電子測(cè)量技術(shù)第3章

1、第3章 電流、電壓的測(cè)量 測(cè)量電流的電流表是串入電路中的，讓支路電流流經(jīng)電表，從而測(cè)量支路電流值。顯然，電流表的內(nèi)阻必須很小，遠(yuǎn)小于支路電阻，才不會(huì)明顯增大支路總阻而改變被測(cè)電流值； 電壓表是跨接在電路的兩點(diǎn)上，測(cè)量這兩點(diǎn)的電壓(電位差)，顯然，電壓表的內(nèi)阻必須很大，遠(yuǎn)大于電路電阻，才不會(huì)有明顯的分流效應(yīng)而改變被測(cè)電 壓值。圖3.1.1 動(dòng)圈式表頭 3.1 萬(wàn)用表 3.1.1 萬(wàn)用表的表頭 3.1.2 多擋電流表和電壓表 設(shè)滿偏電流I=I4，這擋有電壓等式： 可改寫(xiě)成： 對(duì)于第三擋，有 實(shí)際上，對(duì)任何一擋下式都成立： 在圖3.1.3中，多擋電壓表用串聯(lián)電阻降壓法，擴(kuò)大電壓量程。電路顯然有下列等

2、式：圖3.1.2 多擋電流表電路圖3.1.3 多擋電壓表電路圖3.1.4 多擋電流電壓兩用表圖3.1.5 全波整流(a)和半波整流(b)電路 3.1.3 交流電壓表 一般都用二極管把交流電整流成直流送入表頭。表頭指針偏角大小與這直流的平均值成正比。 從電工學(xué)可知有效值與平均值的關(guān)系為：圖3.1.6 電路電流的波形圖圖3.1.7 三用表的電路和讀數(shù)標(biāo)尺 3.1.4 歐姆表 設(shè)滿偏點(diǎn)的角度為m，測(cè)量R的偏角是。由于mE/R0，E/(R+R0)，所以有和R的關(guān)系式：圖3.1.8 串聯(lián)式電阻測(cè)量電路和歐姆讀數(shù)標(biāo)尺圖3.1.9 多擋電阻測(cè)量電路 3.1.5 測(cè)量誤差 萬(wàn)用表的誤差源除了表頭的固有誤差外，

3、有很多其他附加誤差。 如果各個(gè)誤差源引入的測(cè)量誤差分別是1，2，3，則總的測(cè)量誤差可用下式 計(jì)算： (1)直流電流、電壓的誤差 直流電流、電壓的測(cè)量誤差源主要有基準(zhǔn)電流的校正誤差、電阻元件值誤差和表頭 固有誤差。一般萬(wàn)用表的電流校正誤差可達(dá)1%；電阻值誤差等于或小于表頭固有誤差。表頭固有誤差可有兩種表示法：一是偏角誤差，它是由于指針偏轉(zhuǎn)部分和軸承間的摩擦，偏轉(zhuǎn)部分重心不平衡和讀數(shù)標(biāo)尺校正不良引起的。二是滿偏相對(duì)誤差m，請(qǐng)參看式(2.1.4)和式(2.1.5)。 讀數(shù)相對(duì)改變引起的偏角增量和讀數(shù)相對(duì)改變之比。即 對(duì)于直流線性標(biāo)尺有/m=A/Am， 所以 因而知道，線性標(biāo)尺由表頭固有誤差引起的測(cè)量

4、誤差為： (2)交流電壓的誤差 (3)歐姆表的誤差 有很多誤差源造成歐姆表測(cè)量的附加誤差。 歐姆標(biāo)尺是非線性的。它的參量公式(3.1.13)應(yīng)當(dāng)寫(xiě)成微分式： 微分式(3.1.11)求出d/dR，代入上式即得： 該最大值為： 歐姆標(biāo)尺的測(cè)量誤差： 測(cè)量誤差為： 0(滿偏)調(diào)節(jié)電路是造成歐姆表內(nèi)阻R0不穩(wěn)定的主要根源。 現(xiàn)在設(shè)內(nèi)阻不穩(wěn)，與標(biāo)尺中值的相對(duì)誤差為R0，于是得證明： 3.2 熱電式電流表 3.2.1 電流表的結(jié)構(gòu) 在高頻寬頻帶內(nèi)測(cè)量電流，一般使用熱電式電流表。它用熱電偶作為交/直流變換器。熱電偶又稱溫差電偶，請(qǐng)參看物理學(xué)的“溫差電現(xiàn)象”。 3.2.2 熱電偶電表的原理 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溫差電勢(shì)

