电气测量技术第三章电气参数测量

第7章 电气参数的测量
2. 数字万用表均有电流电压测量挡。与模拟式万用表相
比，主要优点是：
(1) 输入阻抗高，一般直流输入阻抗可达20 MΩ以上。 (2) 分辨力高，可精确到百分之一(到千分之一以上)，即在10
V挡，可分辨到 0.1 V，而指针式的模拟万用表的分辨力为 最小刻度间隔所代表的电压值的一半，量程越大，分辨力 越低。
交流电压幅度值的相对大小常用峰-峰值、平均值和有效值来 表示。
1) 峰-峰值UP-P
峰-峰值表示信号的最大值与最小值的差。对于对称的正弦信 号来说，更常用的是峰值UP，其等于1/2的UP-P。如U(t)=Acosωct， 则有UP-P=2 A，UP=1 A。
第7章 电气参数的测量
2) 平均值 U
设电压信号为U（t），其周期为T，则平均值为
式中，Rs和Rd分别为等效信号源u(t)的内阻和二极管正向导通 电阻，C为充电电容（并联式检波电路中C还起到隔直流的作用）， RL为等效负载电阻，Tmin和Tmax为u(t)的最小和最大周期。 从波形图可以看出，峰值检波电路的输出存在较小的波动，其平均 值略小于实际峰值。 ▪ 二极管峰倍压值检波电路工作原理…………
第7章 电气参数的测量
第7章 电气参数的测量
7.1 频率 、周期和时间间隔的测量 7.2 相位的测量 7.3 电压、功率和电能等的测量
第7章 电气参数的测量
7.3电压、功率和电能等的测量
电压,电流和功率是表征电信号能量的三个最基本参数,三者之 间的关系由公式P=IU表示,因此在实际测量中,只要测定任何两个参 数,就可得到第三个参数.
1档：满偏电流最大
4档：满偏电流最小
r1
Rg Rg' r2 r3 r4
1
2
3
4
量程电流×分流电阻=表头满偏电流×环路总阻
例：以知表头满偏电流0.1mA，内阻800Ω，设计一个多档电流表，满偏 电流5mA，50mA, 500mA。……..
第7章 电气参数的测量
2 数字万用表测量直流电流的原理
数字万用表是用电子技术来检测直流电流的。通常在直流电流挡，对外电路来说， 数字万用表仅相当于一个取样电阻RN（不同的量程RN的值不同），测量时RN上有电压 信号Ui=IRN，其测量过程如图所示。
T
，KF=
T， 为脉冲宽度，T 为周期
➢ 白噪声： Kp=3， KF=1.25
Baidu Nhomakorabea
第7章 电气参数的测量
3 .交流电压的测量原理与方法
1）. 测量方法 交流电压测量与直流电压测量相类似，都是将电压表并联于被测电路
上，其测量的连接如图所示。
R1
V
R2
～ U(t)
第7章 电气参数的测量
2). 测量原理
1） 用模拟电路的技术和方法测量交流电压，最常用的转换器有峰值检波器、
＋
－
Ux
直流电流表
－
＋
Rg
A
R1
R2
R3
R4
R5
第7章 电气参数的测量
例:
表头内阻800 Ω,表头满偏 电流0.1mA, 设计10V, 50V, 250V, 1000V 电压档的电压 表.
Ig
Rg
r1 r2 r3
r4
-
V+
Ig = V1/(Rg+r1) = V2/(Rg+r1+r2) = ……… Ig = (V2-V1)/r2 = (V3-V2)/r3 = ……….
