電容器和電感器交流參數(shù)測(cè)量方法的對(duì)比研究

摘要：為了測(cè)量電容器和電感器的性能，常用的交流參數(shù)測(cè)量方法有傳統(tǒng)模擬式(即電橋法和諧振法)和數(shù)字智能化測(cè)量方法兩大類(lèi)型。通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)模擬式和數(shù)字智能化測(cè)量方法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)得出電感(電容)-電壓的轉(zhuǎn)換方法優(yōu)點(diǎn)多，應(yīng)用廣，并指出電容器和電感器交流參數(shù)測(cè)量方法的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：電容器；電感器；交流參數(shù)；測(cè)量方法

0 引言
    電容器和電感器性能的好壞決定了電路各項(xiàng)功能的優(yōu)劣，因此對(duì)電容器和電感器性能的判定是非常重要的。
    電容器的主要參數(shù)有電容量及其誤差、額定電壓、溫度系數(shù)、損耗因數(shù)等，實(shí)際應(yīng)用中需要測(cè)量的是電容量和損耗因數(shù)；電感器的主要參數(shù)有電感量及其誤差、額定電流、溫度系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等，實(shí)際應(yīng)用中需要測(cè)量的是電感量和品質(zhì)因數(shù)。目前，對(duì)電容器和電感器交流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量?jī)x主要有傳統(tǒng)模擬式和數(shù)字智能化兩類(lèi)。

1 傳統(tǒng)模擬式測(cè)量方法
1．1 電橋法測(cè)量
    交流電橋是一種以交流電為電源，用于測(cè)量電容和電感元件參數(shù)的比較式儀器，其平衡條件為：Z1Z3=Z2Z4，原理電路如圖1所示。

    采用交流阻抗電橋法測(cè)量電感、電容參數(shù)的精度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要適用于低頻，但需要反復(fù)調(diào)節(jié)才能滿(mǎn)足其模和阻抗角的平衡，操作繁瑣。
1．2 諧振法測(cè)量
    諧振法是測(cè)量電容、電感的另一種基本方法，它是利用調(diào)諧回路的諧振特性建立的測(cè)量方法。諧振法的測(cè)量精度不如交流電橋法高，但由于測(cè)量線路簡(jiǎn)單方便，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的困難要比高頻電橋小(主要是雜散耦合的影響)，再加上高頻電路元件大多用于調(diào)諧回路，所以在高頻電路參數(shù)測(cè)量中，諧振法是一種重要的手段。其原理如圖2所示，它包括由振蕩源G、已知元件和被測(cè)元件組成的諧振回路及諧振指示器。當(dāng)回路達(dá)到諧振時(shí)：
   

2 數(shù)字智能化測(cè)量方法
    隨著數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新的電容電感參數(shù)測(cè)量方法，即將待測(cè)電感和電容的相關(guān)參數(shù)經(jīng)過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓、頻率和周期等信號(hào)，再由A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，送入微處理器進(jìn)行計(jì)算處理，最終由顯示裝置顯示參數(shù)數(shù)值。數(shù)字化智能化電感、電容測(cè)量設(shè)備根據(jù)測(cè)量方法的不同又分不同的類(lèi)型。
2．1 電壓比例法
    電壓比例法的電路原理框圖如圖3所示。

    該方法是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻與電感(電容)相串聯(lián)的分壓電路，采用與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較的方法進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量公式為：
    ZX=R1(UZX／UR1)      (2)
    電感和電容屬于電抗元件，因此需要交流來(lái)產(chǎn)生測(cè)最信號(hào)，在角頻率為ω的交流信號(hào)作用下，待測(cè)電容量和電感量為：
   
    式中：UCX，ULX，UR1為各矢量模值。
    這種方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，待測(cè)電感(電容)與相關(guān)電壓比為線性關(guān)系，因此只要保證基準(zhǔn)電阻的精度和正弦波產(chǎn)生電路的穩(wěn)定，就能保證測(cè)量精度。但從測(cè)量原理上不難發(fā)現(xiàn)，該方法未考慮電感、電容的損耗電阻的影響，因此會(huì)影響測(cè)量精度的提高。
2．2 電感(電容)-頻率轉(zhuǎn)換法
    電感(電容)-頻率轉(zhuǎn)換法的電路原理框圖如圖4所示。

