电子测量技术第08章

1、第8章 阻抗测量第章阻 抗 测 量8.1概述概述8.2电桥法测量阻抗电桥法测量阻抗8.3谐振法测量阻抗谐振法测量阻抗8.4利用变换器测量阻抗利用变换器测量阻抗小结小结第8章 阻抗测量8.1概述概述8.1.1阻抗的定义及其表示方法阻抗的定义及其表示方法阻抗是描述网络和系统的一个重要参量。对于图8.1-1所示的无源单口网络，阻抗定义为IUZ(8.1-1)式中，和分别为端口电压和电流相量。 UI图8.1-1无源单口网络第8章 阻抗测量 当实际电路的尺寸远小于电路工作时电磁波的波长时，可以把元件的作用集总在一起，用一个或有限个R、L、C元件来加以描述，这样的电路叫做集总电路。 在集总参数系统中，电阻R

2、表明能量损耗的原件，而表明系统储存能量及其变化的参量是电感元件L和电容元件C。第8章 阻抗测量严格地分析这些元件内的电磁现象是非常复杂的，因而在一般情况下，往往把它们当作不变的常量来进行测量。 直接影响阻抗测量结果的因素：l测量环境：不同的温度和湿度将使阻抗表现为不同的值；l信号电压：过大的信号可能使阻抗元件表现为非线性；l工作频率：不同的工作频率下，阻抗表现出的性质会截然相反。第8章 阻抗测量一般情况下，阻抗为复数，它可用直角坐标和极坐标表示，即zeZXRIUZj|j(8.1-2)式中，R和X分别为阻抗的电阻分量和电抗分量，|Z|和z分别称为阻抗模和阻抗角。 阻抗两种坐标形式的转换关系为RX

3、XRZzarctan|22(8.1-3)第8章 阻抗测量和R=|Z| coszX=|Z| sinz (8.1-4)BGXRXXRRZYjj12222(8.1-5)导纳Y是阻抗Z的倒数，即Y=G+jB=|Y|ejj (8.1-7)式中，G和B分别为导纳Y的电导分量和电纳分量，|Y| 和 j 分别称为导纳模和导纳角。第8章 阻抗测量其中：2222XRXBXRRG(8.1-6)第8章 阻抗测量8.1.2电阻器、电感器和电容器的电路模型电阻器、电感器和电容器的电路模型实际的元件，都不可能是理想的，不管电阻器、电容器和电感器，存在着寄生电容、寄生电感和损耗。所以，实际的R、L、C元件都含有三个参量： 电

4、阻、电感和电容。 表8.1-1分别画出了电阻器、电感器和电容器在考虑各种因素时的等效模型和等效阻抗。其中，R0、R0、L0和C0均表示等效分布参量。一个实际的电阻器在高频情况下既要考虑其引线电感，同时又必须考虑其分布电容，故其模型如表8.1-1中的1-3所示。第8章 阻抗测量第8章 阻抗测量第8章 阻抗测量2000e200000222000022222000000ee1(j)jj1(1)jjj 1() j(1)()(1)() jRLCRLZL CC RRLCCLRLLRL CC RL CC RRX(8.1-8)对于实际电阻：第8章 阻抗测量式中，Re、Xe分别为等效阻抗的电阻分量和电抗分量。在

5、频率不太高时，即L0/R1，C0R 0时，电阻器呈电感性；l 当0时，电阻器呈电容性。也就是说，当工作频率很低时，电阻器的电阻分量起主要作用，其电抗分量小到可以忽略不计，此时Ze=R。随着工作频率的提高，就必须考虑电抗分量了。精确的测量表明，电阻器的等效电阻本身也是频率的函数，工作于交流情况下的电阻器由于集肤效应、涡流效应、绝缘损耗等使等效电阻随频率而变化。第8章 阻抗测量)k2001()1 ()k1()1 (31214 . 117 . 0132的电阻适用于电阻适用于小于RRRR(8.1-11)设R=和R分别为电阻器的直流和交流阻值，实验表明，可用如下经验公式足够准确地表示它们之间的关系：电阻

