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　　0 引言

　　在目前的生產制造業中，與傳統的手動交流電橋相比，數字LCR阻抗測量儀因其測量性能穩定可靠，無需進行反復的、復雜的手動平衡，還可以減少測量誤差和結果計算，故已被越來越多地被應用于交流阻抗參數的測量。要保證LCR阻抗測量儀測量準確度，對其性能的考核就顯得尤為重要。本文對LCR阻抗測量儀電容、電感、電阻和損耗參數在lkHz頻率下的校準作一初步探討。

　　1 原理性能概述

　　帶微處理器的LCR阻抗測量儀為多測量功能、寬頻率、寬測量范圍的數字計量儀器，主要應用于測量電感器、電容器、電阻器和損耗、Q值等主副參量的測量。其工作原理是以內附的標準為基礎，在1kHz下溯源于電容基準。它采用自動平衡等電流條件下測量被測元件與內附標準量程電阻的相(矢)量電壓比例的方法給出被測元件的量值。一般說來，由正弦交流激勵電源、比較器、相量電壓比檢測器、數字控制和顯示電路幾部分組成。

　　在實際工作中，測量標準和被測量是用同一線路，而且相隔時間很短(大約僅為0.01s)，測量線路幾乎沒有什么變化。標準的比例，被測的量值和相位都是經過微處理器內部精密計算后迅速顯示出來的。

　　還可顯示測量電路的聯接方式、同時顯示L、Q、C、D值，克服了傳統的手動交流電橋繁瑣的平衡及困難的計算。

　　此外，由于LCR阻抗測量儀可以方便地進行三端或四端測量，通過開路調零和短路調零消除了開路電容和短路電感的影響;還可以消除被測端沒有屏蔽的接線端的影響，這些影響可以通過LCR測量儀的非線性自動調整，使變化的電磁波中非線性部分得到控制。橋體的偏置電壓也可由內部或外部提供。

　　2 主參量的校準

　　2.1電容參量的校準

　　選擇比被校LCR阻抗測量儀高二個等級(或高二個等級的標準阻抗測量儀和過渡量具)的標準電容器作為被測，主要考核電容示值的基本誤差。但標準電容器性能較為復雜，在音頻范圍內穩定性最好的電容器應選擇石英電容器和三端鈕空氣電容器，其值可以準確的計算出來。在精密測量中，一般選擇三端鈕電容器作為標準器使用，并采用等電位屏蔽，即：使低電位端與屏蔽等電位，但不直接相連接。電橋測量時，讓標準電容器和被測電容器流過相同的電流。由于三端鈕電容器的測量是在等電位屏蔽的基礎上進行，屏蔽消除了寄生泄漏的影響，準確度較高，如果排除其他干擾，可以選擇10pF-1uF的容量作為標準電容考核電容示值基本誤差。但考核luF以上的電容示值量程，用大電容作標準時一定要注意測量頻率，如果測量頻率高于音頻范圍時，測量結果將會發生很大的變化，這時必須作頻率影響修正。如果選擇云母電容器作為考核標準，溫度系數較小但損耗較差，因此只能考核準確度較低的LCR阻抗測量儀。三端鈕電容器采用兩次測量法：首先將電容器接入LCR阻抗測量儀測量，然后斷開高電位端測量開路電容量，兩次測量值的增量即為被測電容器的實際值。

　　2.2電阻參量的校準

　　采用比被校LCR阻抗測量儀高二個等級(或高二個等級的標準阻抗測量儀和過渡量具)的精密交流電阻作標準，主要考核被校LCR阻抗測量儀測量電阻的性能，考核時必須注意了解所用的標準電阻的穩定性。儀器顯示值與實際值的偏差應滿足被校LCR阻抗測量儀測量電阻的指標。此外，交流電阻的測量可采用二端鈕、三端鈕、四端鈕、五端鈕接線法，具體的測量接線視其阻值大小而定。選用不同量值的標準電阻作標準，對LCR阻抗測量儀的不同量程考核時要注意標準電阻的測量狀態。ZX<100Ω時，連接導線兩端鈕之間的并聯路電容影響可忽略不計，被測儀器一般采用串聯電路;測量高電阻(Zx>1kΩ)時，被測儀器采用并聯電路，連接導線端鈕之間的并聯電容影響較大，如果不接屏蔽，其交流電阻值和時間常數與周圍的電磁場有關，變化的電磁能會使交流電阻的交流特性發生明顯的變化，因此精密交流電阻器應帶屏蔽，測量需要按三端鈕接線進行。考核電橋小電阻量程時，要注意串聯電感影響測量，可用四端鈕或五端鈕接線。低于10Ω的交流電阻器可采用五端鈕接線法，屏蔽接地的目的是為了消除引線導納的影響。

