專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提高麥克斯韋電橋電感測(cè)量精度的方法和電橋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，涉及電學(xué)交流阻抗基本量一電感參數(shù)的精密測(cè)量， 具體涉及一種提高麥克斯韋電橋電感測(cè)量精度的方法和電橋。
背景技術(shù)：
電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)能力的物理量，電感參數(shù)是交流阻抗測(cè)量中的一個(gè)重要參數(shù)。電力、交通、冶煉、電子、IT、通訊等行業(yè)廣泛使用不同尺寸不同規(guī)模的電感線圈， 其質(zhì)量取決于不同頻率下的電感值和Q值，因此保證電感量值的準(zhǔn)確測(cè)量具有重要意義。測(cè)量電感通常采用麥克斯韋電橋、歐文電橋以及CR(電容和電阻)組成的等效電感電橋，這類(lèi)電橋是通過(guò)電容或電阻元件來(lái)進(jìn)行平衡的。由于電容、電阻和電感之間基本沒(méi)有電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾，因此具有明顯的優(yōu)越性，從而也容易提高電感測(cè)量的準(zhǔn)確度。麥克斯韋電橋是最常用的一種電感測(cè)量電橋，此種電橋上將電容和電阻作為可調(diào)元件，可以對(duì)應(yīng)使線圈的電感和電阻進(jìn)行分別平衡和讀數(shù)，從而分別求的電感值和Q值。實(shí)際電橋中是通過(guò)調(diào)節(jié)電容和電阻進(jìn)行測(cè)量的，由于受到電容箱的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性以及電阻元件時(shí)間常數(shù)的限制，此類(lèi)傳統(tǒng)電橋的誤差一般高于2X10_4。如果將感應(yīng)分壓器與這類(lèi)電橋相結(jié)合，用調(diào)節(jié)感應(yīng)分壓器輸出電壓大小的方法為等效的電容和電阻的調(diào)節(jié)，那么電容和電阻可以采用固定的標(biāo)準(zhǔn)元器件，它們的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可調(diào)型的電容和電阻，這樣電橋可以獲得較高的準(zhǔn)確度。由此也出現(xiàn)了一類(lèi)改進(jìn)型的麥克斯韋電橋，此種電橋突破了傳統(tǒng)電橋的限制，使得更高精度的電感測(cè)量成為可能，現(xiàn)有的改進(jìn)型的麥克斯韋電橋還不能在全部量程下保證測(cè)量精度，只是在典型值下能達(dá)到10_5乃至10_6量級(jí)的測(cè)量精度，典型值是指譬如只測(cè)量10mH，而且是手動(dòng)平衡的模式下進(jìn)行測(cè)量的。在這類(lèi)改進(jìn)型的麥克斯韋電橋上，為了消除對(duì)地泄露電流的影響，還需要加入華格納支路對(duì)電橋進(jìn)行電橋輔助平衡，從而使指零儀支路電位等于地電位。這樣的電橋往往需要電橋的主平衡和輔助平衡反復(fù)調(diào)節(jié)才能最終達(dá)到電橋平衡狀態(tài)，完成讀數(shù)。此平衡過(guò)程繁復(fù)、耗時(shí)長(zhǎng)，且對(duì)測(cè)量操作人員的要求高，容易造成電橋平衡誤差，影響電感測(cè)量精度， 也不利于此類(lèi)測(cè)量?jī)x器的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種提高麥克斯韋電橋電感測(cè)量精度的方法和電橋，實(shí)現(xiàn)電橋的自動(dòng)輔助平衡，提高電感測(cè)量精度，延長(zhǎng)電橋的使用壽命，提高電橋的可靠性。所述方法同樣適用于電感參數(shù)精密測(cè)量?jī)x器或類(lèi)似測(cè)量系統(tǒng)中。