電量測量技術(shù)...ppt

1 第四章電磁量測量技術(shù) 第一節(jié)電壓的測量第二節(jié)電流的測量第三節(jié)阻抗的測量第四節(jié)功率的測量第五節(jié)頻率的測量第六節(jié)磁場的測量 2 電壓測量是電測量與非電測量的基礎(chǔ) 電測量中 許多電量的測量可以轉(zhuǎn)化為電壓測量 表征電信號能量的三個(gè)基本參數(shù) 電壓 電流 功率其中 電流 功率電壓 再進(jìn)行測量 非電測量中 物理量電壓信號 再進(jìn)行測量如 溫度 壓力 振動 加 速度 第一節(jié)電壓的測量 一 電壓測量的重要性 3 第一節(jié)電壓的測量 二 直流電壓的測量1 直流電壓測量系統(tǒng)組成 輸入電路 對輸入電壓衰減 放大 變換 鉗位等 A D轉(zhuǎn)換器 實(shí)現(xiàn)模擬電壓到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 核心部件 數(shù)字顯示器 顯示模擬電壓的數(shù)字量結(jié)果 邏輯控制電路 在統(tǒng)一時(shí)鐘作用下 完成內(nèi)部電路的協(xié)調(diào)有序工作 4 2 輸入電路 放大電路 OP07 10倍 衰減網(wǎng)絡(luò) 1KV 200mV 輸入電路 放大 衰減 量程切換 鉗位保護(hù) 濾波 RC有源濾波器 二階低通濾波器 5 3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD574 分辨率 12位 逐次比較 非線性誤差 小于 1 2LSB或 1LSB 轉(zhuǎn)換速率 25us 電壓輸入范圍 10V 20V 5V和 10V 電源電壓 15V和5V 數(shù)據(jù)輸出格式 12位 8位 6 顯示位數(shù)完整顯示位 能夠顯示0 9的數(shù)字 非完整顯示位 俗稱半位 只能顯示0和1 在最高位上 如4位電壓表 具有4位完整顯示位 其最大顯示數(shù)字為9999 而位 4位半 電壓表 具有4位完整顯示位 1位非完整顯示位 其最大顯示數(shù)字為19999 4 直流電壓表主要性能指標(biāo) 7 量程基本量程 無衰減或放大時(shí)的輸入電壓范圍 由A D轉(zhuǎn)換器量程范圍確定 通過對輸入電壓 按10倍 放大或衰減 可擴(kuò)展其他量程 分辨力用每個(gè)字對應(yīng)的電壓值來表示 即V 字 不同的量程上能分辨的最小電壓變化的能力不同 顯然 在最小量程上具有最高分辨力 例如 3位半的電壓表 在200mV最小量程上 可以測量的最大輸入電壓為199 9mV 其分辨力為0 1mV 字 即當(dāng)輸入電壓變化0 1mV時(shí) 顯示的末尾數(shù)字將變化 1個(gè)字 4 直流電壓表主要性能指標(biāo) 8 三 交流電壓的測量 1 交流電壓的表征方法 峰值 以零電平為參考的最大電壓幅值 用Vp表示 平均值 數(shù)學(xué)上定義相當(dāng)于交流電壓u t 的直流分量 有效值 交流電壓在一個(gè)周期T內(nèi) 通過某純電阻負(fù)載R所產(chǎn)生的熱量 與一個(gè)直流電壓在同一負(fù)載上產(chǎn)生的熱量相等時(shí) 則該直流電壓的數(shù)值就表示了交流電壓的有效值 從測量角度定義 9 交流電壓的波形系數(shù)KF 交流電壓的波峰系數(shù)KP 為表征同一信號的峰值 有效值及平均值的關(guān)系 引入波形系數(shù)及波峰系數(shù) 10 波峰系數(shù)和波形系數(shù)對理想的正弦交流電壓u t Vpsin t 若 2 T對理想的正弦交流電壓u t Vpsin t 若 2 T 11 2 交流電壓的測量方法 1 峰值檢測電路 由二極管峰值檢波電路完成 有二極管串聯(lián) a 和并聯(lián) b 兩種形式 原理 通過二極管正向快速充電達(dá)到輸入電壓的峰值 而二極管反向截止時(shí) 保持 該峰值 12 要求 式中 Rs和rd分別為等效信號源u t 的內(nèi)阻和二極管正向?qū)娮?C為充電電容 