电子测量

电子测量原理第1页2.1概述2.1.1电测量指示仪表的分类按电测量指示仪表测量机构产生转矩原理的不同分，有磁电系、电磁系、电动系、感应系和静电系等仪表。按被测量的名称（或量纲）分，有电流表、电压表、功率表、欧姆表、电度表、相位表、频率表等。按电测量指示仪表的准确度等级分，有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0等七个等级。第2章电测试指示仪表电子测量原理第2页2.1.2电测试指示仪表的组成测量线路测量机构被测量x过渡电量y=f(x)指针偏转角a=F(y)=φ(x)从图可以看出，整个指示仪表由测量线路和测量机构两部分组成。电子测量原理第3页2.1.3测量机构的组成与原理⒈组成由驱动装置、控制装置、阻尼装置三大部分组成。⒉原理无论哪种测量机构，其原理可归结为下面四句话：(1).被测量经测量线路转换后作用于驱动装置，驱动装置产生转动转矩，使转动部分转动，从而指针偏转；(2).转动部分的转动使控制装置产生一个反转矩，阻止转动部分转动；(3).当转矩与反转矩平衡时，转动部分停止转动，指针平衡在一定的偏转角上，在刻度盘上指示出确定值；(4).转动部分的作用是使指针较快地稳定在平衡位置处，便于读数，缩短测量时间。电子测量原理第4页2.1.4电测量指示仪表的主要技术性能灵敏度:仪表指针（即可动部分）偏转角的变化量与被测量变化量的比。准确度:仪表的等级。仪表的功耗测量时，仪表要消耗一定的电能量。仪表的阻尼时间被测量开始变化到使指针距离平衡位置小于标尺全长的1%时所需的时间。为了读数迅速，阻尼时间越短越好。）（或xSdxdS电子测量原理第5页2.2磁电系仪表2.2.1磁电系测量机构磁电系测量机构是磁电系仪表的核心。根据结构的不同分动磁式和动圈式，而动圈式又分外磁式、内磁式﹑内外磁结合式三种结构。为便于介绍原理，我们以外磁式结构来分析。整个结构分为两大部分，即固定部分和可动部分。固定部分由永久磁铁1﹑极掌2﹑和固定在支架上的圆柱形铁芯3组成，构成固定的磁路。磁铁由矫顽力和剩磁都很大的硬磁材料制成，而极掌和铁芯则用导磁率高的软磁材料制成，且铁芯在极掌间形成磁场均匀的环形气隙。电子测量原理第6页2.2.1磁电系测量机构（续）可动部分有绕在铝框架4上的可动线圈5﹑线圈两端的半轴8﹑与转轴相连的指针7﹑游丝6和与半轴相连的对指针进行机械调整的调零器等组成。外磁式磁电系测量机构电子测量原理第7页2.2.1磁电系测量机构（续）工作原理磁电系测量机构的工作原理，是通电动圈在永磁场中受到电磁力的作用产生转矩，使转动体转动，而转动使游丝变形产生反转矩，当二转矩平衡时指针指示一定的值。技术性能电流灵敏度高准确度高刻度线性使用范围只能测直流电子测量原理第8页2.2.2磁电系电流表RgRpIgIp磁电系电流表的组成磁电系电流表由测量机构与分流器并联而成R为机构的等效电阻gR为分流电阻n为分流系数pIRRRIPgpgppggRRRIIn电子测量原理第9页2.2.3磁电系电压表磁电系电压表的组成R为与机构串联的分压电阻fUg为机构两端的电压电子测量原理第10页2.2.3磁电系电压表（续）测量机构通过串分压电阻构成电压表gUggIgIUSRUSISgIURSSgfgggfggmURRRURRIU)()(电子测量原理第11页2.2.4磁电系欧姆表RgRabRx+-U欧姆表原理电路电源为干电池，端电压为U，电源与测量机构以及可变电阻R相串联，在a﹑b两个端钮上接入被测电阻R。x电子测量原理第12页2.2.4磁电系欧姆表续）a﹑b间短路（即R=0）：测量机构指针按=SII偏转。调节R，电流达最大值Ig，使指针满偏转m处，对应刻度电阻“0”。xgRRUIa﹑b间开路（即R=∞）:I=0这时，指针不偏转，=SII=0，对应刻度电阻“∞”。