一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥及阻抗测量方法
【专利摘要】本发明为一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥及其阻抗测量方法，该交流电桥包括交流电源、主感应分压器、辅助感应分压器以及指零仪；主感应分压器与辅助感应分压器具有相同的感应分压比率，二者之间设有由有源电压跟随器、反向放大器、滤波器以及隔离变压器串联构成的负反馈支路；隔离变压器的原边与辅助感应分压器相连接；有源电压跟随器的输入端连接主感应分压器、输出端连接指零仪；该测量方法是使主感应分压器上的分压经过负反馈支路处理后，使指零仪支路自动获得地电势，电桥通过简单的主平衡即可实现阻抗比较测量；本发明实现了准确快速的交流阻抗测定，极大提高了电桥的收敛速度。
【专利说明】一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥及阻抗测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电气测量【技术领域】，尤其涉及一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥及其阻抗测量方法。
【背景技术】
[0002]交流电桥是电气测量技术的一个重要部分，用交流电桥测量交流电路的参数，由于电桥测量法属于比较测量法，它比直接测量法具有更高的准确度，所以也是目前应用最广和最准确的方法。
[0003]交流电桥是用差值测量法比较两个交流电压或两个交流阻抗的线路。它是由桥体、电源、指零仪三大部分组成。
[0004]如图1所示，传统交流电桥是由直流四臂电桥，即单电桥或惠斯登电桥的结构而发展出来的。
[0005]四臂电桥的桥体主要由比率臂和待比较阻抗组成，通过调整比率臂与待比较阻抗比率相同，使电桥达到主平衡，完成阻抗的比较测量。比率臂能给出准确的电流比或电压比。
[0006]具体来说，传统的交流四臂电桥的桥体主要由比率臂和待比较阻抗组成，通过调整比率臂与待比较阻抗比率相同，使电桥达到主平衡，完成阻抗的比较测量。当电桥平衡后，有如下关系:
[0007]
【权利要求】
1.一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥，包括交流电源(AC)以及感应比率臂电桥；其特征在于:所述感应比率臂电桥包括主感应分压器(Tl)、辅助感应分压器(T2)、第一待比较阻抗(Z1)、第二待比较阻抗(Z2)以及指零仪(Dl);所述第一待比较阻抗(Zl)与第二待比较阻抗(Z2)串接，并与所述主感应分压器(Tl)、辅助感应分压器(T2)并联接入所述交流电源(AC);所述指零仪(Dl)的一端连接在所述第一待比较阻抗(Zl)与第二待比较阻抗(Z2 )之间、另一端与所述主感应分压器(TI)相连接； 所述主感应分压器(Tl)与所述辅助感应分压器(T2)具有相同的感应分压比率； 所述交流电桥还包括负反馈支路，其包括依次串联连接的有源电压跟随器(Al)、反向放大器(A2)、滤波器(Fl)以及隔离变压器(T3)； 所述隔离变压器(T3)的原边与所述辅助感应分压器(T2)相连接；所述有源电压跟随器(Al)包括运算放大器，其同向输入端与所述主感应分压器(Tl)相连接，其反向输入端以及输出端分别连接至所述指零仪(Dl)支路，并同时连接至所述反向放大器(A2)的输入端；所述主感应分压器(Tl)上的感应分压电信号依次经过所述有源电压跟随器(Al)、反向放大器(A2)、滤波器(Fl)以及隔离变压器(T3)后，流入所述辅助感应分压器(T2);通过调节负反馈支路的反向放大倍数，使所述指零仪(Dl)支路获得地电势。
2.根据权利要求1所述的一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥，其特征在于: 所述主感应分压器(Tl)为一个二级感应分压器，其包括并联连接的第一级激磁绕组(Tl-1)和第二级比率绕组(T1-2);所述第二级比率绕组(T1-2)上设有第一分压抽头(Cl)，所述第一分压抽头(Cl)与所述有源电压跟随器(Al)的同向输入端相连接；所述有源电压跟随器(Al)的输出端与所述指零仪(Dl)之间通过端对阻抗测量中的同轴线的屏蔽层相连接。`
