长江大学感测技术PPT第一章 电流、电压和功率的

2020/2/11第一章电流、电压和功率的测量电子信息学院杨友平2020/2/121.1电流的测量1.1.1电流表直接测量法一、直流电流表1）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，动圈在磁场中受到的电磁力矩为：CibNLBibFMc动圈转动时受到弹性支承作用的弹性力矩为：kMk动圈转动时受到与转动角速度成正比的阻尼力矩dtdDMd驱使动圈转动，而、则阻止线圈转动，因此根据转动定律有：22dtdJMMMdkc2020/2/131.1.1电流表直接测量法0CISIk图1-1-1动圈式磁电系测量机构2020/2/14将、、代入上式得到动圈式磁电系测量机构的动态方程：cMdMkMCikdtdddtdJ22若信号电流为直流I，在达到稳定之后，上式左边前两项均为零，于是得到动圈式磁电系测量机构的静态方程：0CISIk式中S0=C/k称为动圈测量机构的静态灵敏度２、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)中传感器的灵敏度（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转换成直流电流，其灵敏度（输出直流电流与输入电量之比）为S2,则表头指针偏转角与被测非电量成线性正比关系。Sx式中为图0-2(a)所示非电量的电测仪表的总灵敏度。2020/2/15图1-1-2单量程电流表原理图00()sgsSRISInRR单量程直流电流表原理图2020/2/163、多量程电流表原理――图１－１—３(b)单量程交流电流表配接分流电阻即构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满足如下关系式：)(32111ggRRRRIRI)()(321212ggRRRRIRRI)()(3213213ggRRRRIRRRI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，首先应使用最大的电流量程；然后减小量程，直到得到明显的偏转。为了提高观察的准确度，应使用给出的读数尽可能接近满刻度的量程。2020/2/17图1-1-3多量程电流表原理图)(32111ggRRRRIRI)()(321212ggRRRRIRRI)()(3213213ggRRRRIRRRI2020/2/18图1-1-4整流式交流电流表电路二、交流电流表――图１－１—４直流电流表配接半波整流电路或全波整流电路即构成交流电流表单量程交流电流表配接分流电阻即构成多量程交流电流表2020/2/19图1-1-5用电流表测量电流RERREILx0RrIrREIxx1rRrIIIxxx三、测量误差图1-1-5实际值：读数值：误差：结论：电流表内阻越小越好2020/2/1101.1.2电流-电压转换法12xxURIrR221321xxURRrrKIRR图1-1-6取样电阻法一、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。2020/2/111图1-1-7反馈电阻法12123xxRRUIRRR12123xxURRRRIR二、反馈电阻法——被测电流回路中串入电压并联负反馈电路比较：取样电阻法比较适合测量较大电流；反馈电阻法比较适合测量较小电流2020/2/1121.1.3电流-频率转换法图1-1-8简单的电流-频率转换器CVKDD33DDCVK2020/2/1131.1.3电流/磁场转换法在不允许切断电路或被测电流太大的情况下，采用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。例如霍尔式钳形电流表。1）磁位计法。使被测电流的变化在磁位计里产生感应电势，再由积分、放大、存储等环节组成电子测量设备，可测稳态及暂态大电流，测量范围几百安培至几千安培，准确度可达0。5%。2）磁光效应法。线性偏振光穿过在磁场作用下的介质时，其偏振方向会旋转，旋转角正比于磁场沿光线路径的线积分，利用这一原理可确定被测电流。3）核磁共振法。把被测直流转换成磁感应强度再转换为核磁共振频率，测量装置可直接用数字频率表读数。2020/2/1141.1.5电流互感器法图1-1-9电流互感器2112()iiNN2020/2/115图1-1-10电流互感器的电流-电压转换电路02112()UiRiRNN使用注意点：付边绝对不允许开路，付边一端必须可靠地接地(安全接地)。