一种四端法高值电容阻抗测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明为一种四端高值电容测量装置及其测量方法，该测量装置包括感应分流器、电容箱、标准电阻器、电阻箱、待测电容器、数字电压表以及电源；感应分流器包括匝数比为1:1的一对绕组；电容箱和标准电阻器串联组成测量回路A；电阻箱和待测电容器串联组成测量回路B；感应分流器的一对绕组反向接入两个测量回路中；标准电阻器和待测电容器分别采用四端法连接；该测量方法通过调节阻抗平衡，使两个测量回路中的电流值相等，进而通过离散傅里叶变换方法以及同步采样技术获取待测电容器的串联等效电容值和损耗因数；本发明实现了隔离、浮地测量，既能消除电源对测量装置的干扰，又能避免电流对校准结果造成影响，极大提升了电容测量的精确度。
【专利说明】一种四端法高值电容阻抗测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁测量领域中的一种测量装置，具体涉及一种四端法高值电容阻抗 测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，国内外厂商生产了各种实物和等效的高值标准电容器，准确度0. 05%? 2%之间，容量达到mF级别，这些标准电容器急需进行检定或校准；常用的阻抗测量仪，如 GR7600、Agilent4284A等，也需要在高值容量范围内进行检定或校准。但是，我国并没有建 立高值电容溯源体系，一些厂家和计量部门测量高值电容器件时，常用未经校准的阻抗测 量仪进行测量，无法保障国内高值电容的量值可靠准确。
[0003] 现有的高值电容标准器常采用四端连接的方式，常用的测量方法有恒流电路法、 交流电桥法、电流比较仪法等。下面介绍几种高值电容测量方法。
[0004] 1)交流电桥法
[0005] 如图1所示，待测电容器和标准电容器与电源并联，用ZJP 4构成比例，组成经典 的电桥。其中，各引线及接触电阻分别为z12、z35、z 46和z78会引入测量误差。并且被测量电 容Cx实际上是两端的连接方式，并没有按四端的定义进行连接测量。
[0006] 2)电流比较仪法
[0007] 如图2所示，该测量系统包括电流比较仪、标准器、电源、指令仪、被测电容器及运 算放大器。其中?\是双级电流互感器，T 2是电流比较仪，T3是五盘分压器，&和A2放大器。 标准器C s是一只名义值为1 μ F的电容器，比率部分由运算放大器、双级电流互感器和电流 比较仪构成，可测量1 μ F?1F的容量值。但是，电流比较仪自身存在残余电感和电阻，是 产生测量误差的主要原因；如果采用其他方法进行补偿时，会增加电路的复杂性。
[0008] 综上所述，现有的电容阻抗测量装置均存在测量误差较大的问题。
【发明内容】
[0009] 为了解决现有技术测量误差较大的问题，本发明提供了一种四端法高值电容阻抗 测量装置及测量方法，利用感应分流器技术和采样技术相结合的四端高值电容测量的新方 法，实现容量范围1〇μ F?lmF，频率范围100Hz?1kHz的电容器的容量测量。
[0010] 本发明的设计方案如下，
[0011] 一种四端法高值电容阻抗测量装置，所述测量装置包括感应分流器1、测量回路 A2、测量回路B3、数字电压表5以及电源7 ;
[0012] 所述感应分流器1包括绕组Al-ι和绕组B1-2 ;
[0013] 所述绕组A1-1和绕组B的匝数比为1:1 ;
[0014] 所述测量回路A2包括依次串联连接的电容箱2-1和标准电阻器2-2 ;
[0015] 所述测量回路B3包括依次串联连接的电阻箱3-1和待测电容器3-1 ;
[0016] 所述标准电阻器2-2采用四端法连接于所述测量回路A2中，即所述标准电阻器 2- 2的电流测量端设置在电压测量端外侧；
[0017] 所述待测电容器3-2采用四端法连接于所述测量回路B3中；即所述待测电容器 3- 2的电流测量端设置在电压测量端外侧；
