现代检测技术电参量测量技术幻灯片.ppt

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1、现代检测技术电参量测量技术第1页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回3.1 频率、时间和相位的测量频率、时间和相位的测量 周期性过程重复出现一次所需要的时间称为周期T。单位时间内周期性过程重复出现的次数称为频率f。频率测量方法可分为计数法和模拟法两类。3.1.1 频率的测量频率的测量第2页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 1、频率（周期）的数字测量、频率（周期）的数字测量 （1）计数法测量原理计数显示 周期为TA的被测信号加到闸门的输入端；宽度为T的门控信号加到闸门的输入端，控制闸门的开、关时间。闸门TAT 在开门时间内，

2、被测信号经闸门的输出端送到计数器进行计数并显示。若计数器的计数值为N，则有第3页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回TATNTA共N个脉冲t1t2 T不一定正好是不一定正好是TA的整数的整数N倍，倍，即T与NTA间有一定的误差。第4页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）通用计数器的基本组成和工作方式 具有测量频率（测频）和测量周期（测周）等两种以上的测量功能的电子计数器称为通用计数器。整形器是将输入的正弦信号整形为周期（频率）不变周期（频率）不变的脉冲信号。计数显示闸门TAT门控整形器A fAA m分频整形器B fBB

3、频率频率f=fB/m=1/f第5页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 若fx=fA，fB=fc（晶振标准频率），则有 若fx=fB，fA=fc（周期为Tc=1/fc），则有 （3）频率（周期）的测量误差与测量范围 测频方式标准频率的准确度标准频率的准确度第6页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 若采用K位十进制计数器，则最大允许计数为 若该计数器的计数脉冲频率最大允许值为fmax，第7页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 若测量精度为，则要求fx/fx，测周方式第8页，共56页，编辑于2

4、022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 fx越低、m越大，用测周法测频的相对误差就越小，测频的精度就越高。直接测频与测周法测频的相对误差是不一样的。若被测频率fx较高，则直接测频的相对误差较小。若被测频率fx较低，则用测周法测频的相对误差较小。令测频法和测周法的相对误差一样，则得中界频率为 f0=fc第9页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 测周法的周期测量范围同样也受到测量精度要求值和计数器的限制，即应满足故Tx的测量范围为第10页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 分频系数m一般取10的整数幂且分挡可选，即

5、由这两式可看出，改变n只是改变fx和Tx的指示数字的小数点位置。第11页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、频率的模拟测量、频率的模拟测量 （1）直读法测频 电桥法测频 谐振法测频 电桥法测频是利用交流电桥的平衡条件和电桥电源频率有交流电桥的平衡条件和电桥电源频率有关关这一特性来测频的。在电桥面板上将调节电桥平衡的可变电阻（或电容）的调节旋钮（度盘）按频率刻度，则在电桥指示平衡时，测试者便可从刻度上直接读得被测信号频率。谐振法是利用电感、电容串联谐振回路或并联谐振回谐振回路的谐振特性路的谐振特性来实现测频。当被测频率加到谐振回路时，调节电容使谐振电路谐振

6、，（电容的调节度盘按谐振频率刻度）。第12页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 频率-电压（f-U）转换法测频 这种测频方法的原理是利用相关电路将正弦频率fx转换为周期不变周期不变，宽度为宽度为、幅度为幅度为Um的脉冲列，用低通滤波器滤除其全部交流分量，则平均值为 输出的直流电压用按频率刻度的电压表指示，则从电压表指针所指刻度便可直接读出被测频率fx。（2）比较法测频 比较法测频是用标准频率fc与被测频率fx进行比较，当把标准频率调节到与被测频率相等时指零仪表指零仪表便指零，此时的标准频率值即为被测频率值。非正弦量可展开为傅氏级数，其中直流分量为第13页，共

7、56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 若时间间隔即门控信号的宽度（闸门的开门时间）为tx，选用的时标周期为Tc，则 3.1.2 时间间隔的数字测量时间间隔的数字测量 时间间隔测量和周期的测量都是测量信号的时间，因此测量电路大体相同。测量时间间隔时需要B、C两个通道分别送出开启和关闭信号去控制闸门的开和关以形成闸门信号闸门信号。测周期时，闸门的开启和关闭是由相邻两脉冲信号的前沿控制。第14页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 1、相位、相位-电压转换法电压转换法 经限幅放大和脉冲整形后变成两个周期周期T不变的方波；不变的方波；再经

8、微分得到两个对应被测信号负向过零瞬间的尖脉负向过零瞬间的尖脉冲；冲；鉴相器为双稳态电路双稳态电路，被这两组负脉冲触发后，输出幅输出幅度为度为Ug、周期为、周期为T、宽度为、宽度为Tx的方波；的方波；3.1.3 相位差的数字测量相位差的数字测量 用低通滤波器将交流分量滤掉，得直流分量为第15页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、相位、相位-时间转换法时间转换法 测量原理与时间间隔的计数测量原理基本相同，只是开门和关门的闸门信号是相位-电压转换法中鉴相器的输出信号（前沿为开门信号，后沿为关门信号）。若鉴相器输出信号的时间间隔为Tx，时标脉冲周期为Tc，则计数

9、器的计数值N为（被测信号周期为T）第16页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 最大相对量化误差为 若采用十进制计数器计数，且Tc与被测信号周期T满足第17页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回3.2 电压和电流的测量电压和电流的测量 电压的测量可分为模拟和数字两种方法。模拟方法是采用模拟式电压表显示测量结果；而数字方法是采用数字电压表即以数字显示器显示结果。1、直流电压的测量、直流电压的测量 （1）普通直流电压表 3.2.1 电压的测量电压的测量 普通直流电压表通常由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成。AReU0R1

10、U1R2U2R3U3第18页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 设电流表的满偏电流（或满度电流）为Im，电流表的内阻为Re，串联电阻为Rn，所构成的电压表的满度电压为Um=Im(Re+Rn)电压表的内阻为Rv=Re+Rn=Um/Im 上图为四量程（U0、U1、U2、U3）的电压表，基本量程U0=ImRe，U1、U2、U3为扩展量程。第19页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 内阻Rv与量程Um之比定义为电压表的电压灵敏度电压灵敏度。“/V”数越大，表明为使指针偏转同样角度所需的驱动电流越小。电流越小。“/V”数一般标在磁电

11、式电压表的表盘上。数一般标在磁电式电压表的表盘上。动圈式直流电压表结构简单，使用方便。主要缺点是灵敏度不高和输入电阻低。灵敏度不高和输入电阻低。（2）直流电子电压表 直流电子电压表常由磁电式表头加装跟随器和直流磁电式表头加装跟随器和直流放大器构成。放大器构成。跟随器的作用是提高输入阻抗；直流放大器的作用是提高测量灵敏度。第20页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （3）直流数字电压表 将直流电子电压表中磁电式表头用表头用A/D转换器转换器及与之相连的数字显示器代替数字显示器代替，即构成直流数字电压表。放放大大器器数字数字显示显示器器分分压压器器A/D转换转换

12、器器跟跟随随器器 当需要测量高直流电压时，输入端接入由高阻值电阻构成的分压电路分压电路。第21页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、交流电压的测量、交流电压的测量 （1）交流电压的表征 交流电压通常用峰值、平均值、有效值、波形系数和波峰系数来表征。峰值 周期性交流电压u(t)在一个周期内偏离零电平偏离零电平的最大值称为峰值UP。正、负峰值不等时分别用UP+和UP-表示。u(t)在一个周期内偏离直流分量偏离直流分量U0的最大值称为幅或振幅Um。正、负幅值不等时分别用Um+和Um-表示。第22页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返

13、 回回 平均值 在电子测量中，平均值通常指交流电压检波检波（也称整流）以后的平均值，可分为半波整流平均值和全波整流平均值。有效值第23页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 波形系数、波峰系数 交流电压的波形系数定义为该电压的有效值与平均值之比 基于功率的概念，国际上一直以有效值作为交流电以有效值作为交流电压的表征量。压的表征量。交流电压的波峰系数定义为该电压的峰值与有效值之比第24页，共56页，编辑于2022年，星期日第25页，共56页，编辑于2022年，星期日第26页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）交流电压的测

