阻抗分析

阻抗分析（精选十篇）

阻抗分析 篇1

关键词：大型汽轮发电机,转子绕组,高频阻抗试验

引言

汽轮发电机转子绕组高频阻抗试验是鉴定转子绕组绝缘强度最有效和最直接的方法, 由于施加的电压小, 频率高, 能量小, 应属于无损检测。所以转子高频阻抗试验比照工频阻抗试验既节约能源又提高鉴别力, 可以推广在所有汽轮发电机转子上, 成为判断汽轮发电机能否正常运行的一个重要的检测手段。文章从高频阻抗试验原理及一些试验实例来具体说明及分析。

1 汽轮发电机转子绕组高频阻抗试验意义

汽轮发电机转子绕组由于绝缘结构及绝缘材料的不同, 及转子设计结构不同, 嵌线工在操作工艺不当引起不同程度的绝缘损伤。

使绕组间存在着各种形式的匝间绝缘故障, 形成转子绝缘的薄弱环节, 转子高频阻抗试验是鉴定转子绕组绝缘强度, 尤其发现隐性绝缘缺陷的重要手段。消除绝缘缺陷, 使汽轮发电机能够正常制造及运行。因此在汽轮发电机转子上推广使用转子高频阻抗试验有着极其重要意义。

2 汽轮发电机转子绕组高频阻抗试验原理

当我们提到特性阻抗时, 很少考虑它与频率之间的关系。其原因在于, 特性阻抗是一个相当稳定的属性, 主要与传输线的结构也就是横截面积有关。从工程角度上, 特性阻抗从理论上分析传输线时, 可用公式来表示 , 把特性阻抗作为一个恒定量是合理的。

L表示线圈单位长度, C表示单位长度电容。公式中没有任何变化量。但是在线圈上施加高频状况下, 则会导致线圈中电量分布改变, 也就是我们说的电流的集肤效应导线中心电量随频率的增加而减少, 导线表面电量则在增加。当频率升高时, 电流向导线表面集中, 在导线内部电流密度减小, 当然电感减小。电感的本质是围绕在电流周围的磁力线匝数, 注意"围绕在电流周围"这个说法。假设存在极端情况, 导线内部电流完全消失, 所有的电流集中在导体表面, 磁力线当然没法再内部去环绕电流, 内部电感消失。导线总电感减小, 减小的那一部分就是导线的内部电感。

(1) 导线的特性阻抗和频率有关, 随着频率升高, 特性阻抗减小, 但会趋于稳定。 (2) 特性阻抗的变化的原因是导线的单位长度电感随频率升高而减小。

当转子绕组线圈发生直接短路故障时, 绕组内会形成短路匝, 就会改变线圈的电感和电阻, 对尚有一定绝缘程度的匝间绝缘的薄弱点, 在没有达到会使绕组绝缘薄弱点击穿而暴露故障前, 其绕组的电感及电阻无明显变化, 只有当频率高到一定数值时, 超过绝缘弱点能承担的电荷值时, 就会造成匝间绝缘击穿现象, 同时明显改变线圈的电感和电阻, 因而会改变试验阻抗数值的变化, 表现在转子绕组上, 有匝间短路的线圈阻抗变小。通用的匝间脉冲耐电压试验仪就是依据此原理为依据, 采用高频阻抗比较法来检测汽轮发电机转子绕组的阻抗平衡, 对称情况。目前在核汽轮发电机转子上已经开始应用高频600HZ-6000HZ阻抗试验方法。普通民品汽轮发电机转子则通常采用工频50HZ阻抗试验方法。因为频率低, 没有高频阻抗试验达到的检验效果理想。

工频阻抗试验和高频阻抗试验比对发现 (见表1) 。

因为转子高频阻抗试验是无损检测, 能及时发现固定明显匝间绝缘缺陷, 尤其能发现绝缘薄弱点, 这种隐性匝间绝缘缺陷。因此在汽轮发电机民品转子上推广使用高频阻抗试验有着极其重要意义。尤其是绕组两端部装配有阻尼瓦结构的发电机转子。可以有效排除阻尼瓦干扰, 及其他外界磁场干扰。

汽轮发电机转子高频阻抗试验中的几种现象及试验数据分析:成品或半成品汽轮发电机转子在制造中和出厂前都可以按序对绕组线圈进行高频阻抗试验, 试验时, 试验仪与被试品连接方式, 作用在两极绕组上的高频电压, 用数字万用表测量输出电压频率是否符合要求, 然后用数字万用表测量分布在两极上的压降。判断两极压降及阻抗是否平衡和对称。符合规范要求即为合格, 否则即认为绕组线圈匝间有故障存在。 (包括, 匝间绝缘损坏, 两极匝数有差别, 嵌线错误, 线圈之间过桥线连接错误等) , 转子高频阻抗试验方法, 从实际试验数据分析看来, 能够避开一定的磁场干扰信号, 排除阻尼瓦不均匀性导致的磁场不均匀等, 体现线圈本身匝间绝缘的真实绝缘性能。

高短路阻抗变压器分析论文 篇2

摘要：提出了配电网中性点新型接地方式为：当发生瞬时性单相接地故障时，利用自动跟踪的消弧线圈实现快速补偿;当发生非瞬时性单相接地故障时，能正确选出故障线路并跳闸。提出了高短路阻抗变压器式可控电抗器的基本结构和原理，用该原理研制成功的高短路阻抗变压器式自动快速消弧系统，具有伏安特性线性度优良、响应速度快、电流由零到最大都能无级连续调节、补偿效果好、对系统适应性强等优点，是实现新型接地方式比较理想的设备。

关键词：配电网消弧线圈可控电抗器晶闸管短路阻抗

1新型接地方式

配电网中性点接地方式的选择与电力系统安全可靠运行密切相关，是城网和农网建设中必须关注的重要问题。但长期以来并未得到满意的解决。随着电网的不断发展，电容电流小于一定值而允许中性点不接地的电网已越来越少，绝大多数配电网的中性点都采用低阻接地或消弧线圈接地方式。

低阻接地虽然避免了系统的过电压问题，但跳闸率过高，不能适应对供电可靠性越来越高的要求，尤其是在架空线路与电缆混合的配电网中此问题更为突出。同时，单相接地时巨大的接地电流将使地电位升高，严重时会超过安全值，可能对通信线路、低压电器和人身安全造成不利影响，这是该方式的先天缺陷。随着电力配电系统与电信网共处系统的日益增加，用户使用的敏感元件(电脑、电子控制、电力电子等)日益增多，以及国际标准对低压设备耐压要求的降低，低阻接地方式这一不可克服的缺陷越来越不能被社会容忍。尤其在电缆使用量逐渐增多、电网迅速扩大，使电容电流大增的情况下，用电阻将单相接地故障电流限制到远小于两相短路电流而同时又要满足过电压要求的做法已非常困难，即采用低阻接地方式已非常不经济。因此，低阻接地方式不仅不适合于以架空线路为主的农网，也将越来越不适合于以电缆为主、容量不断扩大的城网。

自动跟踪消弧线圈接地方式避免了巨大的接地故障电流带来的一系列问题，又能使瞬时性接地故障自动消除而不影响供电[1，2]。但是由于《规程》中规定线路单相接地时允许带故障运行2h，对系统的绝缘水平要求较高，因而使某些进口设备(尤其是电缆)受到威胁。同时故障电流持续时间长不仅对人身安全很不利，而且易使非瞬时性接地故障扩大成相间短路(尤其是电缆)。随着电缆逐渐代替架空线路，单相接地时不分瞬时性和非瞬时性故障都不跳闸的传统消弧线圈接地方式已不再适合。

配电网中性点新型接地方式为：当发生瞬时性单相接地故障时，利用自动跟踪的消弧线圈实现快速补偿，使故障电流小于一定值而自动灭弧，从而使系统继续正常运行而不停止供电;当发生非瞬时性单相接地故障时，能正确选出故障线路并跳闸，不影响其他非故障线路的正常运行;同时保证单相接地故障持续时间小于10s，使系统的绝缘水平可与低阻接地时的相同[3]。这种接地方式兼具了低阻接地和消弧线圈接地的优点，又摆脱了各自的缺点，是一种较为理想的新型接地方式。

该接地方式的实现，不仅须配备可靠、准确、响应快的小电流接地选线装置和相应的跳闸装置，还必须有高质量的自动跟踪补偿装置。主要要求是：消弧线圈伏安特性线性度好，响应快，能在大范围内连续调节，补偿效果好等。现有的各类自动跟踪补偿消弧线圈，包括调匝式[4]、调气隙式[5]、直流偏磁式[6]、磁阀式[7]、调电容式[8]及其它类型[9，10]，都具有某些缺点而不能同时满足上述要求。这也是目前消弧线圈的应用受到局限的原因。本文所述由高短路阻抗变压器式电抗器组成的新型自动快速消弧系统可以满足上述要求，使上述接地方式实现成为可能。

2自动快速消弧系统的主要构成

该系统主要由高短路阻抗变压器式消弧线圈和控制器组成，同时采用小电流接地选线装置作为配套设备。

2.1高短路阻抗变压器式消弧线圈

该消弧线圈是一种新型的变压器式可控电抗器，其一、二次绕组间的短路阻抗很大(达100%或更大)，二次绕组用晶闸管短路。通过调节晶闸管的导通角来调节二次绕组中的短路电流，从而实现电抗值的可控调节。其原理结构见图1。

整套装置中设置特殊的滤波电路，用以吸收晶闸管通断时产生的谐波，使电抗器输出工频电流。当给定晶闸管的触发角α时，工作线圈输出的基波电流为：

式中Iom为额定电压下晶闸管全导通时流经工作线圈的电流有效值。

该消弧线圈不需要调节匝数，铁芯不需要有气隙，不需要复杂的直流回路和任何机械传动装置，因而结构十分简单，与普通的变压器相同。由于电抗值的调节是通过调节晶闸管来实现的，该消弧线圈具有极快的响应速度，并可实现由零到额定电流的无级连续调节。

