專利名稱：：通過補償法測量交流互感的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種建立計量標準儀器的新技術(shù)，具體而言，涉及一種通過補償法測量交流互感的裝置和方法。
背景技術(shù)：
：我國具有豐富的稀土金屬資源，可用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)磁性材料。以前我國的稀土金屬大多以原材料的形式廉價出口，國外利用這些材料制成高檔儀器(如醫(yī)用人體核磁共振成像儀等)再銷售到我國，取得大量利潤。要改變這種情況需要制作高準確度的磁測量儀器精密測量磁性材料的特性，使我國也能用自己的稀土資源生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)磁性材料。磁測量儀器的準確性需溯源到磁通標準來保證，所以磁通標準在磁測量領(lǐng)域中是一種最重要的基礎(chǔ)性標準。在電工學(xué)中，精密磁通量標準由兩個線圈的互感來導(dǎo)出。互感量是電磁測量技術(shù)中的一個重要量。在交流測量中，互感由于其優(yōu)異的90度角特性，常被用作交流補償器中的直角分量提供者。在直流測量中，則常用于提供標準磁通量。此外，互感量測量不確定度的提高對于其它電學(xué)、磁學(xué)測量問題也有重大價值。目前國外文獻上發(fā)表的最精密的建立標準互感量的方法是根據(jù)對互感線圈的幾何尺寸進行測量的結(jié)果計算出互感量。由于幾何尺寸測量準確度的限制，到目前國內(nèi)外互感測量技術(shù)仍然停留在上世紀七十年代的水平，不確定度保持在2X10—6量級，近幾十年來一直沒有新的進展。本發(fā)明提出了一種精密測量互感的新方案，結(jié)合補償器技術(shù)和相敏檢波技術(shù)，把互感量值溯源到頻率和電阻的測量。頻率測量的不確定為10_14量級，量子化霍爾電阻基準的不確定度也可達10_9量級。因此本發(fā)明提出的新方案從原理上就優(yōu)于國內(nèi)外現(xiàn)有方案。
發(fā)明內(nèi)容為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種通過補償法測量交流互感的裝置，其特征在于，所述裝置包括多路信號發(fā)生器、恒流源、數(shù)字鎖相放大器和開關(guān)，所述多路信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵電壓許、補償電壓$和參考電壓烤，激勵電壓$是恒流源的參考電壓，補償電壓濤與激勵電壓碑的頻率、幅值和初始相位相同，參考電壓灣是與激勵電壓_和補償電壓_同頻的方波信號，所述恒流源包括激勵電壓碎、運算放大器、緩沖器和采樣電阻Rs，所述數(shù)字鎖相放大器用作電橋指零儀，在測量交流互感的過程中，在調(diào)節(jié)激勵電壓濤的幅值和相位、所述多路信號發(fā)生器的頻率ω和補償電壓碑的相位ρ使所述電橋指零儀實現(xiàn)指零之后，通過對所述頻率ω和所述參考電阻Rs進行測量，從而獲得交流互感的測量值Μ。優(yōu)選地，所述測量值M等于所述頻率ω和所述參考電阻Rs的數(shù)值之比。優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的上述裝置中，由同一個晶振提供時鐘參考，并由同一個電壓基準提供電壓參考。優(yōu)選地，所述多路信號發(fā)生器包括波形存儲器，所述波形存儲器中保存有波形的幅值信息。優(yōu)選地，使用低頻交流信號為所述恒流源提供激勵，并用所述恒流源為互感提供電流。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種通過補償法測量交流互感的方法，其特征在于，所述方法利用多路信號發(fā)生器、恒流源、數(shù)字鎖相放大器、開關(guān)和參考電阻Rs實現(xiàn)針對交流互感的測量，所述方法包括步驟所述多路信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵電壓搏、補償電壓_和參考電壓$，激勵電壓$是恒流源的參考電壓，補償電壓與激勵電壓[^的頻率、幅值和初始相位相同，參考電壓瑪是與激勵電壓辨和補償電壓碑同頻的方波信號；調(diào)節(jié)激勵電壓碑的幅值和相位，使得用作電橋指零儀的所述數(shù)字鎖相放大器指零；調(diào)節(jié)所述多路信號發(fā)生器的頻率ω和補償電壓終的相位P，使所述電橋指零儀實現(xiàn)指零；通過對所述頻率ω和所述參考電阻Rs進行測量，獲得交流互感的測量值Μ。優(yōu)選地，所述測量值M等于所述頻率ω和所述參考電阻Rs的數(shù)值之比。優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的上述裝置中，由同一個晶振提供時鐘參考，并由同一個電壓基準提供電壓參考。優(yōu)選地，所述多路信號發(fā)生器包括波形存儲器，所述波形存儲器中保存有波形的幅值信息。