第2章 电参量测量技术.ppt

1、现代检测技术,任课教师：林国余 TelEmail：Andrew.L,2,第二章 导言,在现代测试技术中，对于各种类型的被测量大多数都是直接或通过各种传感器、电路等转换为与被测量相关的电压、电流、时间、频率等电学基本参量后进行检测和处理的，这样不仅便于对被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高测量的精度。因此，了解和掌握这些基本参量的测量方法是十分重要的。本章分别介绍时间、频率和相位；电压、电流以及阻抗等参量的测量方法。,3,第二章 电参量测量技术,4,2.1 频率、时间和相位的测量,时间是国际单位制中七个基本物理量之一，单位是秒(s)。频率以单位时间内周期性振荡的次数

2、来计量，单位是赫兹(Hz)。因此，频率测量和时间测量是紧密相联系的。频率、时间的应用与人们日常生活息息相关，而在当代高科技中显得尤为重要。例如,邮电通讯，大地测量，地震预报，人造卫星、宇宙飞船、航天飞机的导航定位控制等都与频率、时间密切相关，因此准确测量时间和频率是十分重要的。 相位是描述交流信号的三要素之一。相位差的测量是研究信号、网络特性的不可缺少的重要方面。,5,2.1 频率、时间和相位的测量,2.1.1 频率的测量 在工业生产领域中周期性现象十分普遍，如各种周而复始 的旋转、往复运动、各种传感器和测量电路变换后的周期性 脉冲等。 周期:周期性过程重复出现一次所需要的时间； 频率:单位时

3、间内周期性过程重复出现的次数； 周期与频率互为倒数关系:,6,2.1 频率、时间和相位的测量,7,2.1 频率、时间和相位的测量,1.频率（周期）的数字测量 （1）计数法测量 基本原理：计数法就是在一定的时间间隔T内，对周期性脉冲的重复次数进行计数。若周期性脉冲的周期为TA，则计数结果为：N=T/TA 。,8,2.1 频率、时间和相位的测量,测量原理： 周期为TA的脉冲加到闸门的输入端作为输入信号; 宽度为T的门控信号加到闸门的控制端控制闸门的开、闭时间，只有在闸门开通时间T内闸门才输出计数脉冲到十进制计数器进行计数; 计数器对TA进行计数。,9,2.1 频率、时间和相位的测量,在一定的时间间

4、隔T内，对 周期性脉冲的重复次数进行 计数。若周期性脉冲的周期 为TA，则计数结果为:,10,2.1 频率、时间和相位的测量,由于T不一定是TA的整数倍，则 计数器的计数有误差。设T区间 内计数脉冲个数为N，则：,t1是闸门开启时刻至第一个计 数脉冲上升沿的时间(假设脉冲 上升沿使计数器翻转计数)； t2是闸门关闭时刻至下一个 计数脉冲上升沿的时间。,0 t1 TA， 0 t2 TA,11,2.1 频率、时间和相位的测量,式子中，0 t1 TA， 0 t2 TA 。 如果t1=t2 ，则N=0； 如果t1=TA ， t2 =0，则N=1； 如果t1=0， t2 =TA ，则N=1； 因此脉冲计

5、数的最大绝对误差（量化误差）为： N=1,脉冲计数最大相对误差为：,12,2.1 频率、时间和相位的测量,（2）通用计数器的基本组成和工作方式,通用计数器的基本组成,13,2.1 频率、时间和相位的测量,通用计数器的基本组成,整形器将频率为fA(或fB)的正弦信号整形为周期为TA(或TB)的脉冲信号。 门控电路将周期为mTB的脉冲变为闸门时间为T=mTB的门控信号。,十进制计数器的计数结果：,T,14,2.1 频率、时间和相位的测量,通用计数器有测频和测周期两种功能。,测频方式： A输入端接被测信号fx；B输入端接（晶振）标准频率fc信号。则：,通用计数器的基本组成,测周方式： A输入端接（晶

6、振）标准频率fc信号；B输入端接被测信号fx 。则：,15,2.1 频率、时间和相位的测量,（3）频率(周期)的测量误差与测量范围 由于周期与频率互为倒数，因此一般认为只要测 出其中一个就可求得另一个，因此，理论上测量频率 与测量周期是等效的。但实际测量中，上图所示通用 计数器分别在测频方式和测周方式时，其测量误差和 范围都不一样。,16,2.1 频率、时间和相位的测量, 测频方式,相对误差：,最大相对误差为：,结论：测频法中，被测频率fx越高，分频系数m越大， 测频精确度越高。,晶振精度一般很高，所以0,17,2.1 频率、时间和相位的测量,测频方式测量范围： 若采用K位十进制计数器，最大计