[0018] 所述数字电压表5的数量为一对，其分别与所述标准电阻器2-2和待测电容器3-2 电压测量端相连接；
[0019] 所述感应分流器1将所述电源7电压按一对绕组的匝数比例分配至所述测量回路 A2和测量回路B3。
[0020] 所述绕组Al-ι的首端接入所述测量回路A2的电流输入端、尾端接入所述测量回 路A2的电流输出端；
[0021] 所述绕组B1-2的首端接入所述测量回路B3的电流输出端、尾端接入所述测量回 路B3的电流输入端。
[0022] 感应分流器1是将均匀绞合的两根相互绝缘导线均匀地绕制在环型铁芯上，漏感 小，激磁阻抗很高，两回路之间的电流比只由感应分流器自身的激磁阻抗决定。
[0023] 当两个测量回路所带负载相等时，由于流过感应分流器1的两个绕组的电流相 反，在每一测量回路中产生的自感电压和互感电压是相互抵消的，因此，感应分流器1只起 到分流作用，即为电路提供两路相等的工作电流，且在电路中不会产生压降。
[0024] 为了避免校准感应分流器1时，锁相放大器6的地与测量装置的地之间存在回路 电流，给感应分流器1带来附加的电流误差，所述测量装置还包括隔离变压器4 ;
[0025] 所述隔离变压器4包括一个输入端和两个输出端；
[0026] 所述隔离变压器4的输入端与所述电源7串联连接；
[0027] 所述隔离变压器4的两个输出端匝数比为1:1，其分别串联设置在所述测量回路 A2和测量回路B3中。
[0028] 所述测量装置还包括校准模块，所述校准模块包括锁相放大器6 ;
[0029] 所述锁相放大器6包括信号输入端A、信号输入端B以及参考输入端；
[0030] 所述信号输入端A与所述标准电阻器2-2电压测量端相连接，所述信号输入端B 与所述待测电容器3-2的电压测量端相连接；
[0031] 所述参考输入端与隔离变压器4的参考绕组相连接。
[0032] 所述测量装置还包括采样模块；
[0033] 所述采样模块包括采样触发器8、计算机9以及一对数字电压表5 ;
[0034] 所述采样触发器8分别与一对所述数字电压表5的外触发端相连接；
[0035] 所述计算机9分别与一对所述数字电压表5以及所述采样触发器8相连接。
[0036] 在具体实施中，
[0037] 所述待测电容器3-2的容量值范围是10 μ F?lmF ;
[0038] 所述待测电容器3-2频率范围是100Hz?1kHz。
[0039] 所述数字电压表5为Agilent3458A ;
[0040] 所述采样触发器8为Agilent3322〇A。
[0041] 所述计算机9通过GPIB-USB接口分别与一对所述数字电压表5以及所述采样触 发器8相连接。
[0042] 利用一种四端法高值电容阻抗测量装置的测量方法，所述方法的操作步骤为，
[0043] 步骤1，搭建所述测量装置：
[0044] 步骤1-1，将所述感应分流器1中的两根绕组反向接入一对测量回路中，即一根所 述绕组的首端和另一根所述绕组的尾端作为两路电流的输入端；
[0045] 步骤1-2,将所述隔离变压器2的输入端连接至所述电源7, 一对输出端分别串联 设置在一对测量回路中；
[0046] 步骤2,校准步骤：利用所述锁相放大器6校准所述感应分流器1 ;若校准结果小 于或等于1〇_6量级，则继续执行步骤3 ;若校准结果大于ΚΓ6量级，则调整所述感应分流器 1中所述绕组A1-1与绕组B1-2的匝数比，再回退至所述步骤1-1顺序执行；
[0047] 步骤3,阻抗平衡调节步骤：将所述锁相放大器6的信号输入端A与所述感应分流 器1的绕组A1-1相连接，所述信号输入端B与所述待感应分流器1的绕组B1-2相连接；手 动调节所述电容箱2-1和电阻箱3-1，观察所述锁相放大器6的读数；
[0048] 当读数为零时，停止调节；所述测量回路A2和测量回路B3的阻抗达到平衡状态， 即所述感应分流器1分别向所述测量回路A2以及测量回路B3提供大小相等、方向相反的 电流；
[0049] 若读数不为零，继续调节所述电阻箱3-1和所述电容箱2-1，直至读数为零；
[0050] 步骤4,采样步骤：