2020/2/1161.2电压的测量1.2.1直流电压的测量0()enSUSURR1vvmmRKUI一、普通直流电压表2020/2/117图1-2-2用普通电压表测量高输出电阻电路的直流电压00000mvvvmEEUURRRRRI00000vUERERR0020201(1)KEUUKU21UKU消除误差办法：1°使2°二量程测量法：0RRV2020/2/118图1-2-3电子电压表框图0ixFFUkUIRRmFmIRUk二、直流电子电压表2020/2/119图1-2-4集成运放电压表原理实例——MF-65型电子电压表图1-2-4KRIUKRIURKURUIFmmFxFxFi002020/2/120三、直流数字电压表图1-2-5图1-2-5直流数字电压表框图1、构成――将直流电子电压表的模拟表头用A/D转换器及与之相连的数字显示器代替，即构成直流数字电压表。2、功能扩展：1）通过切换开关，更换不同的测量电路，就可利用这种数字表头构成数字式万用电表。2）通过切换开关，更换不同的传感器和测量电路，将被测参数转换成直流电压，就可利用这种数字表头构成非电量的数字测量仪表。2020/2/1211.2.2交流电压的测量FUKUppUKU一、交流电压的表征图1-2-62020/2/1221．峰值2．平均值：1）“信号平均值”是“信号的直流分量”2）“交流电压平均值”常指其“全波整流平均值”3．有效值（均方根值）4．波形因数波峰因数pUTdttuTU0)(1TdttuTU0|)(|1TdttuTU02)(1TTRUdtRtu022)(UUKF/UUKpp/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．检波类型①平均值检波——输出直流电压等于输入交流电压平均值②有效值检波——输出直流电压等于输入交流电压有效值③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①检波—放大式图1-2-7（a）（超高频电压表）频带度，灵敏度低。2020/2/123图1-2-7交流电压表类型2020/2/124图1-2-8外差式电压表②放大—检波式图1-2-7（b）视频毫伏表，频带窄灵敏度高③外差式图1-2-8高频微伏表，选频电平表，频带宽，灵敏度高2020/2/125三、低频交流电压的测量——多采用均值电压表或有效值电压表测量1、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——两电压表的读数相同，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）2、测量数据换算——波形换算（从读数值求平均值和有效值U）UaaUUU9.011.1/正弦aUU正弦aUUU9.0正弦非正弦aFFUKKUU9.0非正弦非正弦被测信号平均值有效值U正弦信号非正弦信号2020/2/126四、高频交流电压的测量——采用峰值电压表1、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）2、测量数据换算——从读数值求有效值U和峰值UpaUU正弦apUUU22ppKUU/apUU2被测信号有效值U峰值Up正弦信号非正弦信号2020/2/1271.3.1用电动系功率表测量功率一、电动系测量机构的工作原理1、固定线圈产生的磁场：B1=K1·i12、活动线圈所受的力矩：1）转动力矩，平均值时2）弹性力矩平衡不动时，3、活动线圈产生的偏转：21212ikiiBkmttmTdtikiTM0211tIitIisin2,sin22211cos211IIKMDMfMMfcos21IIDK1.3功率的测量2020/2/128二、电动系功率表工作原理图１-3-1xxPCNC——分格常数（每格代表的瓦特数）Nx——指针偏转格数负载有功功率功率表电流线圈电流功率表电压线圈电流功率表指针偏角令所以cosUIPxII1fRUI/2xffPDRKUIDRKIIDKcoscos21KDRCfCPx2020/2/129三、电动系功率表使用注意点1．正确选择量程——电压、电流、功率三者均不应超过量限2．正确接线图1-3-21°电流线圈与负载串联，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）适于吸收功率测量——正转表示Z吸收功率（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2020/2/130图1-3-2功率表的接线方式(a)、(b)、(c)、(d)－－正确接法；(e)、(f)、(g)、(h)－－不正确接法2020/2/1311.3.2用时分割乘法器测量功率图1-3-3时分割乘法器原理示意图0coscos2EKUIKUIt