7、数值为：,为使计数结果不超过计数器最大允许计数值而发生溢出，要求：,即：,同时：,18,2.1 频率、时间和相位的测量,最大相对误差还应满足测量精度的要求，即：,将其代入,测频范围:,结论：测频方式所能测量的最低频率受测量精度的 限制；能测量的最高频率受计数器容量(Nmax)或速 度(fmax)的限制。,19,2.1 频率、时间和相位的测量, 测周方式 即可用于测周，也可以用于测频。 测周法测周,相对误差：,最大相对误差为：,20,2.1 频率、时间和相位的测量,测周法测频,相对误差：,最大相对误差为：,结论：测周法中，被测频率fx越低，分频系数m大， 则测周的精度越高，测频的精度也越高。,2

8、1,2.1 频率、时间和相位的测量,测周方式测量范围： 同样也受到测量精度要求值和计数器的限制:,22,2.1 频率、时间和相位的测量,将 代入,结论：测频方式所能测量的最低频率受测量精度的 限制；能测量的最高频率受计数器容量(Nmax)或速 度(fmax)的限制。,测周范围:,2.1 频率、时间和相位的测量, 测频方式和测周方式比较,中界频率 f0=fc=fx,被测频率fx中界频率即晶振标准频率fc时：采用直接测频法 被测频率fx中界频率即晶振标准频率fc时：采用测周法,24,2.1 频率、时间和相位的测量,25,2.1 频率、时间和相位的测量,2.频率（周期）的模拟测量, 直读法测频,电桥

9、法测频,谐振法测频,频率-电压(F/V)转换法测频, 比较法测频, 示波器测频,26,2.1 频率、时间和相位的测量, 直读法测频, 电桥法测频 原理：交流电桥的平衡与供桥电源频率有关。可变电阻调 节旋钮按供桥电源频率刻度。适用于10K以下音频测量， 精度 (0.51)%，高频受寄生参数影响。, 谐振法测频 原理：被测频率加到谐振回路，调节电容使之谐振。适用 于粗测或附属测频部件，精度(0.251)%。,27,2.1 频率、时间和相位的测量, 频率-电压(F/V)转换法测频 原理：将正弦频率fx转化为周期相等，宽度、幅度Um均为定值的矩形脉冲列。通过低通滤波滤除所有交流分量，则平均值即为直流分

10、量：,可用于MHz级高频测量，可连续监测频率变化。,目前多采用现成的芯片实现，比如：LM2917，AD650,28,2.1 频率、时间和相位的测量, 比较法测频 原理：标准频率与被测频率比较，标准频率与被测频率相等 时示值为0。 拍频法（线性元件上叠加） 测量误差约零点几Hz。 差频法（非线性元件上混频） 误差低于10-5，最低可测信号电平0.1V 1V。,29,2.1 频率、时间和相位的测量, 示波器测频 用示波器测量频率有两种方法：一种是将被测信号加到 示波器的Y通道，在荧光屏上测量被测信号的周期。另一种是 将被测信号和标准频率信号分别加到示波器的X通道和Y通道 ，观测屏幕上的李沙育图形。

11、,30,2.1 频率、时间和相位的测量,3 两种通用计数器,SP3386高精度通用计数器,SC-7206通用计数器,31,2.1 频率、时间和相位的测量,2.1.2 时间间隔的数字测量 时间间隔和周期的测量都是测量信号或信号间的时间长 度。所以，它们的测量方案基本相同。所不同的仅是此处的 门控电路不再采用计数触发方式，而只是要求根据测量时间 间隔，给出起始计数和终止计数两个触发信号。,32,2.1 频率、时间和相位的测量,将起始信号UB接入B通道，使门控双稳电路置1，因而主闸门开启，基准时标通过主闸门进入计数器计数；当终止信号Uc接通C通道，使门控双稳电路复零时，主闸门关闭，计数结束。从而得到

12、两个被测信号的时间间隔。,33,2.1 频率、时间和相位的测量,若时间间隔即门控信号的宽度为tx，选用时标周 期为Tc(可选)。则计数结果为：,时间隔测量相当于分频系数m=1的周期Tx的测量。,34,2.1 频率、时间和相位的测量,2.1.3 相位差的数字测量,相位差的测量方法主要有： 用示波器测量； 与标准移相器比较(零示法)； 把相位差转换为电压来测量； 把相位差转换为时间间隔来测等。,35,2.1 频率、时间和相位的测量,1. 相位-电压转换法,36,2.1 频率、时间和相位的测量,输出波形为周期为T，宽度为Tx的方波，若方波幅度为Ug， 则用低通滤波器将方波中的基波和谐波分量全部滤除后

