1电流电压以功率的测量

1、绪论一、课程内容“感”传感器,“测”测试技术：电量测试非电法非电量测试电测法电测法优点：1可扩展量程，提高精度2可扩展频带，提高精度3可实现遥测4可实现数字化、智能化、网络化二、地位与作用1科学研究的手段2信息产业的源泉3自动控制的前提4生产、生活、国防现代化的基础三、传感器与敏感器1传感器定义把非电量变换为电量的器件或装置种类物理传感器结构型模拟式物性型数字式化学传感器生物传感器2敏感器定义把被测非电量变换为传感器可用非电量的器件或装置被测非电量z传感器可用非电量传感器输出电量敏感器传输函数传感器传输函数敏感器传感器复合函数四、测量仪表与系统1一般电测仪表模拟式电测仪表z(x)y(z)y(z

2、)(x)f(x)数字式电测仪表2微机化测试系统第一章电流、电压和功率的测量本章重点：动圈式磁电系测量机构（“表头”）的工作原理、直流电流表原理、交流电流表原理、电流/电压变换法、直流电压表原理、交流电压测量方法、电动系测量机构的工作原理、电动系功率表工作原理及使用方法。本章难点：非正弦电压的波形换算、用时切割乘法器测量功率1.1电流的测量电流表直接测量法一、直流电流表、动圈式磁电系测量机构（“表头”）的工作原理图1-1-1“动圈”（即可以转动的线圈）由弹性支承悬挂在永久磁铁产生的磁场中，当动圈中流过电流i时，动圈在磁场中碰到的电磁力矩为：McbFbNLBiCi动圈转动时碰到弹性支承作用的弹性力

3、矩为：Mkk动圈转动时碰到与转动角速度成正比的阻尼力矩MdDddtMc驱遣动圈转动，而Md、Mk则阻拦线圈转动，因此依照转动定律有：McMkMdJd2dt2将Mc、Md、Mk代入上式获取动圈式磁电系测量机构的动向方程：Jd2ddkCidt2dt若信号电流为直流I，在达到牢固此后，上式左边前两项均为零，于是获取动圈式磁电系测量机构的静态方程：CIkS0I式中S0=C/k称为动圈测量机构的静态矫捷度、以动圈式磁电系测量机构为“表头”的非电量测量仪表图0-2(a)图0-2(a)中传感器的矫捷度（输出电量与输入非电量之比）为S1,测量电路把传感器输出的电量变换成直流电流，其矫捷度（输出直流电流与输入电

4、量之比）为S2,则表头指针偏转角与被测非电量x成线性正比关系。Sx式中SS0S1S2为图0-2(a)所示非电量x的电测仪表的总矫捷度。、多量程电流表原理图(b)单量程交流电流表配接分流电阻即组成多量程交流电流表若电流表有三挡量程：I1、I2、I3，则量程分流电阻R1、R2、R3满足以下关系式：I1R1Ig(R1R2R3Rg)I2(R1R2)Ig(R1R2R3Rg)I3(R1R2R3)Ig(R1R2R3Rg)即(量程满偏电流)(量程分流电阻)(表头满偏电流)(环路总阻)使用多量程的电流表时，第一应使用最大的电流量程；尔后减小量程，直到获取明显的偏转。为了提高观察的正确度，应使用给出的读数尽可能凑

5、近满刻度的量程。二、交流电流表图直流电流表配接半波整流电路或全波整流电路即组成交流电流表单量程交流电流表配接分流电阻即组成多量程交流电流表三、测量误差图1-1-5被测电流实质值图1-1-5（a）IxEER0RcR电流表读数值图1-1-5（b）IxEr0IxR测量误差IxIxr1r00IxRrR1r结论：电流表内阻越小越好电流电压变换法一、取样电阻法在被测电流回路中串入很小的标准电阻r图1-1-6（a）：UxIxr(1R2)Uxr(1R2)R3IxR3图1-1-6（b）：rIxrR1I1因此I1IxR1UxI1R2IxrR2R1因此UxrR2IxR1图1-1-6（c）：R1rUxr2R12R2(

