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電氣工程概論輔導資料十五 主 題：第五章 電氣測量技術（第1節(jié)） 學習時間：2013年1月7日－1月13日 內 容： 我們這周主要學習電路參數(shù)的簡單測量，頻率與相位的測量，電壓的測量，磁測量。 第五章 電氣測量技術 在測量過程中往往會發(fā)生誤差，這種誤差是難以避免的，所以根據(jù)測量精度，有精密測量和工程測量兩類電氣測量。對誤差要求不是很嚴格，所以本章內容屬于工程測量范疇。另外，由于電子技術在當前電氣工程中得到普及與應用。因此對一些傳統(tǒng)的測量方法不再贅述。 第一節(jié) 電路參數(shù)的測量 電路參數(shù)是指電阻、電容和電感三種基本參數(shù)，也是描述網(wǎng)絡和系統(tǒng)的重要參數(shù)。為了實現(xiàn)對其的精確測量，目前普遍采用數(shù)字化測量，對于電路參數(shù)的數(shù)字化測量是通過把被測參數(shù)轉化成直流電壓或頻率后進行測量的。 1.電阻的測量 電阻的測量是指將電阻值轉換成直流電壓后進行測量。目前主要采用恒流源的方法進行測量，即將恒定的電流Is通過被測電阻Rx，測得Rx上的兩端壓降Ux，則Rx=Ux/Is。根據(jù)其產生恒流源的方法的不同又分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。 1)比例運算器法 比例運算放大器的原理如圖所示。圖中UN為基準源，RN為標準電阻，RX為被測電阻，根據(jù)電路可知： 所以 2)積分運算器法 積分運算器法的原理如上圖所示。該方法采用積分法，因此適用于高阻的測量，測量范圍為109—1014，測量精度可達0.1％ 。 3）用集成芯片7106組成的多量程電阻測量電路 圖中示出了使用7106芯片組成的多量程電阻測量電路。其中，電阻R的作用是限制串聯(lián)電阻上流過的電流，以避免在7106芯片輸入端上超過200mv。 2.電容的測量 傳統(tǒng)的電容測量方法有諧振法和電橋法兩種。隨著數(shù)字化測量技術的發(fā)展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法。 用恒流法測量電容的原理圖 用恒流法測量電容的原理圖和波形圖如上圖所示，當開關S打向復位端時，計數(shù)器和電容同時清零，然后再將開關打向測量端，這時恒流源I對電容C進行充電，經(jīng)過時間T后，充電電荷Q=I?T，此時電容兩端電壓U=Q/C，顯然只要I和T已知，測出電壓U，便可按C= I?T/U計算出電容值，恒流源向C充電，同時時標脈沖Cp經(jīng)與門進入計數(shù)器。當Uc值大于UR時，比較器輸出零 電平，停止計數(shù)，這時顯示的數(shù)據(jù)就是與電容值成正比的測量結果。即 3.電感的測量 使用交流電橋法雖然能較準確的測量電感，但交流電橋的平衡過程復雜，而且通過測量Q值確定電感的方法，誤差較大。采用時間常數(shù)的數(shù)字化測量方法測量電感較簡單實用。 一般電感含有線圈電阻R和寄生電容Co，通常Co很小，在工頻情況下可以忽略。所以實際電感可以視為一純電感L和電阻R的串聯(lián)，其時間常數(shù)τ=L/R。 時間常數(shù)法測量電感的基本原理圖 （a）原理圖 （b）電流變化曲線圖 在t=0時合上開關，電感中的電流i將按指數(shù)曲線上升，其最大值為I。從圖中可看出，在開始階段變化的曲線和t=0時刻的切線基本重合。