此外该消弧线圈的独特优点是作为补偿用的电感不是激磁阻抗而是利用变压器的短路阻抗，因而可保证在全电压范围内都具有良好的伏安特性，实测结果如图2所示。这一优点对可控消弧线圈非常重要，因为单相接地情况下中性点电压随接地阻抗变化，高阻接地时中性点电压较低，而最高可升到1.1倍相电压。若消弧线圈的伏安特性为非线性，则消弧线圈输出的补偿电流将成为中性点电压的非线性函数，因此利用消弧线圈在额定电压下对应的电流来外推或内推其它电压下的电流将会导致残流较大，再考虑到零序电容测量的不准确性，有可能使接地残流仍旧超过规定的允许值;对于分级式消弧线圈(如调匝式、调容式等)，还存在级差电流，情况有可能更糟。

2.2新型控制器

控制器是系统的核心，担负着实时跟踪测量系统电容电流并及时向系统投入或退出补偿电流、对接地故障线路实现跳闸等任务。

该控制器在测量过程中采用“试探法”，用两次测量的方法来保证系统电容电流测量的准确性。测量时系统远离谐振区，因此即使不采用阻尼电阻，中性点电压也不会上升至危险区域;硬件、软件采用多重滤波和自动量程跟踪技术，可消除谐波干扰和保证全量程的测量精度;软件设计中对系统中可能出现的多种现象(例如多次重复接地故障等)都有恰当的对策，尤其是在抗干扰方面采用了多重技术，除常规的“看门狗”外，还设计了超时检测技术，即使在死机状态下“看门狗”也能正常工作，保证整个系统在设定的时间内恢复正常，由于人为的误操作而退出运行时，装置能在设定的时间内自动转入运行状态。补偿方式可为欠补、过补、全补，由于装置响应很快，因此不需要预调谐，也就避免了因串联谐振可能带来的危险过电压;同时还设置了跳闸接口，可对发生接地故障的线路实现跳闸;具有信息传输接口，可将相应的信息由无人值班的变电站传送到远方的`调度站。控制系统人机界面友好，采用液晶显示，全汉化操作，正常测量时实时显示系统接地次数，中性点电压、电流，时间和系统的运行状态。

该控制器还具有优良的抗电磁干扰性能，在有干扰的环境下仍能长期正常工作。

2.3配套设备――小电流接地选线装置

该装置通过向系统注入一固定频率的信号，利用安装在变电站的探测器探测接地线路传回的电磁波的原理选出接地故障线路，科学合理，可靠性高，响应速度快。

3自动快速消弧系统的主要性能及特点

该系统的工业样机已完成10.5kV电压下的全面系统模拟和现场试验，并已在某变电站运行。模拟试验接线如图3所示。试验内容包括10kV单相金属性接地、弧光接地和高阻接地等典型故障，模拟系统电容电流取值从零到额定值，实测的典型波形见图4。试验数据统计表明，残流均小于6A，大多数情况下残流都小于3A。该系统的主要优点是：

(1)响应时间短接地故障发生(或解除)后5ms内即可投入(或退出)补偿电流，故障电流在60ms内即可降到很小的残流值。图4(b)为典型的动作过程。

(2)在非接地故障情况下可工作于远离谐振点的区域，因而不必担心产生串联谐振过电压的问题，不必设置阻尼电阻，既提高了安全可靠性又简化了设备。

(3)补偿状态可以随意变化因为输出电流是真正无级连续可调的，所以欠补、过补或全补状态下都可以实现。

(4)对配电网的适应性强每10s跟踪1次配电系统变化的同时不会对系统造成不良影响。调节范围可由零调到额定值的优点使它适应于变电站不同发展时期对消弧线圈容量的不同需要。240次接地故障和相应信息的记录容量可以清楚地了解故障状态，仅用一台控制器就能实现多台系统并联运行，降低了成本。同时，该系统还具有正确选出接地故障线路并实现跳闸的功能。

4结论

利用可控消弧线圈补偿电容电流使瞬时性单相接地故障得以自动消除、又对非瞬时性单相接地故障实现选线跳闸的接地方式是配电网中性点比较好的接地方式，采用由高短路阻抗变压器式可控电抗器组成的快速自动消弧系统具有伏安特性线性度优良、响应快、电流由零到额定值都能无级连续调节、补偿效果好、对系统适应性强等优点，是实现新型接地方式较为理想的设备。

参考文献：

[1]要焕年.法国电力公司中压电网中性点改用谐振接地方式的实践经验[J].电网技术，，22(4).

[2]ClerlavilleJP，JustonPH，ClementM.Extinguishingfaultswithoutdisturbances-compensationcoilself-clearsthreeoffourfaults[J].Transmission&DistributionWorld，，8.

[3]许颖.城市配电网中性点接地方式和绝缘水平.中国电力科学[7]尹忠东，程行斌，刘虹.可控电抗器在电网电容电流自动补偿中的应用[J].高电压技术，，22(3).

[8]龙小平，叶一麟.连续可调消弧线圈[J].电网技术，1997，21(2).

阻抗分析 篇3

但分析变压器问题还有一种教辅中鲜有提及的思路：原副线圈电路中负载电阻的等效关系， 2016年全国卷Ⅰ高考物理第16题正适合采用此思路.

1 理想变压器原副线圈电路中负载电阻的等效关系

在交流电路中，理想变压器除了有改变电压、电流的作用外，从等效思想的角度看，还有变换负载阻抗的作用，以下简称阻抗变换.

如图1，假设理想变压器原副线圈的匝数比n1n2=k， 接在副线圈的电阻为R，不妨把变压器和副线圈的负载看成一个“黑箱”，这个黑箱仅露出二个接线端a和b，测得当加在其两端的交流电有效电压是U1时，流经两端的有效电流是I1，则有：

Rab =U1I1=kU2I2k=k2U2I2=k2R

显然，当U1、I1变化时，上式总成立，故可把这个“黑箱”看作大小为k2R的电阻.

说明1 变压器的初、次级阻抗比等于初、次级匝数比的平方，对于升压变压器，k<1，起缩小阻抗作用，对于降压变压器，k>1，起放大阻抗作用.

说明2 实际应用中，阻抗变换常用于在电子线路实现阻抗匹配.而在有关高中变压器习题的解答中，可利用阻抗变换，把一些含理想变压器的电路问题，等效转换为高中生常见的纯电阻电路来分析.

2 解题应用

例1 （2016年全国卷Ⅰ高考理综第16题）一含有理想变压器的电路如图2所示，图中电阻R1、R2和R3的阻值分别为3Ω 、1Ω 、4Ω，A为理想交流电流表， 为正弦交流电压源，输出电压的有效值恒定.当开关S断开时，电流表的示数为I；当S闭合时，电流表的示数为4I.该变压器原、副线圈匝数比为

A.2 B.3 C.4 D.5

解析 本题涉及的是副线圈电路中阻抗变化对原线圈电路中电流的影响，若由原副线圈电压电流的关系去分析显得隐晦复杂.设变压器原副线圈匝数比为k，利用阻抗变换，去掉变压器，开关闭合前后的等效电路如图3.

开关S断开时有：U=I[R1+k2（R2+R3）]，

代入数值，U=I（3+5k2）

开关S闭合时有：U=4I（R1+k2R2），

代入数值，U=4I（3+k2）

将两式相比消去U、I得：k2=9，故k=3，选B.

例2 已知交变电源电动势有效值为E=4 V，内阻为r=1 Ω，经过变压器给电阻为R=16 Ω的负载供电，可通过调整原副线圈的匝数比使负载R获得的功率变化， 求负载R上能获得的最大功率和获得最大功率时原副线圈的匝数比.

解析 设原副线圈的匝数比为k，利用阻抗变换，去掉变压器，相当于直接接上阻抗为k2R的负载，等效电路如图4.

由于在纯电阻电路中，交流电压和交流电流的有效值与电阻之间关系同直流电路类似，可应用全电路欧姆定律中推论：当内阻与负载大小相等时，负载的功率最大，即r=k2R，求得k=rR=14.

此时等效负载与内阻同为1 Ω，等效电路电流I=E2r=2A，负载功率P=I2k2R=4W.

例3 如图5所示，输出变压器的副线圈绕组有中央抽头，以便接负载阻抗为8 Ω或3.5 Ω的扬声器，为了使两者都能达到阻抗匹配，求副线圈绕组中两部分线圈的匝数之比n2n3.

解析 利用阻抗变换，依题意有：

（n1n3）2·3.5=（n1n2+n3）2·8，

消去n1，展开后有：

7n22+14n2n3-9n23=0，

两边同除以n23得：

7（n2n3）2+14（n2n3）-9=0

利用二次方程求根公式得：

下垂控制逆变器谐波阻抗分析 篇4

微型电网是一种由微型电源、储能设备和负载共同组成的新型能源组织形式,通过公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)与大电网相连。相对于大电网,微型电网表现为一个独立的可控单元,它具有2种稳态运行模式:与大电网联合供电的并网运行模式;主动或被动与大电网断开后的孤岛运行模式[1,2,3,4]。

在交流微型电网系统中,微型电源与交流母线间的接口多为逆变器,为实现扩容,通常采用多个逆变器并联运行,多逆变器并联时的主要控制策略是下垂控制[5,6,7]。由于负载的多样性,微网系统中不乏基于电力电子变换器的负载,当采用闭环控制时,其输入功率保持不变,即作为恒功率负载运行,当输入电压升高(或降低)时,其输入电流降低(或升高),具有负阻抗特性[8,9,10],该特性对系统的稳定性造成严重影响。

针对交流微网系统的稳定性分析,目前常用的方法有2种:1)基于传统小信号状态空间模型的稳定性分析方法;2)基于谐波阻抗理论的稳定性分析方法。基于阻抗理论的稳定性判据由Middlebrook最先提出,起初用于分析直流系统,三相交流系统的稳定性判据随后亦被提出,其基本前提是获取电源在dq坐标系中的输出阻抗及负载在dq坐标系中的输入导纳[11,12,13,14,15]。因此,在基于逆变器的微网系统中,下垂控制逆变器的输出阻抗分析具有重要意义。