6、器的、等系数很小，且对某一具体电阻器来说，都是常数，采用以下求解方法：在几个不同的频率点上分别测出其阻值R，从而推导出这些系数和R=。第8章 阻抗测量 用品质因数Q来衡量电感器、电容器以及谐振电路的质量，其定义为一个周期内消耗的能量磁能或电能的最大值2Q第8章 阻抗测量对电感器电感器而言，若只考虑导线的损耗，则电感器的模型如表8.1-1中的2-2所示，其品质因数为0002222RLRfLTRILIQL(8.1-12)式中，I和T分别为正弦电流的有效值和周期。第8章 阻抗测量00020ej1j2RCLCLRZ(8.1-13)若电感器的Q值很高，则其损耗电阻R0很小，式(8.1-13)分母中的虚部

7、忽略，此时电感器的等效电感为02e1LCLL(8.1-14)在频率较高的情况下，还需要考虑分布电容，电感器的模型如表8.1-1中的2-3所示，其等效阻抗为第8章 阻抗测量式(8.1-14)表明，实际电感器的等效电感不仅与频率有关，而且与C0有关。在实际测量中，我们测得的是在某一频率f下的等效电感Le。对电容器电容器而言，若考虑如表8.1-1中的3-2 所示等效模型，其等效导纳为Ye=G0+jC，品质因数为000022e22CRGCGfCTGUCUQ(8.1-15)式中，U和T分别为电容器两端正弦电压的有效值和周期。第8章 阻抗测量对电容器，常用损耗角和损耗因数D来衡量其质量。把导纳Y画在复平面

8、上，图中画出了损耗角，其正切为CG0tan损耗因数定义为tan10CGQD(8.1-17)当损耗较小，即较小时，有QCGD10(8.1-18)第8章 阻抗测量当频率很高时，电容器采用如表8.1-1中的3-3所示的模型。其中，L0为引线电感， R0为引线和接头引入的损耗， R0为介质损耗及泄漏。忽略损耗电阻，其等效导纳为 1j1jj1j0200eCLCLCLCY(8.1-19)故其等效电容为 102eCLCC(8.1-20)由此可见，L0越大，频率越高，则Ce与C相差就越大。第8章 阻抗测量从上述讨论中可以看出，只是在某些特定条件下，电阻器、电感器和电容器才能看成理想元件。 一般情况下，它们都随

9、所加的电流、电压、频率、温度等因素而变化。因此，在测量阻抗时，必须使得测量条件尽可能与实际工作条件接近，否则，测得的结果将会有很大的误差，甚至是错误的结果。第8章 阻抗测量 测量阻抗参数最常用的方法有伏安法、电桥法电桥法和谐振法谐振法。 1. 伏安法 利用电压表和电流表分别测出元件的电压和电流值，从而计算出元件值。该方法需要把电阻器、电感器和电容器看成理想元件，一般用于频率较低的情况。用伏安法测量阻抗的线路有两种连接方式，如图8.1-3所示。第8章 阻抗测量图8.1-3伏安法测量阻抗测量误差：l图(a)所示的测量中，测得的电流包含了流过电压表的电流，它一般用于测量阻抗值较小的元件； l在图(b

10、)所示的测量中，测得的电压包含了电流表上的压降，它一般用于测量阻抗值较大的元件。第8章 阻抗测量IUR (8.1-21) 若被测元件为电感器，则由于L=U/I，有fIUL2(8.1-22) 若被测元件为电容器，则由于1/C=U/I，有fUIC2(8.1-23)在低频情况下： 若被测元件为电阻器，则其阻值为第8章 阻抗测量8.2电桥法测量阻抗电桥法测量阻抗电桥的组成：四个桥臂、一个激励源、一个零电位指示器组成。如图8.2-1所示。图中Z1、Z2、Z3和Z4为四个桥臂阻抗，Zs和Zg分别为激励源和指示器的内阻抗。频率较高时，常用交流放大器或示波器作为零电位指示器。第8章 阻抗测量8.2.1电桥平衡

