Измеритель электрического импеданса LCR-метры

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Измерители электрического импеданса широко применяются во многих отраслях промышленности и в быту.
В основном, измеритель электрического импеданса - это малогабаритный прибор, имеющий низкую точность или цифровой прибор с высокой точностью, но имеющий большие габариты.
В настоящий момент на рынке средств измерения присутствует достаточное количество измерителей RLC, отличающихся как ценой, так и функциональными возможностями.
Выбор средства измерения должен осуществляться в каждом конкретном случае по-разному.
Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели измерителя электрического импеданса должны соответствовать следующим параметрам: низкая себестоимость, малые габаритные размеры, малое собственное потребление, оптимальные метрологические характеристики.
В резу ...

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА LCR-МЕТРЫ 8
1.1 Обзор рекомендованных СИ 8
1.2 Анализ и выбор на основе обзорной информации средства измерений для детального изучения. Основные сравнительные характеристики выбранного СИ 13
1.3 Практика применения выбранного СИ 17
2 АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫБРАННОГО СИ 20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 24

Для измерения комплексных параметров цепей на различных частотах или комплексного сопротивления предназначены приборы, которые называют измерители импеданса.
Если прибор имеет возможность измерения комплексной проводимости (амитанса), то такой прибор называется измеритель иммитанса. Чаще всего эти приборы упрощенно называют измерители RLC, хотя это название не отражает реального функционального назначения этих средств измерения. Кроме измерения R, L и C, в зависимости от типа, эти приборы позволяют измерять такие параметры как:
добротность цепи или электронного компонента;
тангенс угла потерь;
комплексное сопротивление на различных частотах;
фазовый сдвиг между током и напряжением в цепи;
активное сопротивление постоянному току.
Основными характеристикам измерителей импеданса, кроме диапазона и погрешности измерения R, L и C являются:
частотный диапазон тестового сигнала, чем шире частотный диапазон, тем шире пределы измерения L и C приборе. Для измерения малых емкостей и индуктивностей необходима как можно более высокая частота тестового сигнала.
пределы изменения уровня тестового сигнала и возможность его стабилизации при изменении сопротивления измеряемой цепи;
наличие внутреннего и внешнего смещения тестового сигнала постоянным напряжением (например, необходимо для измерения емкости варикапов);
возможность связи прибора с персональным компьютером для документирования результатов измерения или программной обработки результатов измерения (например, построение графиков зависимости емкости или индуктивности от температуры в реальном масштабе времени и т.п.)
возможность программирования прибора для сортировки и отбраковки компонентов на производстве; возможность подключения механического манипулятора[5].
Сложные измерения - получение частотных зависимостей, добротности и фактора потерь проводят специализированными приборами – измерителями иммитанса (импеданса) или измерителями RLC. С этим и связана актуальность применения данных средств измерений.
Название прибора RLC - метр образуется от сокращенных названий измеряемых компонент. То есть это прибор для измерения индуктивности, емкости и сопротивления. Пример см. на рисунке 0.1.

Прибор должен иметь параллельную и последовательную схему измерения.
Прибор должен иметь возможность измерять значения на разных частотах.
Прибор должен иметь малую амплитуду измерительного сигнала.
Прибор должен иметь 4-проводную схему измерения и соответствующие тестовые щупы Кельвина.
В таблице 1.1 приведены сравнительные характеристики цифровых измерителей иммитанса кампании BK Precision.
Исходя из вышесказанного и пользуясь данными таблицы 1.3 в качестве измерителя выбираем LCR-889В (рис.1.7).
К достоинствам LCR-889В можно отнести заметно расширенный диапазон частот измерений и большую сетку частот, высокую точность и среднюю стоимость, поэтому для измерений выбираем данный прибор.
