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1、第2章电学参量检测技术第1页，本讲稿共69页2.12.1电学参量及其检测技术概述电学参量及其检测技术概述o在现代日常生产及生活等诸多领域，由于电能已成为主要的能源在现代日常生产及生活等诸多领域，由于电能已成为主要的能源之一，其技术指标对各类电气产品的正常运行至关重要。此外，之一，其技术指标对各类电气产品的正常运行至关重要。此外，多数检测和控制的信号也都是以电信号的形式进行传递的，在现多数检测和控制的信号也都是以电信号的形式进行传递的，在现代检测技术中，对于各种类型的被测物理量的测量，大多数都是代检测技术中，对于各种类型的被测物理量的测量，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
2、的电压、电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、频率等基本电学参量后进行检测和处理的，这样既便于对被流、频率等基本电学参量后进行检测和处理的，这样既便于对被测量的检测、处理、记录和控制，又能提高检测的精度。测量的检测、处理、记录和控制，又能提高检测的精度。第2页，本讲稿共69页o因此，电学参量（或参数）的检测是频繁的，它们也是十分因此，电学参量（或参数）的检测是频繁的，它们也是十分重要的被测参数。这些基本电学参量主要包括电压、电流、重要的被测参数。这些基本电学参量主要包括电压、电流、（电阻、电容、电感的）阻抗、功率、频率、相位等。（电阻、电容、电感的）阻抗、功率、频率、相
3、位等。o对电学参量的检测一般通过普通检测仪表（电压表、电流表、功对电学参量的检测一般通过普通检测仪表（电压表、电流表、功率表、万用表等）来检测普通电信号或通过电学参量传感器（用率表、万用表等）来检测普通电信号或通过电学参量传感器（用于电力信号的检测）加上信号转换和处理电路来进行检测。于电力信号的检测）加上信号转换和处理电路来进行检测。第3页，本讲稿共69页2.22.2普通电压、电流的检测普通电压、电流的检测 o在各类电学参量中，电压（或电流）是最基础的被测参数，其它在各类电学参量中，电压（或电流）是最基础的被测参数，其它的电学参数都可以通过对被测对象中的电压（或电流）的测量直的电学参数都可以通
4、过对被测对象中的电压（或电流）的测量直接或间接得到。在非电量的测量中，也是利用各类传感器和测量接或间接得到。在非电量的测量中，也是利用各类传感器和测量电路将非电量转换为电压参数。因此，无论是在电子电路和设备电路将非电量转换为电压参数。因此，无论是在电子电路和设备的测量调试中，还是在非电量电测技术中，电压测量都是不可缺的测量调试中，还是在非电量电测技术中，电压测量都是不可缺少的。少的。o电压或电流一般分为直流和交流两种。其中，直流电信号的检测电压或电流一般分为直流和交流两种。其中，直流电信号的检测是比较简单的，因为表征直流电的指标只是其数值的大小，而交是比较简单的，因为表征直流电的指标只是其数值
5、的大小，而交流电信号的指标则多一些。流电信号的指标则多一些。第4页，本讲稿共69页2.2.1 2.2.1 普通普通电压的检测电压的检测o电压的检测可分为模拟检测和数字检测两种方法。前者采用电压的检测可分为模拟检测和数字检测两种方法。前者采用模拟式电压表显示测量结果，后者采用数字式电压表显示测模拟式电压表显示测量结果，后者采用数字式电压表显示测量结果。两者的前端部分的工作原理基本相同，区别仅在于量结果。两者的前端部分的工作原理基本相同，区别仅在于后者用后者用A AD D转换器和数字显示器取代了前者的模拟显示电表部转换器和数字显示器取代了前者的模拟显示电表部分。模拟式电压表的优点是结构简单、价格便
6、宜，测量频率范分。模拟式电压表的优点是结构简单、价格便宜，测量频率范围较宽；缺点是准确度分辨力较低，不便于与计算机组成自动围较宽；缺点是准确度分辨力较低，不便于与计算机组成自动测试系统，数字式电压表则正好相反。测试系统，数字式电压表则正好相反。第5页，本讲稿共69页一、普通直流电压的检测一、普通直流电压的检测o一般常用直流电压表来直接检测普通直流电压。一般常用直流电压表来直接检测普通直流电压。1、普通直流电压表、普通直流电压表o普通直流电压通常由动圈式高灵敏度直流电流表串联适当的电阻构成，如图2-1所示。设电流表的满偏电流(或满度电流)为Im，电流表本身内阻为Re，串联电阻Rn所构成的电压表的
