第六章电气检测技术

张刘春设计第六章电气测量技术电气工程概论张刘春设计电气工程概论第六章电气测量技术引言在测量过程中往往会发生误差，这种误差是难以避免的，所以根据测量精度，有精密测量和工程测量两类电气测量。对误差要求不是很严格，所以本章内容属于工程测量范畴。电气测量方法的分类和常用的测量单位见表6-1和表6-2。张刘春设计电气工程概论第六章电气测量技术张刘春设计电气工程概论第六章电气测量技术张刘春设计第一节电磁参数的测量电气工程概论第六章电气测量技术张刘春设计电路参数是指电阻、电容和电感三种基本参数，也是描述网络和系统的重要参数。为了实现对其的精确测量，目前普遍采用数字化测量，对于电路参数的数字化测量是通过把被测参数转化成直流电压（ADC）或频率（计数）后进行测量的。常用的时钟基准有LC震荡电路、石英、GPS等。人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计电气工程概论6.1电磁参数的测量根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。张刘春设计(一)电阻的测量电阻的测量是指将电阻值转换成直流电压后进行测量。目前主要采用恒流源的方法进行测量，即将恒定的电流Is通过被测电阻Rx，测得Rx上的两端压降Ux，则Rx=Ux/Is。根据其产生恒流源的方法的不同又分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计1、比例运算器法图6—1比例运算器法测量原理图比例运算放大器的原理如图6－1所示。图中UN为基准源，RN为标准电阻，RX为被测电阻，根据电路可知：21111211,,,IIIUAURUIRUUIRUUIOdOiOXONN由此可得：1NONNNddidXXUURRRAARARR当Ad趋于无穷大时：NOXNUURR电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计2、积分运算器法积分运算器法的原理如图6－2所示。该方法采用积分法，因此适用于高阻的测量，测量精度可达0.1％图6—2积分运算法测量原理图设脉冲的周期为Tc，N为脉冲的个数，则开门时间ΔT内的计数值为ΔT＝NTc。NxNNCxCOUUTRCUUTRNTNUCUC电气工程概论6.1电磁参数的测量Rx张刘春设计（二）电容的测量传统的电容测量方法有谐振法和电桥法两种。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法。用恒流法测量电容的原理图和波形图如图6—4所示，当开关S打向复位端时，计数器和电容同时清零，然后再将开关打向测量端，这时恒流源I对电容C进行充电，经过时间T后，充电电荷Q=I•T，此时电容两端电压U=Q/C，显然只要I和T已知，测出电压U，便可按C=I•T/U计算出电容值，恒流源向C充电，同时时标脉冲Cp经与门进入计数器。当Uc值大于UR时，比较器输出零电平，停止计数，这时显示的数据就是与电容值成正比的测量结果。即T=NTCPCPRXNTUC1电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计图6—4用恒流法测量电容的原理图电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计（三）电感的测量使用交流电桥法虽然能较准确的测量电感，但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法，误差较大。采用时间常数的数字化测量方法测量电感较简单实用。一般电感含有线圈电阻R和寄生电容Co，通常Co很小，在工频情况下可以忽略。所以实际电感可以视为一纯电感L和电阻R的串联，其时间常数τ=L/R，测量电感的原理图如图6—5所示电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计图6—5时间常数法测量电感的基本原理图（a）原理图（b）电流变化曲线图电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计在t=0时合上开关，电感中的电流i将按指数曲线上升，其最大值为I。从图中可看出，在开始阶段变化的曲线和t=0时刻的切线基本重合。I’与i交点的横坐标为△T，从图中可知IIT只要先测出电感线圈的直流电阻，并已知U便可计算出I，则由测定的△T即可求得τ，从而计算出L=τR。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计二、频率和相位的测量（一）频率的测量在电子测量技术中，频率是一个最基本的参数，而且频率测量的精度已经达到了10-13数量级，是目前物理量中能测量的最精确的参数之一。因此，在检测技术中常常将一些非电量或其它电参量先转换成频率，然后加以测量，以提高测量精度。目前测量频率的方法有电桥法、谐振法、差频法、电子计数法等，本节主要介绍计数法的测量原理。计数法测量频率就是按此定义设计的方案，其测量原理图如图6—6和波形图如图6—7所示。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计图6—6计数法测量频率原理图电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计图6—7计数法测量频率的各点波形图电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计从图中可以看出，它是由以下几部分组成：（1）输入通道一般由通道放大电路和整形电路组成，整形后方波信号的幅度应与主闸门的逻辑输入开门信号相匹配。（2）时间基准电路通常采用石英晶体振荡器经整形和一系列的分频电路构成时间基准。（3）控制电路用来使主闸门在所选择的基准时间内打开，使整形后的被测脉冲信号通过并送往计数器计数，而显示器的小数点受时间基准选择电路同步控制，所以即使选用不同的时间基准，显示器上仍能显示被测频率的值。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计（4）工作原理首先将被测频率fx其波形经整形放大后使它变为一组系列脉冲，可便于脉冲计数器计数。