優(yōu)選地，使用低頻交流信號為所述恒流源提供激勵，并用所述恒流源為互感提供電流。在根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法中，采用低頻交流測量方案和基于相敏檢波器技術(shù)的數(shù)字鎖相放大器，可把電橋指零儀的分辨率達到1Χ10—8量級。此方法有如下優(yōu)點既避免了直流測量時的熱電勢等問題，又減小了高頻狀態(tài)下趨膚效應(yīng)、渦流效應(yīng)等誤差源。圖1為通過補償法測量交流互感的裝置和方法的示意圖。具體實施例方式本發(fā)明采用了直接數(shù)字合成技術(shù)提供穩(wěn)定而準確的直角比例，采用完善的四端定義保證被測阻抗的準確測量。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的通過補償法測量交流互感的裝置的示意圖。主要由六個部分組成恒流源，互感線圈Μ、開關(guān)S、補償電壓兩、鎖相放大器和參考信號烤。恒流源由激勵信號碑，運放Amp，緩沖器Buffer和采樣電阻Rs組成。為恒流源的參考電壓；誘為與碑頻率、幅值和初始相位均相等的補償電壓鴻為與蜱、辦同頻的方波信號，用作指零儀的參考信號。這三路信號由一臺基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的多路信號發(fā)生器產(chǎn)生。并由同一個晶振提供時鐘參考、同一個電壓基準提供電壓參考。根據(jù)數(shù)字頻率合成技術(shù)的原理，波形存儲器中保存了波形的幅值信息，存儲器地址則與波形的相位一一對應(yīng)，幅值僅與DA的電壓參考相關(guān)，相位的變動不影響幅值。通過設(shè)定存儲器的地址，可以使兩和終這兩路電源提供準確穩(wěn)定的直角比例。因此，電源的直角特性得以保證，同時可以看到，由于采用了恒流源電路，采樣電阻Rs的電壓引線和電流引線是獨立的，保證了被比較阻抗的嚴格四端定義?；ジ杏稍吅透边厓蓚€線圈組成，在原邊通入電流后，副邊感應(yīng)出電壓信號，且相位轉(zhuǎn)向90度。根據(jù)本發(fā)明的方法包括兩個步驟一、將開關(guān)S撥到1位置，兩與參考電阻Rs上的電壓進行比較。對于理想的運算放大器，應(yīng)該有兩=決=兩，但受限于器件實際的開環(huán)增益隨頻率升高而下降的原因，。調(diào)節(jié)激勵電壓源的幅值和相位，使指零儀指零，此時有⑴二、將開關(guān)S撥到2位置，終與互感副邊的輸出電壓進行比較。由于互感副邊的輸出要移相90度左右，因此需要調(diào)節(jié)頻率ω以及瑪?shù)南辔沪鸭s90度左右，使指零儀再次指零。從前面的介紹中知道，相位的變化不影響幅值。同時，補償電壓兩與產(chǎn)生電流的激勵電壓碑是共用同一個D/A參考電壓，兩者的變化是同步的，因此此種變化對比較過程不產(chǎn)生影響。因此有RS(2)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>把(1)和(2)代入(3)，就推導(dǎo)出新方案的平衡方程，同時也是互感的計算公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>頻率和參考電阻的量值可以通過實時測量的方式得到準確的量值，因此互感量M也就準確地被確定。同時可以注意到參考電阻Rs是完全按四端鈕電阻的接法接入的，消除了引線問題引起的誤差。本發(fā)明提出的新方案有如下優(yōu)點1)不需使用阻抗移相網(wǎng)絡(luò)，直接用數(shù)字技術(shù)提供準確而穩(wěn)定的直角比例；2)避免了直流測量時熱電勢等現(xiàn)象的影響；3)由于是低頻測量，減小了高頻狀態(tài)下趨膚效應(yīng)、渦流效應(yīng)等問題；4)同時作為指零儀的鎖相放大器的相敏檢波技術(shù)實現(xiàn)了相關(guān)測量方法，也是消除諧波等干擾信號影響的一個重要的利器。測量電路中的運算放大器和功率放大器都需要直流供電，因此將它們和電池組以及充電裝置放在一起，用黃銅箱加以屏蔽。屏蔽箱內(nèi)還包括了主要的測量線路，其它裝置和元件都通過同軸線或多芯屏蔽線連到屏蔽箱的接線板上，從而形成整個測量線路。接線板上設(shè)置了雙刀雙擲開關(guān)，用以切換兩次平衡的線路。實驗所用指零儀為SR830型鎖相放大器，其最小量程的靈敏度為2nV。相對靈敏度為1X10_8。采用本發(fā)明研制的交流互感測量系統(tǒng)對一只標準互感的測量結(jié)果如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種通過補償法測量交流互感的裝置，其特征在于，所述裝置包括多路信號發(fā)生器、恒流源、數(shù)字鎖相放大器和開關(guān)，所述多路信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵電壓補償電壓和參考電壓激勵電壓是恒流源的參考電壓，補償電壓與激勵電壓的頻率、幅值和初始相位相同，參考電壓是與激勵電壓和補償電壓同頻的方波信號，所述恒流源包括激勵電壓運算放大器、緩沖器和采樣電阻RS，所述數(shù)字鎖相放大器能夠用作電橋指零儀，在測量交流互感的過程中，在調(diào)節(jié)激勵電壓的幅值和相位、所述多路信號發(fā)生器的頻率ω和補償電壓的相位使所述電橋指零儀實現(xiàn)指零之后，通過對所述頻率ω和所述參考電阻RS進行測量，從而獲得交流互感的測量值M。