目前,对于下垂控制逆变器的输出阻抗分析主要集中在三相静止坐标系中,其目的在于重构逆变器的输出阻抗特性,优化控制器参数设计,提高系统整体性能等[16,17,18],然而,却不能直接用于系统的稳定性分析。因此,本文基于电路等效原理和坐标变换技术对下垂控制逆变器在dq坐标系下的等效输出阻抗矩阵进行了计算和详细分析,并对此进行了仿真验证,结果表明,理论计算值和实测值在一定频率范围内一致,从而证实了该计算方法的可行性和有效性,为系统的稳定性分析提供了前提。

1 下垂控制逆变器结构

图1所示为下垂控制逆变器结构图,其主电路包括三相三线逆变器、LCL输出滤波器。控制部分包括功率控制外环、电压控制环和电流控制环。其中功率控制环用以实现有功功率与逆变器输出电压基波频率、无功功率与逆变器输出电压基波幅值间的下垂控制,通过调节逆变器输出电压达到控制输出功率的目的。

图2中的(a)、(b)所示分别为电压控制环结构图和电流控制环结构图,此处采用电容电压外环和逆变器侧电感电流内环的联合控制模式,RC为滤波电容串联电阻。电压、电流控制环起到抑制高频干扰和输出滤波器产生的谐振,从而使得逆变器输出电压和电流快速有效地跟踪给定的作用。电压、电流控制环均采用PI调节器,且对电感电流进行解耦控制。其中Vdc为直流侧电压。此处假设逆变器直流侧为理想电压源,电压无脉动。在解耦控制中,由于采集所得iLd、iLq为经主电路放大的功率信号,故在控制环路中需将其缩小[19]。

LCL滤波器主要用于滤除逆变器输出电压中的高频谐波。图3所示为其结构图,其中vi为逆变器输出端电压,vb为母线电压。

2 下垂控制逆变器谐波阻抗分析

逆变器在dq坐标系中的等效阻抗矩阵反映了之间的关系,与其功率控制环无关,因此此处仅给出其电压电流控制环及LCL滤波器的小信号框图[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30],如图4所示。由于逆变器的同步旋转角频率变化很小,故令。

图4中Gv(s),Gi(s)分别为电压调节器和电流调节器的传递函数。ω0为逆变器输出电压基波角频率。

由图4可知,

式中:Gd,Gq分别为d轴分量和q轴分量的电压增益传递函数;Zdd,Zqq分别为d轴和q轴的自阻抗;Zdq、Zqd分别为d轴和q轴间的互阻抗[9]。

在图4所示框图中令,可得:

联立式(4)、式(5),整理可得:

即:

在式(3)令,则得:

从而可得:

同样,令,可得:

合并式(9)、式(10),可得:

其中,

由式(11)可知,逆变器的等效输出阻抗不仅与输出滤波参数有关,亦受到控制参数的直接影响。其自阻抗与三相静止坐标系中的等效输出阻抗相同,互阻抗Zdq,Zqd分别反映了d轴电压与q轴电流、q轴电压与d轴电流之间的相互耦合关系,其幅频特性相同,相角互差180°。

3 仿真分析

3.1 仿真平台

图5所示为在PSCAD环境下建立的下垂控制微型电网系统仿真模型,由2台逆变器和2组负载构成,此处采用谐波电流注入法测量系统谐波阻抗[31,32],图5中所示谐波电流注入模块的输出端与交流母线的bc相相连。

该仿真模型相关参数如表1所示,选取2台逆变器的硬件电路及控制参数均相同。2组负载均为Y型连接三相对称阻感性负载。

3.2 逆变器输出阻抗测量

图6所示为逆变器输出阻抗理论计算值与实测结果,频率分辨率为20 Hz,测量带宽为20～5 000 Hz,其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为Zdd、Zdq、Zqd和Zqq的幅频和相频特性曲线。

对比图6(a)和图6(d)、图6(b)和图6(c),可知:自阻抗Zdd和Zqq的幅频和相频特性均相同,而互阻抗Zdq和Zqd的幅频特性相同,相角恒差180°。

逆变器的输出自阻抗在低频段主要受电压电流环控制参数的影响,特别是受到电压环控制参数的影响。当电压控制环比例系数增大时,低频段感性增强、阻性减弱,而当其积分系数增大时,则低频段阻性增强,感性减弱。

逆变器在中高频段的输出自阻抗特性则主要受其输出滤波参数的影响,当其输出滤波电感增大时,高频段感性增强、阻性减弱。

由图6(a)和图6(d)可知,由于此处选取的电压环比例系数较小,而积分系数较大,因此在20～50 Hz范围内逆变器自阻抗呈阻感性,在网络基频50 Hz处感抗较小,偏阻性,在3 000 Hz以后输出滤波参数对其阻抗特性的影响增强,故其阻性减小,在4 000～5 000 Hz高频段阻抗呈感性。

逆变器的输出互阻抗反映了d轴与q轴间电压和电流的耦合关系,主要受其输出滤波参数的影响,由图6(b)和图6(c)可知,在20～50 Hz范围内Zdq呈负阻感性,由于输出滤波电感的作用,随着频率的增大其感性增大、负阻性减小,而Zqd在20～50 Hz频率范围内呈阻性和负感性,且随着频率的增大其负感性增大、阻性减小。在高频段,d轴和q轴间电压和电流的耦合很小,故3 500 Hz以后,Zdq和Zqd的幅值趋近于0。

由理论计算值与实测值的对比可知,dq坐标系中逆变器的等效输出阻抗计算值能够体现实际系统的阻抗特性。

4 结论

教师教学观念阻抗因素探析 篇5

教师教学观念转变的阻抗因素探析

摘要： 科技的日新月异，竞争的与日俱增，要求社会各个领域适应时代的发展，并且转变陈旧观念去积极适应发展。科教兴国是国家发展的重中之重，时代的发展对教育提出了更高的要求，传统的教学观念已不能适应当今物质文化的发展，作为教育教学的顶梁柱，教师教学观念的转变显得尤为重要。然而要转变观念不是一件简单的事情，教师原有教学观念容易与新教学观念产生冲突，在观念的吸收中往往容易受到各种阻抗因素的干扰，这令教师难以转变观念，但学生对知识的理解以及掌握的程度很大程度上是靠教师引导的，因此对教师教学观念转变的阻抗因素探析对教师有效教学显得尤为重要。

关键词 ：教师 教学观念 转变 阻抗教学思维

世界上最难的事情之一便是将自己的思想装到别人的脑袋中去，转变教师的教学观念无疑是将更为科学的教学观念装到教师的脑中，这是件难度非常大的事情。伴随着我国基础教育课程与教学改革的开展，教师教学观念的转变已成为课程与教学改革实践的核心问题，但是，通过对教学实践操作层面的大量考察，我们不得不承认，教学观念的理性阐释与教学事实描述之间的差别表现极为明显即观念的转变只是停留在口头上，教师的教学行为并未发生实质性的转变与创新，因此，对教师教学观念转变的阻抗因素及对策研究十分必要。

阻抗是指教师在转变教学观念时所遭遇的各种阻碍和产生抗拒的现象,阻抗因素即导致教师转变教学观念产生阻抗现象的原因。我国国内对教学观念阻抗因素研究目前有涉及，但是总的来说还不够深入。王明全的《促成教师教学观念转变是实施新课程标准的关键》一文明确指出要使新课程标准得到有效实施，关键是要使教师转变观念，树立与新课程理念相一致的与素质教育要求相吻合的新的教学观念。冯茁的《教师教学观念转变阻力探析》告诉指出教师教学观念主要受文化传统、社会经济条件、教学管理制度等因素影响。国内的一些研究表明教师教学观念的阻抗因素对于教学产生着重大影响，教学观念受各种各样的因素影响，它的转变也不是一个简单的线性过程，需要从各方面努力来构建新的科学的教学观念。①

一、教师教学观念转变的阻抗因素及原因分析张大均.教育心理学[M].北京:人民教育出版社, 1999。①

（一）主观因素

唯物辩证法认为，外因是事物变化发展的条件，内因是事物变化发展的根本原因，外因要通过内因起作用。因此，教师教学观念转变的客观条件也要通过主观条件的能动作用。影响教学观念转变的主观因素主要是指作为主体的教师的思维方式、教学理论水平、教学经验、教学信念、价值取向等，本文着重分析思维方式、理论水平和教学经验这三个因素。

1、教师的思维方式

思维方式是一定时期人们的理性认识方式,是人的各种思维要素及其结合, 按一定的方法和程序表现出来的相对稳定的定型化的思维样式,是主体认识和改造客体的工具, 它主要由观念要素、知识要素和智力要素等部分构成。思维方式的本质在于它是主体认识和改造客体的思维工具,它和物质工具一起在人类认识和改造世界中起作用。实际上，教师的教学观念本身也是一种思维方式，因此, 思维方式的转换就意味着观念的转变。观念是行动的先导，课程最终需要广大教师去实施，如果教师的教学观念滞后于课程改革的进程，那么教学本质还是没有任何变化。相对来说，开放、多向、外倾、以逻辑为主的思维方式可能更有利于教师教学观念的转变，而封闭、求同、单向、直观的思维方式则可能不利于教师教学观念的转变

[1]①。教师要逐渐适应现代的教学物质工具，例如多媒体技术网络教学的应用。

2、教师的教学理论水平

教学理论具有解释教学现实、探索教学规律、预测教学未来等诸多功能, 其中很重要的一个方面是教②学理论能够为教师提供关于教学的各种知识,使教师正确全面地理解和把握教学,确立正确的教学观念。教师教学观念的转变实质上是教师教学观念结构的调整与转换。要实现观念结构的调整与转换,就必须向此结构中注入新的知识要素,用新的知识、新的观点去冲击和剔除其中的旧知识、旧观点。很难想象一个教学理论水平很低的教师可以很好地转变自己的教学观念，观念的转变很大程度上受到理论水平高低的影响，因此,对教师来说,不断学习教学理论,不断补充新知识,并以此对照自身的教学实践活动,进而调整自己的观念结构是十分必要的。

