电气测量

进入退出绪论第一章直读式电测仪表第二章比较式电测仪表第三章电子式电测仪表第四章数字化电测仪表第五章磁性电测仪表§0.1电气测试的方法§0.2电气测试结果的表示§0.3电学量和电学基准§0.4电气测试仪表的误差§0.5电气测试的发展过程§0.6电气测试的发展趋势§1.1磁电系仪表§1.2磁电系电流表、电压表、欧姆表§1.3万用表§1.4磁电系检流计§1.5冲击检流计§1.6电磁系仪表§1.7电动系仪表绪论第一章直读式电测仪表第二章比较式电测仪表第三章电子式电测仪表第四章数字化电测仪表第五章磁性电测仪表§2.1直流电位差计§2.2直流电桥§2.3交流电桥绪论第一章直读式电测仪表第二章比较式电测仪表第三章电子式电测仪表第四章数字化电测仪表第五章磁性电测仪表§3.1电子示波器原理§3.2电子示波器的使用绪论第一章直读式电测仪表第二章比较式电测仪表第三章电子式电测仪表第四章数字化电测仪表第五章磁性电测仪表§4.1概述§4.2频率、周期的数字化测量§4.3相位的数字化测量§4.4电压的数字化测量§4.5电阻、电容的数字化测量§4.6电功率的数字化测量§4.7微机化仪表绪论第一章直读式电测仪表第二章比较式电测仪表第三章电子式电测仪表第四章数字化电测仪表第五章磁性电测仪表§5.1概述§5.2若干基础知识§5.3空间磁场、磁通的测量§5.4磁性材料的测量绪论第一章直读式电测仪表第二章比较式电测仪表第三章电子式电测仪表第四章数字化电测仪表第五章磁性电测仪表绪论§0.1电气测试的方法测量分为三类：直接测量、间接测量和组合测量。直接测量是实测数据可以直接由指示仪表上获得。例如，用电流表测量电流，用电位差计测量电压。间接测量是通过计算得到测量结果。例如，用伏安法测量电阻，就是间接测量。比较测量法是将被测量与标准量进行比较而取得结果。直读测量法是利用电测指示仪表进行测量。例如，用电压表测量电压。它是最准确的测量方法。测量过程分为直读测量法和比较测量法。组合测量是通过联立求解各函数的关系式，来确定被测量大小的方法。§0.2电气测试结果的表示电气测量的结果由两部分组成，即测量单位和纯数。独立定义的单位称为基本单位。国际单位制，用代号SI表示。例如电磁学中安培由基本单位和一定物理关系推导出来的单位称为导出单位。在电磁学中涉及的物理量的单位只有四个基本单位,即:米、千克、秒和安培。例如物体运动的速度单位米/秒表0-1电磁学单位的部分SI导出单位1990年1月1日国际上正式启用电学计量新基准。约瑟夫森效应和冯·克里青效应。复现伏特和欧姆单位。§0.3电学量和电学基准0.3.1电学基准(1)约瑟夫森效应(2)冯·克里青效应(量子化霍尔效应)(1)约瑟夫森效应fenhVn2(0-3-1)两块弱连接的超导体在微波频率的照射下，就会出现阶梯式伏安特性，如图0-3-1所示。这种超导体的结构称为约瑟夫森结。在第n个阶梯处的电压与微波频率有如下关系:这个公式是复现和保存国家电压单位“伏特”的理论基础。通过精心测量微波频率就可确定Vn的数值。(2)冯·克里青效应(量子化霍尔效应)当通过元件的电流I固定时，会出现磁感应强度变化而霍尔电压不变的区域称为霍尔平台。RH是物理常数。一旦确定i，冯·克里青效应就可用于复现、保存电阻单位欧姆。量子化霍尔电阻与平台序数i的关系如下:2ehRH(0-3-3)式中，RH为冯·克里青常数。iRiRH)((0-3-4)(0-3-2)IiUiRHH)()(霍尔电阻RH(i)，即标准电池是性能极其稳定的化学电池。电动势在1.0186V左右。0.3.2标准电池按电解液的浓度划分为饱和式和不饱和式标准电池。标准电池在使用时应注意下列事项。(1)要根据标准电池的等级,在规定要求的温度下存放和使用。(2)标准电池不能过载,严禁用电压表或万用表去测量标准电池的电动势。(3)标准电池严禁摇晃和振动,严禁倒置。经运输后要放置足够时间后再使用。(4)检定证书和历年的检定数据是衡量一只标准电池好坏的依据,应注意保存。