电子测量与仪器PPT教学课件-第5章 阻抗测量.ppt

第五章 阻抗测量,5.1 概 述 5.2 电阻的测量 5.3 电感、电容的测量,5.1 概 述,一、阻抗定义及其表示方法,式中r和x分别为阻抗的电阻分量和电抗分量， 和 。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,和,导纳y是阻抗z的倒数，即,其中,分别为导纳y的电导分量和电纳分量。导纳的极坐标形式为,式中 和 分别称为导纳模和导纳角。,二、电阻器、电感器和电容器的基本特性 一个实际的元件，如电阻器、电容器和电感器，都不可能是理想的，存在着寄生电容、寄生电感和损耗。也就是说，一个实际的r、l、c元件都含有三个参量：电阻、电感和电容。表511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,将电感线圈接于直流电源并达到稳态时，则可视为电阻。如接于频率不高的交流电源时，则可视为理想电感l和损耗电阻rl的串联；当频率继续增高时，仍可将其视为l和rl的串联，但因cf的作用，等效的rl和l将随频率而变；当频率很高时，cf的作用显著，可视为电感和电容的并联。,1电感线圈,固有角频率,当,时，ldx为正值，这时电感线圈呈感抗；,当ff0l时，ldx为负值，这时呈容抗； 当f = f0l (严格地说，f f0l)时，ldx=0，这时为一纯电阻,由于cf及rl均很小，故为高阻。,当ff0l时，由式(5.4)可知，rdx及ldx均随频率的增高而增高。,2电容器,a)电容器的等效电路 b)低频等效电路 c)高频等效电路 图5.3 电容器的等效电路,介质损耗电阻rj 由引线、接头、高频趋肤效应等产生的损耗电阻r 电流作用下因磁通引起的电感l0。,当频率较低时，r和l0的影响可以忽略，电容器的等效电路可以简化为如图53(b)所示的电路，当频率很高时，rj的影响比r的影响小得多，l0的影响不可忽略，这时的等效电路如图5.3(c)所示，相当于一个lc串联谐振电路。,如令,为固有谐振频率，,当ff0c时，电容器呈感抗。,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，故其模型如图所示。其等效阻抗为,3电阻器,令,为其固有谐振频率,当ff0r时，等效电路呈容性。,表5.11,通常用品质因数q来衡量电感器、电容器以及谐振电路的质量，其定义为,对电感器而言，若只考虑导线的损耗，电感器的模型如表5.11中的22所示，其品质因数,4q值,式中i和t分别为正弦电流的有效值和周期。,对电容器而言，若仅考虑介质损耗及泄漏等因数，其等效模型如表5.1l中的32所示。其等效导纳为 ，品质因数为,上式中的u和t分别为电容器两端正弦电压的有效值和周期。 在实际应用中，常用损耗角 和损耗因数d来衡量 其质量。,损耗因数定义为,把导纳y画在复平面上，如图5-5所示，图中 画出了损耗角 ，其正切为,a)并联等效电路 b)串联等效电路 c)图a)所示电路的矢量图 d) 图b )所示电路的矢量图 图5.5 有损耗电容器的等效电路及矢量图,对于无损耗理想电容器，,而有损耗时则q 90。损耗角d=90- q，电容器的损耗越大，则d也越大，其值由介质的特性所决定。一般d l，故tandd。,的相位差为q=90,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。,三、阻抗的测量特点和方法,1保证测量条件与工作条件尽量一致,2了解r、l、c的自身特性,过强的信号可能使阻抗元件表现出非线性，不同的温湿度会使阻抗表现出不同的值，尤其是在不同频率下，阻抗的变化可能很大，甚至其性能完全相反(例如，当频率高于电感线圈的固有谐振频率时，阻抗变为容性)。因此，测量时所加的电流、电压、频率、环境条件等必须尽可能地接近被测元件的实际工作条件，否则，测量结果很可能无多大价值。,在选用r、l、c元件时，就要了解各种类型元件的自身特性。例如，线绕电阻只能用于低频状态，电解电容的引线电感较大，铁心电感要防止大电流引起的饱和。因此在测量时，要注意到各种类型元件的自身特性，选择合适的测量方法和仪器。,阻抗的测量方法众多，但常用的基本方法有4种，即伏安法、电桥法、谐振法(q表法)和现代数字化仪器法。,在直流或低频时使用的元件，用伏安法最简单，但准确度稍差；在音频范围内时，选用电桥法准确度较高；在高频范同内通常利用揩振法，这种方法准确度并不高，但比较接近元件的实际使用条件，故测量值比较符合实际情况。,52 电阻的测量,一、伏安法,a)第一种方案 b) 第二种方案 图5.6 伏安法测量直流电阻,二、三用表中的电阻档,1模拟式指针三用表中的欧姆挡,当rx=rt时，i=im/2，指针将处于表盘中央。故将rt称为中值电阻，可以证明这时是测量误差最小的情况,调零,极性,量程,2数字多用表中的电阻挡,表 图5.9中各量程电流，电压值,3微小电阻值的测量,4高值电阻的测量,由于高值电阻rx很大，进行实际测量时要求： 缓冲放大器必须有极高的输入阻抗。仪器的直流输入缓冲器采用级联型场效应对管作为高输入阻抗级。 电路绝缘良好。为减少缓冲放大器、印制电路板等泄漏，对印制板材料、工艺、防潮等方面要采取措施。 采用误差修正技术，修正原理如图5.11(b)所示。其方法是 v1导通，dvm对ur进行测量。 v2导通，对rr和z(等效泄漏电阻)的分压影响进行测量。 s吸合，rx接入分压电路后进行测量。最后通过计算，消去分压误差,三、电桥法,zx z4= z2 z3,53 电感、电容的测量,a 电桥法组成原理,1 电桥法,b 电桥法测电容,c 电桥法测电感,2 谐振法(q表),回路总阻抗为零,测量回路与振荡源之间采用弱耦合,a谐振法测电感,测量小电感量的电感时，用串联替代法,测量较大的电感常采用并联替代法,b. 谐振法测量电容,1）直接法测电容,直接法测量电容的误差包含： 分布电容(线圈和接线分布电容)引起的误差； 当频率过高时，引线电感引起的误差； 当回路q值较低时，谐振曲线很平坦，不容易准确找出谐振点(电压表指示值最大)，产生的误差。,2）替代法测电容,cx= c1-c2。,用替代法测电容，可以消除由于分布电容引起的测量误差,并联替代法测小电容,串联接法测大电容,3q表的工作原理,3 数字化方法,1便携式数字万用表中的l、c测量,t =rc,t =l/r,振荡周期t=0.011s,脉冲占空比q1100,2台式数字万用表中的l、c测量,1)电感电压(lu)变换器,设标准正弦信号为ur=ursinwt,(1) rx的测量,(2) lx的测量,(3)q值的测量,u2n1=u1n2,2)电容-电压(c-u)变换器,设标准正弦信号为ur=ursinwt,3智能化lcr测量仪,自由轴