LCR阻抗测量仪校准初探 - 全文

　　0 引言

　　在目前的生产制造业中，与传统的手动交流电桥相比，数字LCR阻抗测量仪因其测量性能稳定可靠，无需进行反复的、复杂的手动平衡，还可以减少测量误差和结果计算，故已被越来越多地被应用于交流阻抗参数的测量。要保证LCR阻抗测量仪测量准确度，对其性能的考核就显得尤为重要。本文对LCR阻抗测量仪电容、电感、电阻和损耗参数在lkHz频率下的校准作一初步探讨。

　　1 原理性能概述

　　带微处理器的LCR阻抗测量仪为多测量功能、宽频率、宽测量范围的数字计量仪器，主要应用于测量电感器、电容器、电阻器和损耗、Q值等主副参量的测量。其工作原理是以内附的标准为基础，在1kHz下溯源于电容基准。它采用自动平衡等电流条件下测量被测元件与内附标准量程电阻的相(矢)量电压比例的方法给出被测元件的量值。一般说来，由正弦交流激励电源、比较器、相量电压比检测器、数字控制和显示电路几部分组成。

　　在实际工作中，测量标准和被测量是用同一线路，而且相隔时间很短(大约仅为0.01s)，测量线路几乎没有什么变化。标准的比例，被测的量值和相位都是经过微处理器内部精密计算后迅速显示出来的。

　　还可显示测量电路的联接方式、同时显示L、Q、C、D值，克服了传统的手动交流电桥繁琐的平衡及困难的计算。

　　此外，由于LCR阻抗测量仪可以方便地进行三端或四端测量，通过开路调零和短路调零消除了开路电容和短路电感的影响;还可以消除被测端没有屏蔽的接线端的影响，这些影响可以通过LCR测量仪的非线性自动调整，使变化的电磁波中非线性部分得到控制。桥体的偏置电压也可由内部或外部提供。

　　2 主参量的校准

　　2.1电容参量的校准

　　选择比被校LCR阻抗测量仪高二个等级(或高二个等级的标准阻抗测量仪和过渡量具)的标准电容器作为被测，主要考核电容示值的基本误差。但标准电容器性能较为复杂，在音频范围内稳定性最好的电容器应选择石英电容器和三端钮空气电容器，其值可以准确的计算出来。在精密测量中，一般选择三端钮电容器作为标准器使用，并采用等电位屏蔽，即：使低电位端与屏蔽等电位，但不直接相连接。电桥测量时，让标准电容器和被测电容器流过相同的电流。由于三端钮电容器的测量是在等电位屏蔽的基础上进行，屏蔽消除了寄生泄漏的影响，准确度较高，如果排除其他干扰，可以选择10pF-1uF的容量作为标准电容考核电容示值基本误差。但考核luF以上的电容示值量程，用大电容作标准时一定要注意测量频率，如果测量频率高于音频范围时，测量结果将会发生很大的变化，这时必须作频率影响修正。如果选择云母电容器作为考核标准，温度系数较小但损耗较差，因此只能考核准确度较低的LCR阻抗测量仪。三端钮电容器采用两次测量法：首先将电容器接入LCR阻抗测量仪测量，然后断开高电位端测量开路电容量，两次测量值的增量即为被测电容器的实际值。

　　2.2电阻参量的校准

　　采用比被校LCR阻抗测量仪高二个等级(或高二个等级的标准阻抗测量仪和过渡量具)的精密交流电阻作标准，主要考核被校LCR阻抗测量仪测量电阻的性能，考核时必须注意了解所用的标准电阻的稳定性。仪器显示值与实际值的偏差应满足被校LCR阻抗测量仪测量电阻的指标。此外，交流电阻的测量可采用二端钮、三端钮、四端钮、五端钮接线法，具体的测量接线视其阻值大小而定。选用不同量值的标准电阻作标准，对LCR阻抗测量仪的不同量程考核时要注意标准电阻的测量状态。ZX<100Ω时，连接导线两端钮之间的并联路电容影响可忽略不计，被测仪器一般采用串联电路;测量高电阻(Zx>1kΩ)时，被测仪器采用并联电路，连接导线端钮之间的并联电容影响较大，如果不接屏蔽，其交流电阻值和时间常数与周围的电磁场有关，变化的电磁能会使交流电阻的交流特性发生明显的变化，因此精密交流电阻器应带屏蔽，测量需要按三端钮接线进行。考核电桥小电阻量程时，要注意串联电感影响测量，可用四端钮或五端钮接线。低于10Ω的交流电阻器可采用五端钮接线法，屏蔽接地的目的是为了消除引线导纳的影响。

