电气测量技术第7章电气参数测量.ppt

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,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.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所示。,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，=Ic/Ib,，如采用直接测量将非常不便，,图7.2 电流表内阻的影响,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。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,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=B N l i 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 角度，游丝也产生一反抗力矩 W，（W-游丝的弹性系数）。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 角度上，此时=常数（表头灵敏度，即单位电流的偏转角度）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,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800，设计量程扩展为100mA的电流表。解：g*0.1 mA=r1*99.9mA r1=0.801注意：有时也可先设好r1，增加g,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。问题：换档时，分流电阻悬空，可能导致表头烧毁。,实际的多档电流表设计1档：满偏电流最大4档：满偏电流最小量程电流分流电阻=表头满偏电流环路总阻例：以知表头满偏电流0.1mA，内阻800，设计一个多档电流表，满偏电流5mA，50mA,500mA。.,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。预处理电路包括：I/U转换，放大电路等,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组成分流总阻分流电阻压降2V对电路影响较大当量程在20mA1A 时,电阻R23R25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。,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。1.二极管整流电路 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。,2.线形检波器（交直流转换电路）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。3.同相交直流转换电路,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。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。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。,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。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，电压表所测得的电压由原来的Ux改变为：,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 k/V，可以推算出在100 V挡的输入电阻为10010=1000 k=1 M，实际测得的电压为,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。,例:表头内阻800,表头满偏电流0.1mA,设计10V,50V,250V,1000V 电压档的电压表.Ig=V1/(Rg+r1)=V2/(Rg+r1+r2)=Ig=(V2-V1)/r2=(V3-V2)/r3=.,2.数字式万用表 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 M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。,DT-1型数字万用表的直流电压档电路由输入分压电阻,量程选择开关及由运放组成的电压跟随电路等组成。输入阻抗：10M/（100K+LM316的同相输入阻抗）约为 10M,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 V1.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 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,图7.10 常见电压的波形,2.交流电压的表示量值 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)=Acosct，则有UP-P=2 A，UP=1 A。