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種提高麥克斯韋電橋電感測(cè)量精度的方法，所述方法包括以下步驟(1)利用感應(yīng)分壓器與固定的標(biāo)準(zhǔn)電容C和標(biāo)準(zhǔn)電阻I 2、R4相結(jié)合，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)分壓器的輸出電壓大小來(lái)作為等效的電容和電阻的調(diào)節(jié)；(2)自動(dòng)輔助平衡在&支路上并聯(lián)一個(gè)高性能反相放大器，將R4支路作為反饋電路，兩者與標(biāo)準(zhǔn)電容C構(gòu)成一個(gè)微分放大器支路，將高性能反相放大器的虛地端作為電橋的另一個(gè)指零端，從而代替原有的輔助指零支路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輔助平衡；(3)抑制所述微分放大器支路在高頻脈沖下的振蕩在所述微分放大器支路中串入消振支路，來(lái)保證電路正常工作并抑制振蕩；(4)消除因引入所述消振支路所造成的誤差在所述消振支路上并入誤差補(bǔ)償電路；(5)消除感應(yīng)分壓器輸出阻抗的影響利用一種高精度電壓跟隨器跟隨所述感應(yīng)分壓器的輸出電壓。一種利用本發(fā)明的方法來(lái)提高電感測(cè)量精度的電橋，包括待測(cè)電感Lx和等效串聯(lián)電阻Rx,標(biāo)準(zhǔn)電阻R2、R4,標(biāo)準(zhǔn)電容C、電導(dǎo)G ；Lx和Rx構(gòu)成所述電橋的第一個(gè)橋臂；R4構(gòu)成所述電橋的第二個(gè)橋臂；R2構(gòu)成所述電橋的第三個(gè)橋臂；所述電橋還包括三個(gè)感應(yīng)分壓器，分別為IVD、IVD α和IVD β，三個(gè)感應(yīng)分壓器并
聯(lián)后一端與&串聯(lián)，另一端接地；電導(dǎo)G和標(biāo)準(zhǔn)電容C分別與感應(yīng)分壓器IVD α和IVD β結(jié)合組成高準(zhǔn)確度可變電導(dǎo)箱和可變電容箱，IVD α、IVD β、電導(dǎo)G和標(biāo)準(zhǔn)電容C構(gòu)成所述電橋的等效第四個(gè)橋臂；在R4上并聯(lián)有虛地輔助平衡運(yùn)算放大器Α，虛地輔助平衡運(yùn)算放大器A的同相輸入端接地；虛地輔助平衡運(yùn)算放大器Α、標(biāo)準(zhǔn)電容C和&構(gòu)成微分放大器支路； 微分放大器支路中串有補(bǔ)償電阻r。，在補(bǔ)償電阻r。上并聯(lián)有補(bǔ)償電容Ctl，補(bǔ)償電阻r。和補(bǔ)償電容Ctl構(gòu)成消振支路；在補(bǔ)償電阻r。上還并聯(lián)有由電壓跟隨器A3、電容C1和電阻Γι串聯(lián)形成的誤差補(bǔ)償支路；另外，為了克服感應(yīng)分壓器輸出阻抗的影響，IVD、IVD α和IVD β分別串聯(lián)有電壓跟隨器A0，A1, A2，所述A。，A1, A2分別用于跟隨IVD的輸出電壓、IVDa的輸出電壓和IVD β 的輸出電壓。但是常規(guī)跟隨器精度無(wú)法達(dá)到所需的精度要求，因此本發(fā)明采用高精度跟隨器， 即Atl，A1, A2均采用的是一種具有緩沖輸出級(jí)的雙極高精度電壓跟隨器，其是在單級(jí)電壓跟隨器Ftl的基礎(chǔ)上，通過(guò)疊加一級(jí)電壓跟隨器F1，來(lái)大大降低跟隨器的跟隨誤差，同時(shí)為了增加電壓跟隨器帶負(fù)載能力，還增加了緩沖輸出級(jí)F2具體來(lái)說(shuō)，具有緩沖輸出級(jí)的雙極高精度電壓跟隨器的組成如下輸入信號(hào)的高端連接單級(jí)電壓跟隨器Ftl的同相輸入端，信號(hào)地同時(shí)作為Ftl的電源地；跟隨器Ftl的輸出端接參考地，此參考地作為FpF2的電源地；同時(shí)輸入信號(hào)的高端還輸入到跟隨器F1的同相輸入端，F(xiàn)1的反向輸入端與信號(hào)輸出端直接相連，F(xiàn)1的輸出端接入F2的同相輸入端，F(xiàn)2的輸出端接入信號(hào)輸出端。所述單級(jí)電壓跟隨器F。F1和F2均采用AD841寬頻帶運(yùn)算放大器。另外，所述誤差補(bǔ)償支路中的C1和Γι的取值為
5
C1 = C+C0!T1 = rc即C1等于標(biāo)準(zhǔn)電容C和補(bǔ)償電容Ctl之和，巧等于微分放大器支路中串入的補(bǔ)償電阻rc。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明在保證電感測(cè)量精度的前提下利用高性能反相放大器的虛地特性實(shí)現(xiàn)了電橋的自動(dòng)輔助平衡，測(cè)量電感時(shí)只需進(jìn)行主平衡即可完成電感精密測(cè)量，也提高了測(cè)
量速度；(2)本發(fā)明可使感應(yīng)分壓器開(kāi)關(guān)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)大大減少，從而延長(zhǎng)電橋的使用壽命， 提高電橋的可靠性；(3)補(bǔ)償電路和高精度雙極電壓跟隨器的加入，進(jìn)一步改善了電橋的測(cè)量精度，完善了商業(yè)儀器所需要的功能，保證了全部量程下的測(cè)量精度；由此構(gòu)成的改進(jìn)型麥克斯韋電橋可作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量電橋，在計(jì)量檢定系統(tǒng)內(nèi)推廣。