I’與i交點的橫坐標為△T，從圖中可知 只要先測出電感線圈的直流電阻，并已知U便可計算出I，則由測定的△T即可求得τ，從而計算出L=τR。 4．頻率的測量 在電子測量技術中，頻率是一個最基本的參數(shù)，而且頻率測量的精度已經(jīng)達到了10-13數(shù)量級，是目前物理量中能測量的最精確的參數(shù)之一。因此，在檢測技術中常常將一些非電量或其它電參量先轉換成頻率，然后加以測量，以提高測量精度。目前測量頻率的方法有電橋法、諧振法、差頻法、電子計數(shù)法等，本節(jié)主要介紹計數(shù)法的測量原理。 計數(shù)法測量頻率就是按此定義設計的方案，其測量原理圖和波形圖如圖下所示。 計數(shù)法測量頻率原理圖 計數(shù)法測量頻率的各點波形圖 （1）輸入通道 一般由通道放大電路和整形電路組成，整形后方波信號的幅度應與主閘門的邏輯輸入開門信號相匹配。 （2）時間基準電路 通常采用石英晶體振蕩器經(jīng)整形和一系列的分頻電路構成時間基準。 （3）控制電路 用來使主閘門在所選擇的基準時間內打開，使整形后的被測脈沖信號通過并送往計數(shù)器計數(shù)，而顯示器的小數(shù)點受時間基準選擇電路同步控制，所以即使選用不同的時間基準，顯示器上仍能顯示被測頻率的值。 （4）工作原理 首先將被測頻率fx其波形經(jīng)整形放大后使它變?yōu)橐唤M系列脈沖，可便于脈沖計數(shù)器計數(shù)。該計數(shù)器只在控制門開啟時才能對被測頻率fx的脈沖計數(shù)。控制門開啟時間是由石英振蕩器產生的標準脈沖經(jīng)脈沖(周期為T0)分頻器分頻以后得到的。若分頻倍數(shù)為K倍，則控制門開啟時間為TD=KT0，在這一段時間內脈沖計數(shù)器進行計數(shù)，其值為 N=TDfx 如果選TD＝1s，則可把上式寫為 N=fx 所計數(shù)值可由數(shù)碼管直接顯示出來。這種方法具有采樣速度快，便于多路輸入，對于自動測量、遙遠測量均極為方便。 5.相位的測量 相位是交流信號的一個重要的參數(shù)，相位的數(shù)字化測量應用類似頻率計測量時間的原理。利用相位-頻率轉換器測量的原理圖如下。 相位－頻率轉換式數(shù)字相位計原理圖 (a) 原理圖；(b)轉換波形圖 由圖可知，被測相位為： 式中，To—時標脈沖的周期； Nx—在Tx時間內計數(shù)值； T—被測信號的周期。 由于T也是未知量，所以必須經(jīng)過兩次測量，并經(jīng)過計算得到φx。因為T=NTT0。所以 從上式中可以看出，該測量方法的精確度直接受時標頻率的影響。例如，精度要求為0.10。則要求T0/T≤0.10/3600,f0≥3600fx，即當被測信號頻率增大時，時標信號頻率相應加大到3600倍。當輸入信號為正弦波或三角波時，必須首先經(jīng)過整形變?yōu)榉讲ㄐ盘?。轉換時的門限電平的漂移會給測量帶來較大的誤差。 6.電壓的測量 從測量的角度來講，一般根據(jù)被測電壓的類型可以分為直流電壓、交流電壓和脈沖電壓。對于直流電壓的測量，相對來講比較簡單，因此，本節(jié)著重介紹交流電壓和脈沖電壓的測量。 （1）交流電壓的測量 交流電壓的測量可用平均值、有效值、峰值來表征。 1）平均值在電路上的實現(xiàn)通常使用線性檢波器。為了獲得轉換精度高、線性度好、頻率范圍寬和動態(tài)過程短的檢波效果，通常采用運算放大器的負反饋特性克服二極管檢波的非線性，構成線性檢波器，也稱平均值檢波器。 