　　電阻器測量時必須做二次測量，扣除LCR阻抗測量儀至被測電阻器的引線電阻。先使測量端短路平衡，然后再做測量電阻值的主測量，兩次測量值的增量即為被測電阻器的實際值。

　　3 電感參量的校準

　　校準LCR阻抗測量儀測量電感的范圍和準確度方法同考核C、R一樣，但由于附加效應的影響，使電感的精密測量比較困難，主要的原因是電磁場非線性因素，這是電感本身的材料引起的。一個通電線圈周圍的電場強度可以確定，但其周圍的電場強度是非線性的，尤其是磁性材料對不同的電壓幅度和不同頻率非線性響應比較大，這些因素造成了電感測量的復雜性，選用的標準電感必須有頻響的測量數據，LCR阻抗測量儀應給出被測電感的等值電路，現代的自動電橋用雙T網絡原理，選用元件匹配，能滿足較寬的頻率范圍測量電感。

　　電感測量受頻率影響較大，因此在考核LCR阻抗測量儀測量電感性能時，要注意所選用的標準電感本身的諧振頻率，在這個頻率下電感測量準確度最高。例如，一個高頻電感在100MHz下測量時，為3uH，Q為100，而在lkHz下測量電阻為18mΩ，Ω為0.1，因此100MHz下測量時的電感變成lkHz下的感性電阻了。

　　沙利文的標準電感(100uH—lH)在IkHz下可作為0.01%的標準電感考核LCR阻抗測量儀，而在10kHz下準確度就有較大的變化。在考核LCR阻抗測量儀測量小電感性能時要采用四端測量法，為了得到準確的測量結果，電壓端和電流端之間的耦合要盡可能小。

　　電感器不能加金屬屏蔽，因為會引起渦流，使得電感器測量值隨工作電流和頻率的變化而改變。但是測量電感器的連接線應該帶屏蔽，連接導線的長度一般在80cm一100cm。無論電感器量值的大小，接至電感器的引線端都不能屏蔽，該引線端應盡量短，其目的是為了減少分布電容的影響。還需要注意的是：

　　被測電感器的周圍不能有金屬、鐵磁物質存在。電感器測量也必須做二次測量，扣除LCR阻抗測量儀至被測電感器的引線電阻。先使測量端短路平衡，然后再做測量電感值的主測量，兩次測量值的增量即為被測電感器的實際值。

　　4 電容損耗因數的校準

　　損耗因數標準器由電容和電阻組合而成，有串聯等效電路和并聯等效電路兩類。取值范圍為(10-1~10-5)的十進步進式多盤損耗箱或1、2、5、8跳躍步進式損耗箱。電容量值為100pF～1uF的單值標準電容器。電容損耗因數的校準一般校準范圍為(10-4～1)。

　　5 頻率特性考核。

　　交流阻抗測量的準確度與頻率有關，阻抗測量的靈敏度和頻率是成比例的。每一交流阻抗都具有專用頻率，在其專用頻率下阻抗測量的靈敏度最高。因此LCR阻抗測量儀的頻率范圍應較寬，才能滿足各種交流阻抗的測量，目前LCR阻抗測量儀的頻率在10Hz一10MHz之間，如美國GR公司生產的1689(M)，Quadtech公司的7600，HP和Agillent公司的4284。考核LCR阻抗測量儀的頻率主要是通過數字頻率計直接測量LCR阻抗測量儀的各個頻率，看其是否滿足其頻率指標，如考核GRl689數字電橋的頻率，在測試夾“-”端與地之間用頻率計監測，儀器編程可選擇測試頻率12Hz，100Hz，1kHz，10kHz，100kHz等，頻率測量之偏差應小于儀器對頻率的指標要求。

　　6 測量電壓考核

　　交流阻抗測量需要特殊的電壓幅度，像鐵芯電感、半導體電容都是非線性元件，在測量時電壓不能太小，在整個測量過程中交流信號在測量引線中引起的噪聲會增加失真度，另外被測阻抗的非線性也會引起諧波畸變。增加電壓幅度可以克服上述現象。因此，要求LCR阻抗測量儀測量電壓在一定幅度內可調。測量電壓一般在5mV～1.25V，有利于交流阻抗的測量，而測量電壓與頻率有關，因此考核測量電壓時必須注明測量時的頻率。具體方法是用直接測量法，LCR阻抗測量儀不接被測，在測試夾具“-”端與地之間用數字電壓表監測：儀器頻率可選12Hz，lkHz和100kHz三種情況下測量5mV~1.25V，電壓偏差應滿足電橋測量電壓指標要求;也可選擇在某一電壓下，以不同的頻率考核該一電壓的變化，其電壓偏差也應滿足電壓指標要求。

　　總之，一臺LCR阻抗測量儀的校準，除了要考核其測量頻率范圍、電壓幅度等性能外，更重要的是要考核其組合測量即測量L、C、R的性能。在校準其測量L、C、R性能時，要注意測量頻率和聯接方式。當一臺LCR阻抗測量儀既可以進行三端測量又可以進行四端測量時，為了得到比較準確的測量結果，選擇測量聯結方式按以下原則進行：(1)阻抗低于10Q用四端測量;(2)阻抗高于10kΩ用三端測量;(3)在10Ω-10kΩ之間的阻抗必須消除開路電容和導線的串聯電阻影響，應在四端測量上加上屏蔽接地，即采用五端測量法。