7、满度电压为：（2-1）o所构成的电压表的内阻为：o （2-2）图2-1 普通直流电压表电路 第6页，本讲稿共69页 通常把内阻R v与量程Um之比(每伏欧姆“”数)定义为电压表的电压灵敏度。即：（2-3）每伏欧姆数越大，表明为使指针偏转同样角度所需驱动电流越小。每伏欧姆数一般标明在磁电式电压表表盘上，可依据它推算出不同量程的电压表的内阻，即：（2-4）图2-1中电流表串接3个电阻后除最小电压量程外，又增加了这3个量程，根据所需扩展的量程，不难估算出3个扩展电阻的阻值为：第7页，本讲稿共69页2、直流电子电压表、直流电子电压表o直流电子电压表通常是由磁电式表头加直流电子电压表通常是由磁电式表头加
8、装跟随器装跟随器(以提高输入阻抗以提高输入阻抗)和直流放大器和直流放大器(以提高测量灵敏度以提高测量灵敏度)构成，当需要测量高直构成，当需要测量高直流电压时，输人端接入由高阻值电阻构成的分流电压时，输人端接入由高阻值电阻构成的分压电路。电子电压表组成框图如图压电路。电子电压表组成框图如图2-22-2所示。所示。o图图2-32-3是是MF-65MF-65集成运放型电子电压表的原集成运放型电子电压表的原理图。在理想运放情况下，有理图。在理想运放情况下，有（2-5）式中式中K K为分压器和跟随器的电压传输系数。为分压器和跟随器的电压传输系数。图2-3集成运放型电子电压表的原理图 图2-2 电子电压表
9、框图 第8页，本讲稿共69页o由式由式(2-5)(2-5)可知，流过电流表的可知，流过电流表的 电流电流IoIo与被测电压与被测电压UxUx成正比。成正比。o若电流表满偏电流为若电流表满偏电流为Im,Im,则由上式可得该直流电子电压表的量程为则由上式可得该直流电子电压表的量程为,（2-62-6）o为保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电阻都要使用精密电阻。为保证该电压表的准确度，各分压电阻和反馈电阻都要使用精密电阻。o在上述使用直流放大器的电子电压表中，电流放大器的零点漂移限制在上述使用直流放大器的电子电压表中，电流放大器的零点漂移限制了电压灵敏度的提高。为此，电子电压表中常采用斩波式放大器
10、或调了电压灵敏度的提高。为此，电子电压表中常采用斩波式放大器或调制式放大器抑制零点漂移，电子电压表可以测量微伏级的电压。制式放大器抑制零点漂移，电子电压表可以测量微伏级的电压。第9页，本讲稿共69页3、直流数字电压表、直流数字电压表将图2-2中磁电式表头用AD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，如图2-4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。在数字电压表前端配接适当的转换电路，将被测参数转换成直流电压，就可构成该被测参数的数字仪表。因此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。图2-4 直流数字电压表框图第10页，本讲稿共69
11、页二、二、普通普通交流电压的检测交流电压的检测o交流电压的表征参数有峰值、平均值、有效值、波形系数以及波峰系数等。o峰值：周期性交流电压u(t)在一个周期内偏离零电平的最大值称为峰值Up。o平均值：被测交流电压的大小在一个周期内的平均累积值。其数学表达式为：o有效值：若一个交流电压u(t)和一个直流电压U分别加在同一个电阻R上，并且产生的热量相等，则该直流电压就等于该交流电压的有效值Urms。其数学表达式为：（2-7）（2-8）第11页，本讲稿共69页n波形系数：交流电压的波形系数为该电压的有效值与平均波形系数：交流电压的波形系数为该电压的有效值与平均值之比。即：值之比。即：（2-102-10
12、）n波峰系数：交流电压的波峰系数为该电压的峰值与有效值之比。即：波峰系数：交流电压的波峰系数为该电压的峰值与有效值之比。即：（2-112-11）n因此，常测的是因此，常测的是平均值、峰值、有效值平均值、峰值、有效值。测量交流电压时，首先。测量交流电压时，首先进行交直流进行交直流(AC(ACDC)DC)转换，然后用测量直流电压的方法进行转换，然后用测量直流电压的方法进行数字化测量。数字化测量。第12页，本讲稿共69页1、交流电压平均值的检测、交流电压平均值的检测o将交流电压半周期内的平均值或全周期内的平均值转换成直流电将交流电压半周期内的平均值或全周期内的平均值转换成直流电压，称为整流或检波，通