[0051] 步骤4-1，取下所述锁相放大器6,将一对所述数字电压表5的测量端分别连接至 所述标准电阻器2-2和待测电容器3-2的电压测量端，一对所述数字电压表5的外触发端 分别连接至所述采样触发器8的信号输出端，所述采样触发器8与所述计算机9相连接；
[0052] 步骤4-2,利用一对所述数字电压表5分别测量所述标准电阻器2-2和所述待测电 容器3-2两端的电压瞬时值，分别记为&和;
[0053] %和仏满足公式（1)和公式（2)的关系：
【权利要求】
1. 一种四端法高值电容阻抗测量装置，其特征在于： 所述测量装置包括感应分流器（1)、测量回路A (2)、测量回路B (3)、数字电压表（5) 以及电源（7); 所述感应分流器（1)包括绕组A (1-1)和绕组B (1-2); 所述绕组A (1-1)和绕组B的匝数比为1:1 ; 所述测量回路A (2)包括串联连接的电容箱（2-1)和标准电阻器（2-2); 所述测量回路B (3)包括串联连接的电阻箱（3-1)和待测电容器（3-1); 所述标准电阻器（2-2)采用四端法连接于所述测量回路A (2)中，即所述标准电阻器 (2-2)的电流测量端设置在电压测量端外侧； 所述待测电容器（3-2)采用四端法连接于所述测量回路B (3)中；即所述待测电容器 (3-2)的电流测量端设置在电压测量端外侧； 所述数字电压表（5)的数量为一对，其分别与所述标准电阻器（2-2)和待测电容器 (3-2)电压测量端相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种四端法高值电容阻抗测量装置，其特征在于： 所述绕组A (1-1)的首端接入所述测量回路A (2)的电流输入端、尾端接入所述测量 回路A (2)的电流输出端； 所述绕组B (1-2)的首端接入所述测量回路B (3)的电流输出端、尾端接入所述测量 回路B (3)的电流输入端。
3. 根据权利要求1所述的一种四端法高值电容阻抗测量装置，其特征在于： 所述测量装置还包括隔离变压器（4); 所述隔离变压器（4)包括一个输入端和两个输出端； 所述隔离变压器（4)的输入端与所述电源（7)串联连接； 所述隔离变压器（4)的两个输出端匝数比为1:1，其分别串联设置在所述测量回路A (2)和测量回路B (3)中。
4. 根据权利要求1所述的一种四端法高值电容阻抗测量装置，其特征在于： 所述测量装置还包括校准模块，所述校准模块包括锁相放大器（6); 所述锁相放大器（6)包括信号输入端A、信号输入端B以及参考输入端； 所述信号输入端A与所述标准电阻器（2-2)电压测量端相连接，所述信号输入端B与 所述待测电容器（3-2)的电压测量端相连接； 所述参考输入端与隔离变压器（4)的参考绕组相连接。
5. 根据权利要求1所述的一种四端法高值电容阻抗测量装置，其特征在于： 所述测量装置还包括采样模块； 所述采样模块包括采样触发器（8)、计算机（9)以及一对所述数字电压表（5); 所述采样触发器（8)分别与一对所述数字电压表（5)的外触发端相连接； 所述计算机（9)分别与一对所述数字电压表（5)以及所述采样触发器（8)相连接。
6. 根据权利要求1或4所述的一种四端法高值电容阻抗测量装置，其特征在于： 所述待测电容器（3-2)的容量值范围是10yF?lmF; 所述待测电容器（3-2)频率范围是100Hz?1kHz。
7. 利用权利要求1?6所述的一种四端法高值电容阻抗测量装置的测量方法，其特征 在于： 所述方法的操作步骤为， 步骤1，搭建所述测量装置： 步骤1-1，将所述感应分流器（1)中的两根绕组反向接入一对测量回路中，即一根所述 绕组的首端和另一根所述绕组的尾端作为两路电流的输入端； 步骤1-2,将所述隔离变压器（4)的输入端连接至所述电源（7)，一对输出端分别串联 设置在一对测量回路中； 步骤2,校准步骤：利用所述锁相放大器（6)校准所述感应分流器（1);若校准结果小于 或等于ΚΓ6量级，则继续执行步骤3 ;若校准结果大于ΚΓ6量级，则调整所述感应分流器（1) 