13、，此 方波的平均值即直流分量为 ：,其中Tx由两信号的相位差x决定，即:,故有：,37,2.1 频率、时间和相位的测量,相位-电压转换式数字相位计,38,2.1 频率、时间和相位的测量,2. 相位-时间转换法,相位-时间转换式相位计,将相位-电压转换法中鉴相器的时间间隔Tx用计数法进行测量，便为相位-时间转换法。 与时间间隔的计数测量原理基本相同。 若时标脉冲周期为Tc，则Tx时间内的计数值：,39,2.1 频率、时间和相位的测量,相位-时间转换式相位计,若采用十进制计数器计数， 假设:时标脉冲周期Tc与被测信号周期T 满足：,则,相对量化误差为:,此时，时标脉冲频率fc与被测信号频率fx的关

14、系为:,40,2.1 频率、时间和相位的测量,2.1.4 频率量测量的应用实例,基于光电编码器的车轮转速测量,光电编码器作为一种位置反馈元件，被广泛的应用于转速、转角的测量系统中 。,41,2.1 频率、时间和相位的测量,基于光电编码器的车轮转速测量,相对式光电码盘的结构较为简单，它的输出线有三相。转动时输出相差90度的两相正交信号A相、B相，同时码盘每旋转一周(360度)也输出一个脉冲，定义为Z相。,42,2.1 频率、时间和相位的测量,车轮转速测量,A相和B相的信号频率正比于车轮转速，假设选用的是一个360线的相对式光电码盘，即车轮每转动一圈，A相和B相会输出360个方波脉冲，因此可以推出

15、车轮转速S与A相和B相信号频率F的关系：,43,2.1 频率、时间和相位的测量,车轮转角测量,由于车轮每转一周，A相和B相会输出360个方波脉冲，即车轮每转动1度，A相或B相就会产生一个方波脉冲，记录A相或B相产生的方波脉冲个数，就可知道车轮转动的角度了。当Z相方波脉冲出现时，则表示车轮又转回到了0度起始位置。,44,2.1 频率、时间和相位的测量,当车轮只向一个方向转动时，采用这种方法可以较容易的推算出车轮的转动角度。但是当汽车出现往返运动，车轮既有正传又有反转时，就必须在对A相和B相出现脉冲记数时，还要确定出汽车是在前进还是在后退。 光电码盘输出A、B两相信号的相差90度。如果车轮正转，A

16、相超前B相90度；如果车轮反转，则B相超前A相90度。其波形如图所示。,45,2.1 频率、时间和相位的测量,程序具体测量,1. 频率测量 利用单片机中PCA模块的捕获功能可以在不需要微控制器参与的情况下，采用测周的方法，完成对脉冲宽度的测量，从而获知频率大小。其具体测量过程为： PCA内部一个专用的16位计数器自行以设置好的时钟从065535循环计数，当PCA捕获引脚上出现上升沿时，会自动将计数器当前值装载到一专有寄存器。连续两次装载的计数器值的差即为信号周期，从而测得信号频率。,46,2.1 频率、时间和相位的测量,2. 角度测量 单片机中PCA模块在A相信号上升沿到来时，会向MCU产生中

17、断。单片机查询B相状态，决定转角计数值是增一还是减一。Z相信号接微控制器外部中断引脚，每转动一周的Z相清零信号出现时，以中断方式将转角计数值复位。,47,2.1 频率、时间和相位的测量,48,2.2 电压的测量,2.2.1 导言 电压是一个基本的物理量，是电路中表征电信号的三个基 本参数（电压、电流、功率）之一。在电子电路中，电路的 各种工作都是靠电压来表征的。电路中的其它电参数，包括 电流、功率、波形的非线性失真系数、设备的灵敏度等，都 可以看作是电压的派生物。在非电测量中，大多数物理量（ 如温度、压力、振动、速度等）的传感器也多是以电压作为 输出。,49,2.2 电压的测量,在实际电路参数

18、的测量中，电压测量直接方便， 将电压表直接并联在测量元件两端，只要电压表的内 阻足够大，即可在几乎不影响电路工作状态的前提下 得到满意的测量结果。因此电压测量是其他许多电参 量、非电参数测量的基础。,50,2.2 电压的测量,电压的测量分为模拟和数字两种方法。前者采用模拟式电表显示测量结果，后者以数字显示器显示测量结果。两者的区别仅在于后者用AD转换器和数字显示器取代了前者的模拟显示部分。 模拟电压测量仪器的优点是结构简单、价格便宜，测量频率范围较宽；缺点是准确度、分辨力低，不便于与计算机组成自动测试系统。数字式电压测量仪器则正好相反。 数字式电压测量仪器逐渐取代了模拟式电压测量仪器，并且向高

