《电气工程概论》辅导资料十五

电气工程概论辅导资料十五

主题：第五章电气测量技术（第1节）

学习时间：2013年1月7日－1月13日

内容：

我们这周主要学习电路参数的简单测量，频率与相位的测量，电压的测量，磁测量。

第五章电气测量技术

在测量过程中往往会发生误差，这种误差是难以避免的，所以根据测量精度，有精密测量和工程测量两类电气测量。对误差要求不是很严格，所以本章内容属于工程测量范畴。另外，由于电子技术在当前电气工程中得到普及与应用。因此对一些传统的测量方法不再赘述。

第一节电路参数的测量

电路参数是指电阻、电容和电感三种基本参数，也是描述网络和系统的重要参数。为了实现对其的精确测量，目前普遍采用数字化测量，对于电路参数的数字化测量是通过把被测参数转化成直流电压或频率后进行测量的。

1.电阻的测量

电阻的测量是指将电阻值转换成直流电压后进行测量。目前主要采用恒流源的方法进行测量，即将恒定的电流Is通过被测电阻Rx，测得Rx上的两端压降Ux，则Rx=Ux/Is。根据其产生恒流源的方法的不同又分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。

1)比例运算器法

比例运算放大器的原理如图所示。图中UN 为基准源，RN 为标准电阻，RX 为被测电阻，根据电路可知：

21111211,,,I I I U A U R U I R U U I R U U I O d O i O X O N N -=-==

-=-=

所以

2)积分运算器法

积分运算器法的原理如上图所示。该方法采用积分法，因此适用于高阻的测量，测量范围为109—1014，测量精度可达0.1％ 。

3）用集成芯片7106组成的多量程电阻测量电路

图中示出了使用7106芯片组成的多量程电阻测量电路。其中，电阻R的作用是限制串联电阻上流过的电流，以避免在7106芯片输入端上超过200mv。

2.电容的测量

传统的电容测量方法有谐振法和电桥法两种。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法。

用恒流法测量电容的原理图

用恒流法测量电容的原理图和波形图如上图所示，当开关S打向复位端时，计数器和电容同时清零，然后再将开关打向测量端，这时恒流源I对电容C进行充电，经过时间T后，充电电荷Q=I•T，此时电容两端电压U=Q/C，显然只要I 和T已知，测出电压U，便可按C= I•T/U计算出电容值，恒流源向C充电，同时时标脉冲Cp经与门进入计数器。当Uc值大于UR时，比较器输出零电平，停止计数，这时显示的数据就是与电容值成正比的测量结果。即

3.电感的测量

使用交流电桥法虽然能较准确的测量电感，但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q 值确定电感的方法，误差较大。采用时间常数的数字化测量方法测量电感较简单实用。

一般电感含有线圈电阻R 和寄生电容Co ，通常Co 很小，在工频情况下可以忽略。所以实际电感可以视为一纯电感L 和电阻R 的串联，其时间常数τ=L/R 。

时间常数法测量电感的基本原理图

（a ）原理图 （b ）电流变化曲线图

在t=0时合上开关，电感中的电流i 将按指数曲线上升，其最大值为I 。从图中可看出，在开始阶段变化的曲线和t=0时刻的切线基本重合。I ’与i 交点的横坐标为△T ，从图中可知

I

I T '=∆τ 只要先测出电感线圈的直流电阻，并已知U 便可计算出I ，则由测定的△T 即可求得τ，从而计算出L=τR 。

4．频率的测量

在电子测量技术中，频率是一个最基本的参数，而且频率测量的精度已经达

到了10-13数量级，是目前物理量中能测量的最精确的参数之一。因此，在检测技术中常常将一些非电量或其它电参量先转换成频率，然后加以测量，以提高测量精度。目前测量频率的方法有电桥法、谐振法、差频法、电子计数法等，本节主要介绍计数法的测量原理。

计数法测量频率就是按此定义设计的方案，其测量原理图和波形图如图下所示。

计数法测量频率原理图

计数法测量频率的各点波形图

（1）输入通道

一般由通道放大电路和整形电路组成，整形后方波信号的幅度应与主闸门的逻辑输入开门信号相匹配。

（2）时间基准电路

通常采用石英晶体振荡器经整形和一系列的分频电路构成时间基准。

（3）控制电路

用来使主闸门在所选择的基准时间内打开，使整形后的被测脉冲信号通过并送往计数器计数，而显示器的小数点受时间基准选择电路同步控制，所以即使选用不同的时间基准，显示器上仍能显示被测频率的值。

（4）工作原理

首先将被测频率fx其波形经整形放大后使它变为一组系列脉冲，可便于脉冲计数器计数。该计数器只在控制门开启时才能对被测频率fx的脉冲计数。控制门开启时间是由石英振荡器产生的标准脉冲经脉冲(周期为T0)分频器分频以后得到的。若分频倍数为K倍，则控制门开启时间为TD=KT0，在这一段时间内脉冲计数器进行计数，其值为

N=TDfx

如果选TD＝1s，则可把上式写为

N=fx

所计数值可由数码管直接显示出来。这种方法具有采样速度快，便于多路输入，对于自动测量、遥远测量均极为方便。

5.相位的测量

相位是交流信号的一个重要的参数，相位的数字化测量应用类似频率计测量时间的原理。利用相位-频率转换器测量的原理图如下。

相位－频率转换式数字相位计原理图

(a) 原理图；(b)转换波形图

由图可知，被测相位为：

X O O

O X x N T T

T T 360360=⨯=φ 式中，T o —时标脉冲的周期；

N x —在Tx 时间内计数值；

T —被测信号的周期。

由于T 也是未知量，所以

必须经过两次测量，并经过计算得到φx 。因为T=N T T 0。所以

从上式中可以看出，该测量方法的精确度直接受时标频率的影响。例如，精度要求为0.10。则要求T 0/T ≤0.10/3600,f 0≥3600f x ，即当被测信号频率增大时，时标信号频率相应加大到3600倍。当输入信号为正弦波或三角波时，必须首先经过整形变为方波信号。转换时的门限电平的漂移会给测量带来较大的误差。

6.电压的测量

从测量的角度来讲，一般根据被测电压的类型可以分为直流电压、交流电压

360⨯=T

X X N N φ