6、1R2Ix2R1R1)rR32R1rIxr2R2(1R2)R1R3UxrKK差放放大倍数K2R2(1R2)IxR1R3比较：图1-1-6（c）的误差大些，图中r并联了差动放大器输入阻抗2R1，对Ix有分流作用。图1-1-6（a）（b）运放输入电流为零，对r上电流无分流作用。公式（1-1-16）的证明：U1UUU3U3U4U3Ux1R1R2R3R2U2UUU4U4U3U42R1R2R3R2UU-式相减得U2U1U3U42U4U3U4U3UxR1R2R3R2R2(U3U4)(121)UxR2R2R3R2因此Ux2(U4)(1R2)U3R3U2U1R1(U3U4)R2式得：KUx2R2(1R2)U2

7、U1R1R3因差动放大器的输入阻抗为2R1因此r2R1U1U2Ix(r/2R1)Ixr2R12R1r时U1U2Ixr2R1Ixrr2R1因此Ux(U1U2)KIxrKUxrK式中K2R1(1R2)IxR2R3二、反响电阻法被测电流回路中串入电压并联负反响电路1Ix流过反响电阻图1-1-7（a）UxIxRn一般10Rn12Ix流过反响T网图1-1-7（b）VAIxR1I3R3因此R1I3IxR3因为VxVAI2R2VA(IxI3)R2IxR1Ix(1R1)R2R3Ix(R1R2R1R2)R3因此UxR1R2R1R2R3R1R2IxR3比较：取样电阻法比较适合测量较大电流反响电阻法比较适合测量较小

8、电流电流/频率变换法图118fx3IxVDDC电流/磁场变换法（见5.5节）电流互感器法图1-1-9原边i1,N1i1V1i2V2i2V1N1i1V2N2付边i2,N2i2i1N1N1N2N2i2i1图1-1-10（a）U0IN1rR2N2R1（b）U0IN1RN21.2电压测量直流电压的测量一、一般直流电压表1组成原理图121Im电流表量程Um电压表量程UmIm(ReRn)ImRvRv内阻RvReRn矫捷度（/V数）1因此RVKVUmKvIm2测量误差图122电压表读数U0RVR0R0RV测量误差VU0E0R0E0R0RV除掉误差方法：1使RVR02二量程测量法设量程Um1时的读数为U01，

9、则E0(k1)U02U02kU01量程Um2时的读数为U02，式中KUm2/Um1例1习题2解KV20K/VUm15V的RV1KVUm120K5100K因为E05V,R0100K，测量读数U01E0RV15100RV2.5VR0100100同理可计算得Um225V时，RV2500K，U024.17VUm2255E0k15145.01伏K5U024.17Um1K5U012.5二、直流电子电压表1组成框图图1-2-32实例MF-65型电子电压表图1-2-4UiKUxUxI0RFUmImRFI0RFKKRF三、直流数字电压表图1-2-5交流电压的表征及测量方法一、交流电压u(t)的表征1峰值Up2平

10、均值1T1TU|u(t)|dt（全波整流平均值）直流重量Uu(t)dtT0T01Tu2(t)dtTu2(t)U23有效值（均方根值）UdtTT00RR4波形因数KFU/U波峰因数KpUp/U二、交流电压的测量方法所有电压表几乎都按正弦波有效值定度1检波种类平均值检波输出直流电压等于输入交流电压平均值有效值检波输出直流电压等于输入交流电压有效值峰值检波输出直流电压等于输入交流电压峰值2模拟交流电压表组成方式检波放大式图1-2-7（a）（超高频电压表）频带度，矫捷度低放大检波式图1-2-7（b）视频毫伏表，频带窄矫捷度高外差式图1-2-8高频微伏表，选频电平表，频带宽，矫捷度高低频交流电压的测量多

11、采用均值电压表测量一、均值电压表的特点1放大检波式组成结构2采用平均值检波两电压的读数相同，即两电压的平均值相同3按正弦电压有效值刻度（有效值为U的正弦电压的读数也为U）二、测量数据换算波形换算（从读数值Ua求平均值U和有效值U）被测信号正弦信号非正弦信号平均值UU正弦Ua/1.11UU非正弦正弦0.9Ua0.9Ua有效值U正弦U非正弦UUaU非正弦KFU/UUU/KK0.9KFFFUa例（P27题4）解：据题知Ua10V被测信号平均值U有效值U正弦波UUa/1.11VUUa10V9三角波U9VUUKF91.1510.35V方波U9VU919V二、采用有效值电压表测量1有效值电压表特点：1放大