19、精度、宽量程、小型和和智能化方向发展。,51,2.2 电压的测量,52,2.2 电压的测量,2.2.2 直流电压测量, 普通直流电压表 普通直流电压通常由动圈式高灵敏度小量程的直流电流表串联适当的电阻构成。 设：表的满偏电流(满度电流)为Im，电流表本身内阻为Re，串联电阻Rn。电压表的满度电压为：,普通直流电压表电路,电压表内阻,53,2.2 电压的测量,普通直流电压表电路,图中电流表串接3个电阻后，具有U0、U1、U2、U3 四个量程。根据扩展的量程，可估算出3个扩展电阻的阻值:,扩展电阻精度影响电压表精度,54,2.2 电压的测量, 直流数字电压表 将模拟直流电压表中磁电式表头用AD转换

20、器及数字显示器代替，即构成直流数字电压表，如图所示。图中AD转换器把直流电压转换成相应的数字量，送往数字显示器显示出来。直流数字电压表是许多数字式电测仪表的核心部件，用途很广。,55,2.2 电压的测量,一台典型的直流数字电压表主要由输入电路、模-数转换器、控制逻辑电路、计数器、显示器以及电源电路等几部分组成。输入电路和模-数转换器统称为模拟电路部分，而计数器、显示器和控制逻辑电路统称为数字部分。因此一台数字电压表除供电电源外，主要由模拟和数字两大部分组成。,56,2.2 电压的测量,57,2.2 电压的测量,58,2.2 电压的测量,59,2.2 电压的测量,60,2.2 电压的测量,数字电

21、压表显示位数,判定数字仪表的位数的两条原则： 能显示从0-9所有数字的位是整数值； 最大显示值中最高位数字只能显示0和1的叫1/2位 ，只能显示0至3的叫3/4位。（0通常并不显示）,判断下列最大显示数的数字电压表是几位电压表 ？ 999 1999 39999,61,2.2 电压的测量,数字电压表模-数转换技术,数字电压表的模数转换技术可分三大类：比较型、积分型、复合型。 比较型：将模拟输入电压经过反馈比较后直接得到数字输出。其优点是转换速率高、功耗低，在低分辨时（小于12位）时价格便宜，但高精度时价格很高。（逐次逼近型AD） 积分型：利用电压积分的时间进行测量。其优点是用简单的电路就能获得高

22、分辨率、抗干扰能力强，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率低。（双积分型AD） 复合型：将比较式和积分式结合起来，取长补短发展起来的一种测速快、抗干扰能力强的高精度数字电压表，由于结构较复杂，价格高，目前一般用于实验计算等方面。,62,2.2 电压的测量,2.2.3 交流电压测量 1.交流电压的表征： 用峰值、平均值、有效值、波形系数以及波峰系数来表征,63,2.2 电压的测量,(1)峰值 某一周期性交流电压u(t)（当不加注明时，u(t)包括直流分量U0在内）在一个周期内偏离零电平的最大值称为该交流电压的峰值，用符号Up表示。峰值又可分为峰-峰值Upp、正峰值Up+、负峰值Up-

23、。,64,2.2 电压的测量,幅值 某一周期性交流电压u(t)在一个周期内偏离直流分量U0的最大值称为该交流电压的幅值或振幅 ，用符号Um表示。振幅值也可分为正振幅值Um+和负振幅值Um-。当U0=0时，振幅值即为峰值。,65,2.2 电压的测量,(2)平均值 在T时间内，一个随时间变化函数u(t) 的平均值在数学上的定义为：,对周期信号而言，T为信号的周期。 按照这个定义，平均值就是被测电压的直流分量U0,纯粹的交流电压 平均值等于零,66,2.2 电压的测量,在测量交流电压时，通常指把交流电压转换成对应的直流电压。检波器是将交流电整流成直流电的典型电路。所以，交流电压的平均值是指交流电压检

24、波后的平均值。一般仪器的检波器有半波检波器和全波检波器两种，对应的平均值也可分为全波平均值和半波平均值两种。由于全波平均值广泛使用，如不加说明，平均值通常指全波平均值。 全波平均值，即在一个周期内电压绝对值的平均值：,67,2.2 电压的测量,(3)有效值 一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若它们在相同的时间内产生的能耗相等，即满足下式:,则交流电压有效值U就等于该直流电压，可表示为:,68,2.2 电压的测量,一般情况下，电压表几乎都按正弦波的有效值来定度： （1）如果被测电压是正弦波，那么通过查表很容易从电压表读数即有效值得知它的峰值和平均值； （2）如果被测电压是非正弦波，那

