计量方法与误差理论CH3_2_电磁计量.

第三章各种物理量的测试计量第1节时间频率计量测试第2节电磁学计量测试第3节电子计量测试第4节温度计量测试第5节光学计量测试第6节其他计量测试（几何、力学、声学、电离辐射、物质的量）第2节电磁学计量测试电磁计量：应用电磁测量仪器、仪表和设备，采用相应的方法对被测量进行定量分析，研究和保证电磁量测量的统一和准确的计量学分支。主要研究内容：精密测定与电磁量有关的物理常数，确定电磁学单位制，按定义研究、复现和保存电磁学单位的计量基准和标准，研究电磁量的测量方法，研究进行电磁量量值传递的标准量具和专用测量装置，以及研究制定相应的检定系统、检定规程、技术规范等技术法规。第2节电磁学计量测试电学量计量磁学量计量直流计量交流计量电压、电流、电能（功率）、电阻等电压、电流、功率、电能（功率）、阻抗等磁通、磁矩、磁感应强度基本量材料电磁特性电导率、体电阻、绝缘强度、介电常数、介质损耗因数、磁化率、饱和磁矩等电磁学计量电磁计量从直流、低频段逐步发展到高频、微波、毫米波、亚毫米波。世界上不少国家已将以电子学领域中电磁量为对象的计量分离出来，成为计量学的另一分支——电子计量。第2节电磁学计量测试第2节电磁学计量测试第2节电磁学计量测试一、电学计量单位及标准电流安培在真空中，截面积可以忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通过等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2*10-7N，则每根导线中的电流为1A。电流单位复现电流天平(直接测量法)核磁共振欧姆定律电流天平•安培秤:FI•固定线圈A、B,活动线圈C•A、B、C通相同的电流IB、C电流流向相同A、C电流流向相反•C线圈受力垂直向下)104(27020IF比例常数（磁导系数）核磁共振nuclearmagneticresonance——NMR•核磁共振：在恒定磁场中，磁矩不为零的原子核受射频场激励后发生的能级间共振跃迁现象（共振吸收现象）。1946年美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，两人获得1952年度诺贝尔物理学奖。•核磁共振成像：利用水分子中氢原子的核磁共振现象，获取人体内水分子分布信息，从而精确绘制人体内部结构。其基本原理：将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像。•核磁共振确立磁场强度的标准：IB，复现安培由于直接由定义复现电流很难实现（其它方法单位精度不高，且很难进行保存）。因此，国际上常用的复现电流单位的方法是根据电学中的欧姆定律，即用电压和电阻两个电学量导出电流。因此在实际量值传递中，电压和电阻起到了电学基本量的作用，用于保存和复现电流量值。【说明】：RUI/电压单位伏特以及电阻单位欧姆恰好是电磁测量技术中需要而且复现准确度最高的两个单位，有合适的实物基准来保存它们的单位量值。电压•伏特：导出单位，SI单位制中的定义为两点间的电位差，在载有1A规定电流导线的这两点间消耗1W的功率。•标准电池：利用化学反应产生稳定的电动势（1.01860V）惠斯登1890发明的镉电池。由H型或单管型玻璃容器内装入硫酸镉溶液等制成。（20世纪60年代以前各国家标准）缺点：电池自发扩散作用，电动势也会随时间下降，对外界环境条件的影响非常敏感，国家基准若随时间变化就难以复现，不同国家间更难于统一电磁测量的结果。因此实物基准有必要向自然基准（或称量子基准）过渡。•约瑟夫森电压基准：量子隧道效应：在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为1nm,如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部分微粒子在E＜V的情况下仍可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。