LCR阻抗測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)初探

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(cè)量?jī)x因其測(cè)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(cè)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(cè)量。要保證LCR阻抗測(cè)量?jī)x測(cè)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(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x為多測(cè)量功能、寬頻率、寬測(cè)量范圍的數(shù)字計(jì)量?jī)x器，主要應(yīng)用于測(cè)量電感器、電容器、電阻器和損耗、Q值等主副參量的測(cè)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(cè)量被測(cè)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(cè)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(cè)器、數(shù)字控制和顯示電路幾部分組成。

　　在實(shí)際工作中，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和被測(cè)量是用同一線路，而且相隔時(shí)間很短(大約僅為0.01s)，測(cè)量線路幾乎沒有什么變化。標(biāo)準(zhǔn)的比例，被測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x可以方便地進(jìn)行三端或四端測(cè)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(cè)端沒有屏蔽的接線端的影響，這些影響可以通過LCR測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x高二個(gè)等級(jí)(或高二個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗測(cè)量?jī)x和過渡量具)的標(biāo)準(zhǔn)電容器作為被測(cè)，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(cè)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(cè)量時(shí)，讓標(biāo)準(zhǔn)電容器和被測(cè)電容器流過相同的電流。由于三端鈕電容器的測(cè)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(cè)量頻率，如果測(cè)量頻率高于音頻范圍時(shí)，測(cè)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(cè)量?jī)x。三端鈕電容器采用兩次測(cè)量法：首先將電容器接入LCR阻抗測(cè)量?jī)x測(cè)量，然后斷開高電位端測(cè)量開路電容量，兩次測(cè)量值的增量即為被測(cè)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(cè)量?jī)x高二個(gè)等級(jí)(或高二個(gè)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x測(cè)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(cè)量?jī)x測(cè)量電阻的指標(biāo)。此外，交流電阻的測(cè)量可采用二端鈕、三端鈕、四端鈕、五端鈕接線法，具體的測(cè)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(cè)量?jī)x的不同量程考核時(shí)要注意標(biāo)準(zhǔn)電阻的測(cè)量狀態(tài)。ZX100Ω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(cè)儀器一般采用串聯(lián)電路;測(cè)量高電阻(Zx>1kΩ)時(shí)，被測(cè)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(chǎng)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(cè)量需要按三端鈕接線進(jìn)行。考核電橋小電阻量程時(shí)，要注意串聯(lián)電感影響測(cè)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。