25、就须根据电压表读数和电压表所采用的检波方法，进行必要的波形换算，才能得到有关参数。,69,2.2 电压的测量,70,2.2 电压的测量,(4)波形因数、波峰因数 波形因数KF定义：交流电压的有效值与平均值之比：,波峰因数Kp定义：交流电压的峰值与有效值之比：,不同电压波形，其KF、Kp值不同，可以通过查表获得,71,2.2 电压的测量,2.交流电压的测量方法： 测量交流电压的方法很多，依据的原理也不同，其中最 主要的是利用交-直流转换器将交流电压转换成直流电压，然 后再接到直流电压表上进行测量。 检波-放大式 放大-检波式 外差式电压表,72,2.2 电压的测量,(1)检波-放大式 检波-放大

26、式电压表是将被测电压先检波变成直流电流，然后再用直流放大器放大，放大后的直流电流去驱动电流表偏转。,这种类型的特点是“先检波后放大”，故测量电压的频率范围只决定于检波器的频响(一般在0Hz数百MHz)，通常所称“高频电压表”或“超高频电压表”都属于这一类型。,73,2.2 电压的测量,(2) 放大-检波式 当被测电压较低时，直接检波会显著增大误差。为提高交流电压表的测量灵敏度，先用放大器放大被测电压，然后再检波。,这种类型的特点是“先放大后检波”，这种电压表的频率范围主要受放大器带宽的限制，而灵敏度受放大器内部噪声的限制，一般可做到毫伏级，典型频率范围为20Hz10MHz。,74,2.2 电压

27、的测量,检波-放大式/放大-检波式电压表缺陷： 检波-放大式电压表的灵敏度受检波器件非线性的限制。 放大-检波式电压表由于宽带放大器增益和带宽的矛盾，也很难把频率上限提得很高。 同时，两种测量方法的灵敏度都受到仪器内部噪声和外部干扰的限制。,测量灵敏度 提高到V 级,75,2.2 电压的测量,3. 常用交流电压表： (1)峰值电压表 多用于高频交流电压的测量，为了避免高频测量受放大器通频带的限制一般采用检波-放大式原理。 在峰值电压表中，检波器的作用是对被测交流电压进行检波，使检波后输出的直流电压与被测的交流电压的峰值成正比。,76,2.2 电压的测量,峰值电压表的表头不是按峰值定度的，而是按

28、正弦波的有效值定度的，即一个有效值为U的正弦电压加到峰值电压表上时，指示值为U 。 由于峰值电压表获得是交流电压的峰值信息，因此为了获取有效值，需要对正弦交流电和非正弦交流电区分对待。假设峰值电压表读数为Ua ：,正弦电压：有效值 =,Ua,峰值 =,非正弦电压：峰值 =,有效值 = 峰值Up /波峰系数Kp,=,77,2.2 电压的测量,78,2.2 电压的测量,(2)平均值电压表 多用于低频交流电压的测量，一般利用放大- 检波式原理。 在平均值电压表中，检波器的作用是对被测交流电压进行检波，使检波后输出的直流电压与被测的交流电压的平均值成正比。,79,2.2 电压的测量,平均值电压表的表头

29、不是按平均值定度的，而是按正弦波的有效值定度的。即一个有效值为U的正弦电压加到平均值电压表上时，指示值也为U 。 由于平均值电压表获得是交流电压的平均值信息，因此为了获取有效值，需要对正弦交流电和非正弦交流电区分对待。假设平均值电压表读数为Ua ：,正弦电压：有效值 =,Ua,平均值 =,非正弦电压：平均值 =,有效值 =,80,2.2 电压的测量,81,2.2 电压的测量,4. 高电压测量技术 在有些电子设备测试中，有高达万伏的电压；尤其是在电力系统中常遇到需测量数十万伏甚至更高电压的问题。在电力系统中，广泛应用电压互感器配上低压电压表来测量高电压。在试验室条件下测量高电压则采用如下方法：

30、(1)高压静电电压表 (2)峰值电压表 (3)球隙测压器 (4)高压分压器等,82,2.2 电压的测量,(1)电压互感器 作用：把高电压按比例关系变换成低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用，以便用低压量值反映高压量值的变化。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。 电压互感器与一般的变压器关系: 工作原理与一般的变压器相同; 仅在结构型式、所用材料、容量、误差范围等方面有所差别。,83,2.2 电压的测量,84,2.2 电压的测量,85,2.2 电压的测量,(2)高压静电电压表 原理：在两个特制的电极间加上电压u，电极间就会受到静电力f的作用，而且f的大小与u的数值有固

31、定的关系。 因此设法测量f的大小或它所引起的可动极板的位移或偏转就能确定所加电压u的大小。利用这一原理制成的仪表即为静电电压表。,86,2.2 电压的测量,由于所测量值不可能反映力的瞬时值f，而只能反映其平均值F。因此如果u是按正弦函数作周期性变化的交流电压，则电极在一个周期T内所受到的作用力平均值F与交流电压的有效值U的平方成正比：,静电电压表用于测量交流电压时，测得的是它的有效值,测量上限可提高到500600kV,87,2.2 电压的测量,ACL-350袖珍式非接触数字式静电电压表,可以测量物体表面的静电压值和静电压极性,88,2.2 电压的测量,(3)峰值电压表 在不少场合，只需要测量高