并聯(lián)式檢波電路中C還起到隔直流的作用 RL為等效負(fù)載電阻 Tmin和Tmax為u t 的最小和最大周期 二極管峰值檢波電路工作原理 峰值檢波電路的輸出存在較小的波動 其平均值略小于實(shí)際峰值 特點(diǎn) 檢波器的輸出電壓和交流電壓的峰值成正比 靈敏度較低 幾十毫伏 測量上限取決于檢波二極管的方向擊穿電壓 工作頻率范圍取決于檢波二極管的高頻特性 13 2 平均值檢測電路 原理 由二極管橋式整流電路完成 形式 全波整流 a 和半波整流 b 整流電路輸出直流電流I0的平均值與被測輸入電壓u t 的平均值成正比 輸出信號與u t 的波形無關(guān) 電容C用于濾除整流后的交流成分 避免指針擺動 14 以全波整流電路為例 I0的平均值為式中 T為u t 的周期 rd和rm分別為檢波二極管的正向?qū)娮韬碗娏鞅韮?nèi)阻 可視為常數(shù) 它反映了檢波器的靈敏度 于是 I0的平均值與u t 的平均值成正比 2 平均值檢測原理 特點(diǎn) 頻率范圍受放大器帶寬限制 20Hz 10MHz 靈敏度受放大器噪聲限制 可做到毫伏級 15 3 有效值檢測電路 利用模擬運(yùn)算的集成電路檢波方法 通過多級運(yùn)算器級連實(shí)現(xiàn) 模擬乘法器 平方 積分 開方 比例運(yùn)算 AD536A 真有效值 直流轉(zhuǎn)換單片集成電路 可將任復(fù)雜波形的真有效值轉(zhuǎn)換成直流輸出 最大誤差0 2 低功耗 1 2mA靜態(tài)電流 有效值電壓表 不受波形失真影響 但頻率范圍受轉(zhuǎn)換器限制 16 4 電壓表的刻度特性和誤差分析 當(dāng)輸入u t 為正弦波時(shí) 讀數(shù) 即為u t 的有效值V 而不是該純正弦波的峰值Vp 對于非正弦波的任意波形 讀數(shù) 沒有直接意義 既不等于其峰值Vp也不等于其有效值V 但可由讀數(shù) 換算出峰值和有效值 峰值電壓表的刻度特性 電壓表刻度特性 各類電壓表的示值都是按正弦波有效值來定度的 17 換算關(guān)系歸納如下 式中 為峰值電壓表讀數(shù) Kp為波形的波峰因數(shù) 波形誤差 若將讀數(shù) 直接作為有效值 產(chǎn)生的誤差 18 當(dāng)輸入u t 為正弦波時(shí) 讀數(shù) 即為u t 的有效值V 而不是該純正弦波的均值 對于非正弦波的任意波形 讀數(shù) 沒有直接意義 既不等于其均值也不等于其有效值V 但可由讀數(shù) 換算出均值和有效值 均值電壓表的刻度特性 4 電壓表的刻度特性和誤差分析 19 換算關(guān)系歸納如下 式中 為均值電壓表讀數(shù) KF為波形因數(shù) 波形誤差 若將讀數(shù) 直接作為有效值 產(chǎn)生的誤差 20 有效值電壓表的刻度特性 理論上不存在波形誤差 因此也稱真有效值電壓表 讀數(shù)與波形無關(guān) 4 電壓表的刻度特性和誤差分析 21 5 實(shí)例分析 例 用具有正弦有效值刻度的峰值電壓表測量一個(gè)方波電壓 讀數(shù)為1 0V 問如何從該讀數(shù)得到方波電壓的有效值 解 根據(jù)上述峰值電壓表的刻度特性 由讀數(shù) 1 0V 第一步 假設(shè)電壓表有一正弦波輸入 其有效值 1 0V 第二步 該正弦波的峰值 1 4V 第三步 將方波電壓引入電壓表輸入 其峰值Vp 1 4V 第四步 查表可知 方波的波峰因數(shù)Kp 1 則該方波的有效值為 V Vp Kp 1 4V 波形誤差為 可見若不換算 波形誤差是很大的 22 5 實(shí)例分析 例 用具有正弦有效值刻度的均值電壓表測量一個(gè)方波電壓 讀數(shù)為1 0V 問該方波電壓的有效值為多少 解 根據(jù)上述均值電壓表的刻度特性 由讀數(shù) 1 0V 第一步 假設(shè)電壓表有一正弦波輸入 其有效值 1 0V 第二步 該正弦波的均值 0 9 0 9V 第三步 將方波電壓引入電壓表輸入 其均值0 9V 第四步 查表可知 方波的波形因數(shù) 1 則該方波的有效值為 0 9V 波形誤差為 23 第二節(jié)電流的測量 一 歐姆法測量電流 I V變換 原理 