Таблица 1.1 - Сравнительные характеристики измерителей BK Precision
Параметр
889В
894
895
878
875В
Базовая погрешность
0,1%
0.05%
0.05%
0,5%
0,5%
Рабочие частоты
20Гц - 300 кГц
20Гц - 500 кГц
20Гц - 1 МГц
120 Гц - 10 кГц
12 Гц - 100 кГц
Емкость
0,1 пФ  10м Ф
0,0001 пФ  100 мФ
0,0001 пФ  100 мФ
0,1 пФ  10м Ф
0,1 пФ  10м Ф
Активное сопротивление
0,01 мОм 1 ГОм
0,1 мОм  1 ГОм
0,1 мОм  1 ГОм
1 мОм  1 МОм
2 мОм  1 МОм
Индуктивность
100 нГн - 10 кГн
0,1 нГ - 100 кГн
0,1 нГ - 100 кГн
100 нГн - 10 кГн
100 нГн - 200кГн
Тангенс угла потерь
0,0001 - 10000
0,0001 - 10
0,0001 - 10
-
-
Добротность
0,0001 - 10000
0,00001-50
0,00001-50
0,0001-50
Модуль комплексного сопротивления
0,01 мОм  1 ГОм
0,1 мОм  2 ГОм
0,1 мОм  2 ГОм
От 0,01 мОм до 99999 кОм
Габариты
300 x 220 x 150 мм
109x363x386 мм
192 x 90 x 37 мм
177 x 88 x 40 мм
Вес
4,5кг
5,8 кг
5,8 кг
390г
400г
Цена
$1,475
$3,625
$5,525
$249
$249
1.3 Практика применения выбранного СИ
Современные измерители имеют функцию автоматического выбора пределов измерения.
При измерении емкости конденсатор должен быть полностью разряжен. Подключение заряженного конденсатора к LCR-метру может привести к поломке прибора. Это касается любых измеряемых электрических цепей – перед измерениями цепь необходимо отключить и разрядить.
В силу разных неидеальностей, емкости и индуктивности реальных элементов зависят от частоты, напряжения и тока. Поэтому амплитуда измерительного сигнала должна быть как можно меньше, а частота измерительного сигнала должна быть как можно ближе к частоте, на которой используется элемент.
Если элемент используется при постоянном смещении тока или напряжения и влияние этого смещения существенно, то нужно выбирать LCR-метр с возможностью обеспечения постоянного смещения.
Для уменьшения влияния соединительных проводов в измерителях RLC829 используют четырехзажимную схему подключения исследуемого элемента (рис. 1.10)
Рисунок  1.8. Четырехзажимная схема подключения RLC элемента
В измерителе RLC параметров предусмотрена возможность подачи на исследуемый элемент постоянных напряжения и (или) тока смещения как от внутреннего, так и от внешнего источника питания. Это позволяет исследовать зависимость измеряемых параметров от режима работы компонента (например, определить степень влияния тока подмагничивания на индуктивность катушки с ферромагнитным сердечником, измерить зависимость емкости сегнето-электрического конденсатора от напряжения смещения, снято вольт-фарадную характеристику варикапа и пр.).
Прибор предназначен для измерения сопротивления, ёмкости, индуктивности, тангенса угла потерь, добротности, эквивалентного последовательного или параллельного сопротивления, комплексного сопротивления (Z) и фазового сдвига между током и напряжением (θ).
Запуск измерений - автоматический или ручной. В автоматическом режиме предусмотрено три скорости измерений – SLOW (порядка 1 измерение/с), MEDIUM – 3 измерения/с и FAST – более 7 измерений /с. В приборе предусмотрен автоматический выбор предела измерения. Это несколько замедляет работу, поэтому при исследовании однотипных элементов (например, партии резисторов) удобно использовать режим фиксации предела (RANGE HOLD), что несколько сокращает время измерения.
Базовая погрешность прибора не хуже: по R, L, C, Z: 0.1%, при измерении D, Q: 0.0005; погрешность измерения фазы θ: 0.030 - 14 –
Это позволяет проводить измерения не только на стандартных частотах (100Гц, 1 кГц, 10 кГц и 100 кГц), но и сформировать практически непрерывную сетку частот измерительного сигнала. Рабочая сетка частот устанавливается в приборе по следующему правилу:
где n- целое число.