32、电压的峰值，例如绝缘的击穿就仅仅取决于电压的峰值。 交流峰值电压表按工作原理可分为两类： 利用整流电容电流来测量交流高压； 利用电容器充电电压来测量交流高压 ；,89,2.2 电压的测量,利用整流电容电流测量交流高压 如图，流过检流计P的电流平均值为Iav，它与被测电压的峰值Um之间存在下面的关系:,式中：C 电容器的电容量 f 被测电压的频率,90,2.2 电压的测量,利用电容器充电电压来测量交流高压 幅值为Um的被测交流电压经整流器V使电容C充电到某一电压Ud，其值可用静电电压表PV或电阻串联微安表PA测得。 如用后一种测量方法，则被测电压的峰值为:,式中：T-交流电压周期； C-电容器电

33、容； R-串联电阻；,91,2.2 电压的测量,(4)球隙测压器 原理：一定直径（D）的球隙在一定极间距离（d）时的放电（击穿）电压为一定值。若已知直径D和极间距离d，球隙的放电电压可从理论上推得计算公式。,球隙测压器示意图,92,2.2 电压的测量,(5)高压分压器等 当被测电压很高时，不但高压静电电压表无法直接测量，就是球隙测压器亦将无能为力。此时采用高压分压器来分出一小部分电压，然后利用静电电压表、峰值电压表、高压脉冲示波器等测量仪器进行测量，是最合理的解决方案。,93,2.2 电压的测量,上海苏特电气有限公司生产的FRC交直流分压器，主要用于工频交流和直流高电压测量，可代替高压静电电压

34、表，使用方便，显示直观，测量精度高。,分压比： 150KV以下 1000：1 200KV以下 10000：1,94,2.2 电压的测量,非正弦交流电参量数字采集系统 交流变直流的缺点：当输入信号中含有谐波时，有效值，峰值和平均值之间的关系将发生变化，并且谐波含量不同，它们之间的关系也不同，采用直流采样方法就会带来较大的误差。 交流采样法，就是直接对交流电气信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得所关心的信号参数或信息。,95,2.2 电压的测量,交流采样法测量的实现过程可分为两个步骤:数据采集，数据处理。 数据采集是信号在时域的离散化，是通过采样实现的。首先将信号变换到微型计算机测量的形式

35、和范围(一般是一定大小范围内的电压信号)，然后再利用AD数模转换进行交流采样，获得用数字量表示的离散时间采样值序列。 数据处理是运用适当的理论设计适当的数值算法，利用微型计算机的数字信号处理能力对采样值序列进行算法分析，以获得需要的检测信息。,96,2.2 电压的测量,交流采样的实现方法有同步采样、非同步采样，非整周期采样等等。所谓同步采样，也称整周期采样，目前大多测量方法是利用计算机进行等间隔同步采样法测量，等间隔是指每次采样的间隔相等，同步则是指满足条件T/Ts=N(T为被测信号周期，Ts为采样周期，N为采样点数是正整数)。非同步采样是使用一个固定的采样间隔，通过调整采样点数值，使采样周期

36、与信号周期的整数倍的差值小于一个采样间隔的方法。这种方法的特点是不跟踪信号的周期，硬件投资少，结构简单，但需要选用合适的数值算法，增加了软件复杂性。由于交流电信号一般为周期信号，所以采用同步采样最有利于周期信号的分析和检测.,97,2.2 电压的测量,同步采样技术 根据提供采样信号方式不同，同步采样法的实现方法有两种：一是硬件同步采样法；二是软件同步采样法。无论是硬件同步还是软件同步，都是在中断服务程序中实现采样。只不过是硬件同步由硬件同步环节提中断，软件同步由定时器提中断。,98,2.2 电压的测量,硬件同步采样法：硬件同步采用锁相环(PLL)技术，用倍频器的同步采样脉冲装置，产生同步于被测

37、信号频率的采样脉冲;信号频率波动时，采样脉冲频率可跟随信号频率变化。 软件同步采样法：是首先测量信号周期，并根据信号每周期采样点数计算采样周期.然后确定微机计数器计数值，用定时中断方式实现同步采样。,99,2.2 电压的测量,100,2.3 电流的测量,间接测量法 把电流转换成电压、频率、磁场强度等物理量进行测量,直接测量法 在被测电流的通路中串入量程适当的电流表进行测量,101,2.3 电流的测量,2.3.1 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入适 当量程的电流表，让被测电流的全部或一部分流过电流表。 从电流表上直接读取被测电流值或被测电流分流值。,102,2.3