3.根据权利要求1或2所述的一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥，其特征在于: 所述有源电压跟随器(Al)为组合跟随器；其包括两个串接的第一运算放大器(Al-1)和第二运算放大器(A1-2); 所述第一运算放大器(Al-1)的同向输入端与所述主感应分压器(Tl)相连接，所述第一运算放大器(A1-1)输出端连接至所述第二运算放大器(A1-2)的同向输入端，所述第二运算放大器(A1-2)的输出端与所述第一运算放大器(Al-1)和第二运算放大器(A1-2)的反向输入端相连接，并与所述指零仪(Dl)支路以及反向放大器(A2)的输入端相连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥，其特征在于: 所述隔离变压器(T3)的原边与副边的线圈匝数比为1:1 ; 所述滤波器(Fl)为带通滤波器，其频带限定范围是IOOHz~20kHz，Q值为3~5，带通增益为I ; 所述反向放大器(A2)的放大倍数为100倍~700倍。
5.使用权利要求1~4之一所述的一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥的阻抗测量方法，其特征在于: 所述的阻抗测量方法包括如下步骤: 步骤1:搭建起交流感应耦合比率臂电桥的自动辅助平衡电路，调节分压抽头的位置，使所述主感应分压器(Tl)和辅助感应分压器(T2)具有相同的感应分压比率； 所述主感应分压器(Tl)上的感应分压电信号依次经过电势跟随、反向放大、滤波以及隔离变换处理后，与所述辅助感应分压器(T2)的感应分压电信号相叠加； 步骤2:由于主感应分压器(Tl)的感应分压被所述辅助感应分压器(T2)的感应分压基本抵消，再通过调节所述反向放大器(A2)的放大倍数，抑制所述指零仪(Dl)支路电势，使所述指零仪(Dl)支路自动获得地电势； 步骤3:向所述主感应分压器(Tl)的第一分压抽头(Cl)输出支路中注入一个平衡电势以改变电桥的比率，使该比率和待比较阻抗的比率相同，从而使得所述指零仪(Dl)两端电势相同，从而完成电桥平衡； 步骤4:通过所述主感应分压器(Tl)的感应分压比率求得待测阻抗数值，实现阻抗比较测量。
6.根据权利要求5所述的一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥的阻抗测量方法，其特征在于: 在步骤2中，设所述反向放大器(A2)的倍数为g，所述滤波器(Fl)在工作频率下带通增益为1，则所述指零仪(Dl)支路与所述有源电压跟随器(Al)之间的电压为: Va =(U2-U4)Kg+1) 根据上述公式，通过反馈增益g来抑制V。，使所述指零仪(Dl)支路自动达到虚地电位要求，实现自动辅助平衡； 在步骤4中，感应交流电桥处于平衡状态，所述主感应分压器(Tl)的分压比率与所述第一待比较阻抗(Z1)、第二待比较阻抗(Z2)之间满足以下关系式: U2 Z2` 利用上述关系式，已知其中一个待比较阻抗值，即可求出另一个待比较阻抗值。
7.根据权利要求5所述的一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥的阻抗测量方法，其特征在于: 所述主感应分压器(Tl)为一个二级感应分压器，其包括并联连接的第一级激磁绕组(Tl-1)和第二级比率绕组(T1-2);所述第二级比率绕组(T1-2)的第一分压抽头(Cl)与所述有源电压跟随器(Al)的同向输入端相连接；所述有源电压跟随器(Al)的输出端与所述指零仪(Dl)之间通过端对阻抗测量中的同轴线的屏蔽层相连接； 所述第二比率绕组(T1-2)输出的感应分压电信号经过电势跟随处理后，输出至所述指零仪(Dl)支路。
8.根据权利要求5所述的一种具有自动辅助平衡功能的交流电桥的阻抗测量方法，其特征在于: 所述主感应分压器(Tl)上的感应分压电信号经组合跟随器跟随后，输出至所述指零仪(Dl)支路； 具体来说，是使所述主感应分压器(Tl)上的感应分压电信号依次经过所述第一运算放大器(Al-1)正向输入端、第一运算放大器(Al-1)的输出端、第二运算放大器(A1-2)的正向输入端以及第二运算放大器(A1-2)的输出端后，输出至所述指零仪(Dl)支路以及反向放大器(A2)的输入端。
【文档编号】G01R17/14GK103529268SQ201210227952
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月2日 优先权日:2012年7月2日
【发明者】杨雁, 陆文骏, 赵建亭, 黄璐, 陆祖良 申请人:中国计量科学研究院