x电子测量原理第13页2.2.4磁电系欧姆表续）a﹑b间接中心值电阻（即R=R+Rg）,有电流：这时的指针偏转角xggxgIRRURRRUI21)(2mgIIISIS2121电子测量原理第14页2.2.4磁电系欧姆表续）这时的指针偏转角所以，在指针半偏转角处刻度中值电阻R,并且由此处的刻度值便可知欧姆表的内阻值。a﹑b间接任意电阻R,电流为：mgIIISIS21210xxgRRRUI电子测量原理第15页2.2.5万用表一种可以测量多种电参量的多量限便携式仪表。主要由转换开关﹑测量线路和测量机构三部分组成。转换开关是一个多刀多掷的机械联动开关，实现对不同测量线路的选择。测量机构亦称表头，一般采用磁电系测量机构，其灵敏度通常用偏转电流来衡量，满偏转电流越小，表头的灵敏度就越高，测量电压时的内阻就越大。电子测量原理第16页2.2.5万用表（续）MF9型万用表原理电路电子测量原理第17页2.2.6检流计用途：检流计是用来检测电路中的微小电流，检流计结构示意图图中“1”是动圈、“2”是悬丝（并引入电流）、“3”是电流引线（导流丝）、“4”是反射小镜。电子测量原理第18页2.2.6检流计（续）检流计的主要技术指标：(1).内阻Ro，它包括了动圈﹑悬丝﹑导流丝的电阻。(2).外临界电阻R，它是检流计工作于临界阻尼时外电路的电阻。(3).电流灵敏度SI（但检流计铭牌上标的是电流常数CI），它是CI的倒数，即：(4).自然振荡周期和阻尼时间自然振荡周期指欠阻尼状态下活动部分在稳定位置附近的振荡周期。这种欠阻尼是阻尼极小或检流计处于开路状态。阻尼时间指检流计在临界阻尼状态下，由最大偏转状态切断电源开始，到指示器回到零位时所需要的时间。自然振荡周和阻尼时间是衡量检流计的主要技术参数。kICSII1电子测量原理第19页2.2.7兆欧表绝缘材料的好坏对电器设备的正常运行和安全用电有重大影响，而绝缘材料性能的重要指标就是绝缘电阻。对绝缘电阻的测量，用欧姆表因电池电压太低而不可行，须用“兆欧表”进行测量。兆欧表主要由一台手摇发电机和磁电系比率表组成。兆欧表结构示意图电子测量原理第20页2.2.7兆欧表（续）使用兆欧表测量时，若操作不当或接线错误，不但影响测量结果，还会危及人身安全，因而必须注意：(1).正确选择兆欧表的电压及测量范围。选择兆欧表的电压不能高于被测绝缘所能承受的电压，量程范围应满足被测阻值的需要以不至于产生较大的读数误差。(2).被测须断开电源，并在接地或短路放电后再进行测，以防人身和设备安全。(3).测量时兆欧表应放在平稳地方，并远离大电流导体和外磁场；测量前应将被测表面擦干净，以免表面绝缘随各种外界影响而变动。(4).测量前兆欧表的检查：兆欧表表笔开路，摇动发电机至额定转速，指针应指在“∞”处；再将表笔短路，缓慢转动发电机手柄，指针应指在“0”处。(5).测量时，应将手摇发电机转速保持在规定范围内。电子测量原理第21页2．3电动系仪表电动系仪表在交流仪表中准确度最高（可达0.05级），广泛用于交流精密测量及作为交流标准表。电动系仪表交直流两用，不但可做成交直流两用的电流表﹑电压表和功率表，还可以做成功率因数表﹑相位表和频率表，其上限频率可达10KHz。因此电动系仪表在电工仪表中占有重要地位。电子测量原理第22页2．3．1电动系测量机构电动系结构示意图由图可见，固定线圈1由两段线圈构成，空间上并排（同轴线），以便使两部分之间获得较均匀的磁场，而电路上可串﹑并联获得两个量限。动圈2与轴固定在一起，位于两定圈之间。游丝3产生反作用力矩，也是动圈的导流线。阻尼叶片5和阻尼箱6，是产生空气阻尼的。电子测量原理第23页2．3．1电动系测量机构（续）电动系测量机构具有以下主要特性：(1).可测交流和直流量。(2).刻度非线性，偏转角正比于定、动圈中电流之积（交流为有效值，并与cosφ有关）。(3).准确度高，可达0.1级，甚至0.05级，因为不存在铁磁材料的磁滞和涡流损耗。(4).频率范围在十几赫兹至数千赫兹，工频时误差最小，频率较高时(如1000Hz)须进行补偿。