38、 电流的测量,下图所示电路，被测电流实际值为：,式中：Ro、RL分别为信号源内阻和负载电阻。,103,2.3 电流的测量,在上图电路中串一个内阻为r的电流表。如下图，则流过电流 表的电流（读数）：,相对测量误差为：,104,2.3 电流的测量,为使电流表读数值Ix尽可能接近被测电流实际值Ix， 要求电流表内阻r尽可能接近于0。也就是说，电流表内阻 越小越好。 在串入电流表不方便或没有适当量程的电流表时，可 以采取间接测量的方法。即把电流转换成电压、频率、磁 场强度等物理量进行测量，根据该测量值与被测电流的对 应关系求得电流值。,105,2.3 电流的测量,2.3.2 电流-电压转换法 原理：在

39、被测电流回路中串入很小的标准电阻r(取样电 阻)，将被测电流转换为被测电压Ux。,当满足条件rR时：,则:,或,106,2.3 电流的测量,若被测电流Ix很大，可以直接用高阻抗电压表 测量标准电阻两端电压； 若被测电流Ix较小，应将Ux放大到接近电压表 量程的适当值后再由电压表进行测量。电压放大电 路应具有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗。,串入测量电路的标准电阻r要求很小，即满足 rR，否则会影响测量结果。,107,2.3 电流的测量,2.3.2 电流-磁场转换法 原因：无论用电流表直接测量电流还是用电流-电压转换 法间接测量电流，都需要切断电路接入测量装置。在不允许 切断电路或被测电流太大的

40、情况下，可采取通过测量电流所 产生的磁场的方法来间接测得该电流的值。,108,2.3 电流的测量,作用于霍尔片的磁感应强度B为：,霍尔式钳形电流表 1-冷轧硅钢片圆环； 2-被测电流导线； 3-霍尔元件； 4-霍尔元件引脚；,I - 霍尔片控制电流； KH- 霍尔片灵敏度； K - 电流表灵敏度，K=KHKBI,式中：KB -电磁转换灵敏度。,霍尔片输出电压Uo为：,电流的磁效应,109,2.3 电流的测量,若Ix为直流，则Uo为直流；若Ix为交流，则Uo为交流。霍 尔式钳形电流表可测的最大电流达100kA以上，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

41、测量的电流。,110,2.3 电流的测量,2.3.3 电流互感器法 采用电流互感器法也可以在不切断电路的情况下，测得 电路中的电流。,假设被测电流为i1，原边匝数为N1，副边匝数为N2，则副边电流为 ：,只要测得副边电流i2，就可得知被测电流 (原边电流)的大小。,111,2.3 电流的测量,112,2.4 阻抗测量,电阻R、电感L和电容C是电路中的三种基本元 件，在测量技术中，许多传感器如电阻式、电感式 和电容式传感器是将被测量转换为电阻、电感和电 容输出的。本节研究R、L、C元件的阻抗及这三种 元件参数的测量方法。,113,2.4 阻抗测量,2.4.1 概述,114,2.4 阻抗测量,理想

42、的电阻只有电阻分量，没有电抗分量； 而理想电感和理想电容则只有电抗分量。 电感电抗和电容电抗分别简称为感抗XL和容抗XC，表示：,115,2.4 阻抗测量,实际的电阻、电感和电容元件，不可能是理想的，存在着寄 生电容、寄生电感和损耗。考虑了各种因素后，实际电阻R、 电感L、电容C元件的等效电路：,116,2.4 阻抗测量,电阻等效电路分析 电阻的主要物理特性是对电流呈现阻力，消耗电能。实 际的电阻不可能是理想的，由于构造上有线绕或刻槽而使得 电阻存在引线电感和分布电容，其等效电路如下图所示。,117,2.4 阻抗测量,图中R为理想电阻。由图可知此元件在频率f 下的等效阻抗为:,118,2.4

43、阻抗测量,电感等效电路分析 电感的主要特性是储存磁场能。但是由于它是一般用金 属导线绕制而成的，所以有绕线电阻（对于磁芯电感还应包 括磁性材料插入的损耗电阻）和线圈匝与匝之间的分布电容 ，其等效电路图如下所示:,119,2.4 阻抗测量,特性： 若接于直流电路并达到稳态时，可视为电阻； 若接于交流电路时其等效电路如图所示；,120,2.4 阻抗测量,式中Re和Le分别为电感元件的等效电阻和等效电感。 从上式知当CL很小时或RL、CL和都不大时，Le才会等于L或 接近等于L。,121,2.4 阻抗测量,电容等效电路分析 电容器由两金属片和中间的绝缘介质构成。由于绝缘介 质的损耗电阻Rc ，引线电