下圖所示電路為反相半波檢波器，當輸入信號Ui>0時，運放的輸出電壓Ui’<0，二極管VD2導通，VD1截止，運放處于深度負反饋狀態(tài)，檢波器的輸出電壓Uo=0。當Ui<0時，VD2截止，VD1導通，Uo=－（R2/R1）Ui，即輸出電壓與輸入電壓成正比，實現(xiàn)了線性檢波。其中VD1為檢波二極管，由于它接至運放組成的反相比例放大器的深度負反饋環(huán)內，所以有效地克服了非線性。VD2的接入是為了防止當Ui>0時由于VD1的截止，造成運算放大器的開環(huán)使用。 2）在實際應用中，交流電壓的有效值比峰值、平均值更為常用。因為非正弦電壓的有效值不能用峰值或平均值予以換算。其有效值的檢波器的電路原理圖如下圖所示。A1、A2為差分放大器，A3為倒相器，A4為積分器，M為乘法器。由圖可知 3）對于交流電壓或一些脈沖電壓信號需要進行峰值的測量。當輸入信號的波峰系數(shù)一定時，將信號的峰值保持一段時間，然后進行測量，該變換電路就稱為峰值檢波器或峰值保持器。因此波峰系數(shù)為： 式中，—放電回路的時間常數(shù) —充電回路的時間常數(shù) —被測信號的最大周期 —被測信號的最小周期 則，Uo即為Ui的峰值。 （2）脈沖電壓的測量 脈沖電壓的測量一般指脈沖的幅值測量，當脈沖電壓的頻率較高，占空比較大時，可用上述峰值檢波器電路來測量。但是如果被測脈沖電壓的周期T很長而脈沖寬度又很窄，則占空比很小，在用峰值電壓表會產生很大的誤差。本節(jié)介紹了一種測量脈沖電壓的方法。下圖為脈沖電壓的保持器，當被測脈沖ux到來時，運算放大器A1 的輸出使晶體管V1的飽和導通對保持電容C迅速充電到脈沖的幅值Um，A2為跟隨器，其輸出電壓U0=Um。正脈沖過后，晶體管V1截止，A2的輸入電阻很高，電容C沒有放電電路，所以保持Uc=Um。U0通過反饋電阻Rf反饋到A1反向輸入端，A1輸入為低電平，所以二極管VD截止。欲保持性能好，必須選擇漏電流極小的電容器C。 7.磁測量 磁測量包含的范圍很廣，大致可以分為三個方面： （1）對磁場和磁性材料的測量； （2）分析物質的磁結構，觀察物質在磁場中的各種效應； （3）在邊緣學科領域中，利用磁場與其他物理量的關系，通過測量磁性來測出其它量。如：磁性檢驗、磁粉探傷、磁性診斷和磁性勘探等。測量磁場常用的沖擊法和霍爾效應法。 1．沖擊法 沖擊法電流計是專門用來測量短暫脈沖電流的靈敏儀器。沖擊法是測量直流磁場的經(jīng)典方法，由于它的設備簡單可靠，直到現(xiàn)在還是一種普遍使用的方法。 2．霍爾效應法 在良導體中，由于形成電流的電子運動速度較快，因而霍爾電壓較少低，難以利用。半導體材料出現(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)霍爾效應比較強烈，從而使這一效應在磁測量中得到了日益廣泛的應用。 本周要求掌握的內容如下： 通過學習了解電路參數(shù)的簡單測量，頻率與相位的測量，電壓的測量，磁測量。 習題 （一）填空題 1.電路參數(shù)是指（ ）、（ ）、（ ）三種基本參數(shù)。 答案：電阻、電容、電感 2．電阻的測量是指將電阻值轉換成直流（ ）后進行測量，目前主要采用（ ）的方法進行測量。 答案：電壓、恒流源 （二）判斷題 1．沖擊法是測量直流磁場的經(jīng)典方法，至今還普遍使用。 （正確） 2．電感的數(shù)字化測量常駐采用恒流法。 （正確） （三）簡答題 1．簡述電阻的測量方法。 答： （1）比例運算器法 （2）積分運算器法 （3）用集成芯片7106組成的多量程電阻測量電路