1962年约瑟夫森效应理论提出以后，各国逐渐以约瑟夫森电压标准作为国家电压标准。1988年9月，第77届国际计量委员会通过决议，确定“自1990年1月1日起国际上正式启用约瑟夫森常数来定义和复现电压单位”。我国自1992年8月正式批准启用约瑟夫森电压基准替代原电动势实物基准，复现电压单位，电学计量进入了自然基准的新时期。我国的电压单位量值电阻电磁计量中精度较高的一个，良好的实物基准基本的电阻基准标称值为1Ω两端电阻和四端电阻（把电流端与电位端分开）。•计算电容法阻抗标准制作一个高精度电容器，将其几何尺寸精确计量出，从而计算出电容量，把它作为阻抗标准导出其它电学阻抗。•量子化霍尔效应电阻标准量子化霍尔效应自1980年发现以来，在用于建立量子电阻标准方面取得了巨大的成功。国际计量委员会建议从1990年1月1日起在世界范围内启用量子化霍尔电阻标准代替原来的电阻实物标准，并给出了下面的国际推荐值：RK=h/e2=25812.807Ω•Klitzing常数——h/e2：量子化霍尔效应复现的RK，极其稳定，达到10-8量级以上。不象实物标准，复现和保存时由于线圈阻值随时间变化而产生不确定性。•主要困难：非整数值，实用标准电阻值为十进数值，需要建立高准确度的非整数比例装置，实现难度极高。目前只有五、六个国家得到了成功，比例准确度为10-8～10-9量级。•中国计量科学研究院张钟华院士：建立了我国量子化霍尔电阻标准。研制的低温电流比较仪不确定度达到10-10量级，世界第一，在国际计量领域享有极高声誉。1988年，他测得的量子化霍尔电阻的国际单位制量值被国际计量委员会正式采用作为确定国际推荐值的依据之一。张钟华和他的团队因“量子化霍尔电阻基准”项目领先国际而荣获国家科技进步一等奖——这一基准的准确度比国外最高水平高了10倍多。电容和电感•法拉：当1F电容器充以1C电荷量时，电容器两极板产生1V的电位差。电容器基准一般是由几只105pF的石英电容器组成，精度一般约为10-5量级（年变化率约10-7数量级）。•亨利：亨利是一闭合回路的电感，当此回路中流过的电流以1A/s的速率均匀变化时，回路中产生1V的电动势。电感器基准一般是由几只10mH的电感组成（无磁性骨架的电感线圈），精度一般约为10-5量级。二、直流计量直流电阻计量•单电桥——韦斯顿四臂电桥R1、R2构成比例，建立电阻比例的方法：哈蒙电阻箱。把n个量值很接近的电阻串联，然后将n个同样量值接近的电阻并联，形成n2：1的电阻比例。（P166）每个电阻都可以4线法直接测试，也可以组合测试，更主要的是，可以通过并联选件直接成为标称值的1/10，进行精确的100:1的传递，也可以接成串并联实现精确的10:1的电阻传递。•双电桥——开尔文电桥1Ω以下小电阻(四端电阻)计量被测电阻和标准电阻均采用四端接法，电流端接电源回路，从而将这两端的引线电阻、接触电阻折合到电源回路的其它串联电阻中直流电阻计量——双电桥rIIRRIRIRIRIRIRIRINx)()(23'31231221'32331)(1'32331123RRRRrRRrRRRRRNx直流电压计量•直流电位差计（P37FIG3-1-6）先根据标准电池的数值确定工作电流然后把被测电压接上，调节Rx使检流器再次为零nnxxxERRIRE两次检流器为零，不从标准电压和被测电压中吸收能量，标准电压稳定。•数字电压表直流电流计量•电表计量：精度低。大电流（几十安以上）时采用分流器（低值四端电阻，并联分流）。•电压法：用四端电阻（也称分流器）将电流转换为电压，用电位差计或数字电压表进行计量。大电流（几千安以上）时，分流器功耗大、发热，影响准确度。•直流电流比较仪：解决电压法中的大电流问题P167F8.2.41221NNII直流功率和电能计量TPdtEUIP0电动势或电磁式功率表计量电压电流计算功率根据精度选择：三、交流计量交流阻抗计量•交流电阻的等效电路•交流电桥（P169调平衡？）•感应式比例器交流电桥：解决阻抗臂比例精度不高问题（自耦式感应分压器作比例臂，隔离式感应分压器作比例臂）P170F8-2-7212121NNZZUU匝数比稳定、可靠、准确交流电流与电压计量有效值、平均值、峰值。