阻抗的测量

一、阻抗的定义与表示式
阻抗是表征一个元器件或电路中电压、电流关系的复数特征量,用公式表示为
图1阻抗的矢量图 二、电桥法测量阻抗
典型阻抗测量方法有伏安法测量阻抗和电桥法测量阻抗。
其中伏安法测量阻抗是以前就学习过的,原理就是根据欧姆定律来测量集中元件参数的。该方法使用方便,但测量精确度较差,仅适用于低频测量,比较适合直流电阻的测量。
(此处插入本章“资源库”—“动画”文件夹下的动画3-1 伏案法测电阻.swf )
而电桥法(特指平衡电桥)是根据电桥平衡时的电桥平衡条件来确定被测量。该方法的工作频率较宽,测量精度较高。但因为在高频测量时,电桥对屏蔽良好的要求很高,所以比较适合低频阻抗元件的测量。其中直流电桥用于测量直流电阻,交流电桥用于测量电容、电感等参数。
原理:电桥平衡条件
平衡电桥分类:直流电桥和交流电桥。
特点:工作频率较宽,测量精度较高,可达10–4,比较适合低频阻抗元件的测量。
当指示器两端电压相量时,流过指示器的电流相量为零,这时称电桥达到平衡。
电桥平衡条件为
z1z3=z2z4
根据上式,可以计算出被测元件zx的量值。电桥平衡时有
它表明:一对相对桥臂阻抗的乘积必须等于另一对相对桥臂阻抗的乘积。
1.交流电桥
(1)结论1:
要使交流电桥完全平衡,必须同时满足振幅平衡条件和相位平衡条件。所以相邻两桥臂为纯电阻时,另两个桥臂应呈现同性电抗;相对桥臂为纯电阻时,另一相对桥臂应呈现异性电抗;两个桥臂由纯电阻构成时,呈现电抗特性的桥臂须由标准可调电阻和电抗件构成,该电抗件一般选用标准可调电容。
分类:臂比电桥(相邻桥臂为纯电阻,适合测量电容),臂乘电桥(相对桥臂为纯电阻,适合测量电感)。
(2)结论2:
交流电桥的电源必须为纯正弦波交流电源;否则,会使电桥产生假平衡,从而产生很大误差。为了提高测量精确度,要经过选频放大器放大、检波器检波后送入检流计。为了减小杂散耦合的影响,电桥各部分之间要良好屏蔽。即使采取以上措施,交流电桥也仅适合在音频或低射频段使用;否则,由于高频段所用的高频电源本身也是干扰源,而且高频段要求的屏蔽效果难以达到,所以交流电桥不适合在高频段测量。
2.直流电桥
当被测元件为电阻元件时,取z1=r1,z2=r2,z3=r3,z4=r4,
则图3. 2所示为一个直流电桥,且有
r1=r2r4/r3
3.电桥法的优缺点
(1)高精度(0.1%典型值)
(2)使用不同电桥可得到宽频率范围
(3)价格低
(4)需要手动平衡
(5)单台仪器的频率覆盖范围较窄
(6)频率范围:dc~300mhz
[例1] 某交流电桥如图3.3所示。在电桥平衡时,c1=0.5μf,r2=2kω,c2=0.05μf,r3=1kω,c3=0.5μf,信号源us的频率为1khz,求阻抗z4的元件值。
解:由电桥平衡条件z1z3=z2z4,可得:
z4=z1z3/z2= z1z3y2
由已知条件得
则:
z4按阻容串联考虑,并将元件参数及角频率带入上式,解得: