第9章电磁学计量

,1、长度计量（几何量计量）2、温度计量3、力学计量4、电磁计量5、无线电计量6、时间频率计量7、放射性计量8、光学计量9、声学计量10、化学计量,计量技术的专业分类,任务是：研究和确定长度单位的定义建立、保存长度计量基准和标准开展长度和角度检定、校准和测试进行量值传递,2,精思国计，细量民生,概述,电磁计量分为电学量计量和磁学量计量，根据米、千克、秒三个基本单位，基于量子基准和绝对测量米建立电磁计量基准，复现电磁计量单位。电磁计量基准包括:电压、电流、电阻、电容(或电感)、磁感应强度、磁通和磁矩。,3,精思国计，细量民生,概述,电磁计量的主要对象：电磁基本量：如电压、电流、电阻、电能(电功率)、电感、电容、磁通、磁感应强度、磁矩等；电磁测量仪器与仪表：如电压表、电阻表、电能表、电桥、电位差计、数字多用表、电源、场强计、磁通表、特斯拉计等模拟或数字式仪器仪表；比率标准与仪器：如分压器、分流器、电压互感器、电流互感器、感应分压器等；材料电磁特性：如电导率、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；波形:如频率、相位、功率因数等。,电磁干扰参数量：非电量的电测量静电、电气和环境安全,4,精思国计，细量民生,概述,电学计量：按工作频率分直流计量和交流计量，随着科学技术的发展，电学计量从直流、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。,5,精思国计，细量民生,概述,6,精思国计，细量民生,概述,7,精思国计，细量民生,概述,8,精思国计，细量民生,概述,中山市质量计量监督检测所,9,精思国计，细量民生,概述,电磁计量在计量领域独特的优点：电磁量可以直接进行检测；电磁计量测试所采用的测量方法具有较高的准确度和灵敏度；电磁信号便于处理和传输，能够实现快速测量、连续测量、连续记录和进行数据处理；电磁量还可以离开被测对象一定距离，实现远距离的遥测。,10,精思国计，细量民生,概述,随着科学技术的发展，现代计量的各个领域，如：长度、热工、力学、光学、电离辐射、标准物质等，都借助于各种传感器把被测量变换成电磁信号进行处理。目前将非电量变换成对应的电量进行测量已是计量技术的一种普遍现象。电磁计量技术中的各种概念和方法也被其他学科所借鉴。电磁计量已成为整个计量科学的重要基础。,第九章电磁学计量,第一节基本名称和概念第二节电磁学计量的复现第三节电磁学计量的传递方法第四节电磁学计量的发展,一、电学计量对象的基本名称和概念电流(I)：是电磁学计量的基础,也是一个基本物理量,它的单位是安培(A)。定义：在真空中，两根相距1米的无限长平行圆直导线(截面积可忽略)内通以恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为210-7牛顿，则每根导线中的电流为1安培。由于电流天平复现电流单位的准确度并不高，实际上都是根据欧姆定律，通过具有实物基准的电压单位和电阻单位来保存电流单位。欧姆定律:I=U/R。,12,精思国计，细量民生,第一节基本名称和概念,一、电学计量对象的基本名称和概念电压(U),又称电位差或电势差,单位:伏特(V)。定义：在流过1安培电流时，消耗1瓦特功率的导线上，两点间的端电压。标准电池是电压单位(伏特)的实物标准。,13,精思国计，细量民生,第一节基本名称和概念,一、电学计量对象的基本名称和概念电阻(R)的单位是欧姆()。定义：导体流过l安培电流时，端电压为1伏特的电阻值。标准电阻是电阻单位(欧姆)的标准量具。它是为保存和传递欧姆单位的量值而特制的一种电阻线圈。,14,精思国计，细量民生,第一节基本名称和概念,二、磁学计量对象的基本名称和概念(一)磁场1820年，丹麦物理学家奥斯特发现通电后的导线能使旁边的磁针发生偏转。包围运动电荷系统或载流导体的空间，称为磁场。磁场的强弱通常用磁感应强度B来描述,单位是特斯拉(T)。,15,精思国计，细量民生,第一节基本名称和概念,精思国计，细量民生,16,(二)磁通概念：设在均匀磁场中有一个与磁场方向垂直的平面(面积为S)，定义:磁感应强度B与面积S的乘积，叫做穿过这个面的磁通，用表示磁通，那么=BS。单位：磁通的单位是韦伯(Wb)。,磁通感应线圈,磁通计,第一节基本名称和概念,精思国计，细量民生,17,如图所示，左下方有两个被固定在天平底座上的不可移动线圈和。在、之间放置一个悬吊在天平左臂砝码上的可以移动的活动线圈。,第二节电磁学计量的复现,一、电流,根据安培力公式，即上式可得常数所以：,18,精思国计，细量民生,第二节电磁学计量的复现,二、电压（一）标准电池在相当长的时间里，电压单位一直使用标准电池来进行复现的。