AC-DC转换：交流量没有实物基准，用直流量基准作参考。AC-DC转换是交流量计量中最关键的问题•有效值计量：热效应转换，热电偶（热电势与加热丝中交流电流有效值平方成正比）•平均值计量：全波或半波整流，取直流分量进行计量(P171)•峰值计量：交直流比较判断峰值（P172F8.2.9）峰值包络检波原理设输入为等幅载波（包络为常数）()cosicmcvtVtciAViDvtvvtvv)()(二极管两端电压工作过程：初始t=0，＝0，cvCRD充()0ivt当时，二极管导通充电很小，充得快当时，二极管截止AVivtv)(放电RC放很大，放得慢AVv结果：保持在输入信号的峰值上AVAVcmvVV输入等幅波（课本P172）峰值包络检波电路工作过程的特点：①在高频信号的每一周电容器C充、放电一次③当输入为AM信号()(1cos)cosicmacvtVmttAVAVAVvVv检波输出两部分AVV——输出平均值，AVcmVVAVv——输出交流，反映输入的包络()(1cos)AVcmavtVmtAVcvv②,充电快、放电慢；当充放电荷达动态平衡时，输入信号峰值充放达到④二极管只在输入信号峰值尖顶上有短暂的导通，大部分时间截止。交流功率和能量计量TvidtTP01电动式或电磁式功率表直流功率比较：高精度乘法积分运算装置，热电式交直流功率比较器,计算两个有效值实现，精度千分之0.1～0.01四、磁学计量1、磁场计量磁场强弱常用磁感应强度B描述，单位特斯拉T特斯拉是1Wb磁通量均匀而垂直地通过1m2面积的磁通量密度。磁感应强度B与磁场强度H：磁导率HB弱磁（10-8-10-3T）计量主要利用亥姆霍兹线圈中磁（10-3-10-1T）计量主要利用螺线管强磁（10-1T以上）计量主要利用水冷或抽冷的螺线管、或低温超导螺线管。如果有一对相同的载流圆线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流，当线圈间距等于线圈半径时，两个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的，常用于弱磁场的计量标准。•旋转线圈法（精度10-3）：发电机原理。线圈的感应电动势与磁感应强度B成正比•霍尔效应法（精度10-2）：导体的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。将金属或半导体置于磁场中，在垂直于磁场的方向通以电流，则电子在洛仑兹力的作用下，沿垂直于磁场和电流的平面移动，产生电动势（霍尔电动势）。dIBRUHHRH:霍尔系数I:通电电流d:材料厚度B:磁感应强度原理：在恒定的磁场中，任何具有本征磁矩的原子核都会产生能级分裂，如果在垂直于外磁场的方向上加一个小的射频场，当射频场的角频率等于原子的进动频率时，低能级的粒子就会从射频场吸收能量，迁跃到高能级。•核磁共振法：精度10-4物质的磁性分为永磁、电磁以及核磁。原子由绕核电子及原子核构成，而原子核沿自身轴旋转，根据电磁原理，自旋与周围绕核电子相互关系可产生磁场，于是在原子核周围产生一个磁场——核磁。B磁旋比，与粒子有关的物理常量原子核的磁矩与自旋角动量之比称为磁旋比磁学计量2、磁通（磁感应通量）计量如果将某一空间曲线围成的某一曲面S分成无限多个微分面积dS，并取其法线一侧的方向n作为dS的方向，则dS与该处磁感应强度矢量B的标量积便称为向dS的法线一侧穿过的磁感应通量。cosdSBdSBd磁感应强度描述每一点的磁场，磁通描述闭合回路所围成的磁感应强度的通量。磁通的变化直接反映为感应电动势，磁通是联系磁学计量和电学计量的纽带。韦伯：单匝环路的磁通量，当它在1s内均匀地减小到零时，环路内产生1V的电动势。磁通表又称韦伯计。计量方法：康贝尔线圈（10-5～10-6）、场源线圈与计量线圈组合（10-4）直流磁场测量：人为改变穿过测量线圈的磁通，线圈中产生脉冲感应电动势，根据电动势的数值可以测量出变化的磁通