量儀和過渡量具)的精密交流電阻作標(biāo)準(zhǔn)，主要考核被校LCR阻抗測量儀測量電阻的性能，考核時(shí)必須注意了解所用的標(biāo)準(zhǔn)電阻的穩(wěn)定性。儀器顯示值與實(shí)際值的偏差應(yīng)滿足被校LCR阻抗測量儀測量電阻的指標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)電阻作標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)LCR阻抗測量儀的不同量程考核時(shí)要注意標(biāo)準(zhǔn)電阻的測量狀態(tài)。ZX<100Ω時(shí)，連接導(dǎo)線兩端鈕之間的并聯(lián)路電容影響可忽略不計(jì)，被測儀器一般采用串聯(lián)電路;測量高電阻(Zx>1kΩ)時(shí)，被測儀器采用并聯(lián)電路，連接導(dǎo)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(shí)間常數(shù)與周圍的電磁場有關(guān)，變化的電磁能會(huì)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(yīng)帶屏蔽，測量需要按三端鈕接線進(jìn)行?？己穗姌蛐‰娮枇砍虝r(shí)，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(dǎo)納的影響。

　　電阻器測量時(shí)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(shí)際值。

　　3 電感參量的校準(zhǔn)

　　校準(zhǔn)LCR阻抗測量儀測量電感的范圍和準(zhǔn)確度方法同考核C、R一樣，但由于附加效應(yīng)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(gè)通電線圈周圍的電場強(qiáng)度可以確定，但其周圍的電場強(qiáng)度是非線性的，尤其是磁性材料對(duì)不同的電壓幅度和不同頻率非線性響應(yīng)比較大，這些因素造成了電感測量的復(fù)雜性，選用的標(biāo)準(zhǔn)電感必須有頻響的測量數(shù)據(jù)，LCR阻抗測量儀應(yīng)給出被測電感的等值電路，現(xiàn)代的自動(dòng)電橋用雙T網(wǎng)絡(luò)原理，選用元件匹配，能滿足較寬的頻率范圍測量電感。

　　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(shí)，要注意所選用的標(biāo)準(zhǔn)電感本身的諧振頻率，在這個(gè)頻率下電感測量準(zhǔn)確度最高。例如，一個(gè)高頻電感在100MHz下測量時(shí)，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(shí)的電感變成lkHz下的感性電阻了。

　　沙利文的標(biāo)準(zhǔn)電感(100uH—lH)在IkHz下可作為0.01%的標(biāo)準(zhǔn)電感考核LCR阻抗測量儀，而在10kHz下準(zhǔn)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(shí)要采用四端測量法，為了得到準(zhǔn)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?yàn)闀?huì)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(yīng)該帶屏蔽，連接導(dǎo)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(yīng)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(shí)際值。

　　4 電容損耗因數(shù)的校準(zhǔn)

　　損耗因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)步進(jìn)式多盤損耗箱或1、2、5、8跳躍步進(jìn)式損耗箱。電容量值為100pF～1uF的單值標(biāo)準(zhǔn)電容器。電容損耗因數(shù)的校準(zhǔn)一般校準(zhǔn)范圍為(10-4～1)。

　　5 頻率特性考核。

　　交流阻抗測量的準(zhǔn)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(yīng)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(jì)直接測量LCR阻抗測量儀的各個(gè)頻率，看其是否滿足其頻率指標(biāo)，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(jì)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(yīng)小于儀器對(duì)頻率的指標(biāo)要求。

　　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(dǎo)體電容都是非線性元件，在測量時(shí)電壓不能太小，在整個(gè)測量過程中交流信號(hào)在測量引線中引起的噪聲會(huì)增加失真度，另外被測阻抗的非線性也會(huì)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(shí)必須注明測量時(shí)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(yīng)滿足電橋測量電壓指標(biāo)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(yīng)滿足電壓指標(biāo)要求。

　　總之，一臺(tái)LCR阻抗測量儀的校準(zhǔn)，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(zhǔn)其測量L、C、R性能時(shí)，要注意測量頻率和聯(lián)接方式。當(dāng)一臺(tái)LCR阻抗測量儀既可以進(jìn)行三端測量又可以進(jìn)行四端測量時(shí)，為了得到比較準(zhǔn)確的測量結(jié)果，選擇測量聯(lián)結(jié)方式按以下原則進(jìn)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(dǎo)線的串聯(lián)電阻影響，應(yīng)在四端測量上加上屏蔽接地，即采用五端測量法。