14、量方法 检波-放大式直流放大直流放大 A检波检波输入输入 检波-放大式的特点是“先检波后放大”。故测量电压的频率范围取决于检波器的频响（一般在20Hz至数百兆赫），即被测信号的频率比较高。放大-检波式宽带放大宽带放大 A检波检波输入输入 频率范围主要受放大器带宽的限制，一般为20Hz10MHz。灵敏度受放大器内部噪声的限制，一般可做到mV级。存在非线性失真存在非线性失真增益和带宽矛盾，增益和带宽矛盾，上限频率低上限频率低第27页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 外差式电压表（与收音机的工作过程一样）A中放中放混频混频输入电路输入电路本振本振 ux(t)fx

15、 fL检波检波 输入电路包括衰减器（用于大电压测量）和高频放大器（用于宽频带低增益放大）。测量灵敏度可提高到V级，所以称为高频微伏表。（3）低频交流电压的测量 测量低频（1MHz以下以下）信号电压的电压表称为交流电压表或交流毫伏表。第28页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 这类电压表一般采用放大放大-检波式检波式，检波器多为平均值平均值检波器或有效值检波器，检波器或有效值检波器，分别构成均值电压表或有效值电压表。均值电压表的读数与被测量电压的平均值成正比。均值电压表的读数与被测量电压的平均值成正比。即一个有效值为U的正弦电压加到平均值电压表上电压表的指示值

16、也为有效值为有效值U而不是平均值。此时需将指示值U除以波形系数KF=1.11才能得到被测电压的平均值。平均值电压表的读数Ua只与被测电压的平均值有关，与其波形无关，也就是说，若正弦波形与非正弦波形的若正弦波形与非正弦波形的指示值相等，则两者的平均值也相等。指示值相等，则两者的平均值也相等。但平均值电压表的表头却不是按平均值定度的，而是按按正弦波的有效值定度的正弦波的有效值定度的。第29页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 用平均值电压表测量非正弦电压时，应先将读数值Ua除以正弦波的波形系数KF=1.11，折算成正弦电压的平均值，折算成正弦电压的平均值，也即折

17、算出被测非正弦电压的平均值。然后将此平均值乘以被测电压的波形系数KF，即可得被测非正弦电压的有效值，即 测非正弦电压时，直接将指示值作为被测电压的有效值而带来的误差称为“波形误差”，非正弦电压的非正弦电压的波形系数波形系数第30页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （4）高频交流电压的测量 高频交流电压的测量采用检波检波-放大式放大式或外差式外差式电压表来测量。检波-放大式高频电压表把高频二极管构成的峰值检波器放置在屏蔽良好的探头内，用探头（探针）直接接触被测点，把被测高频信号首先变成直流电压。采用峰值检波器的电压表称为峰值电压表峰值电压表。峰值电压表也是按

18、正弦电压的有效值定度的，即一个有效值为U的正弦电压加到峰值电压表上，指示值为有效值指示值为有效值U而不是而不是UP。用峰值电压表测正弦电压时，其指示值为Ua，则第31页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 若被测电压为非正弦电压时，则被测电压有效值若被测电压为非正弦电压时，则被测电压有效值 3、高电压测量技术、高电压测量技术 在电力系统中，广泛应用电压互感器配上低压电压表电压互感器配上低压电压表来测量高电压；来测量高电压；在试验室条件下，则用高压静电电压表、峰值电压表、球隙测压器、高压分压器等仪器、装置来测量高电压。非正弦电压非正弦电压的波峰系数的波峰系数第3

19、2页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 1、电流表直接测量法、电流表直接测量法 直接测量电流的方法通常是在被测电流的通路中串串入量程合适的电流表，入量程合适的电流表，让被测电流的全部或一部分流过电流表。R0 3.2.2 电流的测量电流的测量+U-IxRL 在回路中串入内阻为r的电流表，则电流表的读数为R+U-IxA第33页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、电流、电流-电压转换法电压转换法 在被测电流回路中串入很小的标准电阻串入很小的标准电阻r（称之为取样电阻），将被测电流转换成被测电压Ux当满足条件rR时，若Ix很大