13、过测量直流电压，即可间接地测量出压，称为整流或检波，通过测量直流电压，即可间接地测量出交流电压的大小。交流电压的大小。o用二极管接成桥式整流电路或全波、半波整流电路，可以把用二极管接成桥式整流电路或全波、半波整流电路，可以把交流电压转换成直流电压。但是，由于二极管的非线性严重，交流电压转换成直流电压。但是，由于二极管的非线性严重，这类简单的整流电路不能在数字仪表中使用。这类简单的整流电路不能在数字仪表中使用。o数字仪表要求检波器的数字仪表要求检波器的转换准确度高转换准确度高、线性好、频率范围宽、动态响应快线性好、频率范围宽、动态响应快。因此在数字电压表上使用的是由运算因此在数字电压表上使用的是
14、由运算 放大器和二极管组成的线性检波器。放大器和二极管组成的线性检波器。半波线性检波器的原理电路如图半波线性检波器的原理电路如图2-52-5所示。所示。图图2-5 半波线性检波器半波线性检波器第13页，本讲稿共69页 当输入的交流电压当输入的交流电压uxo时，时，u0 0，二极管，二极管VD2导通，电路闭环。由于相加点处是导通，电路闭环。由于相加点处是虚地点，其电压虚地点，其电压U0，因此二极管，因此二极管VD1反偏反偏而截止，检波器的输出电压。反之在而截止，检波器的输出电压。反之在ux 0的半周期内，的半周期内，VD2截止，截止，VD1导通检波导通检波器的器的输出电压为输出电压为 ，即正比于
15、，即正比于ux，实现了线性检波。其中实现了线性检波。其中VD1为检波二被管，为检波二被管，由于它接至运放组成的反向比例放大器的由于它接至运放组成的反向比例放大器的深度负反馈环内，所以有效地克服了非线深度负反馈环内，所以有效地克服了非线性化。性化。VD2的接入是为了防止当时由于的接入是为了防止当时由于VD1的的截止，造成运算放大器的开环使用。在输出端截止，造成运算放大器的开环使用。在输出端接滤波器，可以把半波脉动电压变成与其平均接滤波器，可以把半波脉动电压变成与其平均值成正比的直流电压值成正比的直流电压Vo，其波形如图，其波形如图2-6所示。所示。图2-6 半波线性检波器的波形图第14页，本讲稿
16、共69页 o图图2-72-7是全波线性检波电路。图中运算放大器是全波线性检波电路。图中运算放大器A A2 2除了充当加法除了充当加法器完成全波线性检波外，在反馈支路中并联大电容器完成全波线性检波外，在反馈支路中并联大电容C C构成滤波器，构成滤波器，使输出电压正比于输入电压全波的平均值。全波线性检波的波形使输出电压正比于输入电压全波的平均值。全波线性检波的波形图如图图如图2-82-8所示。所示。图2-7 全波线性检波电路 图2-8 全波检波的波形图第15页，本讲稿共69页o若输入电压是理想的正弦波，将其平均值乘以波形因数若输入电压是理想的正弦波，将其平均值乘以波形因数1.111.11后后就得到
17、有效值。实际电路中，检波器的后面接入相当大的滤波就得到有效值。实际电路中，检波器的后面接入相当大的滤波电容，使得输出的直流电压电容，使得输出的直流电压VoVo等于输入电压的峰值。若将测等于输入电压的峰值。若将测得的得的VoVo乘以乘以1.4141.414也可以得到交流有效值。这样，数字电压也可以得到交流有效值。这样，数字电压表可以根据平均值或峰值给出有效值读数。但是，如果被表可以根据平均值或峰值给出有效值读数。但是，如果被测电压中含有高次谐波，就会给测量带来很大误差。所以，测电压中含有高次谐波，就会给测量带来很大误差。所以，用平均值检波、有效值刻度的数字电压表对输入电压的波用平均值检波、有效值
18、刻度的数字电压表对输入电压的波形失真有较严格的限制，因此限制了这种数字电压表准确形失真有较严格的限制，因此限制了这种数字电压表准确度的提高和使用范围。度的提高和使用范围。第16页，本讲稿共69页2、交流电压峰值的检测、交流电压峰值的检测o在非电量测量中常常需要测量可变信号的峰值，如测量冲击力的大小，位移的最大值等。传感器把非电量转换成电信号后，用峰值检波电路检出并保持其峰值，再进行数字化测量。第17页，本讲稿共69页o图图2-92-9是一个简单的峰值检波一保持电路。工作前，将电容是一个简单的峰值检波一保持电路。工作前，将电容C C的电荷放尽，的电荷放尽，VoVo等于零。在放大器的同相端输入正向
