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电阻抗表征/测量用的二合一设备MFIA分析仪
神科仪购网/SNKOO-eGo / 2018-04-09


阻抗分析仪在测量被测对象(DUT)时,通常是以谱图(或曲线)的形式显示DUT的阻抗值随不同频率的变化关系(使用频率扫描的功能),有时在测量过程中,还会同时出现相位的变化关系。DUT的阻抗值和相位值都随测量频率变化的曲线,也叫作阻抗的Bode图。根据测量到的阻抗谱线,通过定义不同的等效电路模型,便可以得到不同阻抗元件(电阻、电容、电感、电纳等)的参数值。此外,从阻抗分析仪测量DUT得到的“阻抗谱”的表面字意上,也可以看到“谱”也就是指曲线的显示方式。在材料科学、生命科学、电化学腐蚀等领域有多种不同的分析表征技术如SEM/EDS、TEM、SRS、Raman Spectroscopy、荧光光谱、红外光谱等,电阻抗测量技术在这些领域的某一方面的表征也具有非常重要的作用。对被测对象进行电阻抗测量时,需要使用阻抗分析仪或LCR表。阻抗分析仪和LCR表具有相似的功能,都能测量被测对象的阻抗值及阻抗参数如电容、电感和电阻。测量的阻抗值是通过测量的相敏电压除以电流而得到的,所得到的阻抗值有绝对阻抗和相位以及阻抗的实部和虚部。阻抗参数可以由用户通过自定义的等效电路模型拟合到所测量到的阻抗数值上而得到。这些阻抗参数除了电阻、电容和电感外,还包括Q因子、耗散因子、电导、电纳等参数。此外,在进行阻抗测量时,有时还会用到阻抗测量夹具以及对测量导线/夹具进行校准如开路校准、短路校准、负载校准及开路-短路-负载校准等。


LCR meter,也就是LCR表,类似于电压表、电流表、电容表等,是以具体数值显示的方式给出DUT的阻抗值。从“meter(表)”的表面字意上,也可以看到LCR表可以直接测量出DUT的具体阻抗值,高级的LCR表还可以同时显示多个不同固定频率下的具体阻抗数值。然后,通过自定义的等效电路模型拟合到所测量的阻抗数值上,便可以得到不同阻抗元件的阻抗参数值。


MFIA阻抗分析仪是通过测量相敏电压值除以电流来得到DUT的阻抗值;然后,用户可以把自定义的等效电路模型拟合到MFIA测量到的阻抗数值上;最后,用户便可得到不同阻抗元件的参数值如电阻和电容的数值,电阻和电感的数值等。MFIA通过锁相检测技术来得到DUT两端的电压和流过DUT的电流值,然后利用电压除以电流来得到基本的阻抗值。


要从MFIA分析仪获得与LCR表相似的功能,可以使用LabOne中的Numeric tab功能,如下图1所示。

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图 1是LabOne中的Numeric截图,显示了10k Ohm电阻在1 kHz测量频率下的阻抗测量结果

在LabOne的Numeric页面可以查看固定测量频率下的DUT阻抗参数值。DUT的测量频率可从1 mHz到5 MHz。如果MFIA上配置多体解调器(MD)选件,那么MFIA可以同时测量2个不同频率的阻抗值。此外,Numeric中显示的阻抗参数值也可以在LabOne中的Plotter页面中显示DUT的阻抗值随时间的变化,如下图2所示。Plotter中显示的阻抗曲线还可以保存成CSV格式的数据,以便后续利用ZView软件进行等效电路模型拟合。

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表 2 LabOne中的Plotter截图,显示了10k Ohm电阻在1 kHz测量频率下的阻抗参数随时间变化的曲线图

由于LabOne软件中的Numeric和Plotter页面可以随意的在LabOne网页中自由调动,因此,用户可以使用鼠标把Numeric和Plotter页面调节到同一个显示页面上,既可以查看DUT的阻抗参数值,又可以观察DUT的阻抗值随时间的变化关系,如下图3所示。

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图 3 LabOne软件的Numeric和Plotter中同时显示了10k Ohm电阻的阻抗参数

要从MFIA分析仪获得与阻抗分析仪相似的功能,可以使用LabOne中的Sweeper功能,如下图4所示。Sweeper工具允许用户在1 mHz到5 MHz频率范围内自定义的设置所需要的扫描频率或者偏置电压,并且获得对应频率下的阻抗参数值。选中“Dual Plot”按钮,还可以同时获得DUT的相位参数值或者曲线(结合阻抗数值或曲线,所测量的阻抗参数也叫Bode图)。此外,除了设置不同的扫描频率外,还可以设置扫描频率区间内的point数值,auto-range范围(可以自动设置,也可以手动设置),线性扫描或者对数(log)扫描等。

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图 4 LabOne软件中的Sweeper截图,显示了10k Ohm电阻在不同扫描频率范围内的阻抗参数曲线

从以上可以看到,MFIA分析仪既可以当做精密的LCR表使用,也可以当做阻抗分析仪来使用。用户可以在MFIA分析仪上随意的切换使用LCR表和阻抗分析仪的功能。这也就是说,在您拥有了MFIA分析仪后,就相当于拥有了LCR表和阻抗分析仪,一台MFIA仪器等效于LCR表和阻抗分析仪两台仪器。

本博文受Davis Wang(Zurich Instruments)把锁相放大器归因于测量仪器(Instrument)而不是放大器(amplifier)的启发,本人把MFIA分析仪从功能上划分为LCR表和阻抗分析仪,也就是说MFIA不仅仅是阻抗分析仪,而且还具有LCR表的功能。


来源:fangdzxx_355的博客


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