0.3.3标准电阻通常标准电阻是锰铜丝绕制的。标准电阻能够准确复现欧姆量值。高电阻标准电阻有时制成三端钮形式。其中,一个端钮是屏蔽端钮,如图0-3-5所示。在使用时给屏蔽端一定的电位,可减小漏电的影响。电阻上的电流不流过电位端钮，减小了端钮接触电阻对标准电阻阻值得影响。阻值低于10W的电阻通常是四端钮结构。即分别有电流端钮和电位端钮。其接线如图0-3-4所示。目前应用和生产的主要两种电阻箱。0.3.4可变电阻箱(1)接线式电阻箱(2)开关式电阻箱图0-3-7为开关式电阻箱的结构示意图。转换开关的位置就可以得到需要得三位十进电阻值。根据引起误差的原因，可以将误差分为基本误差和附加误差两种：§0.4电气测试仪表的误差0.4.1仪表误差的分类(1)基本误差：仪表在正常工作条件下进行测量时，由于内部结构和制作不完善所具有的误差。仪表正常工作条件是指：1)仪表指针调整到进行零位；2)仪表按规定的工作位置安放；3)除地磁外，没有外来电磁场；4)周围温度是200℃或为仪表所标的温度；5)交流仪表的使用频率符合仪表的规定，所测量的波形为正弦。(2)附加误差：仪表偏离其正常工作条件而产生的除上述基本误差外的误差称为附加误差。如温度、外磁场、频率等不符合仪表正常工作条件时都会引起附加误差。如果用Ax表示测量结果,A0表示被测量的真值,则绝对误差△可表示为(1)绝对误差：(2)相对误差：通常以百分数g来表示,即因为A0难以测得，有时用Ax代替A0，则(0-4-1)0AAx(0-4-2)%1000Ag(0-4-3)%100xAg0.4.2误差的几种表达形式由此可见，前者的相对误差小些，测量的准确度要高些。所以，一般都用它来表示误差。例如，用两个伏特表测量两个电压，一个电压的测量值为150伏，绝对误差为1.5伏；另一个的测量值为10伏，绝对误差为0.5伏。从绝对误差角度来看，前者比后者大，但从相对误差来看，前者为后者为(0-4-4)%1%1001505.1%100xAg=(0-4-5)%5%100105.0g(3)引用误差式中,γn为仪表的引用误差；△为仪表的基本误差；Am为仪表的量限。%100mnAg(0-4-6)通常用引用误差来衡量仪表的准确度。即用最大引用误差来衡量仪表的准确度。0.4.3仪表的准确度%100mmnmAg(0-4-7)式中，γnm为仪表的最大引用误差；△m为仪表在不同刻度上的最大基本误差。目前我国生产的电气测量指示仪表，按最大引用误差的不同，其准确度α分为0.05,0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5等八个等级。仪表准确度等级是衡量仪表性能的指标。例0-4-1用量限为10安，准确度为0.5级的电流表去测量10安和5安的电流，求测量的相对误差。解：测量10安电流时所产生的最大基本误差:05.010%5.0%mmAaA因而测量10安电流时所产生的最大相对误差%1505.0g由此可见，当仪表的准确度`等级给定后，则所选仪表的量限越接近被测量的值,测量误差越小。A05.010%5.0m%5.01005.0g测量5安时电气测试技术包括三个主要方面：电磁量的测量方法，电磁测量仪表、仪表的设计与制造，以及电磁量的量值传递§0.5电气测试的发展过程其中以仪器仪表的发展最能体现电气测试技术的发展。仪器仪表的发展可以大致分为三个阶段:•古典电工仪器仪表发展阶段•数字式仪表发展阶段•自动测试系统发展阶段。自从电子技术和微计算机技术渗透到测量和仪器仪表领域，随即就产生了自动测试系统。1987年，第一个适于模块化仪器标准化的接口总线标准VXIbus问世。1992年又完善为VXIbusRev.1.4，简称为VXI总线。设计VXI总线是为了使微机化仪器系统的硬件和软件标准化，从而提高微机化仪器系统的互用性，更容易被集成和应用。PC为核心，由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器又称为虚拟仪器。