,2)平均值 设电压信号为U（t），其周期为T，则平均值为 对于一个幅值对称的周期信号，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 其含义实际上指交流信号经整流后的平均值,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，其数学表达式为 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。对于正弦波来说：三者有固定的关系，只要检测出其中一种，即可算出其他两种。,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，即（2）波峰因数KP:表示交流电压的峰值与有效值之比，即,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=，KF=，为脉冲宽度，T 为周期白噪声：Kp=3，KF=1.25,3.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。,2).测量原理1）交流电压的模拟测量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、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。,测量原理（a）峰值检波电路；（b）平均值检波器；（c）热电偶式变换电路,二极管峰值检波电路（a.串联式,b.并联式,c.波形）,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：=RC Tmax 慢放电 d=(Rd+Rs)C Tmix 快充电 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,运算放大器峰值检波器 由于二极管的非线性和导通压降的缺陷，可以使用运算放大器峰值检波器。当 ui 0 时,D1导通,D2截止,保持电容C充电,当ui 0 时,D2导通,D1截止,保持电容C无放电回路,保持原充电电压.因而实现峰值检波.,平均值检波原理 由二极管桥式整流（全波整流和半波整流）电路完成。如图，整流电路输出直流电流I0，其平均值与被测输入电压u(t)的平均值成正比（与u(t)的波形无关）。（电容C用于滤除整流后的交流成分，避免指针摆动）运放构成的线性检波器也属于平均值检波,平均值检波原理以全波整流电路为例，I0的平均值为 式中，T为u(t)的周期，rd和rm分别为检波二极管的正向导通电阻和电流表内阻，可视为常数（它反映了检波器的灵敏度）。于是，I0的平均值 与u(t)的平均值 成正比。,无论交流电压表采用的是峰值检波器还是平均值检波器，但电压表的指示值都是以正弦交流信号的有效值来表示的。以峰值电压表为例，其显示值是将峰值检波器检测到的电压值除以波峰因数KP得到的，若显示读数为，则 例1：用一峰值电压表去测量一个方波电压，读数为10 V，问该方波电压的有效值是多少？解：峰值检波器的输出为被测信号的最大幅度，由仪表的刻度关系知，被测方波的幅度为。由于方波的有效值与峰值相当，故方波的有效值为14.1 V。,4.交流电压的有效值测量 因此,要正确测量非正弦波形电压的有效值,要选用真有效值电压表.而对于有效值转换器，其特性符合如下公式：经分析可知有效值转换器符合叠加原理，能对非正弦信号进行正确测定。1）有效值检波器:对输入交流电压进行平方,求平均值,在开方得到真有效值,即完全按照有效值定义进行测量。2）单片真有效值检波器AD736 AD736是AD公司开发的一种低价，低功耗的真有效值测量芯片，可对任意输入波形的交流电压信号进行真有效值测量。特点：（1）200mV的全波输入范围，（使用输入衰减器可对测量范围 进行扩展。（2）高达1T的输入阻抗（3）极低的输入偏置电流，25pA（4）高精度，综合误差为 0.3mV 0.3%（5）宽电压范围，低功耗等,AD736的内部框图（见图7-16）AD736的内部主要由：输入放大器 全波整流器 有效值变换单元 输出放大器 偏置电路等组成工作过程：被测信号从2脚输入，经输入放大器放大输出后再经全波整流送入RMS单元，完成真有效值转换，再通过输出放大器输出。管脚功能：+VS，-VS 正负电源 Cc 低阻抗输入端 Vin 高阻抗输入端 COM 公共端 Vo 输出端 CF 输出滤波电容 CAN 平均电容,典型实际电路图：注意：AD736也并非万能的对于一些尖脉冲信号可能测量误差较大，因此在测量这类信号时，一般可加大平均电容，以提高精度。,由AD736构成的真有效值电压表的组成框图智能化真有效值电压表,5.模拟及数字电压表的整机结构 交流模拟电压表（1）放大检波式电压表 放大检波式电压表的工作原理如图7.13（a）所示，各个组成单元的基本特性如下：1）阻抗变换器阻抗变换器的作用是使电表对外（输入）呈现高阻抗，对内（输出）呈现低阻抗，典型的电路如图7.13（b）所示。其中，V1是高频场效应管，输入电阻极大，输入电容小于2 pF；V2为高频晶体三极管，输出电阻为R4，一般为100，该电路传输衰减系数较小，且能驱动75 电缆。2）衰减器及 宽带放大器 衰减器的作用是在测量大信号时对输入信号进行衰减以扩大测量量程。衰减器亦要求有宽带的特性，在高频时要考虑电路与元件的分布电容效应，采用复合阻容结构，典型的衰减器如图7.13（c）所示。当R1C1=R2C2时，衰减比与频率无关。宽带放大器一般选用宽带线性集成放大器，如LM733，可工作在直流到50 MHz的频率范围。3）检波器 常用的检波器有峰值检波器和倍压检波器，如图7.13（d）所示。,图7.13 放大检波式模拟电压表原理框图（a）放大检波式电压表组成原理；（b）阻抗变换器；（c）衰减器；(d)检波器,(2).检波-放大式电压表 检波-放大式电压表直接对被测电压信号进行检波，然后对转化成的直流信号进行处理并显示，具有结构简单，输入阻抗高，适用于高频测量的特点。