    該方法是將待測(cè)電感(電容)引入LC振蕩電路，利用振蕩頻率可將電感(電容)參數(shù)轉(zhuǎn)化為振蕩頻率，利用微處理器中的計(jì)數(shù)器對(duì)其計(jì)數(shù)，再通過(guò)計(jì)算求出相應(yīng)參數(shù)數(shù)值。這種方法只要確保基準(zhǔn)電容Cb的精度，從整體上能夠提高測(cè)量精度，但由于振蕩頻率f和電感(電容)之間并非線性關(guān)系，并且未考慮損耗電阻的影響，因此也會(huì)影響測(cè)量精度。
2．3 電感(電容)-周期轉(zhuǎn)換法
    電感(電容)-周期轉(zhuǎn)換法是由多諧振蕩器把待測(cè)電感(電容)量轉(zhuǎn)換成與元件參數(shù)成正比的脈寬，然后利用微處理器，把脈寬的矩形波作為門(mén)控信號(hào)，在脈寬時(shí)間內(nèi)對(duì)一個(gè)已知周期的標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)，就可計(jì)算出脈寬時(shí)間，根據(jù)脈寬時(shí)間與待測(cè)電感(電容)量的關(guān)系，計(jì)算出電感、電容參數(shù)。這種方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，脈寬時(shí)間和電感(電容)呈線性關(guān)系，但由于普通多諧振蕩器電源波動(dòng)、溫度變化等影響，頻率穩(wěn)定性較差，并且未考慮損耗電阻的影響，從而影響測(cè)量精度。
2．4 恒壓-恒流法
2．4．1 電感測(cè)量電路(恒壓法)
    該方法是將待測(cè)電感引入恒壓源電路中，通過(guò)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合控制電路中電流的變化，測(cè)量其穩(wěn)態(tài)電流Imax和暫態(tài)時(shí)間t0，從而通過(guò)微處理器計(jì)算出待測(cè)電感參數(shù)。原理電路如圖5所示。
   

   
2．4．2 電容測(cè)量電路(恒流法)
    該方法是將待測(cè)電容引入恒流源電路中，通過(guò)開(kāi)關(guān)的開(kāi)合控制電路中電壓的變化，測(cè)量其穩(wěn)態(tài)電壓Umax和暫態(tài)時(shí)間t0，從而通過(guò)微處理器計(jì)算出待測(cè)電容參數(shù)。原理電路如圖6所示。
   

   
   
    該方法電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可測(cè)量待測(cè)電容值及損耗因數(shù)和電感值及品質(zhì)因數(shù)，測(cè)量穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)參數(shù)和待測(cè)電容及電感呈線性關(guān)系，但開(kāi)關(guān)多次開(kāi)合增加電容或電感上的累積電荷，使測(cè)量精度下降。
2．5 電感(電容)-電壓轉(zhuǎn)換法
    電感(電容)-電壓轉(zhuǎn)換法是將交流正弦信號(hào)加在含有待測(cè)元件的反相比例運(yùn)放上，使運(yùn)放的輸出產(chǎn)生電壓中包含實(shí)部分量U1和虛部分量U2，通過(guò)實(shí)部虛部分離電路將U1和U2分離，它們分別與被測(cè)阻抗的實(shí)部和虛部成正比，因此對(duì)U1和U2進(jìn)行測(cè)量，則可求出被測(cè)阻抗的實(shí)部和虛部，從而得到被測(cè)阻抗的參數(shù)數(shù)值。
    電感測(cè)量電路原理框圖如圖7所示。

   
    電容測(cè)量電路的原理框圖如圖8所示。

   
   
    該測(cè)量方法數(shù)學(xué)模型呈線性關(guān)系，通過(guò)反相運(yùn)放將待測(cè)信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制，通過(guò)虛實(shí)部分離測(cè)得的電壓可計(jì)算出電感及品質(zhì)因數(shù)和電容及損耗因數(shù)，因此能夠保證測(cè)量精度，并且提高抗干擾能力。目前，通過(guò)該方法設(shè)計(jì)出的交流參數(shù)測(cè)量?jī)x在精度、穩(wěn)定性和操作便捷程度上都比其他方法要好，因此越來(lái)越多地得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)使用這種方法研制的樣機(jī)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度能夠達(dá)到0．5％。

3 結(jié)論
    比較看出，傳統(tǒng)模擬式測(cè)量方法普遍存在著精度不高，易受干擾，操作繁瑣，不能實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)測(cè)量等缺點(diǎn)，現(xiàn)已逐漸被淘汰；同時(shí)，取而代之的數(shù)字智能化測(cè)量方法能夠不同程度的彌補(bǔ)以上缺點(diǎn)，尤其在眾多新的測(cè)量方法中，電感(電容)-電壓轉(zhuǎn)換法優(yōu)點(diǎn)多，應(yīng)用廣?？傊?，數(shù)字智能化測(cè)量方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的自動(dòng)化測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度，穩(wěn)定性好，便攜和數(shù)字顯示等優(yōu)點(diǎn)，是電感電容測(cè)量設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。