12、检波式组成结构2采用有效值检波（两电压读数相同，即两者有效值相同）3按正弦电压有效值刻度2测量数据换算从读数值Ua求平均值U和有效值U被波信号有效值U平均值U正弦信号UUaUUa/1.110.9Ua非正弦信号UUaUU/KF高频交流电压的测量采用峰值电压表一、峰值电压表特点1检波放大式组成结构2采用峰值检波（两电压读数相同即两者峰值相同）3采用正弦有效值刻度（有效值为U的正弦电压的读数也为U）二、测量数据换算从读数值Ua求有效值U和峰值Up被波信号有效值U峰值Up正弦信号U=UaUp2U2Ua非正弦信号UUp/KpUp2Ua1.3功率的测量功率的看法一、直流功率P=UV二、交流功率UIZI|2

13、|ejUI|Z|i2Isintui22I|2|sin(t)2Usin(t)1瞬时功率p(t)u(t)i(t)UIcosUIcos(2t)2有功功率pp(t)1T1TUIcoscos(2t)dtTp(t)dt0T0UIcos3无功功率QUIsin4视在功率SUI因此S2有功功率PUIcos纯电阻R0UII2RU2/R纯电感L900纯电容C900P2Q2无功功率PUIsin0(LI)Isin90LI2U(Uc)sin(90)cU2用电动系功率表测量功率一、电动系测量机构的工作原理固定线圈产生的磁场：B1=K1i1活动线圈产生的偏转：转动力矩mt1Tk2B2i2ki1i2，mt平均值Mki1i2dt

14、T0i12I1sint,i22I2sint时MK1I1I2cos弹性力矩MfD平衡不动时，MfM因此KI1I2cosD二、电动系功率表工作原理负载阻抗2|2|ej负载电流I负载电压UIZ,UI|2|负载有功功率PxUIcos功率表电流线圈电流I1I（固定、粗导线）功率表电压线圈电流I2U/Rf（活动、细导线）功率表指针偏角KKKDI1I2cosDRfUIcosDRfPx令CDRf因此PxCK功率表读数PxCNxC分格常数（每格代表的瓦特数Nx指针偏转格数CPmaxUmaxImaxNmax功率表满刻度格数NmaxNmaxUmax功率表额定电压Imax功率表额定电流三、电动系功率表使用注意点1正确

15、选择量程电压、电流、功率三者均不应高出度限2正确接线图1-3-21电流线圈与负载串通，电压线圈与负载并联2两线圈端同接高电位端（或同接低电位端）3两线圈端同接电流引入端（或同接电流引出端）（a）（b）适于吸取功率测量正转表示Z吸取功率（c）（d）适于发出功率测量反转表示Z发出功率4（a）（c）适于ZZAZA电流线圈阻抗（b）（d）适于ZZVZV电压线圈阻抗用时切割乘法器测量功率u3为节拍方波IEc：Ec|uxmax|UR|uc0时，S1接+UR，S2接+UYuc1R2接-uy0时，S接-U，S故uc主要由u3决定，节拍方波平均值为零，因为因此因此设令因T比，t0Tt0u3(t)dt0uc(t0

16、T)uc(t0)1t0Tuxu2u3)dtct0(R2R3R1uc(t0)0，uc(t0t0T0T)0，u3dtt0t0Tuxu2)dt0t0(R1R2t0TuxdtuxTt0R1R1t0Tu2dt1t0T1t0Tt0uRdtt0(uR)dtR2R2t0T1URT1URT2T1T2URR2R2uxTT2T1UR因此T2T1R2uxR1R2TR1URe0usuyT1uyT2R2uxuyTR1URuyixRN因此e0R2RNixuxR1URKpR2RNPx(t)ixux因此e0KpPx(t)R1UR2（被测信军号频率），故e0与瞬时电压电流乘积即瞬时功率Px(t)成正因为Px(t)UxIxcosUxIxcos(2t)因此U