11、条件电桥平衡条件在图8.2-1所示的电桥电路中，当指示器两端电压相量BD=0时，流过指示器的电流相量=0，此时电桥平衡。由图8.2-1可知，此时UIZ11=Z44Z22=Z33而且1=23=4IIIIIIII第8章 阻抗测量解得Z1Z3=Z2Z4 (8.2-1)即为电桥平衡条件： 一对相对桥臂阻抗的乘积必须等于另一对相对桥臂阻抗的乘积必须等于另一对相对桥臂阻抗的乘积。一对相对桥臂阻抗的乘积。若用指数型表示，则得|Z1|ej1 |Z3|ej3=|Z2|ej2 |Z4|ej4根据复数相等的定义，上式必须同时满足：|Z1| |Z3|=|Z2| |Z4| (8.2-2)1+3=2+4 (8.2-3)第

12、8章 阻抗测量 式(8.2-2)和式(8.2-3)表明，电桥平衡必须同时满足两个条件： 相对臂的阻抗模乘积必须相等(模平衡条件)，相对臂的阻抗角之和必须相等(相位平衡条件)。因此，在交流情况下，必须调节两个或两个以上的元件才能将电桥调节到平衡。同时，电桥四个臂的元件性质要适当选择才能满足平衡条件。第8章 阻抗测量为了调节方便，常有两个桥臂采用纯电阻。由式(8.2-1)可知：l若相邻两臂(如Z1和Z4)为纯电阻，则另外两臂的阻抗性质必须相同(即同为容性或感性) ；l若相对两臂(如Z2和Z4)采用纯电阻，则另外两臂必须一个是电感性阻抗，另一个是电容性阻抗。 若是直流电桥，则由于各桥臂均由纯电阻构成

13、，因此不需要考虑相位问题。第8章 阻抗测量8.2.2交流电桥的收敛性交流电桥的收敛性为使交流电桥满足平衡条件，至少要有两个可调元件。一般情况下，任意一个元件参数的变化会同时影响模平衡条件和相位平衡条件，因此，要使电桥趋于平衡，需反复调节。交流电桥的收敛性交流电桥的收敛性：就是指电桥能以较快的速度达到平衡的能力。 我们以图8.2-2所示的电桥为例说明此问题，其中，Z4为被测的电感元件。第8章 阻抗测量图8.2-2交流电桥电路第8章 阻抗测量为了方便，令N=Z2Z4Z1Z3(8.2-4)当N=0时，电桥达到平衡。N越小，表示电桥越接近平衡条件，指示器的读数就越小。因此，只要知道了N随被调元件参数的

14、变化规律，也就知道了指示器读数的变化规律。对于图8.2-2所示的线路，有N=R2(R4+jX4)R3(R1+jX1)=AB(8.2-5)式中：A=R2(R4+jX4)B=R3(R1+jX1) (8.2-6)第8章 阻抗测量 由于A和B均为复数，画在复平面上如图8.2-3(a)所示。若选择R1和L1为调节元件，则画在复平面上如图8.2-3(b)所示。 调节X1时，复数B的实部保持不变，复数B将沿直线ab移动。当移动到B1点时，由B1到A的距离最短，复数N最小，指示器的读数为最小。 然后调节R1，这时复数B1的虚部不变，复数B1将沿直线cd移动。当B1移动到A点时，复数N为零，电桥达到平衡。这样只

15、需两个步骤就能将电桥调节到平衡，电桥的收敛性好。第8章 阻抗测量图8.2-3第8章 阻抗测量如果选择R1和R2为调节元件，则画在复平面上如图8.2-3(c)所示。 当调节R2时，由式(8.2-6)可知，复数A的幅角不变，而它的模将发生变化，复数A将沿直线OM移动。 当调节R1时，复数B的虚部不变，它将沿直线BM移动。因此，需要反复调节R2和R1，使复数A和B分别沿着直线OM和BM移动到M点，如图(c)所示，这时N=0，电桥达到平衡。 由此可见，选择R1和R2作为调节元件时，收敛性较差。第8章 阻抗测量综上，正确地选择可调元件是十分重要的。实际上，如何选择可调元件应全面考虑，不能只考虑收敛性。