20、，可以直接用高阻抗电压表高阻抗电压表测量标准电阻r两端电压Ux；若Ix较小，应将Ux放大到接近电压表量程的适当值后再由高输入阻抗、低输出阻抗的电压表进行测量。第34页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 3、电流、电流-磁场转换法磁场转换法 冷轧硅钢片圆环的作用是将被电流产生的磁场集中到将被电流产生的磁场集中到霍尔元件上，以提高灵敏度。霍尔元件上，以提高灵敏度。作用于霍尔片的磁感应强度B为 线性集成霍尔片的输出电压U0为 霍尔式钳形电流表可用来测量输电线上的电流，也可用来测量电子束、离子束等无法用普通电流表直接进行测量的电流。被测电流的导线如果在硅钢片圆环上绕

21、几圈，电流表灵灵敏度便会增加，量程便会减小。敏度便会增加，量程便会减小。第35页，共56页，编辑于2022年，星期日第36页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 4、电流互感器法（升压变压器）、电流互感器法（升压变压器）电流互感器是在磁环上绕一些线圈构成的，假设被测电流（原边电流）为i1，原边匝数为N1，副边匝数为N2，则副边电流为 由于电流互感器副边匝数远大于原边匝数，在使用时副副边绝对不允许开路，边绝对不允许开路，否则会使原边电流完全变成激磁电流，铁心达到高度饱和状态，使铁心严重发热并在副边产生很高的电压，引起互感器的热破坏和电击穿，对人对人身及设备造成伤

22、害。身及设备造成伤害。为了人身安全，互感器副边一端必须可靠地接地。可靠地接地。在副边回路中接入一电阻R，可将电流转换为电压，然后再进行测量。第37页，共56页，编辑于2022年，星期日第38页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回3.3 阻抗的测量阻抗的测量 1、阻抗的定义、阻抗的定义 在无源二端网络中，无源二端网络中，阻抗的定义是 3.3.1 概述概述第39页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、电阻、电感和电容的等效电路、电阻、电感和电容的等效电路 （1）电阻 同一个电阻元件在通以直流电和交流电时测得的电阻值同一个电阻元

23、件在通以直流电和交流电时测得的电阻值是不相同的。是不相同的。在高频交流下，必须考虑电阻元件的引线电感L0和分布电容C0的影响。第40页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）电感 电感元件除电感L外，也总是有损耗电阻RL和分布电容CL。电感元件接于直流并达到稳态时，可视为电阻电感元件接于直流并达到稳态时，可视为电阻RL。若接于低频交流电路则可视为理想电感L和损耗电阻RL的串联；第41页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （3）电容 在交流作用下，电容元件总有一定介质损耗RC，引线也有一定电阻Rn和分布电感Ln。一个实际电

24、容可看成理想电容C和RC并联、Rn和Ln串联，然后这两部分再串联。若接于高频电路则可等效为电感L和损耗电阻RL的串联，然后再与CL并联，即与电阻的等效电路一样。与电阻的等效电路一样。第42页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 一般介质损耗很小，即RC，第43页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 在直流条件下测得的电阻称为直流电阻。直流电阻。从测量的角度出发，一般将电阻分为小电阻（1以下），中值电阻（1106）和大电阻（106以上）。1、电表法、电表法 （1）伏-安法 3.3.2 直流电阻测量直流电阻测量 测量直流电阻的伏-

25、安法是一种间接测量法，是利用电流表和电压表同时测量流经被测电阻的电流（示值为IA）及其两端电压（示值为UV），则第44页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 方案一：方案一：AVRA+U-IVIxRxRV+Ux-图中RV、RA分别为电压表和电流表的内阻。电流表示值包含了流过电压表的电流，适用于测量阻值适用于测量阻值较小的电阻。较小的电阻。方案二：方案二：AVRA+U-UAIxRxRV+Ux-电压表的示值包含了电流表上的压降，适用于测量阻值较大的适用于测量阻值较大的元件。元件。伏-安法的优点是可按被测电阻的工作电流测量。适合测量电阻值与电流有关的非线性元件。适合