中所述绕组A (1-1)与绕组B (1-2)的匝数比，再回退至所述步骤1-1顺序执行； 步骤3,阻抗平衡调节步骤：将所述锁相放大器（6)的信号输入端A与所述感应分流器 (1)的绕组A (1-1)相连接，所述信号输入端B与所述待感应分流器（1)的绕组B (1-2)相 连接；手动调节所述电容箱（2-1)和电阻箱（3-1)，观察所述锁相放大器（6)的读数； 当读数为零时，停止调节；所述测量回路A (2)和测量回路B (3)的阻抗达到平衡状 态，即所述感应分流器（1)分别向所述测量回路A (2)以及测量回路B (3)提供大小相等、 方向相反的电流； 若读数不为零，继续调节所述电阻箱（3-1)和所述电容箱（2-1 )，直至读数为零； 步骤4,采样步骤： 步骤4-1，取下所述锁相放大器（6)，将一对所述数字电压表（5)的测量端分别连接至 所述标准电阻器（2-2 )和待测电容器（3-2 )的电压测量端，一对所述数字电压表（5 )的外触 发端分别连接至所述采样触发器（8 )的信号输出端，所述采样触发器（8 )与所述计算机（9 ) 相连接； 步骤4-2，利用一对所述数字电压表（5 )分别测量所述标准电阻器（2-2 )和所述待测电 容器（3-2)两端的电压瞬时值，分别记为 和满足公式（1)和公式（2)的关系：
其中，尤和/2分别为所述测量回路A (2)和测量回路B (2)中的电流，且為=/2;馬为 所述标准电阻器（2-2)的阻值；CX为所述待测电容器（3-2)的串联等效电容值，&为所述待 测电容器（3-2)的串联等效电阻值；ω为角频率，ω根据电源频率f，通过ω=2 π f计算得 出； 步骤4-3，利用采样触发器（8 )控制所述数字电压表（5 )对所述标准电阻器（2-2 )和所 述待测电容器（3-2)两端电压信号进行同步的等间隔采样； 步骤4-4，将所述数字电压表（5 )和采样触发器（8 )的采集结果传输至所述计算机（9 ); 步骤5,数据处理步骤：通过所述计算机（9)获取所述待测电容器（3-2)串联等效电容 值&和损耗因数Dx; 将所述公式（1)与公式（2)相比，得到公式（3):
其中A为通过所述数字电压表（5)获取的所述标准电阻器（2-2)两端的电压瞬时值，B 为通过所述数字电压表（5)获取的所述待测电容器（3-2)两端的电压瞬时值，、炉A?分别 为所述标准电阻器（2-2)和待测电容器（3-2)两端电压信号的相角；
根据所述公式（4)中实部与虚步对应相等的原则，可得出：
根据所述公式（7)和公式（8)获取所述待测电容器（3-2)的容量值Cx和损耗因数Dx ;
其中，Ρχ和％通过离散傅里叶变换算法得出。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于： 所述步骤5中，&和％的获取过程为， 对于周期信号y(x)，只要满足狄里赫利条件，即在一个周期内有有限个极值点，并且处 处连接，或者有有限个第I类间断点，均可以分解为傅里叶级数的形式，如公式（9)所示；
其中，％是信号的直流分量；ak和bk是信号第k次谐波的正弦、余弦幅度；通过公式 (10)获取aQ、ak以及bk的值；
实际计算时，是通过对信号y (χ)采样，并用该采样序列累加求面积来代替上述对信号 的积分过程，其计算公式（11)所示：
采用梯形补偿公式计算上述各式，计算到第5次谐波的正弦、余弦幅度，采用的梯形补 偿公式（12)所示：
其中，Λ为采样的补数，其通过采样数据计算获得，如公式（13)所示： Δ= (y0+yi-yn-yn+i)/(-y 0+yi-yn+yn+i) (13); 根据ak和bk的值再计算第k次谐波的幅值和相角，如公式（14)所示：
【文档编号】G01R27/26GK104101785SQ201310124184
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月11日 优先权日:2013年4月11日
【发明者】戴冬雪, 何小兵, 王维, 潘仙林 申请人:中国计量科学研究院