3、教师的教学经验

对旧教学观念的理性批判和对新观念的全面理解是教师教学观念转变的基础，教师自身的教学经验是教师理解新教学观念的“先见”来源之一，人不能自由地选择它们，也无法轻易的摆脱它们，它们是理解的出发点。教学经验一方面能够吸纳新的教学观念形成新的教学理念一方面也会因为自身原本教学经验的习惯性而排斥新观念。因此，教师原有教学观念与新教学观念很容易发生矛盾和冲突，此时，一般会出现教师对待教学观念的三种现象： 一是, 教师原有教学观念对新教学观念进行“ 打击”和“排斥”；二是, 教师原有教学观念对新教学观念相互调适，即教师认识到自己的教师原有教学观念的弊端和新教学观念的《马克思恩格斯全集》（第一卷）,.人民出版社1956年。

②刘正海： 《信息时代高校教师队伍建设的新视角》,《电化教育研究 》2002年第10期。①[2]

益处, 并采取相互融合的办法,整合原有与新的教学观念，达到“和谐”状态；三是, 教师完全否定或抛弃原有的教学观念, 极力拥护新教学观念。很多教师不能处理好新旧教学观念的矛盾与冲突，制约了教师教学观念的转变。

教学观念的转变除了受主观因素影响外，还有许多外部的客观因素对观念的转变起作用。

(二)客观因素

影响教师教学观念转变的客观因素，是指存在于教师主体以外的所有条件的总和，即凡是对教师教学观念的转变有阻碍作用的外部条件均属这一范畴，本文主要分析以下三个方面的因素。

1、传统教学体系的束缚

我国一直在进行教育教学改革，虽然取得了较大的成就，但没有从根本上突破传统的教学体系的框架，这一体系在理论、实践上仍然顽强地影响着我们的教学现实。传统的经典教学体系在教学认识上强调以知识为本位、以教师为中心，注重教学的知识传承价值，视教学为教师引导学生获取知识的特殊认识过程。在教学操作上，强调教学过程的标准化、程序化、规范化和精确化。由于这一教学体系立足于教的需要，强调教师作用的发挥，注重为教学服务，重视教学过程、环节的操作化设计，因而具有很强的可操作性和可接受性，在实践中深受教师的欢迎和认同，并在长期的应用过程中与教师的内在需要和行为习惯融为一体，逐步形成了强大的实践惯性和超强的稳定结构。教师在传统教学背景下形成的一些习惯工作方式给教师的教学带来了最大的便利，使得教师没有改变教学观念和教学行为的愿望，由此给教师教学观念和行为的转变带来了很大的困难。

2、教师的教学评价制度

对教师进行评价是加强教师队伍管理的有效措施，通过考核、检查、评价有助于全面了解教师工作的情况，从而有针对性地对教师教学进行管理。教学评价既是学校与社会对教师进行评价与考察的过程,也是教师本身的自我完善的过程。教师评价具有激励、导向、诊断功能，不仅有助于教师明确自己的职责和权利，也有助于提高教学质量。然而，我国的教师评价制度还很不完善，教师评价很多只是关注教学的学生成绩，教学课堂的活跃度，忽视了教学中教师的劳动以及教师前期备课的努力等。教师在教学过程中不仅需要得到学生的认可，也需要得到学校领导，家长以及社会的认可。尤其在实施各种新的课程观以及探索创新教学过程中，教师更加需要合理客观的评价。很多教师也感觉无奈，心中蕴积了许多教学设想，但是由于升学等各种压力，教师不得不打消放弃这种想法。因为现行的教学评价机制并没有给教师提供足够的自由发挥的舞台。

3、教学改革和教育科研的功利性取向

近年来，在全体教育工作者的共同努力下，中小学教学改革和教育科研工作极大地推进了学校的发展，王维娅：《师生关系的重建与学生创新精神的培养》，《教育评论》2000年第4期。①①[3]

提高了教学质量。但是，一些学校为了打响学校名声，赢得一些所谓的荣誉与利益，教学改革和科研带有越来越强的功利性倾向，表现为急功近利，过分追求地位、声誉。很多教师教育科研的目的不是真正为了提高自身教学水平，而是为了让科研成为提高自身职称的跳板，科研只是教师迫于学校教改压力不得不做的工作，从而使得科研愈加趋向被动和功利化。此外，教师在繁重的教学任务及繁忙的教学改革的双重重负下容易呈现疲于应付、疲于奔命的状态。教师很难有冷静思考的时间，很难在工作过程中有自己的深刻感悟和真正意义上的反思。这不仅损害了改革自身的成果，而且严重制约了教师教学水平的提高，阻碍了教师教学观念和行为的真正转变。

教师的教学实践受教学观念的制约，科学的教学观念将对教学结果产生重大的作用，这要求我们必须注重及时更新教学观念。

二、教师教学观念转变的策略

（一）转换思维方式，打破传统教学理念

思维方式是由逻辑结构、观念结构和情感结构组成的，人们的思想观念和思维方式是渗透和交融在一起的。马克思主义哲学认为社会意识有其相对独立性和历史继承性，中国几千来的传统的教学理念的影响不仅使教师自身受教时受其影响，教师教学实践同样会不自觉的实践这种传统。当然社会意识的独立性表现在不同的文化传统观念，构成不同的思维方式，而不同的思维方式，又产生出不同的思想观念，这就要求教师要从封闭性的思维方式向开放性思维方式转换，从单向、求同的思维方式向多向、求异的思维方式转换，从以内倾、直观为主的思维方式向以外倾、逻辑为主的思维方式转换，从实体思维方式向关系思维方式转换，从稳定、慢节奏的思维方式向动态多变、快节奏的思维方式转换，以适应教学观念转变对思维方式的需要，从而加快转变速度，增强转变实效。教学重点要由重学生成绩向重学生发展转变，要强调知识的重组，鼓励学生大胆想象，培养学生的创新精神和创新能力，相信学生，充分认可学生，发掘学生的潜能，调动学生的学习兴趣，为学生提供展现自身魅力的舞台，强化学生的学习动机，尊重学生的个别差异。同时在传授知识的同时注重对学生为人处事，人际关系，面对生活苦难应有的姿态等方面进行引导，积极组织课外实践活动，在实践中帮助他们树立良好的道德品质。因此，教师在转变思维方式这一问题上必须下足苦功。1999年《中共中央、国务院关于深化教育改革全面推进素质教育的决定》指出“大力提高教育技术手段的现代化水平和教育信息化程度，教师要有宽广厚实的业务知识和终身学习的自学性，必要的现代教育技术手段”。这就要求教师要不断提高多媒体网络教学技能，利用好网络教学的，寻求自身计算机水平的提高，并将多媒体网络教学应用到网络教学中去。[4]

（二）提高教师的教学理论水平

教师教学观念的转变是以转变旧观念、理解新观念为前提的,这种转变与理解不能是随意和盲目的，4而应当具有科学性。教师必须学习教学理论，认识教学的本质，掌握教学的规律。然而，教学理论的学习还没有引起教师们足够的重视,教师职前与职后培养单位与培训机构也没有为他们创设相匹配的条件，师范院校开设的普通教育学与普通心理学课程备受冷落,教育科学的科学性被众人怀疑。因此，教师必须要认识到自身理论水平对于转变教学观念，促进教育教学的重要性，必须不断努力地学习来提高理论素养；而师范院校则应该注重学校师范生的理论培养，从高师生阶段就必须强化未来教师的理论知识，从一开始就为教师理论知识的积累与未来潜在的学习能力打下坚实的基础。例如开展教育学与心理学的学科知识竞赛、中外教育名著导读课程等。[5]

（三）加强教学交流

教育教学过程中, 分为教师与学生的交流以及教师与教师的交流。教师与学生交流主要体现在教学反思、教学后记以及教学追踪等过程中，也包括课堂上教师与学生的互动以及探讨。通过这种交流教师能及时了解到自己教学的不足和可改进之处。教学交流的价值主要体现在教师之间通过教学实践的交流, 思想的碰撞和思维的启发完善教学观念, 进而实施符合学生全面发展有利于学生生理心理学习成长的教学行为。教学交流能够强烈地引起教师对自己教学的反思与批判, 在原有教学观念与新教学观念的矛盾与冲突下, 思维方式的转换与变革最终促进了教师教学观念的转变。为了教师教学观念的转变, 有效地促进课堂教学行为效果的提高,教育部门和教师们应高度重视教学交流,深刻认识到教学交流不仅存在于“教学交流”研讨会上, 学校与学校之间, 还应大量存在于本学校范围之内, 应把学校范围内的教学交流作为交流的主要阵地, 充分挖掘教学交流的形式和内容,并把教学交流作为教育教学工作一项经常化的活动，学校应该为教师交流提高平台，只有这样, 教师教学观念的转变才能变为现实。[6]

（四）建立健全教师评价制度

建立教师评价制度最重要的是要明确对教师的激励、导向、诊断功能，帮助教师明确自己的职责和权利，提高教学质量。教师劳动对象具有复杂性，这要求评价主体必须能够认识和区分教师劳动的近期利益与长远利益、局部利益与全局利益、根本利益与非根本利益等等，使教师评价成为一种基于事实的活动，从而更好地发挥导向作用,为教师教学观念的转变创造良好的外部氛围。因此，教师评价制度应该重视教师的教学过程；评价指标也应该多元化，而不仅仅只是采取听课、查教案等传统做法；评价人员也要深入教师工作实际生活中去，注重对教师评价的科学性、客观性，力求做到合理、公正的评价教师。②[7]①

（五）建立校本教研制度

功利化的教研往往会阻碍教师教学观念的转变，但如果学校能够对教师参与教研正确定位，充分合理利用教研这一手段，那么教师参与教育科研能有效促进教师教学观念的转变。教师参与科研的前提应该是王道俊, 郭文安.：《教育学》, 人民教育出版社2011版第,444-445页。