19、电压信号等于零。在放大器的同相端输入正向电压信号V Vx x，使二极管，使二极管VDVD1 1导通，导通，给电容给电容C C充电，电路形成全反馈。若放大器的开环增益足够大，则充电，电路形成全反馈。若放大器的开环增益足够大，则V Vx xVoVo。电容器上的电压。电容器上的电压VoVo随着输入电压随着输入电压V Vx x的增大而增大。当的增大而增大。当V Vx x达到最大值后开达到最大值后开始下降时，二极管始下降时，二极管VDVD1 1立即反偏而截止，放大器处于开环状态，使放大器输立即反偏而截止，放大器处于开环状态，使放大器输出端电压出端电压VoVo变负，变负，VDVD1 1可靠截止，而可靠截止
20、，而VoVo保持不变。二极管保持不变。二极管VDVD2 2用于防止用于防止VDVD1 1截止时放大器深度饱和，同时也减小截止时放大器深度饱和，同时也减小VDVD1 1的反向电压。如果将图的反向电压。如果将图2-92-9电路电路中的二极管中的二极管VDVD1 1、VDVD2 2极性颠倒，即可构成负峰值检波器极性颠倒，即可构成负峰值检波器。第18页，本讲稿共69页 o用正、负峰值检波器可以组成峰一峰值检波保持用正、负峰值检波器可以组成峰一峰值检波保持电路，如图电路，如图2-102-10所示，放大器所示，放大器A A的输出电压为：的输出电压为：（2-122-12）o用数字电压表可以测出峰值电压。用数
21、字电压表可以测出峰值电压。第19页，本讲稿共69页3、交流电压有效值的检测、交流电压有效值的检测o在实际应用中，交流电压的有效值比峰值、平均值更为常用。在实际应用中，交流电压的有效值比峰值、平均值更为常用。正弦电压的有效值可以通过测量的峰值或平均值予以换算求正弦电压的有效值可以通过测量的峰值或平均值予以换算求得，而非正弦电压的有效值不能通过测量的峰值或平均值的得，而非正弦电压的有效值不能通过测量的峰值或平均值的换算得到，必须采用有效值电压表直接测量。换算得到，必须采用有效值电压表直接测量。(1)(1)利用平方律特性测量电压有效值利用平方律特性测量电压有效值 (2)(2)利用模拟运算电路测量电压
22、有效值利用模拟运算电路测量电压有效值第20页，本讲稿共69页为了获得均方根响应，必须具有平方律关系的伏安为了获得均方根响应，必须具有平方律关系的伏安特性，图特性，图2-11给出一种基本的电路形式，图给出一种基本的电路形式，图2-11(a)是利用二极管正向特性曲线的起始部分，得到是利用二极管正向特性曲线的起始部分，得到近似平方关系。选择合适的偏压近似平方关系。选择合适的偏压E0(大于大于ux 的峰值的峰值)，可以得到如图，可以得到如图(b)所示的波形图。所示的波形图。交流电压有效值的定义：交流电压有效值的定义：（a）伏安特性基本电路）伏安特性基本电路（b）伏安特性曲线波形）伏安特性曲线波形图中电
23、流：式中，K是与二极管特性有关的系数。直流电流表指针的偏转角与电流i的平均值成比例第21页，本讲稿共69页o式中，式中，是静态工作点电流，称起始电流；是静态工作点电流，称起始电流；是被测电压是被测电压的平均值，对于正弦波或周期对称的电压有的平均值，对于正弦波或周期对称的电压有 0 0；是与被测电压有效值的平方成比例的电流平均值的一是与被测电压有效值的平方成比例的电流平均值的一部分，是平方律检波器的有用结果。部分，是平方律检波器的有用结果。o若设法在电路中抵消起始电流的影响，则送到直流电流表的电若设法在电路中抵消起始电流的影响，则送到直流电流表的电流为：流为：从而实现了有效值转换。从而实现了有效
24、值转换。这种仪表的优点是可以测量任意周期性波形电压的有效值，同谐波这种仪表的优点是可以测量任意周期性波形电压的有效值，同谐波与基波之间的相角无关，不会产生波形误差。但由于与基波之间的相角无关，不会产生波形误差。但由于 与与 是二是二次方程关系，当用正弦波电压有效值刻度时，表盘刻度是非线性的次方程关系，当用正弦波电压有效值刻度时，表盘刻度是非线性的。第22页，本讲稿共69页(2)利用模拟运算电路测量电压有效值利用模拟运算电路测量电压有效值A1和和A2为具增益的加法器；为具增益的加法器；A3为倒相器；为倒相器；A4为积分器；为积分器；M为乘法器。为乘法器。M的输出电压为：的输出电压为：式中，式中，
25、K为积分器的传输系数；为积分器的传输系数；U0为积分器的输出电压；为积分器的输出电压；u(t)为被测电压瞬时值。经过积分器后的输出电压为为被测电压瞬时值。经过积分器后的输出电压为:该直流电压该直流电压 又经过又经过A1，A2，A3反馈到反馈到M的两个输入端。如果积分时间常数选得的两个输入端。如果积分时间常数选得足够长，即满足足够长，即满足TK/RC1，则，则M的输出中的交流成分被平均掉，只留直流成分。的输出中的交流成分被平均掉，只留直流成分。当系统达到平衡时，有当系统达到平衡时，有图212 直流反馈计算式RMS变换器原理图 第23页，本讲稿共69页o图图212212积分器中接入二极管积分器中接