,19,精思国计，细量民生,第二节电磁学计量的复现,准电标池,(二)电压天平图所示一种常见的电压天平。如果可动电极表面的静电场是均匀电场，两极板之间距离为d，可动电极面积为S，则静电引力F可表示为(为空气介电常数):,20,精思国计，细量民生,第二节电磁学计量的复现,下极板是固定电极,加高电压U；上极板连接天平一端，是可动电极，加零电压。,（三）液体静电计,21,精思国计，细量民生,第二节电磁学计量的复现,液体静电计的示意图,水银放入平的容器中，水银上方文置喷镀金属膜的平面玻璃板，作为电极A和保护极B，形成与水银面平行的一对电极。当电极与水银间加以高电压U时，由于静电引力，水银面会凸起一定高度h，如水银密度为重力加速度为g，介电常数为，电极中心和凸起的水银面之间的距离为d，则,三、电阻电阻单位定义的复现是电磁计量的一项基础性工作，通常使用标准电阻的方法来复现电阻单位。标准电阻是由低温度系数的合金丝绕制而成。,电阻,22,精思国计，细量民生,第二节电磁学计量的复现,标准电阻是根据电阻值偏差和年变化量来划分等级,最低的为0.1级,最高的为0.001级。,一、直流计量的传递方法(一)直流电流计量(1)分流器,23,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,分流器的实质是一个低阻值的电阻,它并联在电流表的两端,将原本要流过电流表的电流加以成比例的分流。,一、直流计量的传递方法(一)直流电流计量(1)分流器,24,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,分流器的实质是一个低阻值的电阻,它并联在电流表的两端,将原本要流过电流表的电流加以成比例的分流。,精思国计，细量民生,25,第三节电磁学计量的传递方法,电流比较仪的工作原理图,T1脉冲变压器T2比较仪铁芯,被测电流I与归一化电流I0有如下的关系:I=W2/W1I0,(2)电流比较仪避免大电流引起的计量的不准确。,（二）直流电压计量（1）分压器电位差计通常只计量1V左右的电压量，对于从几十伏至几十千伏的高电压，不能直接使用，这是通常用分压器。实质：是一系列串联的电阻，通过电阻之间的比例获取不同大小的分压。,分压器,26,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,（二）直流电压计量（1）分压器电位差计通常只计量1V左右的电压量，对于从几十伏至几十千伏的高电压，不能直接使用，这是通常用分压器。实质：是一系列串联的电阻，通过电阻之间的比例获取不同大小的分压。,分压器,27,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,（2）电位差计直流电压不能被电压表或万用表准确计量，这时可以用电位差计来计量。,28,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,此时有I=En/Rn,（3）标准电池比较仪低电势电位差计的一种变型，根据差值替代法原理实现被测标准电池直接读数的，原理线路如图所示。,29,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,30,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,（三）直流电阻计量（1）电阻比例和电桥1.直流电阻计量的基本问题是比较被计量的电阻和标准电阻的差值。最重要的是建立电阻比例。（最好的方法是用哈蒙电阻箱。）2.电阻的比较通常是利用电桥来完成。最简单的是惠斯顿电桥。如图所示：此时Rx=Rn(R1/R2),惠斯登电桥,31,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,32,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,电阻基准组过渡传递系统,（2）高阻计量通常我们把大于1M的电阻称为高阻。为了完成高阻的计量比较，可以由高阻网络等效得到高电阻。,33,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,高阻计原理图,二、交流计量的传递方法交流量的量值分为:有效值平均值峰值,34,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,图2-7交流电压的峰值,三、磁计量的传递方法,(一)磁场计量计算线圈法将导线按一定方式绕在规则的骨架上可以得到精密线圈,常用亥姆霍兹线圈和螺线圈。