圖1是傳統(tǒng)的麥克斯韋電橋的原理圖。圖2是現(xiàn)有的改進(jìn)型麥克斯韋電橋的原理圖。圖3是本發(fā)明的電橋的原理圖，其具有自動(dòng)輔助平衡，并加入電壓跟隨器及消振補(bǔ)償電路后的改進(jìn)型麥克斯韋電橋。圖4是本發(fā)明的電橋中所使用的具有緩沖輸出級(jí)的高精度雙極電壓跟隨器的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述在電感測(cè)量中，常用麥克斯韋電橋，其原理圖如圖1所示，電橋平衡后，有如下關(guān)系Lx = R2R4C (1)Rx = R2R4G (2)圖1中，Lx、Rx分別為待測(cè)電感值和等效串聯(lián)電阻值，R2, R4, C分別為標(biāo)準(zhǔn)電阻和電容，G為電導(dǎo)。圖1中的麥克斯韋電橋中，由于電橋4個(gè)端點(diǎn)對(duì)地泄露電容的存在，使得指零儀Dl支路不是虛地電位(即零電位)。因此需加入輔助平衡支路4, 來(lái)消除此類(lèi)泄露的影響，Z1, Z2支路即為廣泛采用的電橋輔助平衡華格納支路。這種電橋使用電容和電阻去平衡被測(cè)電感，可避免電感與電感比較型橋路的缺點(diǎn)，具有明顯的優(yōu)越性，從而也容易提高電感測(cè)量的準(zhǔn)確度。此種電橋上將電容和電阻作為可調(diào)元件，可以對(duì)應(yīng)使線圈的電感和電阻進(jìn)行分別平衡和讀數(shù)，從而分別求的電感值Lj^PQ 值⑴=Lx/Rx)。實(shí)際電橋中是通過(guò)調(diào)節(jié)電容和電阻進(jìn)行測(cè)量的，由于受到電容箱的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性以及電阻元件時(shí)間常數(shù)的限制，此類(lèi)傳統(tǒng)電橋的誤差一般高于2 X W-4。圖2所示的是現(xiàn)有的改進(jìn)型麥克斯韋電橋的原理圖，圖2中的IVDa和IVD β是兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的七位感應(yīng)分壓器，它采用隔離式以獲得低輸出阻抗。IVDa的示值α表示
6被測(cè)電感值，IVDβ的示值β表示被測(cè)電感器的電阻值。電容C為標(biāo)準(zhǔn)電容器，名義值為 lOOOOpF.比例電阻R2和R4為標(biāo)準(zhǔn)電阻，電導(dǎo)G用來(lái)平衡電感器的電阻分量。電橋量程由 R2> R4決定，G和C分別與IVDci和IVDi^結(jié)合組成高準(zhǔn)確度可變電導(dǎo)箱和可變電容箱，從而使電橋獲得高準(zhǔn)確度測(cè)量結(jié)果。表1列出了電橋不同量程對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻&、1 4和電導(dǎo) G0
權(quán)利要求
1.一種提高麥克斯韋電橋電感測(cè)量精度的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)利用感應(yīng)分壓器與固定的標(biāo)準(zhǔn)電容C和標(biāo)準(zhǔn)電阻I 2、R4相結(jié)合，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)分壓器的輸出電壓大小來(lái)作為等效的電容和電阻的調(diào)節(jié)；(2)自動(dòng)輔助平衡在R4支路上并聯(lián)一個(gè)高性能反相放大器，將R4支路作為反饋電路， 兩者與標(biāo)準(zhǔn)電容C構(gòu)成一個(gè)微分放大器支路，將高性能反相放大器的虛地端作為電橋的另一個(gè)指零端，從而代替原有電橋中的輔助指零支路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輔助平衡；(3)抑制所述微分放大器支路在高頻脈沖下的振蕩在所述微分放大器支路中串入消振支路，來(lái)保證電路正常工作并抑制振蕩；(4)消除因引入所述消振支路所造成的誤差在所述消振支路上并入誤差補(bǔ)償電路；(5)消除感應(yīng)分壓器輸出阻抗的影響利用一種高精度電壓跟隨器跟隨所述感應(yīng)分壓器的輸出電壓。