邓云洲,范兆娟：《有效教学的内涵与评价标准的误区及其规避探析》，《教育导刊》2009,年第4期43-45页。②①

基于问题的解决, 这个前提为教师转变教学观念提供了基础。在教育教学问题出现时, 教师一般会想到产生这样的问题的关键在哪里, 是否教学观念出了问题, 如果是教学观念出了问题, 又具体是哪些教学观念, 等等。经过这样的思考和反思,教师教学观念的冲突,为其教学观念的转变提供了基础。教师参与教育科研过程是教师不断解决问题的过程, 也是教师获得新教学观念的过程。在这个过程中,教师为了解决教学过程中发生的问题, 就会主动分析问题的性质、产生的原因, 并努力寻求问题的解决路径和对策，这样的过程容易使教师的教学观念得以提升和转变。然而, 教师仅仅参与一次或几次科研活动是远远不够的, 学校应该积极致力完善、建立各种条件和措施, 鼓励教师积极参与教学科研活动, 端正科研动机，并使教师参与教学科研的意识习惯化。如提供教师成长所需要的教学用具，从生活上给予教师足够的生活保障，给教师营造一个良好的隐性教学环境：包括教室的设计、布置，学校张贴的各种名人名言标语，教工食堂教师住宿条件的完善，学校周边环境的整治，等积极申请教研活动等。在新课程改革的背景下，学校还应该建立适当的培训机制，系统地确立培训程序，有针对性的对在岗教师进行培训，更新教育理念，提高教师素养。另外对于现在全国上下普遍用到的多媒体技术网络教学等，学校提供足够的资金支持，不仅仅做到在硬件上给予支持，在软件方面，如课程的设计开发等方面也要给予帮助。

转变教学观念不仅要求教师加强自身教育，转变习惯式的教学观念，也要求学校社会为教师教学提供一个宽松的教学平台，给予教师教学客观公正的评价，通过塑造积极的隐性课程帮助教师转变教学观念，消除教师教学过程中的阻抗因素。

参考文献何志学，马灿玲：《在中学教学中实施民主教学的模式研究[》，《教育理论与实践》2005年12期第35～37页。

[2]冯花朴：《系统科学对教育研究的方法论的启示》《教育理论与实践》1995年第6期。

[3]王传金：《教师教学观念转变的阻抗因素分析》，《山东教育学院学报》2002年第6期。

[4]徐继存：《教学理论反思与建设》，甘肃教育出版社2000年版。

[5]杨启亮：《转变教学观念的问题与思考》，《教育科学》2000年版。

[6]周建平：《“从科学认识论”到“生活认识论”—论教学的认识论基础的转换》，《教育研究与实验》2002年第1版。

中学生心理教育中阻抗的应对策略 篇6

心理学上，“阻抗”指所有心理防御机制的总和，常表现为人们对于某种焦虑情绪的压抑，对涉及某种痛苦经历的回避，对触动某些特定情感的抵触，或是对改变某种行为和认知的拒绝等。中学教育中的心理阻抗指学生对教师的教育所产生的抵触、排斥和反感情绪。在班主任和心理辅导教师的日常工作中，阻抗现象是客观存在的，也是备受关注的问题。如果处理不好就会降低学生对教师的信任，导致教育在一定程度上的失败，学生、教师都会产生一种挫败感。

经过观察，笔者发现，多数教师面对学生的阻抗时，通常会有如下表现：心烦意乱，消极情绪急剧增长；不知所措，体罚学生，把消极情绪转移到学生身上；对学生越来越失望，甚至想放弃。本文通过几个案例谈谈中学生辅导中阻抗的主要表现及应对措施。

一、学生情绪的阻抗

一些学生在与教师交流时通常表现为沉默，对教师不理不睬。比如我校八年级一名学生，在课堂上和教师差点发生肢体冲突，下课后，班主任在办公室连续几次问及事件原因，他都把头扭向一边，既不看教师也不作声，拒绝回答教师的任何问题。

应对措施：细心观察，与学生换位思考。

1. 给学生创造一个安全、独立的空间

在农村中小学，由于条件的限制，办公环境多以年级组为主，班主任和科任教师在一起，人多声杂。所以班主任在处理这类冲突事件时，学生在心理上会认为教师之间“官官相护”；其次有那么多教师在场，学生自我意识增强，让他们当众承认也许不是自己应负全部责任的错，对他们来说是件很掉面子的事。所以营造一个安全、独立的交流空间，是师生有效沟通的首要条件。

2.跳出思维定势，重新树立学生形象

敢在课堂上公开与教师发生冲突的学生，在教师眼中肯定是“调皮佬”。谈话刚开始，教师由于思维定势，会把责任归咎于学生，“你又怎么啦？”“怎么硬是不让我省心呢？”这样的话就出口了。其实“又”“硬是”这些无意识的字眼会让学生产生抵触心理：你又把过去的事拿出来说，又要批评我。教师此时应跳出原有的思维定势，把他当作普通学生，而不是“调皮佬”“后进生”，在心理上接纳他，获得他的信任，再通过倾听，了解事情的真相和其他学生的看法，找到问题的“症结”，才能对症下药。

二、沟通内容的阻抗

通常表现为沟通中的口是心非、答非所问。其目的在于回避谈论核心问题，隐藏自己的内心世界，转移教师的注意力。比如我校七年级某个男孩，一头黄发，经常和社会上的人混在一起。教师通过家访，知道他父母因关系不好，各自外出打工，把孩子扔给爷爷奶奶，多年没有回家，也很少给他打电话，他对父母有严重的仇视心理。在心理辅导中，当和他谈及怎样看待父母常年不回家这件事时，他轻描淡写地说：“很好啊，他们在外那么辛苦，也是为我好！”明显口是心非。

应对措施：诚心相待，了解孩子的内心需求。

1. 一针见血，直击孩子的心理堡垒

童年、少年期亲情缺失的孩子最容易叛逆，他们表面上看似“坚强、成熟、懂事”，其实是在用虚假的表面遮掩内心的脆弱，因为他们内心没有安全感。如果教师此时把他们当“后进生”，皮格马利翁效应真的会在他们身上应验——成为一个“后进生”。在心理辅导时，笔者一针见血，直击该生内心最脆弱的一点——渴望爱：“我知道你渴望父爱母爱，你恨他们只生你不养你，你憎恨这样的家庭，你羡慕那些爸妈在身边的同学，你渴望有个温暖的家。”该生眼泪“唰”地流下来，向我敞开了心扉。

2. 了解孩子的内心需求，谨慎“施爱”

对于留守学生，班主任除了给予生活、学习上的关注，更要注重心灵的安抚和精神的支持。如果班主任不了解学生内心的真正需求，让爱泛滥，学生会对班主任形成依赖，从而削弱他的自立意识，对他的健康成长很不利。我校有位班主任曾给予一位留守学生一对一式无微不至的关爱，对她的要求基本都满足。她周末在家睡不着，不管几点都要给班主任打电话；住校时半夜病了，非要班主任亲自送她上医院才行；后来竟要叫班主任“干妈”。这位班主任真是骑虎难下，拒绝吧，担心她重蹈覆辙；不拒绝吧，这种依赖增添了自己的心理负担。我们有个教师做得很好，对留守学生，平时没有特殊关照，一到节假日，其他学生回家团聚时，她便召集全班留守学生，一起买肉买菜，一起包饺子，让他们感受集体的温暖和教师的关爱。

三、行为方式的阻抗

如故意不遵守学校、课堂纪律；态度冷漠；处理问题态度被动，教师不请不到办公室；对承诺过的事情经常反悔，检讨写过上百遍；学习不上进，总是强调自己的特殊性等。

应对措施：耐心相伴，从细节开始。

1. 从细节开始，加强责任意识的培养

责任意识是一个人在其所属的群体共同活动中表现出对行为规范的自觉遵守和对所承担任务主动完成的态度，是一种非常重要的非智力因素，对学生的学习与智力开发影响极大，也是一个人至关重要的人格品质。初中学生在12～16岁之间开始进入青春期，这是他们第二个自我形成期。这一时期他们有独立、实现自我价值的需要。我们应抓住这一关键时期，除了进行爱的教育，还要注重引导学生积极参加集体生活、班团活动，鼓励学生承担任务，找到自我，实现自我价值，在活动中锻炼成长，培养责任心。

在与这类学生交流时，教师应从细节引导学生增强责任感。比如学生和同学、家长发生冲突产生烦恼时，教师应首先听学生申辩理由，然后记下他们推卸责任的话语，例如：“是他先惹我的，他不怎样我也不会打”，“如果他们对我好一点，我怎么会……”“谁叫他……”然后让他们认识到这是推卸责任的表现，他不应给自己的过错找借口。在教室里，如果地上有小纸屑，应鼓励学生捡起来，告诉他们给全班同学创设一个干净的环境是每位同学的责任；学生违反学校纪律导致班级扣分，鼓励他向全班同学道歉，因为维护集体荣誉是每个人的责任。

2. 加强印象管理，增强认识自我的能力

上学期，我校八年级转来了一位新生，对一切冷漠木然，学习和纪律都差。分析其原因，主要是自卑。于是在辅导中帮助他提高自信心，在班级中树立良好的自我形象，就成为辅导的首要目标。具体辅导时我制定了三级辅导目标：

第一级：消除自卑，定位自我。先和所有科任教师联系，取得一致意见，共同帮助该生，对该生的进步及时给予表扬，帮他在班中树立威信。比如：他帮同学捡东西，班主任在班会上表扬他；语文课上他完成一篇作文，主动举手读了一篇课文，语文教师当即表扬了他；在默写单词、背课文方面英语教师表扬了他态度很好……逐渐地，该生在班级中有了朋友，笑容也多了。

第二级：加强印象管理，认识自我。印象管理在心理学中是指人们试图管理和控制他人对自己所形成的印象的过程，是自我调节的一个重要方面。个体不论在组织内部还是组织外部都渴望被别人积极看待，避免被别人消极看待。

一些所谓的“后进生”长期生活在班级“阴暗的角落”，他给自己的定位就是“差生”，所以要引导他“洗心革面”，通过对自己的印象管理认识全新自我，让自己迅速适应新的学习生活。比如对他的着装、发型，请他信任的同学和教师一起给他提建议；对他的优点给予真诚的赞美；对他的缺点，辅导教师与他一起拟定行为契约，并定期兑现，使他重新认识自我，增强自信心。

第三级：积极参加活动，彰显自我。教师多给他创造表现自我的机会，即使是活动中的惩罚，也带着微笑鼓励他，哪怕是打个谜语、说个歇后语、讲个笑话，只要敢于表现，全班同学都给他掌声。在大家的关爱下他的精神面貌较以前有了改善。