При наборе требуемой частоты с панели управления прибор округляет ее до ближайшего значения собственной сетки частот. В приборе предусмотрена возможность подачи постоянного смещения (внутреннего или внешнего) на исследуемый компонент (конденсатор или индуктивность). Это необходимо при исследовании нелинейных компонентов - например, варикапов, емкость которых зависит от приложенного постоянного напряжения. Уровень тест-сигнала, подаваемого на исследуемый компонент, регулируется в широких пределах с шагом 5 мВ. Выбор разного уровня сигнала необходим при измерении компонентов, параметры которых зависят от амплитуды. Предусмотрен режим постоянного уровня тест - сигнала (C.V.). При этом генератор прибора поддерживает на выходных зажимах постоянный уровень сигнала, мало зависящий от импеданса компонента. Результаты выводятся на табло в абсолютных и относительных единицах (∆-измерения).
Режим усреднения результатов позволяет проводить многократные измерения. Установленные предварительно параметры прибора могут быть сохранены в энергонезависимой памяти прибора и вызваны при его следующем включении.
2 АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫБРАННОГО СИ
Внутрисхемный измеритель LCR/ESR с синтезом частоты компании B&K Precision представляет собой высокоточный контрольно-измерительный прибор, используемый для измерения индуктивностей, конденсаторов и резисторов с базовой погрешностью 0,1%. Кроме того, с помощью встроенных функций измерения напряжения, постоянного/переменного тока и проверки целостности диодных/звуковых цепей, модель 889B может не только помочь инженерам и студентам осмыслить характеристики комплектующих электронного оборудования, но также использоваться в качестве важнейшего инструмента на любом рабочем столе.
Возможности и преимущества выбранного СИ.
Измерение сопротивления, ёмкости, индуктивности, тангенса угла потерь, добротности, эквивалентного последовательного/ параллельного сопротивления;
Диапазон индикации от 0,00001 (Ом, пФ, мГн) до 99999 (кОм, мкФ, Гн);
Базовая погрешность 0,1%;
Тест-сигнал 100 Гц - 100 кГц;
Последовательная/параллельная схема замещения;
Внутренне смещение 2 В, внешнее смещения до 30 В;
Запись/считывание до 100 профилей;
Одновременная индикация двух результатов измерения;
Измерение в абсолютных и относительных единицах, ∆-измерения;
Усреднение результатов измерения (1 – 255);
Программная компенсация начальной емкости и сопротивления;
Большой высококонтрастный ЖК-дисплей с подсветкой;
Интерфейс для сортировки компонентов.
Измеритель LCR выполнены в виде моноблока с питанием от сети (100 ... 240) В частотой (50 ... 60) Гц. На передней панели расположены цифровая шкала, кнопки управления выбором измеряемых параметров и режимов измерений, гнезда для подключения измерительного кабеля. На задней панели находятся разъем для подключения шнура сетевого питания и гнезда для подключения внешнего источника смещения.
Использование встроенного процессора в измерителях LCR обеспечивает высокую надежность и точность измерения в широком диапазоне измерения полных сопротивлений.
Результат измерения представлен в виде пятиразрядногочисла от ,00001 до 99999 при измерении основных параметров: индуктивности (L), емкости (С), сопротивления (R) и полного сопротивления (Z), и четырехразрядного числа от ,0001 до 9999 при измерении производных параметров: тангенса угла диэлектрических потерь (D), добротности (Q) и фазового угла (8). Одновременно с этим на индикаторе отображаются установленные режимы измерения и вспомогательные установки.
Таблица 2.1 Технические характеристики прецезионного измерителя LCR-829
Технические характеристики
889В
Частота
100Гц, 120Гц, 1кГц, 10кГц, 100кГц, 20 кГц ± 10%
Погрешность частоты
± 0,1%
Уровень
1 В rms*; 0,25 В rms; 0,05 В rms; 1 В пост. тока (для DCR)
Погрешность уровня
± 5%
Выходной импеданс
100 Ом, ± 5%
ДИАПАЗОН ИЗМЕРЕНИЙ
Импеданс (Z)
Частота
Максимум
Минимум
Лучшее разрешение
DCR
100 Гц
120 Гц
1 кГц
10 кГц
100 кГц
200 кГц
20 Мом
20 Мом
20 Мом
20 Мом
20 Мом
20 Мом
20 Мом
0,1 Ом
0,1 Ом
0,1 Ом
0,1 Ом
0,1 Ом
0,1 Ом
0,1 Ом
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
Емкостное сопротивление (С)
Частота
Максимум
Минимум
Лучшее разрешение
100 Гц
120 Гц