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的提高麥克斯韋電橋電感測(cè)量精度的方法的電橋，包括待測(cè)電感Lx和等效串聯(lián)電阻Rx，標(biāo)準(zhǔn)電阻I 2、R4，標(biāo)準(zhǔn)電容C、電導(dǎo)G ；Lx和Rx構(gòu)成所述電橋的第一個(gè)橋臂；R4構(gòu)成所述電橋的第二個(gè)橋臂出2構(gòu)成所述電橋的第三個(gè)橋臂；其特征在于所述電橋還包括三個(gè)感應(yīng)分壓器，分別為IVD、IVDa和IVDii，三個(gè)感應(yīng)分壓器并聯(lián)后一端與&串聯(lián)，另一端接地；電導(dǎo)G和標(biāo)準(zhǔn)電容C分別與感應(yīng)分壓器IVD α和IVD β結(jié)合組成高準(zhǔn)確度可變電導(dǎo)箱和可變電容箱，IVD α、IVD β、電導(dǎo)G和標(biāo)準(zhǔn)電容C構(gòu)成所述電橋的等效第四個(gè)橋臂；在R4上并聯(lián)有虛地輔助平衡運(yùn)算放大器Α，虛地輔助平衡運(yùn)算放大器A的同相輸入端接地；虛地輔助平衡運(yùn)算放大器Α、標(biāo)準(zhǔn)電容C和R4構(gòu)成微分放大器支路；微分放大器支路中串有補(bǔ)償電阻r。，在補(bǔ)償電阻r。上并聯(lián)有補(bǔ)償電容Ctl，補(bǔ)償電阻r。 和補(bǔ)償電容Ctl構(gòu)成消振支路；在補(bǔ)償電阻r。上還并聯(lián)有由電壓跟隨器A3、電容C1和電阻Γι串聯(lián)形成的誤差補(bǔ)償支路；另外，為了克服感應(yīng)分壓器輸出阻抗的影響，IVD、IVD α和IVDi3分別串聯(lián)有電壓跟隨器Ac^A1, A2，所述Ac^A1, A2分別用于跟隨IVD的輸出電壓、IVD α的輸出電壓和IVD β的輸出電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電橋，其特征在于所述電壓跟隨器Atl，A1,A2均采用具有緩沖輸出級(jí)的雙極高精度電壓跟隨器，所述具有緩沖輸出級(jí)的雙極高精度電壓跟隨器包括三個(gè)單級(jí)電壓跟隨器，分別為Fc^F1和F2 ；輸入信號(hào)的高端連接Ftl的同相輸入端，信號(hào)地同時(shí)作為Ftl的電源地；Ftl的輸出端接參考地，此參考地作為FpF2的電源地；同時(shí)輸入信號(hào)的高端還輸入到F1的同相輸入端，F(xiàn)1的反向輸入端與信號(hào)輸出端直接相連，F(xiàn)1的輸出端接入F2的同相輸入端，F(xiàn)2的輸出端接入信號(hào)輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電橋，其特征在于所述單級(jí)電壓跟隨器&、F1和F2均采用 AD841寬頻帶運(yùn)算放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電橋，其特征在于所述誤差補(bǔ)償支路中的C1和Γι的取值為即C1等于標(biāo)準(zhǔn)電容C和補(bǔ)償電容Ctl之和，Γι等于微分放大器支路中串入的補(bǔ)償電阻
全文摘要
本發(fā)明提供了一種提高麥克斯韋電橋電感測(cè)量精度的方法和電橋，屬于計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域。本發(fā)明利用感應(yīng)分壓器與固定的標(biāo)準(zhǔn)電容和標(biāo)準(zhǔn)電阻相結(jié)合，通過(guò)調(diào)節(jié)感應(yīng)分壓器輸出電壓大小的方法作為等效的電容和電阻的調(diào)節(jié)。同時(shí)本發(fā)明具有自動(dòng)輔助平衡的功能，只需簡(jiǎn)單完成電橋主平衡，即可實(shí)現(xiàn)電感值的精密測(cè)量，極大提高了電橋的收斂速度。針對(duì)自動(dòng)輔助平衡放大器加入而必須引入的消振支路，本發(fā)明給出了一種補(bǔ)償電路來(lái)補(bǔ)償消振支路帶來(lái)的誤差。為克服感應(yīng)分壓器輸出阻抗的影響，本發(fā)明給出了一種具有緩沖輸出級(jí)的雙極高精度電壓跟隨器。利用本發(fā)明提高了電感測(cè)量的速度，改善了測(cè)量精度，延長(zhǎng)了電橋的使用壽命，提高了電橋的可靠性。
文檔編號(hào)G01R27/26GK102162827SQ20101060396
公開(kāi)日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者丁誠(chéng), 楊雁, 王維, 陸文駿, 黃璐 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院