16、例如上述调节R1和R2时，虽然收敛性较差，但由于制造可调的精密电阻比制造可调的精密电感要容易，而且体积小、价格低廉，因此仍常常被采用。第8章 阻抗测量8.2.3电桥电路电桥电路阻抗测量中广泛应用的基本电桥形式如表8.2-1所示，表中给出了各种电桥的特点以及平衡条件。第8章 阻抗测量第8章 阻抗测量第8章 阻抗测量第8章 阻抗测量直流电桥用于精确地测量电阻的阻值。当电桥平衡时，有Rx= R4=KR4(8.2-7)式中：K=R2R3。通常，R2与R3的比值做成一比率臂； K称为比率臂的倍率； R4为标准电阻，称为标称臂。只要适当地选择倍率K和R4的阻值，就可以精确地测得Rx的阻值。通过与已知电容或

17、电感比较来测定未知电容或电感，称为比较电桥比较电桥，其特点是相邻两臂采用纯电阻。表8.2-1中的(2)和(3)为电容比较电桥，而(6)为电感比较电桥。32RR第8章 阻抗测量串联电容比较电桥如图8.2-4所示，设44433221j1j1CRZRZRZCRZxx根据电桥平衡条件，得第8章 阻抗测量4423j1j1CRRRCRxx(8.2-8)式(8.2-8)为复数方程，方程两边必须同时满足实部相等和虚部相等，即)( 423实部相等RRRRx)( 423虚部相等CRCRx(8.2-9)第8章 阻抗测量由式(8.2-9)解得432RRRRx423CRRCx(8.2-10)由式(8.2-10)可知，当

18、选择R4和C4为可调元件时，被测量的参数Rx和Cx的值可以分别由读数得到。第8章 阻抗测量图8.2-5所示的麦克斯威-文氏电桥可用于测量电感线圈。设3333j11CRZYZ1=Rx+jLx，Z2=R2，Z4=R4(8.2-11)电桥平衡方程可改写为Z1=Z2Z4Y3 (8.2-12)把式(8.2-11)代入式(8.2-12)，得第8章 阻抗测量3342j1)j(CRRRLRxx根据上式两边实部和虚部分别相等，解得432RRRRxLx=R2R4C3(8.2-13)第8章 阻抗测量由式(8.2-13)可知，当选择C3和R3作为可调元件时，被测参数Rx和Lx的值可分别通过读数得到。实际上C3是高精度

19、的标准电容，并且是不可调的。电桥的平衡是通过反复调节电阻R3和R4来实现的。第8章 阻抗测量该电桥仅适用于测量品质因数较低(1QC1，变电容时的谐振曲线如图8.3-3所示。类似于变频率法，可以推得：1202CCCQ(8.3-13)由式(8.3-13)可求得品质因数Q。这种测量Q值的方法称为变电容法。第8章 阻抗测量采用变频率法和变电容法测量Q值时，由于可以使用较高精度的外部仪器，而且在测量过程中，若保持输入信号幅度不变，则只需测量失谐电压与谐振时电压的比值，避免了精确测量电压绝对值的困难，因而大大提高了Q值的测量精度，特别是在高频情况下，可以大大减少分布参数对测量的影响。第8章 阻抗测量8.3

20、.2Q表的原理表的原理Q表是基于LC串联回路谐振特性的测量仪器，其基本原理电路如图8.3-4所示。由图8.3-4可知，Q表由三部分组成： 高频信号源、LC测量回路和指示器。信号源内阻抗Zs=Rs+jXs的存在将直接影响Q表的测量精度。为了减少信号源内阻抗对测量的影响，常采用三种方式将信号源接入谐振回路： 电阻耦合法、电感耦合法和电容耦合法。由于电容耦合法中的耦合电容成为串联谐振电路中的一部分，因此，可变电容C与被测电感的关系已不是简单的串联谐振关系，这会造成可变电容C的刻度读数较复杂。第8章 阻抗测量图8.3-4Q表的原理第8章 阻抗测量采用电阻耦合法的Q表的原理图如图8.3-5所示。信号源经

21、过一个串联大阻抗Z接到一个小电阻RH上。RH的大小一般为(0.020.2)，常称为插入电阻。一般利用热偶式高频电流表的热电偶的加热丝作为RH。当高频电流通过RH使热丝加热时，便在热电偶中产生一个直流热电动势。由于RH的值远远小于回路阻抗的值及Z的值，因此，在调谐过程中RH两端电压Ui基本上保持不变。由式(8.3-6)可知：第8章 阻抗测量iC0UUQ (8.3-14)若保持回路的输入电压Ui大小不变，则接在电容C两端的电压表就可以直接用Q表值来标度。若使Ui减少一半，则由式(8.3-14)可知，同样大小的UC0所对应的Q值比原来增加一倍，故接在输入端的电压表可用作Q值的倍乘指示。实际的Q表，电