26、入二极管VDVD是为了保证系统收敛，从而是为了保证系统收敛，从而使电路工作稳定使电路工作稳定o从理论上说，有效值电压表的示值与被测电压的波形无关。但从理论上说，有效值电压表的示值与被测电压的波形无关。但当被测电压波形上的尖峰过高时，会受到电压表放大器动态范当被测电压波形上的尖峰过高时，会受到电压表放大器动态范围的限制，因此还会产生一定的波形误差。围的限制，因此还会产生一定的波形误差。o 同理，它还受放大器频带宽度的限制。例如，当被测电压为一方同理，它还受放大器频带宽度的限制。例如，当被测电压为一方波时，除基波分量之外，还包含有无穷多谐波分量，高于电压表波时，除基波分量之外，还包含有无穷多谐波分
27、量，高于电压表上限频率的那些高次谐波分量将被抑制，从而产生误差。上限频率的那些高次谐波分量将被抑制，从而产生误差。第24页，本讲稿共69页2.2.22.2.2普通电流的检测普通电流的检测1、电流表直接测量法、电流表直接测量法o直接测量电流的方法通常是在被测电流的通路中串接适当量程的电流表，让被测直接测量电流的方法通常是在被测电流的通路中串接适当量程的电流表，让被测电流的全部或部分流过电流表。从电流表上直接读取被测电流值或被测电流分流值。电流的全部或部分流过电流表。从电流表上直接读取被测电流值或被测电流分流值。o如图所示电路，被测电流实际值为如图所示电路，被测电流实际值为（2-13）图图213
28、用电流表测量电流用电流表测量电流o在图在图(a)电路中串接一个内阻为电路中串接一个内阻为r的电流表，的电流表，如图如图(b)所示，则流过电流表的电流为所示，则流过电流表的电流为(2-14)第25页，本讲稿共69页测量电流的相对误差为测量电流的相对误差为o由上式可见，为使电流表读数值尽可能接近被测电流实际值，由上式可见，为使电流表读数值尽可能接近被测电流实际值，就要求电流表的内阻就要求电流表的内阻r尽可能接近于尽可能接近于0，也就是说，电流表内，也就是说，电流表内阻越小越好。阻越小越好。o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
29、接测量的方法，即把电流转换成电压、磁场强度等物理量，直接测量的方法，即把电流转换成电压、磁场强度等物理量，直接测量转换量，再根据转换量与被测电流的对应关系求得电流接测量转换量，再根据转换量与被测电流的对应关系求得电流值。值。(2-15)间接测量电流的转换方法间接测量电流的转换方法第26页，本讲稿共69页2、电流电压转换法、电流电压转换法o电流电流/电压转换法主要包括电压转换法主要包括取样电阻法取样电阻法和和反馈电阻法反馈电阻法。常用的是取样电阻法。常用的是取样电阻法。o取样电阻法取样电阻法是在被测电流回路中串入很小的标准电阻是在被测电流回路中串入很小的标准电阻r(r(即取样电阻即取样电阻)将将
30、被测电流转换为被测电压即被测电流转换为被测电压即 当满足条件当满足条件r rR R时、由时、由(2-14)(2-14)式可得式可得 若被测电流若被测电流I Ix x很大，可以直接用高阻抗电压表测量标准电阻两端电压很大，可以直接用高阻抗电压表测量标准电阻两端电压U Ux x；若；若被测电流被测电流I Ix x较小，应将较小，应将U Ux x放大到接近电压表量程的适当值后再由电压表进行放大到接近电压表量程的适当值后再由电压表进行测量。为了减小测量。为了减小U Ux x的测量误差，要求该放大电路应具有极高的输入阻的测量误差，要求该放大电路应具有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗。为此，抗和极低的输出阻抗
31、。为此，般采用电压串联负反馈放大电路。般采用电压串联负反馈放大电路。或 （2-16）第27页，本讲稿共69页图214 取样电阻法图214中，开关S1S3为量程开关。若放大倍数为100，放大器输出接5v量程电压表，则该电路所测电流量程相应分5mA、50mA、500mA三档。第28页，本讲稿共69页3、电流磁场转换法、电流磁场转换法o无论用电流表直接测量电流还是用电流电压转换法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情况下，可以采取不允许切断电路或被测电流太大的情况下，可以