FSA00000079992900011.tif,FSA00000079992900012.tif,FSA00000079992900013.tif,FSA00000079992900014.tif,FSA00000079992900015.tif,FSA00000079992900016.tif,FSA00000079992900017.tif,FSA00000079992900018.tif,FSA00000079992900019.tif,FSA000000799929000110.tif,FSA000000799929000111.tif,FSA000000799929000112.tif,FSA000000799929000113.tif2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述測量值M等于所述頻率ω和所述參考電阻Rs的數(shù)值之比。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，在所述裝置中，由同一個晶振提供時鐘參考，并由同一個電壓基準提供電壓參考。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述多路信號發(fā)生器包括波形存儲器，所述波形存儲器中保存有波形的幅值信息。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，使用低頻交流信號為所述恒流源提供激勵，并用所述恒流源為互感提供電流。6.一種通過補償法測量交流互感的方法，其特征在于，所述方法利用多路信號發(fā)生器、恒流源、數(shù)字鎖相放大器、開關(guān)和參考電阻Rs實現(xiàn)針對交流互感的測量，所述方法包括步驟所述多路信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵電壓辨、補償電壓$和參考電壓拷，激勵電壓$是恒流源的參考電壓，補償電壓兩與激勵電壓_的頻率、幅值和初始相位相同，參考電壓濤是與激勵電壓游和補償電壓瑪同頻的方波信號；調(diào)節(jié)激勵電壓碑的幅值和相位，使得用作電橋指零儀的所述數(shù)字鎖相放大器指零；調(diào)節(jié)所述多路信號發(fā)生器的頻率ω和補償電壓兩的相位P，使所述電橋指零儀實現(xiàn)指零；通過對所述頻率ω和所述參考電阻Rs進行測量，獲得交流互感的測量值Μ。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述測量值M等于所述頻率ω和所述參考電阻Rs的數(shù)值之比。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，由同一個晶振提供時鐘參考，并由同一個電壓基準提供電壓參考。9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述多路信號發(fā)生器包括波形存儲器，所述波形存儲器中保存有波形的幅值信息。10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于，使用低頻交流信號為所述恒流源提供激勵，并用所述恒流源為互感提供電流。全文摘要本發(fā)明為一種采用補償器技術(shù)精密測量交流互感量的新方法。把互感量值溯源到電阻量值和頻率的測量，兩者的測量不確定度均可達到10-9量級甚至更高，因此測量互感的不確定度至少可達到10-8量級。目前國外文獻上發(fā)表的最精密的得到標準互感量的方法是“計算互感法”，即根據(jù)對互感線圈的幾何尺寸的測量結(jié)果計算出互感量。由于幾何尺寸測量準確度的限制，國外方法的不確定度只能達到10-6量級。本發(fā)明采用直接數(shù)字合成技術(shù)生成多路交流信號，保證了信號的直角性。采用恒流源為互感提供激勵，保證了互感和采樣電阻中流過的電流始終相同。激勵信號電壓的變化對測量過程不產(chǎn)生影響。使用基于相敏檢波技術(shù)的鎖相放大器作為指令儀，只對與工作頻率相等的信號起作用，消除了噪聲、諧波的影響，指零儀分辨率可到1×10-8。本發(fā)明提出的新方法可比國外現(xiàn)有方法提高十倍。文檔編號G01R29/00GK101819234SQ201010156388公開日2010年9月1日申請日期2010年4月27日優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日發(fā)明者蘭江,富雅瓊,張鐘華,李世松,李正坤,賀青,趙建亭申請人:中國計量科學(xué)研究院