22、压Ui和UC的测量是通过一个转换开关用同一表头来完成的，如图8.3-4所示。第8章 阻抗测量图8.3-5采用电阻耦合法的Q表的原理图第8章 阻抗测量电感耦合法的Q表原理图如图8.3-6所示。由图可知，电感L1和L2构成一分压器。在已知分压比的情况下，由电压表V1的读数可知道电感L2两端的电压Ui，因此电压表V1同样起着Q值倍乘的作用。L2的电感量很小，大约为(10-1010-3)H，其引入测量回路中的电阻比电阻耦合法引入的电阻要小得多，因而回路中引入电阻造成的Q值测量误差将小得多，提高了Q值的测量精度。通常电感耦合法的Q表适用于超高频频段。第8章 阻抗测量图8.3-6电感耦合法的Q表原理图第8

23、章 阻抗测量8.3.3元件参数的测量元件参数的测量利用Q表测量元件参数的简单方法是将被测元件直接跨接到测试接线端，称为直接测量法。图8.3-5和图8.3-6也是直接测试电感线圈的原理图。通过调节信号源的频率或调节回路的可变电容使回路发生谐振，由电容器两端的电压表可直接读出Q值，然后乘上倍乘值即可得到电感线圈的Q值。第8章 阻抗测量由Q表中测量回路本身的寄生参量及其他不完善性对测量结果所产生的影响，称为残余效应，由此而导致的测量误差称为残差。由于直接测量法不仅存在系统测量误差，还存在残差的影响，因此一般采用比较法进行测量。该法可以较为有效地消除系统测量误差和残差的影响。比较法又分为串联比较法和并

24、联比较法，前者适用于低阻抗的测量，后者适用于高阻抗的测量。第8章 阻抗测量当电感线圈的电感量较小或电容器的电容量很大时，属于低阻抗测量，需要采用图8.3-7 所示的串联比较法测量元件参数。图8.3-7中，LK为已知的辅助线圈； RK为其损耗电阻； ZM=RM+jXM，为被测元件阻抗。由于电阻RH很小，因此在讨论中忽略其影响。首先用一短路线将被测元件ZM短路，调节电容C，使回路谐振。设此时的电容量为C1，被测得的品质因数为Q1。根据谐振时回路特性，得：第8章 阻抗测量1KC1LK1 CLXX或(8.3-15)11K1KKK11 1CQRCRRLQ或(8.3-16)然后断开短路线，被测元件ZM被接

25、入回路。保持频率不变，调节电容器C，使回路再次谐振。设此时的电容量为C2，品质因数为Q2，回路中的电抗满足：XLK+XM=XC2 (8.3-17)第8章 阻抗测量8.4利用变换器测量阻抗利用变换器测量阻抗电子测量技术的发展要求对阻抗的测量既精确又快速，并实现自动测量和数字显示。 根据阻抗的基本定义和特性，我们还可利用变换器将被测元件的参数变换成与其大小成正比的电压值，然后根据电压值读出被测元件的参数。第8章 阻抗测量图8.4-1 应用变换器测阻抗的原理电路测量原理测量原理：设一被测阻抗Zx与一标准电阻Rb相串联，图中电流、电压均用相量表示。由于第8章 阻抗测量21bb211/jUURRUUIU

26、XRZxxx(8.4-1)因此bb21jRXRRUUxx(8.4-2)由上式可知，若能测得电压相量和的比值，则可以求得Rx和Xx。1U2U第8章 阻抗测量8.4.1电阻电阻-电压变换器法电压变换器法将被测电阻变换成电压，并由电压的测量确定Rx值，其线路如图8.4-2所示。图中，运算放大器为理想器件（放大倍数A，输入阻抗Ri，输出阻抗Ro=0，且输入端虚短路(U=U+)和虚断路(Ii=0) ）第8章 阻抗测量对图8.4-2(a)所示的电路而言，由于虚短路，运放的输出电压Uo即为电阻Rb上的电压，因此sbboURRRUx解得：bbosRRUURx可知，若Rb和Us一定，Rx可通过测量相应的电压Uo