32、采取测量电流产生的磁场的方法间接测量电流值。测量电流产生的磁场的方法间接测量电流值。第29页，本讲稿共69页霍耳传感器霍耳传感器 利用半导体材料的霍耳效应而工作，为霍耳传感器。利用半导体材料的霍耳效应而工作，为霍耳传感器。半导体，置于磁场半导体，置于磁场B，通入电流，通入电流I，电子受洛伦兹力，电子受洛伦兹力FL，产生，产生霍耳电场霍耳电场EH，输出霍耳电压，输出霍耳电压UH。被称为霍耳效应。被称为霍耳效应。N半导体半导体BIvF+UH输输出出U第30页，本讲稿共69页结论：霍耳电压（结论：霍耳电压（1 1）与材料有关）与材料有关 （2 2）与电流）与电流I I有关（有关（3 3）与磁）与磁场
33、场B B有关。有关。洛伦兹力：洛伦兹力：电场强度：电场强度：得：得：霍耳电压：霍耳电压：（电位正电荷受力乘距离）（电位正电荷受力乘距离）（n-材料中电子浓度）材料中电子浓度）由于由于（电位正电荷受力）（电位正电荷受力）于是：于是：（*霍耳灵敏度霍耳灵敏度：）1.1.霍耳电压与霍耳灵敏度霍耳电压与霍耳灵敏度第31页，本讲稿共69页3 3、电流磁场转换法、电流磁场转换法o图图215为采用霍尔传感器的钳形电流表结构示意图。冷轧硅钢为采用霍尔传感器的钳形电流表结构示意图。冷轧硅钢片圆环的作用是将被测电流产生的磁场集中到霍尔元件上，以片圆环的作用是将被测电流产生的磁场集中到霍尔元件上，以提高灵敏度。作用
34、于霍尔片的磁感应强度提高灵敏度。作用于霍尔片的磁感应强度B为为 式中式中KB为电磁转换灵敏度。为电磁转换灵敏度。o线性集成霍尔片的输出电压线性集成霍尔片的输出电压U0为为o式中式中Ic为霍尔片控制电流；为霍尔片控制电流；oK为电流表灵敏度为电流表灵敏度oKH为霍尔灵敏系数，与霍尔材料的物理性质和几何尺寸有关。为霍尔灵敏系数，与霍尔材料的物理性质和几何尺寸有关。图215 霍尔式钳形电流表第32页，本讲稿共69页o根据根据Uo的大小，即可测算出被测电流的大小，即可测算出被测电流Ix的大小。若的大小。若Ix为直流，为直流，则则Uo亦为直流，若亦为直流，若Ix为交流，则为交流，则Uo亦为交流。亦为交流
35、。o霍尔式钳形电流表可测的最大电流达霍尔式钳形电流表可测的最大电流达100kA以上，可用来以上，可用来测量输电线上的电流（参见测量输电线上的电流（参见2.5节），也可用来测量电子束、节），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测量的电流。离子束等无法用普通电流表直接进行测量的电流。o图图215中被测电流导线如果在硅钢片圆环上绕几圈电流中被测电流导线如果在硅钢片圆环上绕几圈电流表灵敏度便会增加，量程便会减少。用这种办法可调整霍表灵敏度便会增加，量程便会减少。用这种办法可调整霍尔式钳形电流表的灵敏度和量程。尔式钳形电流表的灵敏度和量程。第33页，本讲稿共69页4 4、电流互感器法、电
36、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。电流互感器的结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。电流互感器的结构如图构如图216所示，它是在磁环上所示，它是在磁环上(或铁芯上或铁芯上)绕一些线圈构成的。绕一些线圈构成的。假设被测电流假设被测电流(原边电流原边电流)为为i1，原边（也称原级、初级）匝数为，原边（也称原级、初级）匝数为N1，副边（也，副边（也称副级、次级）匝数为称副级、次级）匝数为i2，则副边电流为，则副边电流为可见，只要测得副边电流，就可得知被测可见，只要测得副边电流，就可得知被测电流电流(原边电流原边电流)的大小。的大小。由于
37、电流互感器副边匝数远大于原边匝数，由于电流互感器副边匝数远大于原边匝数，在使用时副边绝对不允许开路，否则在使用时副边绝对不允许开路，否则会使原边电流完全变成激磁电流，铁芯达会使原边电流完全变成激磁电流，铁芯达到高度饱和状态，使铁心严重发热并在副边产生很高的电压，引起互感器到高度饱和状态，使铁心严重发热并在副边产生很高的电压，引起互感器的热破坏和电击穿，对人身及设备造成伤害。的热破坏和电击穿，对人身及设备造成伤害。此外，为了人身安全，互感器副边一端必须可靠地接地此外，为了人身安全，互感器副边一端必须可靠地接地(安全接地安全接地)。图图216 电流互感器电流互感器第34页，本讲稿共69页o 电流互