5、近似與溫度差成正 比。即圖3.2.1 金屬的溫差電現(xiàn)象圖3.2.2 熱電偶電流表的結(jié)構(gòu)圖3.2.3 金屬的接觸電勢(shì) 電流I也近似與溫差成正比。即 加熱器產(chǎn)生熱量的功率N1與被測(cè)電流i2成正比。即 由于溫差，熱點(diǎn)要向周圍環(huán)境發(fā)散熱量。發(fā)散的熱功率N2與溫差相關(guān)，也與散熱表面的狀況相關(guān)： 表頭電流I與被測(cè)電流i的關(guān)系式如下： 3.3 電壓的測(cè)量 電流和電壓是最重要的基本量，許多電量都是用電流電壓的形式表示。直流電壓表常用一個(gè)高靈敏度直流A表頭和串聯(lián)降壓電阻組成。而交流電壓表常要把交流整流(或稱檢波)成直流，再用直流表頭指示被測(cè)交流電壓。數(shù)字式電表的優(yōu)點(diǎn)是：直觀、精 確度高、輸入阻抗大，便于與其他數(shù)

6、字式設(shè)備連接，組成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。 3.3.1 模擬式交流電壓表 (1)電壓表的組構(gòu)方案 (2)正弦交流電壓(電流)的特征參數(shù) 1)峰值和幅值 2)平均值 周期性電壓波形v(t)的平均值在數(shù)學(xué)上的定義為：圖3.3.1 交流電壓表的組構(gòu)方案圖3.3.2 峰值、幅值的定義圖3.3.3 正弦波及其整流波形 正弦波全波整流后的平均值為： 3)有效值 正弦電流i在電阻R上產(chǎn)生的平均熱功率為： 4)波形系數(shù)和波峰系數(shù)表3.3.1 幾種波形的特征參數(shù) (3)電壓表的檢波電路 1)峰值檢波器 這種檢波器的輸出讀數(shù)與被測(cè)交流電壓的峰值成正比。圖3.3.4 典型的峰值檢波電路 如果令充電的電阻為r，則應(yīng)有下式成立：

7、 2)平均值檢波器 檢波器的輸出與被測(cè)交流電壓的平均值成正比。圖3.3.5 典型的平均值檢波電路 3)有效值檢波器 有效值檢波適用于任何波形測(cè)量，直接讀電壓的有效值。圖3.3.6 平方律檢波的工作原理 平方律檢波可用圖3.3.6的簡(jiǎn)單電路說(shuō)明其工作原理。VD是鍺晶體二極管，伏安特性近似平方律特性。 計(jì)算式有效值檢波是真根均方(r.m.s.)運(yùn)算，把被測(cè)電壓做平方、積分、平均和開(kāi)方運(yùn)算，最后，輸出的直流電壓與被測(cè)電壓的有效值成正比。 熱電式有效值檢波：首先看利用熱電偶構(gòu)成的有效值電壓表。圖3.3.7 熱電偶式有效值電壓表圖3.3.8 集成熱電有效值檢波器 3.3.2 數(shù)字式電壓表 數(shù)字電壓表大體

8、由三部分組成：一是模/數(shù)(A/D)變換；二是邏輯控制；三是數(shù)字顯示。模/數(shù)變換是電壓表的核心部分，它能把被測(cè)的模擬電壓變換成數(shù)字量。數(shù)字電壓表的 優(yōu) 點(diǎn) 是 ： 精 確 度 高 ， 一 般 是(0.10.01)%，高精度數(shù)字電壓表可達(dá)(0.0010.000 1)%，而模擬電壓表要達(dá)到0.1%非常困難；直接顯示讀數(shù)，讀數(shù)清晰、方便。電壓表輸入阻抗很高，可達(dá) 1 000 M。 雙積分?jǐn)?shù)字電壓表由于有抗干擾力強(qiáng)，對(duì)多數(shù)元件要求不高，卻仍有較高精確度、容易集成化、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以得到廣泛應(yīng)用。圖3.3.9 雙積分型A/D變換的原理 根據(jù)充、放電電量Q相等的條件，得出下列等式： 3.3.3 數(shù)字式萬(wàn)

9、用表 (1)表頭單元 (2)電流、電壓測(cè)量 (3)交流/直流變換器圖3.3.10 電流電壓測(cè)量電路原理圖3.3.11 交流/直流變換器圖3.3.12 基本電路及其波形 變換器的輸出電壓u2=uR2+uR3。uR3的平均值為零，u2的平均值就等于uR2的平均值。u2的平均值為： (4)電阻測(cè)量電路 電阻測(cè)量的公式：圖3.3.13 電阻測(cè)量電路 3.4 電平的概念 3.4.1 主觀感覺(jué)的對(duì)數(shù)特性 若用F表示人的主觀感覺(jué)強(qiáng)度，用S表示客觀刺激量，則有下列增量等式和微分等式成立，即 式中，K是比例常數(shù)。積分上式，可得： 現(xiàn)在利用式(3.4.2)，可求出兩刺激量S1和S2之間的感覺(jué)強(qiáng)度的差異，即 比較電壓V1和V2(或電流I1和I2)的水平，定義它們的電水平高低差有N個(gè)單位，即 3.4.2 電平計(jì)算公式 人們習(xí)慣用功率比較的常用對(duì)數(shù)