维普资讯 14 LCR测量仪的工作原理和使用技巧 LCR测量仪的工作原理和使用技巧 汪源浚 (中国工程物理研究院工学院,四川绵阳,621900) 摘要文章介绍了LCR测量仪的工作原理和使用技巧,并列举了使用时应注意的问题。 关键词 LCR测量仪:阻抗:导纳;相位角;数字电流表;数字电压表;鉴相器 为适应电阻、电感、,电容及其组合器件生产厂家的检测需要,生产电子仪器的各公司推出了多种 型号的测量仪器。例如惠普公司的liP4263B型LCR测量仪、致茂公司的3250/3252型 自动变压器测 试系统和ShenHwa公司的LCZ型测量仪等都属于此类仪器。这些仪器具有检测速度快、测量精确度 高和测量过程的自动化等忧点,非常适合对产品批量生产的监测。也能用于新产品的开发和科研工作 中。 下面以惠普公司的HP4263B型LCR测量仪为例来介绍一下这类电子仪器的工作原理、使用技巧 和应注意的问题 。 1 LCR测量仪检测元器件的原理 根据待检测元器件实际使用的条件和组合上的差别,LCR测量仪设有两种检测模式:串联模式和 并联模式。串联模式以检测元器件的阻抗 z为基础,其基本原理如图l所示;并联模式以检测元器件 的导纳Y为基础,其基本原理如图2所示。 图1串联模式原理图 图2 并联模式原理图 图 l和图2中的Vs为仪器内部的正弦波信号源,Rs为信号源的内阻,V为数字电压表,A数字 电流表。除此之外仪器内部还装有在图中未画出的数字鉴相器。当用户将待测元器件接到仪器上之后, 数字电流表将测出流过待测元器件的电流 I,数字电压表将测出待测元器件两端的电压V,数字鉴相器 将测出电压v与电流I之间的相位角0。检测结果被存储在仪器内部微型计算机的三个存储单元中。 有了v、I、oK三个数据,仪器内部微型计算机就会 自动地算出用户所要检测的参数。 收稿 日期:2007.11-29 维普资讯 2008年3月第1期 教学与科技15 2 仪器能够检测的参数 在仪器使用说明书中,列有如表 1所示的测量参数选择表。表中Primary为主参数栏,Secondary 为次参数栏。表中的z为阻抗,Y为导纳,R为电阻,G为电导,Cp为并联电容,Cs为串联电容, Lp为并联电感,Ls为串联电感,0为电压相对于电流的相位角,x为电抗,B为电纳,D为损失因素, Q为品质因数,Rp为并联电阻, 为串联电阻。 在用户对元器件或两个元器件的组合件作检测之前,必须根据它们的持点,从主参数栏中选择一 个待测的主参数,从次参数栏中选择一个待测的次参数。一个主参数搭配一个次参数,共有20个组合 R G 印 方案可供选择。一次测量完成后,仪器的液晶屏上将示出测得的主参数和次参数的数值和单位。 表1: 供用户选择的测量参数表 Primary Secondary e e X B D,Q,G D,Q,R5 D,Q,G,Rp D,Q,R5 3 微型计算机用V、I、e数据计算用户选定参数的方法 在仪器 内部的微型计算机中,存有按表 1所列的 20 R5 V 组合方案预先编好的 20个计算程序。用户选择一个组合 方案就等于从微机中调出了相应的计算程序。例如,用户 拟检测图3所示RL串联电路中的电感L和电阻R,就应 选择 Ls-Rs组合参数。选定后,仪器 自动将计算 Ls-Rs 组合参数的程序调入 内存,并开始运行。 图3 检测RL串联 电路的原理图 Ls-Rs程序采用的是图1所示串联模式。程序首先用 测得的串联电路两端的电压 V作分子,用测得的流过串联电路的电流 I作分母进行除法运算。得到的 商就是串联电路复阻抗 z的模量: IzI=w (1) 程序再利用式 (1)和测得的相位角O,写出复阻抗 z的实数和虚数部分: Z= IzIcosO+iIzIsine (2) 另外,由欧姆定理可得到RL串联电路阻抗的表达式: Z= Rs+i(I)Ls (3) 比较式 (2)和式 (3),得到: Rs=IzIcosO (4) Ls=IzIsnie/(I)=IzIsin0/2Ⅱf (5) 式(5)中的f是信号源的频率。最后程序将式 (4)中 的阻值和式 (5)中Ls的感值显示在仪 维普资讯 16 LCR测量仪的工作原理和使用技巧 器的液晶屏上。 表2列出了用户检测其它组合参数时采用的计算模式和微机完成的计算任务。 表2:各种组合参数的计算模式和计算内容 4 用户选择组合参数应注意的事项 用户选择的组合参数必须与被检测的元件或元件的组合电路相一致。例如检测RC或RL串联电路 时,只能选择Cs-Rs或Ls-Rs组合参数,不能选用Cp_Rp或Lp-Rlp组合参数,否则仪器测出并显示 在液晶屏上的电感、电阻、电容将与它们的实际值相差甚 Rs V —。‘’—’‘‘‘I 远。例如,待测组合件为 1000pF与lkQ的RC串联电路。 