虚拟仪器一般运行在于Windows环境下，因此可以同时启动多个应用，即利用一台PC可以同时组建多台虚拟仪器并实施测量。1997年美国国家仪器公司推出一类新产品：基于PC的、适用于测量仪器的开放式接口总线标准PXI。PXI仪器的主要优点是成本低，且又具有先进的数字接口与仪器接口功能,适于组成便携式测试系统。电磁测量仪表的发展趋势§0.6电气测试的发展趋势(1)小型化，仪器积木化、集成化和多功能化。(2)自动化程度高。(3)向数字化、智能化发展。习题0-4为测量稍低于100V的电压，现实验室中的有0.5级的0～300V和1.0级0～100V两只电压表，为使测量准确些，你打算选用哪一种？0-6用量限为0～100mA、准确度为0.5级的电流表，分别去测量100mA和50mA的电流，求测量结果的最大相对误差各为多少？0-2为什么引入引用误差的概念？第一章直读式电测仪表§1.1磁电系仪表1.1.1磁电系仪表的结构磁电系仪表的内部结构主要有外磁式和内磁式两种。1.外磁式磁电系仪表的结构外磁式磁电系仪表的结构如图1-1-1所示。永久磁铁放在可动线路圈的外面，所以称外磁式。可动线圈通电后,线圈两侧受到电磁力形成转动力矩,线圈产生偏转。反作用力矩由游丝产生,游丝还可作为将电流引进可动线圈的引线。2.内磁式磁电系仪表的结构内磁式磁电系仪表的结构见图1-1-2，它与外磁式的区别在于把永久磁铁4做成圆柱形，并放在可动线圈之内。式中,l为线圈的有效边长；I0为通过线圈的电流；N为线圈的匝数；r为转轴到线圈边的距离。1.1.2磁电系仪表的工作原理磁电系仪表在极掌和圆柱形铁心间的气隙中的磁场呈均匀辐射状分布。如图1-1-3所示，设它的磁感应强度为B，可动线圈在气隙磁场中所受的力矩为M=2BlI0Nr(1-1-1)随着活动部分的转动,游丝产生的反作用力矩为Ma=Wa(1-1-2)式中，W为游丝的反作用力矩系数；a为指针偏转的角度。当可动线圈所受的力矩等于游丝的反作用力矩时，可动线圈处于平衡状态，这时aMMaWNrBlI0200002IWIWBNAIWBlNra式中,A=2Ir为可动线圈的有效面积；0=BNA为穿过可动线圈的磁链。单位被测量对应的偏转角称为仪表的“灵敏度”，若I0为被测电流，根据式（1-1-3）可求得磁电系测量机构的灵敏度SiWISi00a可见，Si的大小由仪表结构参数决定，Si是一个常数。所以a=SiI0（1-1-3）即指针的偏转角正比于流过可动线圈的电流，可以用指针的偏转角表示被测电流的大小。单位偏转角对应的被测量称为“仪表常数”,可求得仪表常数Ci。1.1.3磁电系测量机构的特点磁电系测量机构有如下特点1.a为I0的单值函数,当I0改变符号时,a的符号也改变(即指针偏转方向改变)。磁电系仪表指针的零点一般在标尺的中间，可由指针的偏转方向确定电流的流动方向。所以磁电系测量机构只能测量直流而不能测量交流。2.I0是通过游丝导入线圈的，游丝流过大电流时容易发热而改变其弹性，所以，磁电系测量机构的耐过载能力较差。3.ψo是穿过可动线圈的磁链,B的值一般做得很大,使磁电系测量机构的灵敏度较高,消耗的功率很小。它的内部磁场很强,所以受外界磁干扰较小。磁电系仪表的阻尼力矩有两种：•由可动部分的铝框架产生的阻尼力矩；•由线圈和外电路闭合成回路时产生的阻尼力矩。1.1.4磁电系仪表的阻尼方式为了加速可动部分停在平衡位置的过程，仪表还必须有阻尼力矩。当铝架在磁场中切割磁力线产生感应电势，产生的电流i1，与永久磁铁磁场作用形成的电磁阻尼力矩M1。阻尼力矩的方向总是与铝框架的运动方向相反，可以阻止可动部分在平衡位置两边摆动。仪表工作时，线圈和外电路接成闭合回路，如图1-1-4b所示，图中Io为流过线圈的电流。线圈运动时，产生的感应电势在闭合回路产生的附加电流io也要产生转矩Mo，其大小为dtdPMa00（1-1-4）式中，为阻尼系数；R为和线圈闭合的外