在心理教育中，学生的阻抗是客观存在的，这就需要辅导教师用细心、诚心和耐心，真诚关心学生，帮助学生顺利成长。

（作者单位：1.湖北省兴山县教育培训研究中心，宜昌，443700；2.湖北省兴山县昭君镇中学，宜昌，443700）

阻抗分析 篇7

变电站、水电站等接地网接地阻抗是否满足运行要求与电力设备稳定运行息息相关,准确地测量变电站接地网的接地阻抗是判定新建变电站可否投入运行以及运行中的变电站接地网是否需要改造的重要依据。目前接地阻抗测量主要有电位降法、直线法、夹角法、30°夹角法,由于直线法和30º 夹角法都是基于土壤电阻率均匀的假设条件下的,实际测量中很难满足,所以很少采用。本文的后续分析中主要针对夹角法和电位降法进行接地阻抗测量误差进行分析。

1电位降法与夹角法测量原理

1.1电位降法测量原理与计算

式中: I为接地网注入电流;Um为电流注入点相对于电位零点的电位升高即地电位升。

1.2夹角法测量原理与计算公式

夹角法测量原理见图2,电压线、电流线以一定角度进行布置。规程DL/T 475给出的计算公式为:

规程中只给出了夹角法的计算公式,但未说明夹角应取值的具体范围,经过现场多次测量认为,采用夹角法测量接地阻抗时,电压线、 电流线间的夹角应尽量大,至少为60º,最好为90º 以上。夹角变大后,一方面可以减少电流线对电压线互感的影响,另一方面可以避免因修正系数选取不当引入计算误差。

2地电位升准确测量影响因素

2.1工频干扰的影响

变电站里设备正常运行时存在工作入地电流,该工频电流在接地网上形成地电位升。为解决对测试结果带来的影响,目前测量时采用异频小电流法,测试电流异于工频又接近工频, 如48 Hz、52 Hz等,两个频率点与50 Hz对称。 再配合高精度选频电压电流表,达到消除工频干扰的目的。

2.2测量引线间互感影响

现场接地阻抗测量中,电流线不可避免的在电压引线上因互感产生压降,给电位升的测量带来误差。电压线、电流线平行布置时,根据解广润编著的1991版《电力系统接地技术》 中的公式,二者之间单位长度的互阻抗为:

式中:De为导体在地中镜像距离;ρ 为地面电阻率;f为测试频率;D为电压线与电流线之间的距离。

如果按照上式的计算公式进行计算,取地面土壤电阻率为 ρ=100 Ω·m,互阻抗随电压线、 电流线间的距离不同的变化值见图3、图4。

通过上图可以看出公式法与现场实测的互阻抗异比较大,原因可能为:公式法是基于裸导线均匀介质的假设条件下推导出来的,而现场沿途的介质不可能是均匀的,同时电流线引线与大地之间的距离不可能固定的,悬空时引线与地面间还存在其它介质。另一方面,电压电流引线均为小电缆线,与裸导线的感应原理还是有区别的。

从图4还可以得出,当电压线、电流线间距离大于10 m时,两引线间的互阻抗已降低到0.013 Ω/km;对大部分接地网而言,此互感带来的误差基本上可以忽略。所以,当不得不采用电压线、电流线同方向布置时,应尽量将两引线间的距离放大到10 m或更远,以减小互感带来的测量误差。互感引起的误差主要对电位降法中两引线同方向布置时有影响,而对夹角法测量是没有影响的。

2.3电压极布置影响

电压极对地电位升起电位参考的作用,其选择和位置对地电位升的准确测量起着决定性的作用。电压回路的要求为保证对地绝缘足够。 电压线布置时应对两段线的搭头处及线缆破损处认真包裹,沿途不应泡在水中,故不宜在雨后表面土壤湿润的情况下进行测量,否则沿途的高阻接地点会对地电位升的测量带来误差。

通常情况下,如果出现连续移动三次的电压极距离后,发现地电位升基本没有变化,就应该怀疑电压线中途可能出现了破损接地情况。 还有可能改变电压极的距离,地电位升很小(只有几毫伏到几十毫伏)且基本不会变化,此时可能为电压线中途出现了断线情况,失去电位参考点,只有一个悬浮电位。因此,虽然夹角法测量时,理论上只要测量一个点的数据即可, 但为了测量数据的准确性,应该将电压极在5%d CG的距离间隔下前后测量三个点,以判断数据的变化趋势是否正确。

除此之外,电压极位置处的土壤状况及打入深度也会对地电位升的大小也有影响。现场实测表明,电压极位置处土壤电阻率较小时测的地电位升会稍小。另一方面,将电压极打入土壤深些,测得的地电位升也会稍小些。但二者影响不会超过2%。

需要特别说明的是,虽然应将电压极布置在土壤状况相对较好的位置,但不得将电压极布置在水里。在进行某水电站接地阻抗测试时, 电流极布置在江边,采用电位降法进行测试时, 发现一个点测量的地电位升较前后两个点的数据均低,检查后发现是因为将该电压极布置在了江边的一条水沟中,测量的电位差相当于只是从接地网到该电压极处的江水形成的压降, 故测量得到的值比较低,后将电压极移开离水沟50米后测试数据正常。其示意图和实测数据分布见图6、图7。

2.4接地网附近金属管道影响

在接地阻抗测量中,接地网附近的金属管道会直接影响测量结果,主要是由于金属管道的存在,改变了接地网附近的地电位分布,金属管道与电压线布置方向垂直或平行产生的影响也不一样。

如在进行某水电站接地阻抗测试时,电流极和电压极分别布置在左右两岸的公路旁,其中电压线一侧有一条引水金属管道,在采用电位降法不断移动电压极进行测试时,其中一段电压极位置与金属管道相距比较近,直接造成了测量数据的偏小。后将电压极布置方向远离金属管道后测试数据正常。所以在测量布线时, 应尽量避开地下管道。若实在无法避开,不应使测量布线与金属管道平行布置,而应垂直布置。电压极和电流极的位置也应远离地下金属管道,至少相隔50米以上。

3注入地网电流测量影响因素

3.1试验电流源的选择

为抑制现场工频干扰电压对地电位升测量的影响,目前基本上都是采用异频小电流法来测试。异频法使用变频试验电源,在偏离工频又接近工频的频率下进行测量,接地网的工频干扰及其它干扰通过选频表的滤波进行消除。 一般认为,在频率变化很小的情况下,接地阻抗中的电阻分量几乎没有变化,电抗分量有变化但变化也不大。

从图7可以看出, 接地阻抗随频率的变化趋势基本上是线性的,于是可用50+ △ f和50- △ f两个对称频率下接地阻抗的平均值近似作为接地网工频接地阻抗的测量值。

在进行频率对的选择时,一般可根据现场工频干扰电压的情况来进行。比较常用的频率对为48 Hz和52 Hz,当测得现场的干扰电压大5 V以上时,可选用47 Hz和53 Hz,如可出现10 V以上工频干扰电压时,建议选用46Hz和54 Hz。根据现场的工频干扰电压来选择频率对,减少工频干扰信号对测量信号的影响。

3.2电流回路电阻大小影响

测量时,电流回路的电阻包括试验电源的内阻、接地网接地阻抗、电流引线直流电阻、 电流线间的接触电阻和电流极电阻几部分组成, 电流回路要求电流回路电阻越小越好,一般电流回路电阻最好在30 Ω 以下。本文提出了一种减小电流回路电阻的最优布线方法,即电流回路布线时,应选择土壤电阻率最小的方向走廊进行布线,这样散流效果最好。从短路电流入地的角度考虑,这种最优布线方法也更接近真实短路电流入地散流情况。理论上,当有真实短路电流入地时,短路电流也一定网土壤电阻率最小的方向散流更多,这种布线方法更贴近实际。

3.3电流极选择的影响

电流极位置的选择直接影响电流极的接地阻抗及整个电流回路电阻,电流极布置选择将角钢打入土壤中0.5 m以上,并经常采用多根角钢并联的方式以降低电流极的接地阻抗。有观点认为可以向电流极泼水的方式降低电流极的接地阻抗,这种方法是不可取的,因为泼水仅能减小角钢与土壤的接触面的接触电阻,对减小接地极整体的接地阻抗几乎没有效果,不建议采用。

电流极位置的优化选择方案主要有:

1)选择土壤电阻率尽量低的位置。在能找到小河、水塘等自然条件时,应尽量采用,但要注意以下两点:一是电压极不能打在与电流极有水体相连的水域中,这样可能会人为的使测量结果偏小。二是不能将铜绞线扔入流速较快的水中,这样容易使得测试电流出现波动, 影响测量结果值的读取。

2)现场可选用独立接地网或接地体作为电流极,如35 k V及以下无避雷线杆塔的接地引下线、人工接地极等。

3.4测试电流测量及影响因素

1)地线和地中金属管道由于与接地网相连将直接分走一部分的测试电流;因此测试时需对架空地线和电缆外护套的分流情况进行测试。 一种方法是采用柔性罗氏线圈配电流表进行测量,第二种方法是采用双通道示波器,分别测量测试电流与每个分流电流之间的相位差。第三种方法是采用一种新研发的基于无线分流同步测量的分流测量系统来测量。

2)地下金属导体对电流测量的影响主要分量两种情形:一是与接地网存在金属性相连的接地网延长线,他们将直接分走部分测试电流, 导致接地阻抗测量值偏小,解决办法是准确测量各分流支路的分流大小及相角,与测试电流进行向量计算。二是接地网周围有邻近的埋入金属物,可能间接转移走部分测试电流,这部分影响无法消除,解决办法是在布线时尽量避开可能存在的地线金属管道,与其保持尽量远的距离,至少10米以上,布线时不能与之平行布置,以减少测量误差,特别是电压极和电流极至少要距离管道50米以上。

4结束语

1)影响地电位升测量结果的因素主要有工频干扰、测量引线间互感、电压极的布置、接地网附近金属管道等。

2)影响测试电流测量结果的主要因素有电流回路电阻大小、电流极选择、地线和地中金属管道分流等。

3)本文基于大量的实测基础上,结合理论分析,提出了电压线方向土壤电阻率最均化、电流线方向土壤电阻率最小化的最优化布置方法。

参考文献

[1]接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则[S].GB/T17949.1-2000.

