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1、2.3 阻抗的测量 电阻R、电感L和电容C是电路的3种基本元 件，在测量技术中，许多传感器如电阻式、电感 式和电容式传感器是将被测量转换为电阻、电感 和电容输出的。本节研究R、L、C元件的阻抗及 这三种元件参数的测量方法。,1,元器件参数测试,2.3.1 概述 1. 阻抗定义 阻抗是描述一个元、器件或电路网络中电压、电流关系的特征参量，其定义为： (2-50) 理想的电阻只有电阻分量，没有电抗分量；而理想电感和理想电容则只有电抗分量。电感电抗和电容电抗分别简称为感抗XL和容抗XC，表示为： (2-51),2,元器件参数测试,2. 电阻、电感和电容的等效电路 实际的电阻、电感和电容元件，不可能是
2、理想的，存在着寄生电容、寄生电感和损耗。下图是考虑了各种因素后，实际电阻R、电感L、电容C元件的等效电路： 图2-17 电阻R、电感L、电容C元件的等效电路,3,元器件参数测试,2.3.2 直流电阻测量 从测量角度出发将电阻分为 小电阻-如接触电阻、导线电阻等 中值电阻 大电阻，如绝缘材料电阻。 电阻的测量方法很多，按原理可分为： 1.直接测量法2.比较测量法3.间接测量法 也可分为 电表法 电桥法 谐振法 利用变换器测量电阻等方法。,4,元器件参数测试,1. 电表法 电表法测量电阻的原理建立在欧姆定律之上，有如下三种方法 伏特-安培表法(简称伏-安法) 欧姆表法 三表法,5,元器件参数测试,
3、2. 电桥法 测量直流电阻最常用的是电桥法。电桥分为直流电桥和交流电桥两大类，直流电桥主要用于测量电阻。 直流电桥由四个桥臂、检流计和电源组成，其原理电路如图2-21所示。,6,元器件参数测试,直流电阻电桥,7,元器件参数测试,3. 直流小电阻的测量 测量小电阻时，因为被测电阻本身阻值很小，在接入仪表时的接线电阻、接触电阻不可忽略，必须采取措施减少或消除这些因素对测量结果的影响。 (1) 直流双电桥 (2) 数字微欧计 (3) 脉冲电流测量法,8,元器件参数测试,4. 直流大电阻的测量 常用的大电阻测量方法有冲击电流计法、高阻电桥法，兆欧表法等。大阻值电阻测量时要注意防护(安全防护和测量防护)
4、。 (1)冲击电流计法 冲击电流计法测量原理如图2-23所示。图中Rx为被测电阻。当开关S倒向“1”时，电容C被充电t秒，其上的电压和电荷量分别为： (2-63),9,元器件参数测试,图2-23 冲击法测量大电阻原理,10,元器件参数测试,取Qc的级数展开式的前两项，故有： (2-64) 由此得 (2-65) t秒后，开关S由“1”倒向“2”，冲击电流计测出Qc为： (2-66) 式中CQ为冲击电流计的冲击常数，为电流计的最大偏转角。于是有： (2-67),11,元器件参数测试,(2) 高阻电桥法 高阻电桥法利用如图2-24所示的六臂电桥，通过电路变换并结合四臂电桥的基本平衡条件就可推得关系式
5、为： (2-68) 高阻电桥测量范围为 。被测电阻值小于 时，测量误差为0.03，被测电阻值为 时误差为0.1。这种电桥的供电电压在501000V范围。,12,元器件参数测试,图2-24 高阻电桥测量原理,13,元器件参数测试,2.3.3 交流阻抗及L、C的测量 如2.3.1节中分析，在交流条件下，R、L、C元件必须考虑损耗、引线电阻、分布电感和分布电容的影响，R、L、C元件的实际阻抗随环境以及工作频率的变化而变。测量交流阻抗和L、C参数的方法有传统的交流电桥，也可以用变量器电桥和数字式阻抗测量仪等仪器来测量。,14,元器件参数测试,1. 交流阻抗电桥 图2-25是交流阻抗电桥原理图。由4个桥
6、臂阻抗Z1、Z2、Z3和Z4，1个激励源U和1个零电位指示器G组成。,图2-25 交流四臂电桥,15,元器件参数测试,电桥平衡条件 调节各桥臂参数，使零电位指示器读数IG=0， 则电桥处于平衡，可得： (2-69) 设Z1为被测阻抗Zx，则电桥平衡后Zx可从其 他三个桥臂阻抗求得。 根据复数相等的定义，上式必须同时满足 ： (2-70),16,元器件参数测试,因此，在交流情况下，电桥四个桥臂阻抗的大小和性质必须按一定条件配置，否则可能不能实现电桥平衡。 交流电桥至少应有两个可调节的标准元件，通常是用一个可变电阻和一个可变电抗，大多采用标准电容器作为标准电抗器。需反复调节可调标准元件，以使(2-
7、70)式成立，调节交流电桥平衡要比调节直流电桥平衡麻烦得多。,17,元器件参数测试,(2)电桥电路及元件参数的测量 交流阻抗电桥有多种配置形式，各有特点和适用范围。此处仅以串联电容电桥为例说明。 图2-25中，若Z1和Z2为串联电容，Z3和Z4为纯电阻，则构成串联电容电桥或称维恩电桥。根据电桥平衡条件得： 上式两边必须同时满足实部相等和虚部相等条件，因此可以解得： (2-71),18,元器件参数测试,2. 变量器电桥 交流四臂电桥适用于在低频时测量交流电阻、电感、电容等，且使用不太方便。变量器电桥可用于高频时的阻抗测量。变量器电桥有变压式、变流式和双边式三种结构，双边式是前两种结构形式的组合。
8、,图2-26 双边式变量器电桥,19,元器件参数测试,3. 数字式阻抗测量仪 传统的阻抗测量仪是模拟式的。主要采用电桥法、谐振法和伏安法进行测量，缺点较多。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。近年来，由于高性能微处理器的使用使得现在的阻抗测量仪向数字化、智能化方向发展。,20,元器件参数测试,图2-27 阻抗测量原理,矢量阻抗测量原理 目前带有微处理器的数字式阻抗测量仪多采 用矢量阻抗测量法，根据被测阻抗元件两端的电压 矢量和流过它的电流矢量计算出其矢量值。,21,元器件参数测试,如图2-27(a)所示，若已知被测阻抗的端电压和流过被测阻抗的电流矢量，则可精
9、确求得被测阻抗： (2-75) 若在图2-27(a)中，将被测阻抗Zx与一标准阻抗Zb串联，如图2-27(b)所示，则可得： (2-76) 可见，这样就将对阻抗Zx的测量变成了测量两个矢量电压的比。,22,元器件参数测试,被测阻抗Zx两端电压x与标准阻抗Zb两端电压b的矢量关系如图2-28所示。图中， (2-77) 若(2-76)式中Zb用标准电阻Rb代替，则 (2-78),23,元器件参数测试,图2-28 矢量关系图,可见，只要知道两个电压矢量在直角坐标轴上的投影，则经过标量运算，就可求出被测阻抗Zx。,24,元器件参数测试,(2) 数字式阻抗测量仪组成 组成数字式阻抗测量仪有多种方案，图2-29是采用鉴相原理的阻抗-电压变换器，用它与数字电压表结合，可以实现对阻抗的数字化测量。 图2-29 阻抗电压变换器,25,元器件参数测试,HP4274A自动阻抗测量仪,26,元器件参数测试,27,元器件参数测试,28,元器件参数测试,