检测者本应选择 Cs-Rs组合参数的,但却误选成 Cp-Rp 组合参数 (见图4)。检测者选定C p组合参数后,调 入到微机内存的是计算Cp-Rp组合参数的程序。程序将 图4 串联电路被当作并联电路检测的示意图 按照计算RC并联电路的方法进行计算。程序先用测到的 串联电路两端的电压V和流过串联电路的电流I算出串联电路电路复导纳Y的模量 IYI: IY I=I,、, (6) 再利用式 (6)和测得的相位角0,算出复导纳Y的实数和虚数部分: Y=IYIcosO+jIYIsin0 (7) 再由式 (7)得到: Rp=1/fY IcosO (8) Cp=fYIsinO/=IYIsinO/2Ⅱf (9) 维普资讯 2008年 3月 第 1期 教学与科技l7 最后程序将式 (8)和式 (9)中Rp的阻值和 Cp的电容量显示在仪器的液晶屏上。 但是从电路原理知道,RC串联电路的导纳Y的表达式应该是: 1 1 w 工c)2+J o)C I+((oRC)2。 (10) jo)C 程序根据测得的串联电路的I、v和0算出的式 (7)应该与式(10)一致,即有等式: IY Icos0: l ; (11) +( C)‘ IY Isin0:— (12) l+( C)‘ 将式 (11)、式(12)相应地代入到式 (8)、式(9)中得到显示的Cp、Rp与串联电路中C、R的 关系式: cP 1+(coRC)2 南3Rp 罟++由此可见,不能把 Cp当作图4中的C,也不能不能把 I 当作图4中的R。图4中的C、R与液 晶屏上显示的cp、I 之间的关系由式 (14)和式 (15)决定。 在C=1000pF,R=lkQ,仪器的检测信号频率f=100kHz的情况下,液晶屏上显示的Cp、I 为: Cp=0.717C=717pF (15) Rp=3.533R=3533Q (16) 如果用户把 Rp当作图4的R,把cp当作图4的c,那误差就大了。可见不能用并联模型来检测 串联路 。 5 检测单个元件时选择组合参数的方法 ? ? }__] }__] 感。感。电容内部的电介质和表面有漏蔷阻,引线釜也有茎电嚣阻;电感詈导C十I}I『L;}1|‘ 线涂层和它的线圈之间也有漏阻,线圈本身也有电阻。因此, Rs0 Rs0 可近似地把一个 电容或一个 电感等效成图4所示的电路。图中 的C和 L是理想的纯 电容和纯 电感,I 为它们的漏阻, 为图5 单个电容和电感的等效电路 它们引线或线圈的电阻。 用户在检测单个电容或电感时,除了能测出电容或电感本身外,还可以选测一个寄生参数 Rp或。用户应根据电容或电感的实际使用条件选择组合参数和计算模型。 例如,待检测的元件是个容量特别大的电容。在 电路中,大电容呈现的容抗很小。在容抗很小的 元件旁边并联一个阻值很大漏阻Rp,对流过电容电流的分流作用极小,完全可以忽略。相反,由电容 引线形成的串联电阻 的作用倒是应该引起用户的注意,因为电容本身的容抗很小,即使 比较小 也可能与容抗同属一个量级。 用一个例子来说明。设CLARGE=10 ,工作频率f=100kHz,漏电流电阻Rp=1MQ,引线电阻 Rs=0.1Q,则电容呈现的容抗 zc为: 维普资讯 18 LCR测量仪的工作原理和使用技巧 Zc= xCL^RGE 2zxfxCL^】tGE=0.159Q (17) 在Zc=O.159Q电阻旁边并联一个Rp=1MO的电阻,对zc的分流作用,小于百万分之二,完全 可以忽略它。 但是,给Zc=O.159Q串联一个Rs=O.1Q,其Zc将由O.159Q增加到0.259Q,增加量近63%. 因此,用户在选用容量特别大的电容时,应选择Cs和 组合参数,采用串联模型。 类似的讨论可得到用户在检测容量特小的电容、感值特大或特小的电感等单个元时应选择的组合 参数和计算模型。表3列出了检测单个元件应选择的组合参数和计算模型。 表3:检测单个元件应选择的组合参数和计算模型 TheoryandOperationalCraftsmanshipoftheLCR M eter WangYunajun (CAEPInstituteofTechnology,MianyangSichuan,621900) Abstract Thispaperintroducesthehteory nadoperationalcraftsmanship ofhteLCR metre,nad enumerateshteissuestobenoticedni itsoperation. Keyword LCRmeter;impednace;admittance;nagleofphase;digitalampreemeter;digitalvoltmetre; Phasediscriminator