[2]接地装置特性参数测量导则[S].DL/T475-2006.

[3]交流电气装置的接地[S].DL/T621-1997.

阻抗分析 篇8

在电磁兼容问题中,传输线是指一切电子器件和设备中的连接导线。从性能上分,有电源线、信号线、连接线;从类型上分,有同轴线、多心电缆、扁带线、印刷电路板上的铜皮以及各种形式的连接导线。它们在各种设备、系统中普遍存在,很可能是接受干扰信号或发射干扰信号的源头。是导致设备或系统不能满足有关电磁干扰限值要求的主要原因。因此,传输线在电子电气设备的电磁兼容问题中占有重要地位[1,2]。

目前关于传输线串扰的研究比较多[3,4]。本文根据多导体传输线理论,分别为均匀和非均匀介质中的多导体传输线建立其相应的等效电路模型,并分析端接阻抗改变时,导线间的串扰耦合响应。

2 多导体传输线理论

电子电气设备内部的布线和电子电气设备间的连接线以及印制板的布线都存在导线平行排列的情况,并且,在很多情况下,许多平行的导线由于几何长度l和信号的波长λ不能满足l<<λ的条件,因此低频模型不再有效,需采用分布参数建立模型。多导体传输线模型通常用于描述导线间的信号串扰,其理论方法可用来分析电缆耦合。对电缆耦合建立多导体传输线的模型需要忽略电缆导体的损耗和周围媒质的损耗,并且假定传播的是横电磁波,即电场、磁场都在与能量传播方向相垂直的横截面上。

2.1 均匀介质中的无损耗多导体传输线

对于n+1根导线系统,电压、电流满足的是矩阵方程,将平行双线传输线方程中的电压、电流、单位长度的电感、电容都换成矩阵[5],即

则相应的传输线方程变为

将(1)式中的电压、电流做去耦合处理后的得

由于L0、C0为对称正定矩阵,所以,E为n阶单位对角阵。P、Q的对角化意味着式中的电压、电流可以独立的像双导线一样求解。每条导线中的电压、电流波的相位速度都是,再把电压、电流分解成入射波分量及反射波分量的合成,并加上已知的n个边界条件,即可得到多导体传输线终端的的正弦稳态解如下

其关键特征是各根导线中的电压、电流以相同的相位常数β=2π/λ传播,前提是所有导体周围的介质必须是均匀的介质。

2.2 不均匀介质中的无损多导体传输线

通常,多芯电缆或扁带线的导线周围都覆盖有绝缘介质,印刷电路板上的导线既处于绝缘介质中又处于空气中。这就破坏了平行导线间存在的单位长度的电感、电容的乘积与介质常数之间的对应关系,因此L0 C0≠C0 L0,意味着该系统中不只存在一个传播速度,也即可能有不同模式的波存在。所以关键是求出不均匀介质中多导体系统的传播常数。先把电压、电流通过转换矩阵人为地分解成n个不同模式的电压波Um·(z)、电流波Im·(z)(下标标示不同的模式数),而每个模式的电压、电流波相当于互相独立的均匀系统中的波动方程,在求出各个模式电压、电流后再把它们合成[6]。令

Um·(z)、Im·(z)分别为模式电压、电流的列向量,每个模式电压、电流都可表示为入射波分量和反射波分量之和,即

综合可得电压、电流的列向量可表示为

将电源端或负载端的电压、电流矩阵代入(6)式,消去·Im+、·Im-,即可获得多导体传输线方程的解

其中(7)式中的四个链参数为

(8)式中的Zc为特征阻抗为Zc=Y0-1TΓT-1或Zc=Z TΓ-1T-1,在多导体系统中的特征阻抗没有象双导线传输线中特征阻抗那样的物理意义,它是一个复数矩阵。在已知始端的电源电压sU,电源内阻抗Zs,负载阻抗LZ(其中sU、Zs、LZ都为矩阵形式)以及U·(0)=U s·-Zs I·(0),U·(L)=ZL IL·可推得末端电流矩阵的表达式为

3 端接阻抗对串扰影响的仿真及分析

以如图2所示的印刷电路板上的三根平行导线(3+1系统)为例,计算其端接阻抗的变化对串扰电压的影响。设该图中的印刷电路板宽为5mm,高为1.75mm,介质常数εr=4.7,导线宽度ω=0.1 2 5 m m,厚度b=0.035mm,导线间距分别为1D=1.5ω(1R与R0之间的间隔),2D=4ω(2R与R0之间的间隔),导线长度为L=0.1m。设主串回路的电源电压为1v,频率为1GHz。

为了更好的分析阻抗特性对串扰的影响,将端接阻抗分为以下四种情况来分别进行仿真。第一种是将端接阻抗设为纯电阻,通过改变电阻值的大小,观察串扰电压的变化情况。

由图3可以看出近端串扰电压值随着电阻值的增大迅速下降,在电阻值达到150后近端串扰电压趋于稳定;远端的串扰电压随着电阻的增大迅速增加,在电阻值为110左右达到最大,而后成下降趋势,在电阻值达到500后慢慢趋于稳定。在近端、远端串扰电压都趋于稳定后,远端的串扰电压值要高于近端串扰值。

第二种情况是将端接阻抗设为纯电抗的形式,通过改变电抗值的大小,观察串扰电压的变化。

由图4可知,在端接阻抗为纯电抗时,近端和远端的串扰电压均随着电抗的变化近似为抛物线形,不同的是远端串扰电压在电抗值为零的时候为零。近端串扰电压在电抗值为-110左右达到最大,远端串扰电压在电抗值为-180达到最大。同时此波形可以说明容抗对串扰电压的影响比感抗要大,因此在负载含有容性元件时,要注意其线间串扰的影响。

第三种情况为端接阻抗值为电阻和电抗的复合时,将电阻值固定为50欧姆,电抗值的变化范围-1000~1000,近端、远端的串扰电压变化如图5所示。

由图5可以看出,这种情况下近端、远端的串扰电压变化曲线与端接阻抗为纯电抗时波形的变化基本一致,但是串扰电压的幅值要小得多。说明匹配的电阻值有助于减小串扰电压的幅值。

第三种为终端短路情况,观察串扰电压随频率的变化。

图5在终端短路的情况下:低频时,近端串扰电压跟频率成正比关系;高频时,近端串扰电压随频率出现振荡,这与终端接匹配负载时的波形变化类似;而远端的串扰电压则一直保持为零。

4 结束语

本文主要运用多导体传输线的理论为均匀、非均匀介质中的传输线耦合建立相应的等效电路模型,并用Matlab工具对印刷电路板上三条平行导线的耦合情况进行了仿真计算,分析了终端接电阻、终端接电抗、终端接阻抗和终端短路四种情况下对平行导线串扰的影响,并得出相应的结论,为平行导线的敷设提供一定参考。

参考文献

[1]刘鹏程,邱扬.电磁兼容原理及技术[M].北京:高等教育出版社,1993.

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[5]俞集辉等.导线电磁干扰的数值仿真[J].重庆大学学报(自然科学版),2007(9).

阻抗分析 篇9

当前,随着电子产品时钟频率不断的升高,信号完整性问题越来越被人们所关注。对大多数电子产品而言,当时钟频率超过100 MHz或上升沿小于1 ns时,信号完整性效应就显得尤为重要[1],如何保证新产品的信号完整性要求,成为困扰广大电路设计研发人员的一项迫在眉睫的问题。

从广义上讲,信号完整性指的是在高速电子产品中由互连线引起的所有问题,而阻抗设计是解决信号完整性问题所使用方法的核心。为了得到最优的信号质量,设计互连线的目的就是尽可能地保持信号受到的阻抗恒定,即通常所说的阻抗匹配。

2 阻抗匹配

实现阻抗匹配的目的,简而言之,是为了尽量减小信号在阻抗变化的地方(如信号线宽变化、换层)发生的反射。阻抗控制与匹配问题是高速信号完整性分析中的一个重要方面.阻抗控制是保证高速信号在传播过程中波形不畸变的必要条件。

信号在传输线传播时,其路径上的每一步都有相应的瞬态阻抗。如果互连线的阻抗是可控的,那么瞬态阻抗就等于线的特性阻抗。无论什么原因使瞬态阻抗发生了改变,部分信号都将沿着与原传播方向相反的方向反射,而另一部分将继续传播,但幅度有所变化。反射的量由瞬态阻抗的突变量决定,如图1所示。如果第一个区域的瞬态阻抗是Z1,第二个区域的是Z2,则反射信号与入射信号的幅值之比为:

其中,Vreflected—反射电压;Vincident—入射电压;Z2—信号进入区域2时的瞬态阻抗;Z1—信号最初所在区域的瞬态阻抗;ρ—反射系数。两个区域的阻抗差异越大,反射信号量越大。

然而,是什么引起了反射?产生反射信号是为了协调两个重要的边界条件。信号到达瞬态阻抗不同的两个区域(区域1和2)的交界面时,在信号和返回回路的导体中仅存在一个电压和电流回路,而在交界面两侧的电压和电流都是相同的。边界面处不可能出现电压不连续,否则此处会有一个无限大的电场;也不可能出现电流不连续,否则会有一个无限大的磁场。当交界面两侧阻抗不一致时,V1=V2,I1=I2,I1=V1/Z1,I2=V2/Z2不可能同时成立。

为了使整个系统协调稳定,区域1产生了一个反射回源端的电压。反射的唯一目的就是吸收入射信号和传输信号之间不匹配的电压和电流。如此,交界面两侧的电压和电流才可以相等,交界面处的电压和电流才是连续的,整个系统才是平衡的[1]。

只要在信号传输路径上出现瞬态阻抗改变,信号就会发生反射。为减小这一基本特性造成的信号完整性问题,可使用可控阻抗负载线和传输线端接的方法,从而实现传输线阻抗匹配[2],这是高速电路设计追求的理想目标。

