一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路，该解调电路分离了串联LR的电阻部分和电感部分，可以精确测量出串联LR的电感和电阻分量的微小变化。本发明所述的解调电路主要由特定参数设计的交流电桥、正弦波电压信号源（4）、前置差动放大器（10）、两路正交的锁定放大器（13）组成。本发明电路可采用简单的电压源信号作激励，结构简单，测量分辨率高，可靠性高。本发明在精确测量感性元件的电感（和电阻）变化的场合具有重要的应用价值，比如电感式传感器的信号解调电路，感性元件的电感值和电阻值得温度系数标定等。利用本发明对电涡流传感器探头的电感微小变化量进行测量，其分辨率可达1ppm。
【专利说明】—种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及复阻抗的分离和测量电路，尤其涉及一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路，其可以精密地分离出感性元件的电感部分和电阻部分的微小变化量。
【背景技术】
[0002]电感性元件都不可能是一个纯粹的电感，至少包含一个与电感串联的电阻，不能简单的分离出来。某一个频率下的感性元件都可以等效成一个电感L和一个电阻R串联的模型。通用的阻抗仪可以测量其在特定频率下的等效参数，从而获得感性元件的等效参数模型。如要精密测量感性元件的电感部分或者电阻部分的微小变化量，目前的阻抗仪以及大部分阻抗测量仪器或者电路都难于满足要求。
[0003]精确测量感性元件的参数的微小变化量在一些电感式传感器的信号解调电路中和感性元件的温度系数标定中是非常重要的。比如电涡流传感器的信号解调电路就需要精确测量出电感的变化，从而获得被测量的信息。因为通常的涡流传感器探测线圈的电感温度系数很小，但电阻部分的温度系数很大，如果能精确分离出电感部分的变化量，获得的被测量的信息的温度系数就小多了。再者，对一些特别精密的感性元件或者传感器用的探测线圈等，需要精确标定其温度系数，那么也需要精确的分离测量出电阻和电感的微小变化量，才能获得其等效参数与温度的关系，为传感器或者精密元件的设计使用提供支持。
[0004]精密测量感性元件的电感微小变化或者电阻微小变化很重要，然而却不容易实现。目前的方法大多是采用下面两大类:一类是基于自动平衡电桥，分辨率不高，在高频参数测量时，对自平衡电桥电路的要求非常高，不容易实现，而且分辨率也不高；另外一类是采用电流源激励的电桥和锁定放大器组成，分辨率比较高，然而激励感性元件的高频电流源并不容易实现，复杂昂贵，而且电流稳定度不高，会直接导致测量结果不可靠。
[0005]本发明通过对设计特定参数的电桥，可以直接采用电压源作激励，利用正交的锁定放大器，直接测得电感和电阻的微小变化量。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路，利用一种特殊参数设计的交流电桥以及信号解调电路，分离了串联LR的电阻部分和电感部分，可以精确测量出串联LR的电感和电阻分量的微小变化，其测量分辨率达到了 Ippm级。电路系统主要由特定参数设计的交流电桥、正弦波电压信号源4、前置差动放大器10、两路正交的锁定放大器13组成。它只需要简单的电压源信号作激励，结构简单，测量分辨率高，可靠性高。在一些需要精密测量感性元件的电感(和电阻)变化的场合具有重要的应用价值，比如电感式传感器的信号解调电路，感性元件的电感和电阻部分的温度系数测量等等。
[0007]本发明采用的技术方案为:
[0008]一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路，包括:正弦波信号源、交流平衡电桥、前置差动放大器和锁定放大器，其中:
[0009]所述的正弦波信号源，其为交流电桥提供激励电压，为锁定放大器提供参考信号；所述的交流平衡电桥，施加激励后，其输出包含被测元件的电感和电阻变化信息；
[0010]所述的前置差动放大器，与交流电桥的两中间臂连接，将交流电桥的非平衡信号放大输出；
[0011]所述的锁定放大器，与激励电压信号(参考信号)以及前置差动放大器的输出(输入信号)相连，输出被测元件的电感变化量的信号；有的还包括一个与激励信号成90度相位差的信号作为参考信号的锁定放大器，输出则为被测元件的电阻变化量的信号。
[0012]优选的，所述的交流平衡电桥包括一个被测的LR串联元件和一个参考的LR串联元件，以及2个精密电阻，参考元件和被测元件的电感和电阻值相同，精密电阻的阻值满足关系:RS+R= ?L，被测元件电阻和电感的变化都是小量，满足关系式:AR《coL，AL《L。
[0013]优选的，参考元件可以等效为串联的高精度，低温漂的电感和电阻。
[0014]优选的，激励信号源为某一固定频率的正弦波电压信号。
[0015]本发明的原理在于:
[0016]本发明提供了一种分离感抗和电阻微小变化的电桥及解调电路，其核心部分包括信号源、交流电桥、前置差动放大器和锁定放大器构成。通过选定特殊参数的电桥，使Rs+R=?L，在满足微小变化AR《coL，AL《L的情况下，电桥的输出电压包含的电阻变化代表虚部，电感变化代表实部，具有如下形式:
[0017]
【权利要求】
1.一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路，其特征在于，包括:正弦波信号源(4)、交流平衡电桥、前置差动放大器(10)和锁定放大器(13)，其中: 所述的正弦波信号源(4)，其为交流电桥提供激励电压，为锁定放大器提供参考信号；所述的交流平衡电桥，施加激励后，其输出包含被测元件的电感和电阻变化信息； 所述的前置差动放大器，与交流电桥的两中间臂连接，将交流电桥的非平衡信号放大输出； 所述的锁定放大器(13)，与激励电压信号(即参考信号)以及前置差动放大器的输出(即输入信号)相连，输出被测元件的电感变化量的信号；还可以包括一个与激励信号成90度相位差的信号作为参考信号的锁定放大器，输出则为被测元件的电阻变化量的信号。
2.根据权利要求1所述的一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路，其特征在于，所述的交流平衡电桥，包括一个被测的LR串联元件和一个参考的LR串联元件，以及2个精密电阻，参考元件和被测元件的电感和电阻值相同，精密电阻的阻值满足关系:RS+R =?L，被测元件电阻和电感的变化都是小量，满足关系式:AR《coL，AL《L。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路，其特征在于参考元件可以等效为串联的高精度，低温漂的电感和电阻。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用电桥分离感抗和电阻微小变化的解调电路，其特征在于激励信号源为某一固定频率的正弦波电压信号。
【文档编号】G01R27/02GK103487656SQ201310462027
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】冯志华, 王洪波, 李伟, 刘永斌, 张连生 申请人:中国科学技术大学