44、阻Rn和引线电感Ln的存在，实际等 效电路如图所示:,122,2.4 阻抗测量,由于一般介质损耗甚小可忽略(即Rc)，Ce可表示为:,123,2.4 阻抗测量,总结 在交流条件下测量R、L、C， 实际所测的都是等效值。电阻、电 容和电感的实际阻抗随工作频率变 化。在阻抗测量中应按实际工作条 件(尤其是工作频率)进行。否则， 测得的结果将会有很大的误差。,124,2.4 阻抗测量,2.4.2 直流电阻测量 在直流条件下测得的电阻称直流电阻。在工程和 实验应用中，电阻是非常重要的基本电路元件之一。 电阻的测量方法很多，按原理可分为直接测量法 、比较测量法、间接测量法；也可分为电表法、电桥 法、谐振

45、法及利用变换器测量电阻等方法。,125,2.4 阻抗测量,1.电表法 基本原理：欧姆定律； 常见形式：伏特-安培表法(简称伏-安法) 欧姆表法 三表法,126,2.4 阻抗测量,（1）伏-安法 测量直流电阻的伏-安法是一种间接测量法，利用电流表 和电压表同时测出流经被测电阻Rx的电流及其两端电压，根 据欧姆定律，被测电阻Rx的阻值为：,式中UV 和 IA 分别为电压表和电流表的示值,127,2.4 阻抗测量,电流表内阻小，电压表内阻大,128,2.4 阻抗测量,优点:可按被测电阻的工作电流测量，因此非常适合测量电阻值与电流有关的非线性元件（如热敏电阻等），且测量简单 缺点：由于电表有内阻，故无

46、论用那种方案均存在方法误差，因此测量精度不高,129,2.4 阻抗测量,（2）欧姆表法 如果UV保持不变，被测电阻Rx将与通过电流表A的电流IA 成单值的反比关系，而磁电系电流表指针的偏转角与通过 的电流IA成正比，则A的指针的偏转角能反映Rx值大小。因此 ，如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。,130,2.4 阻抗测量,测量前，先将K闭合并调节R2直至欧姆表指针正确指在0刻度，然后断开K，接入被测电Rx进行测量，并从欧姆表直接读出被测值。,欧姆表测量电路示意图,131,2.4 阻抗测量,A是反相接法的运算放大器，用来把被测电阻Rx变换为电压，故又称变换放大

47、器。该电路的输出电压为：,欧姆-电压变换器原理电路(数字式欧姆表),132,2.4 阻抗测量,欧姆表,133,2.4 阻抗测量,2.电桥法 测量直流电阻最常用的是电桥法。电桥分为直 流电桥和交流电桥两大类。,134,2.4 阻抗测量,直流电桥主要用于测量电阻，由四个桥臂、检流计和电源 组成。如下图所示，其中R1、R2、R3是标准电阻，Rx是被测 电阻；G是灵敏度很高的微安级磁电式检流计，用来指零。,电桥平衡：,UBD为零，检流计G中无电流,电桥平衡条件：,135,2.4 阻抗测量,136,2.4 阻抗测量,由上式可见，这种方法实质上是用标准电阻与被测电阻Rx相 比较，用指零仪表指示被测量与标准

48、量是否相等(平衡)，从 而求得被测量，因此这种方法又称为零位式测量法或比较测 量法。,优点：测量的准确度几乎等于标准量的准确度。,缺点：为获得平衡状态，需要进行反复调节，测试速度慢不 能适应大量、快速测量的需要，也不适合于电阻传感 器的变化电阻的测量。,测电阻的范围在11M之间。,137,2.4 阻抗测量,3.直流小电阻的测量 小电阻在各种电子设备中随处可见，例如电器触 点的接触电阻、印制电路板金属化孔电阻、铆接电阻 、电线电缆电阻等等。 测量小电阻时，因为被测电阻本身阻值很小，在 接入仪表时的接线电阻、接触电阻不可忽略，必须采 取措施减少或消除这些因素对测量结果的影响。,直流双电桥,数字微欧计,脉冲电流测量法,138,2.4 阻抗测量,(1)直流双电桥 又称开尔文电桥，测量小电阻的一种仪器。,Rx是被测电阻 Rn是阻值已知的标准电阻R1、R2、R3、R4是桥臂电阻 r是引线电阻,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。,139,2.4 阻抗测量,当I0=0时，电桥达到平衡：,把R1、R3和R2、R4都做成同轴调节的电阻，使电桥在调节平衡过程中保持：,140,2.4 阻抗测量,单电桥测量的是二端电阻，它包括桥臂间的引线电阻、接触电阻及被测电阻在内，当被测电阻(1以下)很小时，引线和接触电阻不能忽略