Ig
Rg
注意：有时也可先设好r1，
增加Ｒg‘ ………
r1
100mA
第7章 电气参数的测量
可通过接入不同大小的分流电阻的办法，来设计一个多档电流表。
Ig
Rg Rg'
10mA
r1
100mA
r2
r3 1000mA
问题：换档时，分流电阻悬空，可能导致表头烧毁。
第7章 电气参数的测量
实际的多档电流表设计
Ig
丝的弹性系数）。
当电磁力产生的转矩与游丝产生的反抗力矩相等时，指针就停止在某个θ 角度 上，此时
BNS = 常数（表头灵敏度 ，即单位电流的偏转角度）
i
W
表头的基本参数： 内阻-----线圈阻抗 满偏电流-----指针产生满度偏转时所需电流 满偏电压-----内阻×满偏电流
第7章 电气参数的测量
R26 1Ω
IC1 ICL7106
当量程在20mA—1A 时,电阻R23—R25分别串入运放输入回路,但由于运 放为同相放大电路，输入阻抗极高，因而不会对电路有不良影响。
第7章 电气参数的测量 二. 交流电流的测量
低频交流电流的测量原理和方法：
交流电流的测量和直流电流的测量基本类似，所不同的只是先将交流信号整流 为直流信号，再对这个直流信号进行测量并加以适当修正和显示。
3.同相交直流转换电路
第7章 电气参数的测量 三. 直流电压的测量
1 直流电压的测量原理与方法
一般来说，直流电压测量是将直流电压表直接跨接在被测电压的两端，由直
流电压表读出被测电压的值。因此，电压测量是一种最简便的电参数测量，
其过程如图所示。
U
＋
x
－
＋
－
电压表
由于电压表测量时并联在被测电路两端，当电压表内阻不能忽略时，将引入测 量误差。
KP
uP uRMS
第7章 电气参数的测量
▪ 波峰因数和波形因数
➢ 常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到： ➢ 如正弦波：Kp=1.41， KF=1.11； ➢ 方波： Kp=1， KF=1； ➢ 三角波： Kp=1.73， KF=1.15； ➢ 锯齿波： Kp=1.73， KF=1.15；
➢
脉冲波：Kp=
I E E Er E 1
R R r R(R r) R 1 R / r
2. 由于直接采用电流表测量电流，须断开电路串入电流表，这是非常不 方便，有时甚至是危险的，因此间接测量是经常应用的。
▪ 如： 一个三极管放大电路，要测量三极管的电流放大倍数β， β = Ic / Ib ,，如采用直接测量将非常不便，…………………
磁电式电流表基本结构分析：
基本原理：利用一个带指针的载流线圈，在磁场中受电磁力作用而偏转，并使 线圈偏转的角度与线圈电流成正比。 组成：永久磁铁：在气隙内产生均匀磁场，磁通密度为B。
框形线圈：可旋转线圈，通电受电磁力作用而偏转。 游丝：给可动线圈提供一个电流通路。给旋转线圈提供一个反作用力。 指针等
第7章 电气参数的测量
7.3.1 交流电压的测量 交流电压幅值范围较广,可分为高电压 105 –103 V
中电压 103 --- 10-3 V 低电压 10-3 --- 10-7 V
1. 交流电压的特点： 1） 波形多样：正弦波，方波，三角波，脉冲波等 2） 频率范围广：0.01Hz 以下-----几千GHz 3） 电压幅值变化大：uV-----kV
第7章 电气参数的测量
设线圈的匝数为N，每匝导线流过的电流为 i ，线圈的长和宽分别为l和b，则线 圈在磁场中所受的电磁力F
F=BNli
电磁力矩 Fb = B N i l b = B N i S (S=l b)
由于B ，N，S 均为常数，因此转动力矩与电流i成正比。 当载流线圈受力矩作用而偏转 θ 角度，游丝也产生一反抗力矩 W θ，（W--游
第7章 电气参数的测量
DT-1型数字万用表的直流电压档
电路由输入分压电阻,量程选择
V+
开关及由运放组成的电压跟随
电路等组成。
R1 9M 2V
20V R2 200V 900K 500V
R3 90K
R4 10K
R5
AR1 ICL7106
100K
LM336
输入阻抗：10MΩ//（100K+LM316的同相输入阻抗） 约为 10MΩ
1.二极管整流电路
U0
i
UR
D
由于二极管导通电压的存在(约0.6V)，因此当取样电阻较小时，对于小电 流在电阻上产生的压降，二极管将无法导通，因而对于小电流测量电路，二 极管检波电路是不合适的 。
第7章 电气参数的测量
2.线形检波器（交直流转换电路）
－
A
＋
分析：利用了运放的高增益特性，抵消了二极管的导通压降，构成一个反向的 交直流变换电路。
Ui
预处理
数字量
A/D转 换 器
显示
预处理电路包括：I/U转换，放大电路等
第7章 电气参数的测量
DT-1型数字万用表的电流测量电路 电路由分流电阻和
阻抗变换隔离电路I+
2mA
组成
分流总阻１ＫΩ
20mA 200mA
R5 100KΩ
R23 900Ω R24 90Ω
分流电阻压降2V 对电路影响较大