26、测量电阻值与电流有关的非线性元件。第45页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）欧姆表法）欧姆表法 若UV保持不变，被测电阻被测电阻Rx与通过电流表与通过电流表A的电流的电流IA成单值的反比关系。成单值的反比关系。而磁电式电流表指针的偏转角与通过的电流IA成正比，则电流表指针的偏转角电流表指针的偏转角能反映能反映Rx值大小。值大小。若将电流表按欧姆值刻度，就成为可直接测量电阻值Rx的仪表，称为欧姆表。SRAUSR1RxR2 R2为调零电阻。测量前，先将S闭合，调节R2直至欧姆表指针正确指在0刻度。第46页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下

27、一页下一页返返 回回 然后断开S，接入被测电阻Rx进行测量，并从欧姆表直接读出被测阻值。数字式欧姆表一般是在数字式直流电压表的输入端是在数字式直流电压表的输入端加一加一“欧姆欧姆-电压变换器电压变换器”构成。构成。+Uo-RrUzURnRx-RSA量程开关量程开关 用直流数字式电压表来测量Uo并按欧姆刻度，就可得到被测电阻Rx值。第47页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、电桥法、电桥法 直流电桥由四个桥臂、检流计和直流电源组成。GR1USRxR2R3R R1、R2、R3是标准电阻。电桥平衡时，3、直流小电阻的测量、直流小电阻的测量 （1）直流双电桥 R

28、x是被测电阻，Rn是标准电阻，Rx和Rn均备有四端接头以消除接线电阻、接触电阻对测量结果的影响。直流单电桥测电阻的范围在直流单电桥测电阻的范围在11M之间。之间。第48页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 电桥平衡时：若在调节过程中保持若在调节过程中保持R1/R2=R3/R4，则，则 双电桥测量小电阻的范围一般在双电桥测量小电阻的范围一般在110-5之间。之间。R1、R2、R3和R4是桥臂电阻，r是引线电阻。第49页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）数字微欧计 基本原理是：基本原理是：利用直流恒流源在被测电阻Rx上

29、产生直流压降Ux，然后通过电压放大和A/D转换器变为数字显示的电阻值。（3）脉冲电流测量法）脉冲电流测量法 电阻的负载效应：电阻的负载效应：电流通过电阻时，电阻会消耗功率，电阻的温度随之升高，阻值又将发生改变。电阻的温升是通过的电流和时间的函数。若通电时间很短，则可减少阻值的改变。测量原理是：测量原理是：由控制电路控制脉冲电流源的数值和启、停时间，放大器在电流源开启时间内工作，放大小电阻两端的压降，计算机通过A/D转换接口读入电压值并计算出小电阻值。第50页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 4、直流大电阻的测量、直流大电阻的测量 （1）冲击电流法 当开关S

30、扳到“1”时，电容C被充电，充电时间为t 若充电时间t很短，电源电压电源电压第51页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）高阻电桥法 高阻电桥法的测量范围为1081017。供电电压范围是501000V。经过t，开关S由“1”扳到“2”，冲击电流计测出QC。冲击电流计的冲击电流计的冲击常数冲击常数电流计的偏电流计的偏转角转角第52页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 1、交流阻抗电桥、交流阻抗电桥 3.3.3 交流阻抗及交流阻抗及L、C的测量的测量GZ1Z4Z2Z3 （1）电桥平衡条件 Z1Z3=Z2Z4 若相邻两臂为纯

31、电阻，则另外两臂的阻抗性质必须相同。若相对两臂采用纯电阻，则另外两臂必须一个是感性阻抗，另一个是容性阻抗。交流电桥至少有两个可调的标准元件。第53页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 （2）电桥电路及元件参数的测量 若Z1和Z2为电阻和电容的串联，Z3和Z4为电阻，则构成串联电容电桥（或称维恩电桥）。串联电容电桥适于测量损耗小的电容。第54页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 2、变量器电桥、变量器电桥 电桥平衡时，电桥平衡时电桥平衡时G指零。指零。B2为电流变压器电桥。平衡时，B2的一次绕组上的感应电动势为零。第55页，共56页，编辑于2022年，星期日上一页上一页下一页下一页返返 回回 3、数字式阻抗测量仪、数字式阻抗测量仪 （1）矢量阻抗测量原理AV+-Zx+-+-ZxZbOxyU1U4U2U3=U3+jU2=U1+jU4=Rb第56页，共56页，编辑于2022年，星期日