该计数器只在控制门开启时才能对被测频率fx的脉冲计数。控制门开启时间是由石英振荡器产生的标准脉冲经脉冲(周期为T0)分频器分频以后得到的。若分频倍数为K倍，则控制门开启时间为TD=KT0，在这一段时间内脉冲计数器进行计数，其值为N=TDfx如果选TD＝1s，则可把上式写为N=fx所计数值可由数码管直接显示出来。这种方法具有采样速度快，便于多路输入，对于自动测量、遥远测量均极为方便。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计（二）相位的测量相位是交流信号的一个重要的参数，相位的数字化测量应用类似频率计测量时间的原理。利用相位-频率转换器测量的原理如图6—8所示。图6—8相位－频率转换式数字相位计原理图(a)原理图；(b)转换波形图电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计由图可知，被测相位为：XOOOXxNTTTT360360式中，To—时标脉冲的周期；Nx—在Tx时间内计数值；T—被测信号的周期。由于T也是未知量，所以必须经过两次测量，并经过计算得到φx。因为T=NTT0。所以0360TXXNN电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计从上式中可以看出，该测量方法的精确度直接受时标频率的影响。例如，精度要求为0.10。则要求T0/T≤0.10/3600,f0≥3600fx，即当被测信号频率增大时，时标信号频率相应加大到3600倍。当输入信号为正弦波或三角波时，必须首先经过整形变为方波信号。转换时的门限电平的漂移会给测量带来较大的误差。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计三、电压的测量从测量的角度来讲，一般根据被测电压的类型可以分为直流电压、交流电压和脉冲电压。对于直流电压的测量，相对来讲比较简单，因此，本节着重介绍交流电压和脉冲电压的测量。（一）交流电压的测量交流电压可用平均值、有效值、峰值来表征。1、交流电压平均值的测量交流电压平均值的表达式为dttuTUT0)(10)(1dttuTU全波半波平均值在电路上的实现通常使用线性检波器。为了获得转换精度高、线性度好、频率范围宽和动态过程短的检波效果，通常采用运算放大器的负反馈特性克服二极管检波的非线性，构成线性检波器，也称平均值检波器。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计图6—9半波线性检波器(a)原理图；(b)线性检波特性图电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计图6—9所示电路为反相半波检波器，当输入信号Ui0时，运放的输出电压Ui’0，二极管VD2导通，VD1截止，运放处于深度负反馈状态，检波器的输出电压Uo=0。当Ui0时，VD2截止，VD1导通，Uo=－（R2/R1）Ui，即输出电压与输入电压成正比，实现了线性检波。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计2、交流电压有效值的测量在实际应用中，交流电压的有效值比峰值、平均值更为常用。因为非正弦电压的有效值不能用峰值或平均值予以换算。交流电压u(t)的有效值Urms的数学表达式为：TrmsdttuTU02)(1其有效值的检波器的电路原理图如图6—10所示。A1、A2为差分放大器，A3为倒相器，A4为积分器，M为乘法器。由图可知)(220iMUUKU式中，K—M的传输系数电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计图6—10有效值检波器的原理图电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计TTTiiidtuTUKdtuTKKUdtuUKTa000220222200)1()(1将UM分解为傅里叶级数后的直流分量为式中：为有效值的平方。TidtuT021iuTiTdtUUKRCdtaRCU0220000)(11由于系统的负反馈作用，最终使得U02-Ui2=0,则U0=Ui，即输出U0就是输入Ui的有效值。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计3、交流电压的峰值的测量对于交流电压或一些脉冲电压信号需要进行峰值的测量。当输入信号的波峰系数一定时，将信号的峰值保持一段时间，然后进行测量，该变换电路就称为峰值检波器或峰值保持器。因此波峰系数为：rmspmUUK对于纯交流电压的波峰系数为2mK常见的最基本的峰值检波器是由一个二极管和一个保持电容组成，如图6－11所示。慢放电：快充电：电气工程概论6.1电磁参数的测量maxRCTminddRCT》《张刘春设计式中，—放电回路的时间常数—充电回路的时间常数—被测信号的最大周期—被测信号的最小周期则，Uo即为Ui的峰值。dmaxTminT图6—11基本峰值检波器电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计四、磁测量磁测量包含的范围很广，大致可以分为三个方面：（1）对磁场和磁性材料的测量；（2）分析物质的磁结构，观察物质在磁场中的各种效应；（3）在边缘学科领域中，利用磁场与其他物理量的关系，通过测量磁性来测出其它量。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计以下主要介绍测量磁场的冲击法和霍尔效应法。（一）冲击法图6—14冲击法测量原理(a)冲击原理图；(b)等效电路冲击法的测量原理如图6－14所示。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计线圈中感应的电动势为此电动势将在测量回路中引起脉冲电流i(t)，设测量回路的总电阻为R，总自感为L，其等效回路如图6-14(b)所示，则有(6-4)为了找出磁通变化与通过冲击电流计电量之间的关系，我们将式(6-4)两边同时对时间进行积分，得式中t0为磁通变化的持续时间。电气工程概论6.1电磁参数的测量张刘春设计由于磁通开始变化前和变化结束后，电路中电流都为零，即i(t0)＝i(0)＝0故得到(6-5)式中