R25 9Ω 2A
2.多档直流电流表
由于电流表表头灵敏度极高（毫安或微安级） ，因此实际应 用中往往需进行量程扩展。
一般均通过并联分流电阻的方法来进行电流扩展。
例： 已知电流表表头满偏电流为0.1mA，内阻800Ω，设计量程扩展为
100mA的电流表。
解：Ｒg * 0.1 mA = r1 * 99.9mA r1 = 0.801Ω
一. 直流电流测量的原理与方法 可用来测量直流电流的仪表有很多,早期有模拟直流电流表，近期则
主要采用数字式直流电流表 其过程如图7.1
A
第7章 电气参数的测量
在进行直流电流测量时要注意两个问题：
1 . 要注意电流表内阻对测量精度的影响。
设电流表的内阻为r，在图7.2（a）所示的测量电路中，原电路中电流 I=E/R，而在图7.2（b）所示的电路中，电流改变为I′=E/(R+r) ，两者的误差 为
由于交流电压信号的复杂性，测量时应选择合适的测量仪表和 合适的测量方式，以达到准确的测量结果 一般有: 1. 进行交直流变换，对变换后的直流电压进行测量。
2. 采用数字化技术进行测量
第7章 电气参数的测量
正弦波
脉冲波
方波
三角波
低频噪声波
阶梯波
图7.10 常见电压的波形
第7章 电气参数的测量
2.交流电压的表示量值
U 1
T
U (t)dt
T0
对于一个幅值对称的周期信号，U 为零，因此一般用信号的绝对值求平均值。
这时平均值的意义为
U 1
T
U (t) dt
T0
第7章 电气参数的测量
3) 有效值URMS
有效值指的是信号的均方根值（RMS）。电压信号的有效值用URMS表示，
URMS
1 T U 2 (t)dt T0
第7章 电气参数的测量
I
＋
E
R
－
(a)
I＋ － A
＋
E
R
－
(b)
图7.2 电流表内阻的影响
第7章 电气参数的测量
1 模拟直流电流表的工作原理 模拟直流电流表多数为磁电式仪表，磁电式仪表一般由可动线圈、游丝和
永久磁铁组成。线圈框架的转轴上固定一个读数指针，当线圈流过电流时，在磁 场的作用下，可动线圈发生偏转，带动上面固定的读数指针偏转，偏转的角度与 通过可动线圈的电流成正比。模拟直流电流表具有不需电池驱动、显示稳定等优 点，同时亦存在非线性误差大、容易损坏等缺点。
有效值是交流电压与直流电压在热效应上相等，与波形无关，因而具有广泛
的意义。
U RMS
UP 2
0.707U P
U
2
U
P
，只要检测出其中一种，即可算出其他两种。
第7章 电气参数的测量
工程上定义如下两个参数：
（1） 波形因数KF: 表示电压的有效值与平均值之
比，
KF
uRMS u
（2） 波峰因数KP: 表示交流电压的峰值与有效值 之比，
Ux ' = Ux * R0/(R0+Rx) 只有当R0远大于Rx时，才能 Ux ‘ = Ux ，因此当用电压表测量一些高内阻的电
路时，其示值一般偏小。
第7章 电气参数的测量
例1：设被测电路可等效为内阻为Rx，开路电压为Ux的电压源，
直流电压表的等效内阻为R0，则测量的完整电路简化为图。
直
流
R0
电
平均值检波器和有效值—直流变换电路。其工作原理如图3.12（a）、（b）、 （c）所示。
VD 1
＋
R
AD
ux
C
R uo
u x
ux
uA
－ 2
＋ uo －
BE
(a)
(b)
(c)
（a） 峰值检波电路；（b） 平均值检波器；（c）
第7章 电气参数的测量 ▪ 二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）
D
C
u(t)
C
RL
Vp
u(t)
D
RL
Vp
a
b
u(t)
VP
t
c
第7章 电气参数的测量
▪ 二极管峰值检波电路工作原理
➢ 通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值，而二极 管反向截止时“保持”该峰值。
➢ 为此，要求：
➢ τ = RC >> Tmax 慢放电 ➢ τd=(Rd+Rs)C << Tmix 快充电
压
＋
表
A
－
＋ E
－
Rx
▪ 由图可知，当直流电压表并接于被测电路两端时，由于R0的存在，电压表 Ux改变为：
R0 R0 Rx
Ux
( 1
1 Rx
/
R0
)U x
第7章 电气参数的测量
例2 ：在图示分压电路中，使用MF500-B型万用表的100 V挡进行
测量，该仪表的灵敏度为10 kΩ/V，可以推算出在100 V挡的输入电 阻为100×10=1000 kΩ=1 MΩ，实际测得的电压为
1000 500
R2 // Ri R1 R2 //
Ri
100
1000 500 500 1000 500
100
40V
1000 500
＋
100 V
－
R1 500 k
R2
＋
500 k
V
－
第7章 电气参数的测量
2.多档模拟直流电压表
采用直流电流表，当其与适当的分压电阻相配合时，即组成了直流电 压表，如图3.7所示。