缺点是起始测量信号较大，一般为几十毫伏，非线性误差亦大。其工作原理如图所示。,6.交流数字电压表低频数字电压表一般是在直流数字电压表的基础上增加放大器、交直流变换器而组成的，如图7.16（a）所示。高频数字电压表的一般组成如图7.16（b）所示。它的检波器探头高频特性较好。宽带数字电压表的一般组成如图7.16（c）所示。,图7.16 交流数字电压表组成框图（a）低频数字电压表组成框图；（b）高频数字电压表组成框图；（c）宽带数字电压表组成框图；(d)智能型电子电压表组成框图,DT830型数字万用表交流电压测量部分：电路基本框图,（1）分压电路及阻抗变换 分压电路与直流部分共用，以简化电路。区别仅在于交流测量时，前部接有隔直电容。除去被测电压中的直流成分。隔直电容C1要注意：要有足够的耐压，电容的容抗要足够小。,（2）半波整流电路及有效值变换电路前半部分为半波整流电路（交直流变换器）后半部分为平均值-有效值转换器,计算.,7.3.2 功率和电能的数字化测量,由电工学可知，功率即为单位时间内所做的功。具体表达式为1.时间分割乘法器式的功率电压转换器 将u(t)和 i(t)输入到乘法器中相乘，便可以得到一个与功率p 成正比的模拟电压，再对此模拟电压进行数字化测量，便得到这段时间内的平均功率，如果时间 t 足够短，则反映了它的瞬时功率。,（1）时间分割乘法器原理框图如下，由节拍方波E0，参考电压UR，积分器A和比较器组成。,基本原理:通过对输入电压 Ux 进行脉宽调制,使得由节拍方波E0提供的周期T分割为T1和T2,其时间差T2-T1正比与Ux。由E0 决定积分器充放电的转折，当积分器过零时，比较器翻转，控制开关S1接通UR，由于UR从过零点的接入，使得充放电的斜率在过零点发生变化，从而使T分割成时间不等的T1 和 T2。T2-T1 正比于Ux。,如果在比较器过零输出的同时，控制S2接入+/-Uy,即在T1 期间输出+Uy,T2期间输出-Uy,经滤波后，输出E0 为 如果令 Uy=Ix*Ry,则 其中，比例系数 从以上分析可知，时间分割乘法器实现了在一个周期内的电流和电压的瞬时相乘，如果节拍方波周期很短，则E0反映了Ix和Ux的瞬时值之积，即瞬时功率。,（2）时间分割乘法器式数字功率表及误差 由电压互感器，电流互感器，时间分割乘法器，量程转换器，和功率显示器 共五部分组成。主要误差有：1 电压互感器 的比差和相角差 2 电流互感器 的比差和相角差 3 电流互感器负载电阻的幅值误差和相位误差 4 时间分割乘法器的传递系数的幅值误差和相位误差 等,2.采样计算法数字式瓦特计和电度表 由计算机组成的双路数据采集系统构成,在电压周期的整倍数内进行 N 次采样,经计算可得平均功率为 数字电度表则在瓦特计的基础上再乘时间可得.,3.单片集成电路测量功率 AD7750 是AD公司专为检测市电电能而开发的 IC。主要特点:1.两路差分模拟信号输入 2.两路信号求积 3.单通道电压-频率转换 4.有功功率测量 5.电流通道增益可选 6.可选片内,片外基准 7.可选输出脉冲频率 8.单5V供电 AD7750 是将输入的电流和电压相乘再随着时间的积累量而输出脉冲数，所有的运算都是数字处理。,图 1 是 AD7750 的内部框图。输入级的两个放大器是差动输入，分别输入电流和电压，然后利用两个 A D 转换器进行同步转换，得到的数字信号相乘，其乘积经过数字频率转换(DTF)被输出，得到与电能相对应的输出脉冲。MD 转换器的基准电压源内藏在芯片中。AD7750 为 20 脚封装，供电电源为单电源 5V，适用于单相两线交流市电的电能检测，目标是用小型、价廉、使用方便的电子式电度表取代机械式电度表。AD7750 的应用电路见图 2，下面简述其工作原理。,一、输入级从框图可知，输入缓冲级由差动放大器构成，分为两个通道。通道 1 用于电流输入。其信号取自电流互感器(CT)副边两端的电压，缓冲级后的放大器增益可选为 1 倍或 16 倍.通道 2 为电压输入，其后级增益固定为2倍。二、数字运算级内设的 MD 转换器由二次调制器构成，为差动输入，其最大输入电压是 2V。通道的信号经 A/D 转换后进入高通滤波器(HPF)。经过高通滤波的数字信号，被送至延时电路，以便纠正因高通滤波而产生的相位超前。通道 2 的电压信号经 A D 转换后送入乘法器，与来自延时电路的电流信号相乘。三、数字频率转换先将乘积量通过低通滤波器(LPF)滤除无益的高频成分，再经数字频率转换变成一定频率的脉冲，该频率的高低与电能的大小成正比，DTF 共输出 F1、F2、FOUT 三个脉冲信号，由 F1、F2 输出的是宽度为 275ms 的低频脉冲。直接驱动步进马达或电子式脉冲计数器，以显示电能值。,AD7750的内部框图和应用电路,思考题7：1.为了测量图中的电流I1和电压U2，应如何连接电流表和电压表？,2.已知一个10 A电流表头的内阻为100，设计用该表头和分流电阻构成一个三量程电流表：01 mA、010 mA、1100 mA。3.在题2的基础上设计一个三量程电压表：01 V、010 V、0100 V。4.已知正弦电压为e(t)=100 cost，那么该电压的峰值、有效值和平均值各为多少？5.在有直流电平的情况下，被测信号的交流部分应如何测量？6.如果将12 V直流电压加入全波整流式峰值交流电压表，那么仪表读数是多少？,7.被测电压为脉冲波，周期T=64ms,脉宽为ms,用全波平均值表测量，电压表读数为V，求其有效值为多少？8.用峰值表分别测量方波和三角波，读数均为5V，问被测电压的有效值分别是多少？9.已知某电压表采用正弦波有效值刻度,如何用实验的方法确定其检波方式?对设计的实验方法进行分析.10.欲测量失真的正弦波,若手头没有真有效值电压表,则应选用峰值表还是平均值表更合适一些?,