27、而求得。第8章 阻抗测量对于图8.4-2(b)所示的电路，由于Ib=Ix，U=U+，因此得xRURUobs解得：bsoRUURx同样，当Us和Rb一定时，Rx可以通过测量相应的电压Uo求得。第8章 阻抗测量总结，对于上述两个电路： 图8.4-2(a)所示的电路适于测量阻值较低的电阻， 图8.4-2(b)所示的电路适于测量阻值较高的电阻。 输出电压Uo经A/D变换之后，接一个数字电压表就能以数字形式显示测量的结果。第8章 阻抗测量8.4.2阻抗阻抗-电压变换器法电压变换器法 采用鉴相原理的阻抗电压变换器的原理如课本图8.4-3所示。激励源为正弦信号，被测阻抗Zx=Rx+jXx。电流、电压均用相量

28、表示。变换器的输出电压相量即被测阻抗Zx两端的电压，故1UsxxxxUXRRXRUjjb1(8.4-5)第8章 阻抗测量若Rb|Rx+jXx|则式(8.4-5)的分母进行简化，近似为1i1rsbsb1jUUURXURRUxx(8.4-6)其中：sbr1URRUx(8.4-7)sbi 1jURXUx(8.4-8)第8章 阻抗测量若能将电压相量中的分量和分量分离出来，则由式(8.4-7)可得：1Ur1Ui 1Ubs1rRUURx(8.4-9) 若被测元件为电感，则由式(8.4-8)得：bs1iRUULx(8.4-10) 若被测元件为电容，则由式(8.4-8)得：1ibsURUCx(8.4-11)第

29、8章 阻抗测量因此，我们利用鉴相原理将电压u1的实部和虚部分离开。图8.4-3中的鉴相器包含乘法器乘法器和低通滤波器低通滤波器。设us为参考电压， us=Us costu1的实部电压u1r和虚部电压u1i分别为u1r=U1r cost2cos1i1itUu于是，2coscos11111t Ut Uuuuirir第8章 阻抗测量鉴相器1中的乘法器其两个输入端分别输入电压u1和us，乘法器的输出为u1 us=U1rUs cos2t+U1iUs cost cos2t22cos212cos2121s1is1rs1rtUUtUUUU(8.4-12)乘法器输出信号中的直流分量正比于u1的实部，我们滤除正弦

30、信号，使鉴相器1的输出能够正比于U1r。第8章 阻抗测量鉴相器2的两个输入端分别输入u1和us移相/2的信号us，乘法器的输出为2cos2coscos s1i1rs1tUtUtUuu2cos2coscos2s1is1rtUUttUUtUUUUtUU2cos212122cos21s1is1is1r同理，上述信号经低通滤波后，使鉴相器2的输出正比于U1i 。第8章 阻抗测量小结小结(1) 由于电阻器、电感器和电容器都随所加的电流、电压、频率、温度等因素而变化，因此在不同条件下，其电路模型是不同的。在测量阻抗时，必须使得测量的条件和环境尽可能与实际工作条件接近，否则，测得的结果将会造成很大的误差。(

31、2) 交流电桥平衡必须同时满足两个条件： 模平衡条件和相位平衡条件。 因此交流电桥必须同时调节两个或两个以上的元件，才能将电桥调节到平衡。同时，为了使电桥有好的收敛性，必须恰当地选择可调元件。第8章 阻抗测量 (3) 利用电桥测量阻抗时，必须根据实际情况(如元件参数的大小、损耗、频率等)恰当地选择电桥，以便保证测量精度。(4) 利用LC回路的谐振特性进行阻抗测量的方法有电压比较法、变频率法和变电容法。(5) 利用变换器测量阻抗的原理是： 将被测元件的参数变换成相应的电压，然后经A/D 变换后，进行数字化显示。第8章 阻抗测量习题习题88.1某直流电桥测量电阻Rx，当电桥平衡时，三个桥臂电阻分别为R1=100 ，R2=50 ，R3=25 。电阻Rx等于多