將被測電流通過一個(gè)已知的取樣電阻 測量電阻兩端的電壓即可得到被測電流 既可以測量直流 也可以測量交流 不同量程的電流可以選擇不同的取樣電阻 通過量程開關(guān)選擇取樣電阻 1k 100 10 1 0 1 便可測量電流 200 A 2mA 20mA 200mA 2A輸出電壓 200mv 24 二 霍爾法測量電流 霍爾零磁通電流傳感器 閉環(huán)霍爾電流傳感器 原理 電流流過導(dǎo)線 周圍會感生出磁場 霍爾器件檢測由電流感生的磁場 霍爾輸出電流放大后通過補(bǔ)償線圈 產(chǎn)生相反的磁場 使磁芯中磁通為0 達(dá)到平衡后 由Is測量導(dǎo)線通過的電流 25 二 霍爾法測量電流 26 第三節(jié)阻抗的測量 一 阻抗的概念 阻抗 對于無源線性一端口網(wǎng)絡(luò) 當(dāng)它在角頻率為的正弦電源激勵(lì)下處于穩(wěn)態(tài)時(shí) 端口的電壓相量和電流相量的比值 Z為復(fù)數(shù) 也稱為復(fù)阻抗公式也稱為復(fù)數(shù)形式的歐姆定律 27 單個(gè)元件的阻抗 電阻 電容 電感 28 二 伏安法測量阻抗 伏安法 在元件兩端加上電壓 元件內(nèi)有電流通過 分別測量電壓和電流 計(jì)算得出阻抗 特點(diǎn) 使用簡單 頻率范圍 10KHz 100MHz 29 原理 用交流電橋測量阻抗 電橋電源E用指定頻率的正弦信號 平衡條件由四個(gè)橋臂的復(fù)數(shù)阻抗決定 三 電橋法測量阻抗 特點(diǎn) 高精度 0 1 典型值 需要手動調(diào)整平衡 頻率范圍 直流 300MHz 例 若Z1和Zx為串聯(lián)電容 Z2和Z3為純電阻 則構(gòu)成串聯(lián)電容電橋或稱維恩電橋 根據(jù)電橋平衡條件得 30 四 諧振法測量阻抗 原理 利用回路的諧振現(xiàn)象測量高頻元件參量 特點(diǎn) 可測很高的Q值 需要調(diào)諧到諧振 阻抗測量精度低 頻率范圍 10kHz 70MHz 串聯(lián)諧振回路 改變電容C直到電路諧振諧振時(shí)僅有RX存在 電壓 電流達(dá)到最大 頻率 31 第四節(jié)功率的測量 一 功率的概念 功率 單位時(shí)間內(nèi)電路所做的功的大小功率越大 單位時(shí)間內(nèi)耗能越多 單位 瓦特 W 表示在1秒內(nèi)完成1焦耳功所需的功率 毫瓦 mW 瓦特的千分之一 1W 1000mW 分貝瓦 dBW 表示以1瓦為參考電平來描述功率的對數(shù)式單位 分貝毫瓦 dBmW 表示以1毫瓦為參考電平 描述功率的對數(shù)單位 如 1瓦可記為0分貝瓦或30分貝毫瓦 10微瓦可記為 50分貝瓦或 20分貝毫瓦 32 二 功率的測量 1 伏安法 測量負(fù)載上的電壓 電流來代替直接測量功率 適用于直流和低頻交流 2 能量法 把電磁能量變換成熱 電 力 光等易于測量的能量 適用于高頻和微波功率的測量 如電能 熱能 量熱式功率計(jì) 測熱電阻功率計(jì)和熱電式功率計(jì) 測熱電阻法 測輻射熱器法 利用某些對溫度敏感的電阻元件在吸收電磁能量后阻值變化的特性來測量功率 33 3 功率表法 電動式功率表適合于直流電功率 單相交流功率的測量 電動式功率表電路 電動功率表接線 符號 34 三相交流功率的測量 三相交流電功率的測量方法 二表法 三表法 一表法 三相對稱負(fù)載 三相三線制負(fù)載 三相不對稱負(fù)載 35 第五節(jié)頻率的測量 一 計(jì)數(shù)法測量頻率原理 原理 就是在一定的時(shí)間間隔內(nèi) 對被測信號進(jìn)行計(jì)數(shù) 計(jì)數(shù)器的閘門的開啟時(shí)間受控 若計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N 被測信號的頻率為 低頻信號 為了獲得較多的測量位數(shù)及測量精度 采用較長的閘門時(shí)間 高頻信號 可以利用變頻 混頻 電路對被測信號進(jìn)行降頻處理 然后再進(jìn)行計(jì)數(shù)測量 以降低對器件速度的要求 36 二 計(jì)數(shù)法測頻系統(tǒng)組成 