38、感器输出的是电流，测量时，互感器副边接电阻R，从R上取得电压接到放大器或交/直流变换器上，R的大小由互感器的容量伏安值决定(一般常用电流互感器为10VA和5VA)、R上输出电压为：o图217为电流互感器CTL6P采用的两种电流/电压转换电路，其中图(a)采用取样电阻法，图中采用反相放大，要求R1r，也可采用同相放大。图(b)采用反馈电阻法。图217 电流互感器的电流电压转换电路第35页，本讲稿共69页2.32.3频率、周期、相位的检测频率、周期、相位的检测 o在在相等的时间间隔里，重复发生的现象称为周期现象。周期现象不论相等的时间间隔里，重复发生的现象称为周期现象。周期现象不论在生产过程中还是
39、在日常生活中都十分普遍，如各种周而复始的旋转在生产过程中还是在日常生活中都十分普遍，如各种周而复始的旋转运动、住复运动、各种传感器检测到的周期性脉冲信号。运动、住复运动、各种传感器检测到的周期性脉冲信号。o频率、周期和相位是周期信号的三个重要参数。频率是指单位时间内周期性过频率、周期和相位是周期信号的三个重要参数。频率是指单位时间内周期性过程重复出现的次数，用程重复出现的次数，用f f表示，单位是表示，单位是HzHz。周期是指周期性过程重复出现。周期是指周期性过程重复出现一次所需要的时间，用一次所需要的时间，用T T表示，单位是表示，单位是s s。相位是两个同周期信号过零点。相位是两个同周期信
40、号过零点的相角差。其中周期和频率互为倒数关系，即的相角差。其中周期和频率互为倒数关系，即2.3.1 频率频率/周期的检测周期的检测因此，f和T只要测出其中一个，便可通过取倒数求得另一个。第36页，本讲稿共69页在电子测量中，频率是一个最基本的参数，而且频率测量精度是最高的。在检测技术中为了提高测量精度，常常将一些非电量或其他电参量转换成频率信号，再进行测量。因此频率的测量十分普遍而且非常重要。频率的测量方法主要有模拟法和计数法两类。计数法具有测量精度高、速度快、操作简便、可以直接显示数字、便于与微机结合实现测量过程自动化等优点，它是目前最好的测量频率的方法。但由于模拟法简单、经济，目前在有些场
41、合仍然被采用。相位的测量主要采用计数法。第37页，本讲稿共69页oLC谐振回路在频率等于谐振频率时，幅频特性有一个峰值；RC文氏电桥在频率等于谐振频率处，输出电压为零，即有一个最小值。对于这种无源网络，如果它的频率特性存在极值，就可以利用频率特性的极值点来测量频率。因为网络是无源的，所以又称为无源测量法。1、文氏电桥测频法、文氏电桥测频法文氏电桥测频法是利用交流电桥的平衡条件与电桥电源频率有关这一特性来测量频率的，如图所示。将频率为的被测交流信号加在文氏电桥的一组对角线上。G为指示电桥平衡的检流计。该交流电桥平衡条件为：图218 文氏电桥测频原理在交流电桥平衡的条件下，上式左右两端实部、虚部分
42、别相等，即电桥平衡的两个条件为一、频率的模拟测量一、频率的模拟测量第38页，本讲稿共69页若取若取R1R2R，C1C2C则平衡条件为则平衡条件为第39页，本讲稿共69页o因此，电桥在R32R4条件下，调节R(或C)可使电桥对被测信号频率达到平衡(检流计指示最小)。在电桥面板上如果按频率刻度，便可直接从刻度上读得被测信号频率。o由于电阻的调节相对电容的调节容易，一般采用固定电容，调节电阻的方式。o这种电桥测频的精确度主要取决于：电桥中各元件的精确度；判断电桥平衡的准确度(即检流计的灵敏度以及人眼的观察误差)；被测信号的频谱纯度。文氏电桥测频法的测频精确度大约是土(0.51)。在高频时，由于寄生参
43、数影响严重，测量精确度大大降低，所以这种测频法仅适用于10kHz以下的音频范围。第40页，本讲稿共69页2 2、谐振法测频、谐振法测频o谐振法测频是利用电感、电容串联谐振回路或并联谐振回路的谐振特性来实现频率的测量的，如图所示。频率为fx的交流信号加到变压器的原边绕组上，调节电容C，当LC电路达到谐振点时，电流表或电压表将指示最大值，此时o如果电容的调节刻度盘按谐振频率刻度，则可直接从刻度盘上读出被测频率值。o谐振法测频误差产生主要原因：实际电感、电容的损耗越大，回路品质因数 越低，谐振曲线越钝，越不容易找出真正的谐振点。面板上的频率刻度是在规定的标定条件下刻度的。当环境温度、湿度等因素变化时
44、，电感、电容的实际 值将发生变化，从而使回路的谐振频率发生变化，造成测量误差。频率刻度读数误差。谐振法测频原理电路综合以上因素，谐振法测量频率的误差大约在(0.251)范围内，常作为频率粗测或某些仪器的附属测频部件使用。第41页，本讲稿共69页3 3、频率电压转换法测频、频率电压转换法测频频率电压转换法测频的原理如图（频率电压转换法测频的原理如图（a a）所示。频率为）所示。频率为fxfx的正弦信号经脉冲形成电路转的正弦信号经脉冲形成电路转化为等周期的尖脉冲化为等周期的尖脉冲u uA A，该尖脉冲经单稳多谐振荡器，转化为周期为，该尖脉冲经单稳多谐振荡器，转化为周期为TxTx，宽度为，宽度为，幅