霍尔效应法当一个金属或半导体器件置于磁场中,如果在垂直于磁场的方向有电流通过,那么在器件的端面上会产生一个垂于磁场和电流方向的稳定电动势,该电动势称为霍尔电动势。(3)核磁共振法当自旋不为零的原子核处于磁场中时,原子核将发生运动,其圆频率为w=rB。,35,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,36,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,0.0012.0特斯拉磁感应强度计量器具检定系统框图,(二)磁通计量磁计量中所用的标准均由电计量标准推导出。磁通的标准量具是标准互感线圈,最主要的计量方法是康贝尔线圈法。,37,精思国计，细量民生,第三节电磁学计量的传递方法,38,精思国计，细量民生,1785年法国物理学家库仑发现的库仑定律是电磁计量历史上的重要里程碑，近代物理学发现的法拉第电磁感应定律和麦克斯韦电磁波理论又大大地推动了电磁学理论研究的发展，电磁学计量也随之不断发展起来。,第四节电磁学计量的发展,我国在约瑟夫森电压基准和量子化霍尔电阻基准的研究工作上取得了令人瞩目的成绩。一、约瑟夫森电压基准中国计量研究院与1994年研制出了1V约瑟夫森结阵电压基准，1999年研制成功10V约瑟夫森结阵电压基准。2003年该基准荣获国家科技进步二等奖。二、量子化霍尔电阻中国计量研究院在该领域取得显著成绩，达到国际领先水平，并于2004年通过国家质检总局的鉴定。这一成果在国际上首次从理论上证明了量子化霍尔电阻数值与器件无关。,39,精思国计，细量民生,第四节电磁学计量的发展,精思国计，细量民生,40,总结第一节基本名称和概念电流（I）、电压(U)、电阻(R)、磁场、磁通基本术语第二节电磁学计量的复现电流、电压、电阻第三节电磁学计量的传递方法直流计量的传递方法、交流计量的传递方法、磁计量的传递方法第四节电磁学计量的发展,精思国计，细量民生,41,习题1.试述电磁计量的特点和任务。2.为什么在使用电流表等各种模拟指示电表时，总希望指针在量值的2/3以上范围内使用？3.量限为5A的0.1级电流表，经检定在指示值为2A处的绝对误差最大，其值为5mA，问该表的基本误差是否合格?4.标准电池具有哪些主要技术特性?5.标准电池的准确度等级是根据什么确定的?,精思国计，细量民生,42,习题1.试述电磁计量的特点和任务。电磁量可以直接进行检测；电磁计量测试所采用的测量方法具有较高的准确度和灵敏度；电磁信号便于处理和传输，能够实现快速测量、连续测量、连续记录和进行数据处理；电磁量还可以离开被测对象一定距离，实现远距离的遥测。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。,精思国计，细量民生,43,习题2.为什么在使用电流表等各种模拟指示电表时，总希望指针在量值的2/3以上范围内使用？答：示值误差=(标称值-实际值)/实际值100%所测量的“实际值”越大，则“误差”越小,精思国计，细量民生,44,习题3.量限为5A的0.1级电流表，经检定在指示值为2A处的绝对误差最大，其值为5mA，问该表的基本误差是否合格?答：最大允许5A0.1%0.005A=5mA合格,精思国计，细量民生,45,习题4.标准电池具有哪些主要技术特性?答：电动势实际值允许范围电动势允许年变化量直流内阻使用温度绝缘电阻,精思国计，细量民生,46,习题5.标准电池的准确度等级是根据什么确定的?(1)一等标准电池组(2)二等标准电池组(3)作为工作量具用的标准电池,精思国计，细量民生,47,本章完,精思国计，细量民生,48,11试述电学计量的特点和任务。12试述绝对测量、实物基准和自然基准在单位的复现、保存和量值传递中所起的作用。13消除系统误差常用哪些方法？14电流单位是如何复现和保存的?有何发展趋势?15举例说明国家计量检定系统表和计量检定规程在量值传递中所起的作用。16什么是真值？什么是修正值？含有误差的某一量值经过修正后能否得到真值？17为什么在使用电流表等各种模拟指示电表时，总希望指针在量值的2/3以上范围内使用？18量限为5A的0.1级电流表，经检定在指示值为2A处的绝对误差最大，其值为5mA，问该表的基本误差是否合格?,精思国计，细量民生,49,21饱和标准电池和不饱和标准电池有哪些区别?22标准电池具有哪些主要技术特性?23标准电池的准确度等级是根据什么确定的?27为什么不能用万用表或伏特表去测量标准电他的电动势值