3 阻抗匹配及点对点拓扑的通用端接方案

控制传输线一端或两端的阻抗从而减小反射的方法称为传输线的端接。典型的方法是在重要的位置放置一个或多个电阻。一个驱动器驱动一个接收器的情况称为点对点的拓扑结构。如图2给出的端接点对点拓扑结构的四种方法。

在信号的接收端用一个电阻与传输线并联后接到GND上,如图2中(2.2)所示。缺点:由于终结电阻上有电流流过,所以使电路的功耗增加,高电平电压下降。

戴文宁(Thevenin)终结方法: R1和R2并联后的阻值与传输线上的特性阻抗相等。这种方法可以较完美消除传输线上的反射,常用在TTL总线上,如图2中(2.3)所示。缺点:在分压电阻上有较大直流电流流过。

在信号接收端用RC网络与传输线并联后接到GND上,可以解决电阻上的直流电流问题,当RC大约为传输线上的固有延迟的4倍时[3],基本上达到阻抗匹配。如图2中(2.4)所示。

4 经验法则

经验法则是一种研究信号完整性分析的途径,是建立在相当数量的工程设计实践上而形成的一种大概的近似估算,具有一定的直观性和工程实用性;它的设计目的是以最小的工作量,以直觉为基础找到一个快速的答案。经验法则内容十分丰富,针对于设计的不同性能指标要求,又有各自得经验法则。下面举两个例子,结合计算机仿真来具体说明。

经验法则一:对于加有短串接传输线的电路,如突变处的时延小于信号上升时间的20%,则不会造成问题。电路图和仿真结果如图3和图4所示。

图(3)表示在传输线电路中,加有短串接线的均匀突变,突变段时延依次为信号上升时间的0—40%时,传输线上的传输信号。

图4表示的是上升时间为0.5 ns的信号,传输线终端容性负载电容值依次为0,2 pf,5 pf,10 pf时,传输线上的传输信号

经验法则二:容性终端负载的电路中,当10—90 RC上升时间与初始信号的上升时间相当时,终端的容性负载对时序产生影响。传输信号的10—90上升时间主要由RC充电电路决定,其大约为:τ10-90=2.2×Z0×C。如图5和图6所示。

仿真手段目前越来越被人们所采用,仿真的目的就是在制作硬件之前对系统性能进行预测,一般来说只仿真对信号完整性的效应敏感的网络,但是在一些要求严格的国家及企业所有的高速产品,都必须进行系统级仿真来精确地预测信号完整性。上面的仿真结果就是利用美国Agilent 公司推出的电路和系统分析软件ADS(Advanced Design System)软件仿真计算出的。

类似于上述两种方法的经验法则还有很多,在实际电路设计中,有很多实现阻抗匹配的经验法则可循,设计中可参考相关资料[1]。

5 结束语

通过本文的阐述以及与此相关的经验法则的仿真验证可以看出,阻抗匹配在信号完整性分析中的重要作用。所以,设计人员在进行电路开发之前,一定要切实对所设计的电路进行信号完整性仿真,尽可能做到合理布线布局,以实现阻抗匹配之目的,从而减少反射,实现电路正常工作。

参考文献

[1][美]Eric Bogatin.信号完整性分析.李玉山,李丽平,等译.北京:电子工业出版社,2006

[2]温国忠,唐建东.传输线的阻抗控制.现代电子技术,2006;(10):

[3]李伟权.基于信号完整性分析的PCB设计方法,漳州职业技术学院学报,2006,8(2):

[4]牛中奇.电磁场理论基础.北京:电子工业出版社,2001

阻抗分析 篇10

随着科学技术的进步，各类实验研究的对象和方法也越来越复杂，相对应的实验系统及实验平台的复杂度也成几何增长。传统的人工操作在精确度及重复性上已远远不能满足要求。于是仪器设备的高度可集成化和可自动化已成为当代仪器必不可少的特性。但不同实验系统所要求的测量参数和步骤均不同，因此所需要的实验仪器系统同时也应该是可模块化并且可自主集成的。虚拟仪器(VIs)[1,2,3]概念的提出使得可以利用传统的仪器设备来搭建不同的实验平台。并且由于VI是可编程和可程控的，这样可以依据不同的实验要求来改变实验平台的设计。基于VI的平台相比较于商业化的集成平台有着显著的优势：a.利用各类传统仪器即可搭建复杂的系统;b.平台的功能可以通过程序的改变而简单地变换;c.在避免复杂的重复性测量工作的同时，实验的准确性也得到了显著的提高。

1 精密阻抗分析系统的搭建

Agilent 4294A精密阻抗分析仪[4]主要应用于测量材料的各类电阻、电抗、电容等参数。其高精度、可多次扫描和多参数设置使得其被广泛应用于各类半导体薄膜材料、纳米材料和工程材料的特性测试。然而他在实验系统的搭建中很难被集成，其主要原因是：a.缺乏方便的储存载体;b.扫描测量需要人工进行大量反复的数据记录;c.单次扫描无法自动重复进行。但4294A内部已集成HP公司开发的IBASIC语言系统以及多个移位寄存器来进行状态储存和识别，同时配备有GPIB接口，因此可以利用PCI转接GPIB卡来使4294A同个人电脑进行数据通信及存储。

图1.实验系统图(参见右栏)

在对于VI的设计上，选用NI公司开发的Labview[5,6,7]软件。作为NI公司推出的第一款VI设计软件，由于其高度的通用性以及高效的人机交互界面，Labview已被广泛应用于各类实验仪器平台的搭建和设计[8,9,10]。利用Labview 8.0来进行GPIB口地址选择、指令输送接收、仪器参数设定、测量指令触发、波形绘制以及数据存储功能的实现。

在连接上，利用ADLINK PXI-3488 GPIB卡以及GPIB专用通信数据线来实现。因此实验系统的搭建如图1所示。

2 Labview实验程序的编写

需要利用Labview来完美实现Agilent 4294A的各个功能。利用GPIB口可以将PC同4294A连接起来，并利用SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)指令来对仪器进行状态查询和程序控制。4294A拥有储存仪器状态的一套完整的状态寄存器。因此通过调用查询寄存器不同位的数值就可以判断测量参数设定是否完毕，扫描是否启动或停止，以及数据是否读入。4294A的寄存器结构是一个典型的层级结构，如图2所示。通过对事件寄存器以及状态位寄存器相应位的查询即可知道仪器详细的操作状态。

图2寄存器层级结构图(参见下页)

对于仪器控制部分的程序编写，主要分为以下几个部分：a.仪器参数设定部分;b.图形绘制和数据显示部分;c.数据记录及储存部分。

2.1 仪器参数设定程序

对于4294A的自动控制首先要实现对其面板参数的程序化控制，因此需要构建一个虚拟前面板来模拟仪器的控制面板，同时在程序设计部分要实现对各个参数的设定和调整。

参数设置虚拟前面板及其对应的程序框图如图3和4所示。

从图4可以看出，首先对于连接于不同GPIB地址的4294A仪器，我们可以利用面板右下方的地址搜索栏来找寻到所需要的仪器地址。之后，利用不同的输入变量类型及SCPI对普通字符串的转换将晦涩的机器读取命令转换成简易识别的命令选项呈现在参数设置前面板中，用户只需要通过前面板上的简单命令选择，即可以向仪器发出SCPI命令代码。然而由于4294A从GPIB口读取数据需要考虑时延的问题，同时设计了一个用于识别SCPI指令的显示框。在确认命令输入无误后，即可点击"写入命令到4294A中"按钮来完成参数的设置。

当点击了该按钮后，由于大量GPIB口写入的SCPI命令需要一定的时间来完成，同时还需考虑Labview程序本身存在的延时，我们必须保证在进行后续操作之前，这些写入的命令已执行完毕。对于输入命令是否完成，我们需要对SRQ中的只读状态寄存器层进行访问，并读取相应位置的状态，当该位的返回值为1的时候，则证明数据写入完毕，可以执行下步操作。这一过程相应的程序框图如图5所示。

从图5中还可以看出，在利用SCPI命令"*OPC?"命令读取状态寄存器中命令写入状态位的数值并判断其为1后，还将继续进行扫描次数的设定，利用条件结构和While循环来实现单次扫描或多次扫描间的选择和切换。同样，在扫描参数设定的模块中，也设计有一个SCPI命令的显示窗口，在判断命令正确无误后，则可以点击"START"按钮，通过GPIB口人工向仪器发出一个触发信号，从而开始数据的测量。

2.2 图形绘制和数据显示程序

4294A一个重要的性能即是显示所测量数据，如电阻、电容、介电损耗等特性的实时曲线。因此，我们在记录仪器数据的同时，还需要添加图形绘制模块，这样不仅可以验证程序的准确性，同时也增加了程序的实用性。该部分的前面板及程序如图6、7所示。

2.3 数据记录及储存程序

在测量结束，图形绘制完毕后，还需要将所有的数据进行保存，以便进行后续结果的分析，如介电常数的计算等。实验数据的保存部分程序框图如图8所示。

可见，利用一个胶片结构，数据A、数据B、及扫描参数被分别进行存储。因为所读取出来的数据是一个双精度实数的数组类型，我们需要利用一个While循环及一个数组转换为动态数据单元来把数据逐个写入。当写入结束后，再将所有数据保存为一个.lvm格式的文件。该文件可以被各类文档编辑类程序打开并修改，十分便于后处理。

3 实验结果验证及分析

为了对实验程序进行可行性及准确度的确认，我们将虚拟前面板绘制出的图形(图9)、记录数据进行后处理所绘制的图形(图10)以及仪器本身面板所显示的图形(图11)这3者进行了对比，如图所示。

可见，3个图形在数据A和数据B的波形及数据精度上都十分吻合。这证实了该自动化控制程序的准确性和实用性。

4 总结

利用Labview程序及GPIB接口通信，成功实现了自动化精密阻抗分析系统的搭建。结果表明，此平台的精度和准确性都完美保留了原仪器的性能;同时，还实现了大量数据重复测量的自动化。此平台中的GPIB卡还拥有1 5 个外接接口，即意味着还可以连接1 5台其它仪器进行更加复杂的自动化实验平台的搭建。同时，利用Labview程序的Web功能，我们甚至可以利用internet或LAN来实现对该系统的远程控制。

参考文献

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