放大整形 將模擬變化信號變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的方波或窄脈沖 施密特觸發(fā)器 閘門電路 控制進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖 對預(yù)定時(shí)間之內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù) 與門 門控電路 產(chǎn)生門控信號 控制閘門的開閉 即計(jì)數(shù)的開始和結(jié)束 計(jì)數(shù)電路 計(jì)錄脈沖的個(gè)數(shù) 實(shí)現(xiàn)頻率測量 計(jì)數(shù)器 要求高速 準(zhǔn)確 37 三 計(jì)數(shù)法測量頻率的誤差 1 量化誤差 閘門時(shí)間T0和被測量f互不相關(guān) 且f通常不是f0的整數(shù) N 倍 因此計(jì)數(shù)時(shí)不可避免存在誤差 產(chǎn)生原因 由于閘門開啟和關(guān)閉的時(shí)間與被測信號不同步引起 亦即開門和關(guān)門時(shí)刻與被測信號出現(xiàn)的時(shí)刻是隨機(jī)的 使得在閘門開始和結(jié)束時(shí)刻有一部分時(shí)間零頭沒有被計(jì)算在內(nèi)而造成的測量誤差 38 2 觸發(fā)誤差 轉(zhuǎn)換誤差 輸入信號都需放大 整形等 若被測信號疊加有干擾信號 則信號的觸發(fā)點(diǎn)就可能變化 由此產(chǎn)生的測量誤差 如圖 周期為Tx的輸入信號 觸發(fā)電平在A1點(diǎn) 但在A1 點(diǎn)上有干擾信號 幅度Vn 提前觸發(fā) 周期Tx Tx 三 計(jì)數(shù)法測量頻率的誤差 39 三 計(jì)數(shù)法測量頻率的誤差 3 標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差 閘門時(shí)間由基準(zhǔn)頻率信號產(chǎn)生 它是頻率測量的參考基準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn)頻率準(zhǔn)確度和短期穩(wěn)定度將直接影響測量結(jié)果 通常要求標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差小于測量誤差的一個(gè)數(shù)量級 40 第六節(jié)磁場的測量 一 磁場測量的基本概念 應(yīng)用 磁場測量問題在工業(yè)生產(chǎn) 科學(xué)研究 醫(yī)學(xué) 生物學(xué)等許多領(lǐng)域均有涉及 如磁探礦 磁懸浮列車 地質(zhì)勘探 磁導(dǎo)航 導(dǎo)彈導(dǎo)航 同位素分離 質(zhì)譜儀 電子束與離子束加工裝置 受控?zé)岷朔磻?yīng) 人造地球衛(wèi)星 心磁圖 與 腦磁圖 等 磁場測量方法 電磁感應(yīng)法 核磁共振法霍耳效應(yīng)法 磁通門法磁光效應(yīng)法超導(dǎo)量子干涉法力矩磁強(qiáng)計(jì)等 41 二 電磁感應(yīng)法 原理 法拉第電磁感應(yīng)定律 線圈在均衡磁場中切割磁力線運(yùn)動時(shí) 在線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢 W 匝數(shù) 磁通量 旋轉(zhuǎn)線圈磁強(qiáng)計(jì) 在被測的恒定磁場中 放置一個(gè)小檢測線圈 并令其作勻速旋轉(zhuǎn) 通過測量線圈的電動勢 可計(jì)算出磁通密度或磁場強(qiáng)度 測量范圍為0 1毫特到10特 誤差為0 1 1 沖擊檢流計(jì) 將檢測線圈突然翻轉(zhuǎn)或快速移到無場區(qū) 按沖擊法原理測量磁通密度 42 旋轉(zhuǎn)線圈磁強(qiáng)計(jì) B0 U t 線圈匝數(shù) N 線圈截面積 A 角速度 43 三 磁通門法 原理 由高磁導(dǎo)