45、度为幅度为UmUm的矩形脉冲列的矩形脉冲列u uB B，如图，如图 (b)(b)所示，所示，u uB B的平均值的平均值(即直流分量即直流分量)为为(2-17)(a)图2-20 频率/电压转换法测量频率 用低通滤波器滤除用低通滤波器滤除u uB B的全部交流分量，输出的直流的全部交流分量，输出的直流电压用电压表指示，如果电压表表盘依照电压用电压表指示，如果电压表表盘依照(2-17)(2-17)式按式按频率刻度，则从电压表指针所指刻度便可直接读出被频率刻度，则从电压表指针所指刻度便可直接读出被测频率值。测频率值。这种频率电压转换式频率计最高测量频率这种频率电压转换式频率计最高测量频率可达几兆赫。
46、测量误差主要决定于可达几兆赫。测量误差主要决定于 的的稳定度以及电压表的误差，一般为百分之几。稳定度以及电压表的误差，一般为百分之几。这种测量方法的突出优点是可以连续监测频率这种测量方法的突出优点是可以连续监测频率的变化。的变化。第42页，本讲稿共69页二、频率、周期的数字化测量二、频率、周期的数字化测量o频率、周期的数字化测量可以由电子计数器实现。电子计数器是一种通用电子仪器，它具有功能全，应用范围广的特点。1、电子计数器的原理、电子计数器的原理 电子计数器也称为数字频率计，可以用来记录脉冲个数，测量频率、频率比、周期、时间间隔等参数。图221是电子计数器的原理框图，它由输入通道、时间基准电
47、路、控制电路和计数器显示器五大部分组成。图221 电子计数器原理图(1)输人通道输入通道包括放大、整形电路，各种被测信号(如正弦波、三角波、锯齿波等)经过放大整形后转换成前沿陡峭的尖脉冲信号，以便能够在主闸门的控制下进入十进制计数器，可靠地触发计数器，进行准确的计数。第43页，本讲稿共69页(2)时间基准电路由晶体振荡器和分频器组成。石英晶体振荡器产生稳定的时钟信号，经过分频后可以得到一系列周期已知的标准信号。这些信号可作为计数器的标准计数脉冲(填充脉冲)，也可作为各种时间基准，控制计数器的门电路。(3)控制电路控制电路在所选择的基准时间内打开主闸门，允许整形后的被测脉冲信号输入到计数器中。（
48、4)计数器和显示器对控制门输出的信号进行计数，并通过译码器控制数码管，将计数器中的数值用数字形式显示出来。测量频率或汁数时，用时间基准信号控制主闸门，对被测信号进行计数；测量周期时，用被测信号控制主闸门，对时间基准信号进行计数。在电子计数器的各个部件中，改变被测信号和时间基准信号的流向，就可以实现不同的功能。第44页，本讲稿共69页2 2、用电子计数器测量频率、用电子计数器测量频率o用石英晶体振荡器产生的标准时钟信号经过分频后，得到周期为Td的脉冲信号，用来控制计数器的门电路的开启。如果被测信号的周期为Tx，在这段时间内进入计数器的脉冲个数为:所以：由上式可知，Td越大，记录的脉冲个数Nx越多
49、，fx的精确度越高。第45页，本讲稿共69页3 3、用电子计数器测量周期、用电子计数器测量周期o当被测信号频率较低时，用计数器测量频率得到的读数Nx的位数较少，这样使测量误差增大。为此，采用测量周期的方法来增加读数的位数，可降低测量误差。o测量周期时，被测信号经过放大、整形、分频(或者不分频)后，去开启控制门。通过控制门进人计数器的是晶体振荡器产生的周期为To的脉冲（亦称填充脉冲）。假设计数器计得的读数为Nx，被测周期为Tx，若未经分频直接用开启控制门，则进入计数器的脉冲的个数为：即：（2-18）式中f0是标准频率，所以计数器的读数和被测量的周期成正比。若改变填充脉冲的频率，可以改变被测周期的
50、量限。当被测周期较小时为了增加读数位数，提高测量准确度，可以把被测周期分频，也就是延长开门时间，这样也可以扩展测量周期的量限。第46页，本讲稿共69页2.3.2 2.3.2 相位的检测相位的检测o相位是交流信号的重要参数。相位测量不仅广泛应用在电力、通信等领域，而且有些非电量通过传感器变换成相位信号进行测量。随着科学技术的发展，对相位测量的精度要求越来越高。相位的数字化测量具有精度高，速度快，频带宽等特点。用数字相位表可以方便地测量相位。1 1、相位测量的基本原理、相位测量的基本原理 相位的数字化测量主要采用过零鉴相法，图222是相位测量的原理框图。具有相位差的两个同频率正弦信号e1和e2，经