　　电阻器测量时必须做二次测量，扣除LCR阻抗测量仪至被测电阻器的引线电阻。先使测量端短路平衡，然后再做测量电阻值的主测量，两次测量值的增量即为被测电阻器的实际值。

　　3 电感参量的校准

　　校准LCR阻抗测量仪测量电感的范围和准确度方法同考核C、R一样，但由于附加效应的影响，使电感的精密测量比较困难，主要的原因是电磁场非线性因素，这是电感本身的材料引起的。一个通电线圈周围的电场强度可以确定，但其周围的电场强度是非线性的，尤其是磁性材料对不同的电压幅度和不同频率非线性响应比较大，这些因素造成了电感测量的复杂性，选用的标准电感必须有频响的测量数据，LCR阻抗测量仪应给出被测电感的等值电路，现代的自动电桥用双T网络原理，选用元件匹配，能满足较宽的频率范围测量电感。

　　电感测量受频率影响较大，因此在考核LCR阻抗测量仪测量电感性能时，要注意所选用的标准电感本身的谐振频率，在这个频率下电感测量准确度最高。例如，一个高频电感在100MHz下测量时，为3uH，Q为100，而在lkHz下测量电阻为18mΩ，Ω为0.1，因此100MHz下测量时的电感变成lkHz下的感性电阻了。

　　沙利文的标准电感(100uH—lH)在IkHz下可作为0.01%的标准电感考核LCR阻抗测量仪，而在10kHz下准确度就有较大的变化。在考核LCR阻抗测量仪测量小电感性能时要采用四端测量法，为了得到准确的测量结果，电压端和电流端之间的耦合要尽可能小。

　　电感器不能加金属屏蔽，因为会引起涡流，使得电感器测量值随工作电流和频率的变化而改变。但是测量电感器的连接线应该带屏蔽，连接导线的长度一般在80cm一100cm。无论电感器量值的大小，接至电感器的引线端都不能屏蔽，该引线端应尽量短，其目的是为了减少分布电容的影响。还需要注意的是：

　　被测电感器的周围不能有金属、铁磁物质存在。电感器测量也必须做二次测量，扣除LCR阻抗测量仪至被测电感器的引线电阻。先使测量端短路平衡，然后再做测量电感值的主测量，两次测量值的增量即为被测电感器的实际值。

　　4 电容损耗因数的校准

　　损耗因数标准器由电容和电阻组合而成，有串联等效电路和并联等效电路两类。取值范围为(10-1~10-5)的十进步进式多盘损耗箱或1、2、5、8跳跃步进式损耗箱。电容量值为100pF～1uF的单值标准电容器。电容损耗因数的校准一般校准范围为(10-4～1)。

　　5 频率特性考核。

　　交流阻抗测量的准确度与频率有关，阻抗测量的灵敏度和频率是成比例的。每一交流阻抗都具有专用频率，在其专用频率下阻抗测量的灵敏度最高。因此LCR阻抗测量仪的频率范围应较宽，才能满足各种交流阻抗的测量，目前LCR阻抗测量仪的频率在10Hz一10MHz之间，如美国GR公司生产的1689(M)，Quadtech公司的7600，HP和Agillent公司的4284。考核LCR阻抗测量仪的频率主要是通过数字频率计直接测量LCR阻抗测量仪的各个频率，看其是否满足其频率指标，如考核GRl689数字电桥的频率，在测试夹“-”端与地之间用频率计监测，仪器编程可选择测试频率12Hz，100Hz，1kHz，10kHz，100kHz等，频率测量之偏差应小于仪器对频率的指标要求。

　　6 测量电压考核

　　交流阻抗测量需要特殊的电压幅度，像铁芯电感、半导体电容都是非线性元件，在测量时电压不能太小，在整个测量过程中交流信号在测量引线中引起的噪声会增加失真度，另外被测阻抗的非线性也会引起谐波畸变。增加电压幅度可以克服上述现象。因此，要求LCR阻抗测量仪测量电压在一定幅度内可调。测量电压一般在5mV～1.25V，有利于交流阻抗的测量，而测量电压与频率有关，因此考核测量电压时必须注明测量时的频率。具体方法是用直接测量法，LCR阻抗测量仪不接被测，在测试夹具“-”端与地之间用数字电压表监测：仪器频率可选12Hz，lkHz和100kHz三种情况下测量5mV~1.25V，电压偏差应满足电桥测量电压指标要求;也可选择在某一电压下，以不同的频率考核该一电压的变化，其电压偏差也应满足电压指标要求。

　　总之，一台LCR阻抗测量仪的校准，除了要考核其测量频率范围、电压幅度等性能外，更重要的是要考核其组合测量即测量L、C、R的性能。在校准其测量L、C、R性能时，要注意测量频率和联接方式。当一台LCR阻抗测量仪既可以进行三端测量又可以进行四端测量时，为了得到比较准确的测量结果，选择测量联结方式按以下原则进行：(1)阻抗低于10Q用四端测量;(2)阻抗高于10kΩ用三端测量;(3)在10Ω-10kΩ之间的阻抗必须消除开路电容和导线的串联电阻影响，应在四端测量上加上屏蔽接地，即采用五端测量法。