此外，电动系测量机构过载能力较差，且气隙大而磁场弱，需采用屏蔽措施或无定向式结构以防外磁场干扰产生误差。电子测量原理第24页2．3．2电动系电流表电动系电流表电动系测量机构的定﹑动圈串联，就构成了电动系电流表，如图2-19所示。直流时I1=I2=I，则有：221kIIkI电子测量原理第25页2．3．2电动系电流表（续）交流时，i1=i2=i，有效值I1=I2=I,相位差φ=0。则有：221coskIIkI可见，电动系电流表测交﹑直流时具有相同结果，即偏转角正比于电流的平方(交流时为有效值)，刻度非线性，成平方律关系。电子测量原理第26页2．3．2电动系电压表电动系测量机构的定﹑动圈串联后与一附加电阻R串联，便构成了电动系电压表。f电动系电压表电子测量原理第27页2．3．2电动系电压表（续）直流时，定﹑动圈中为同一电流，在忽略线圈等效电阻情况下，电流,则偏转角为：fRUII2122221UkURkIkIVf式中。2fVRkK电子测量原理第28页2．3．2电动系电压表（续）交流时，定、动圈中也为同一电流，且定动圈中电流相位差为零，在忽略线圈等效电阻及等效电感的情况下，电流,则偏转角为：fRUII2122221cosUkRUkIkIVf可见，电动系电压表测交直流时结果相同，即偏转角正比于电压的平方，刻度非线性。电子测量原理第29页2．3．3电动系功率表用来直接测量功率的仪表叫功率表。（a）（b）功率表原理电路电子测量原理第30页2．3．3电动系功率表（续）电动系测量机构有两个线圈，只要使机构中的一线圈通入负载电流、另一线圈通入与负载电压有关的电流，就可对功率进行测量。在功率表里，固定线圈用较粗的导线绕成，让负载电流通过，所以叫电流线圈；活动线圈用细线绕制，让与负载电压成正比的电流通过，所以叫电压线圈。电流线圈与负载串联，电压线圈串一附加电阻后与负载并联。可动部分的转动方向与二电流方向有关，使其正转（顺时针方向转）的两端定为同名端，用“*”表示。原理电路如图上图所示，其中（b）图为GB312-64规定的符号。电子测量原理第31页2．4电磁系仪表电磁系仪表是测量交流电压与交流电流的最常用的一种仪表。它具有结构简单﹑过载能力强﹑造价低廉及交直流两用等一系列优点。2.4.1电磁系测量机构电磁系测量机构有吸入式和排斥式两种。我们以排斥式测量机构来说明。电磁系测量机构电子测量原理第32页2.4.1电磁系测量机构(续)固定部分有固定线圈1和固定铁片2组成，可动部分由可动铁片3﹑指针4﹑平衡块5﹑阻尼片6和游丝7组成。2.工作原理测量时，被测电流通入线圈产生磁场，使定﹑动铁片被同时磁化，且同一侧的磁化极性一样。于是定、动铁片互相排斥，使可动部分发生偏转。转动力矩的大小，在直流时为：交流时，磁场的方向随电流方向的改变而改变，但两铁片同侧的磁化极性同时改变，同样产生排斥力，即转动力矩方向不变。这时的瞬时转矩为：221IddLddAM221iddLm电子测量原理第33页2.4.1电磁系测量机构(续)因转动部分的惯性，转动部分随平均转矩转动。其平均转矩为：20211IddLmdtTMT在M转矩作用下转动部分转动，游丝变形产生反转矩：NMf当M=M时，转动部分停止转动。阻尼片产生空气阻尼使指针在平衡位置处不摆动。f电子测量原理第34页2.4.2电磁系电流表电磁系测量机构的线圈固定，可用粗导线绕制，允许电流较大。低量限用的导线细，匝数多；高量限用的导线粗，匝数少。一般利用测量机构本身可测量的最大电流约200安，所以在工程中应用较多。电磁系电流表可分为安装式和便携式两种。安装式多做成单量限，便携式多做成多量限的。多量限的获得，是采用将固定的线圈分段成多段绕组，然后通过它们的串﹑并联来改变电流的量限。对于两个线圈并联比串联扩大扩程一倍，这时安匝不变，即磁场不变，刻度也不变，只需乘以两倍关系即可。只测交流的电流表，扩程可采用电流互感器。电子测量原理第35