感测技术基础(第一章 电流、电压和功率的)

U1 U2
适合测较大电流
UU3
U x R1 Ix r R2
U4 U+
Ux 2 R2 R2 r 1 r K Ix R1 R3
反馈电阻法—被测电流回路中串入电压并联负反馈电路
VA
i3
i2
适合测量小电流
图1-1-7 反馈电阻法
R1R2 U x I x R1 R2 R3
Ix
E E Ix R0 RL R
I E x r Rr 1 R
Ix Ix r 测量误差： Ix Rr
1.1.2 电流-电压转换法 取样电阻法：在被测电流回路中串入很小的取样电 阻，将被 测电流转换为被测电压
Ux R r (1 2 ) Ix R3
U p 2U 2U a
U 正弦 U a
U Up /Kp
U p 2U a
1.3 功率的测量
功率概念的复习 直流功率：P = U*I 交流功率：
各电路元件的功率比较：
电动系测量机构的工作原理
利用两个载流线圈电磁力作用而产生转动力矩的测量机构。 固定线圈电流产生的磁场对活动线圈产生电磁力的作用。
1.2.2 交流电压的测量 交流电压的表征 （峰值、平均值、有效值、
波形系数、波峰系数）
正峰值
平均值
负峰值 幅值
1．峰值 U p
2．平均值
分量”
1 T 1）“信号平均值”是“信号的直流 U T 0 u (t )dt
1 T U | u (t ) | dt T 0
2）“交流电压平均值”常指其“全 波整流平均值”
图1-2-4 集成运放电压表原理
图1-2-4 集成运放电压表原理
U i kU x I0 RF RF
I m RF Um k
直流数字电压表
图1-2-5 直流数字电压表框图
1、构成――将直流电子电压表的模拟表头用A/D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。 2、功能扩展： 通过切换开关，更换不同的测量电路，就可利用这种数 字表头构成数字式万用电表。 通过切换开关，更换不同的传感器和测量电路，将被测 参数转换成直流电压，就可利用这种数字表头构成非电量的 数字测量仪表。
1.1.3 电流-频率转换法
触发端 阈值端
放电端
图1-1-8 简单的电流-频率转换器
K
3 VDD C
C
3 VDD K
可用于各种恒流源场 合，对微电流（如光 电流）检测尤为合适
1.1.4 电流-磁场转换法
用处：不允许切断电路或被测电流太大时。
1. 霍尔效应：如，霍尔钳形电流表
2. 磁位计法 3. 磁光效应法 4. 核磁共振法
3. 有效值 2

T
0
u (t ) U2 dt T R R
U
1 T 2 u (t )dt 0 T
KF U /U
K p U p /U
4. 波形系数 波峰系数 基于功率的概念，国际上一直以有效值做为交流电 压的表征量
交流电压的测量方法
思路：将交流电压转化为直流电压。 常用方法：检波法 定度：所有电压表几乎都按正弦波有效值定度
将电动系测量机构中的动圈和定圈串联或并联，并配置一定的分流 电阻，便可构成电动系电流表。 将电动系测量机构中的动圈和定圈串联以后再与一定的附加电阻串 联，便可构成电动系电压表。
电动系功率表原理图
电动系功率表原理：
用电动系功率表测量功率 1．正确选择量程： 电压、电流、功率三者均不应超过量限 2．正确接线 图1-3-2 1°电流线圈与负载串联，电压线圈与负载并联 2°两线圈﹡端同接高电位端（或同接低电位端） 3°两线圈﹡端同接电流引入端（或同接电流引出端） （a）（b）适于吸收功率测量——正转表示Z吸收功率 （c）（d）适于发出功率测量——反转表示Z发出功率 4°（a）（c）适于Z>>ZA ZA——电流线圈阻抗 （b）（d）适于Z<<ZV ZV——电压线圈阻抗
图1-3-2 功率表的接线方式
(a) 、(b) 、(c) 、 (d)－－正确接法；(e) 、(f) 、(g) 、(h)－－不正确接法
电动系功率表的局限：只适合于从直流到几百赫兹的功率测量
1.3.2 用时分割乘法器测量功率
图1-3-3 时分割乘法器原理示意图
由于一个周期T内积分器输出电压变化为0，所以得：
则：
其中：K U m 2 / U m1
例1：在下图中，电压表V的“Ω/V”数为20KΩ/V，分别用 5V量程和25V量程测量端电压Uo的读数值分别为多少伏？ 怎样从两次测量读数计算出Eo的精确值？
直流电子电压表
组成：磁电式电流表头 + 跟随器 + 放大器
磁电式电 流表头
图1-2-3 电子电压表框图
若Uy是被测电流Ix流经的取样电阻RN两端的电压， 即Uy=RNIx则： R2 RN
E0 R1U R U x I x K pU x I x
设 U x K u 2U sin( t ) 可得： E0 KUI cos KUI cos(2t ) I x K I 2U sin t
高频交流电压的测量——采用峰值电压表
1、峰值电压表特点
检波—放大式组成结构 采用峰值检波：测两电压时，若电压表读数相同，则两 被测电 压峰值相同 采用正弦有效值刻度（有效值为U的正弦电压的读数也为U）
2、测量数据换算——从读数值Ua求有效值U和峰值Up
被测信号 正弦信号 非正弦信号 有效值U 峰值Up
I 2 (R1 R2 ) I g (R1 R2 R3 Rg )
I3 (R1 R2 R3 ) I g (R1 R2 R3 Rg )
量程满偏电流 * 量程分流电阻 = 表头满偏电流 * 环路总电阻
交流电流表：
图1-1-4 整流式交流电流表电路
测量误差：
图1-1-5 用电流表测量电流
平均值
U
有效值U
U正弦 U a / 1.11 0.9U a
U 非正弦 U 正弦 0.9U a
U 正弦 U a
U非正弦 U非正弦 K F 0.9K F U a
例2.用全波整流均值电压表分别测量正弦波、三角波和方波， 若电压表指示值均为10V，问3种波形被测电压的有效值各 为多少？（注：正弦波波形系数为1.11，三角波波形系数 为1.15，方波波形系数为1）
T1 T T 1 T 1 1 T /2 U dt [ U dt U dt ] [ E dt EC dt ] 0 x R R C 0 0 T 1 0 T / 2 R1C R2C R3C
整理可得：
T2 T1 R2 U x T R1 U R
+Uy被开关S2切换产生的方波Us经过低通滤波后得到的 平均值Eo为： U y (T1 T2 ) 将上式代入可得： R2 U xU y E0 E0 R1 U R T
1.1.5 电流互感器法
图1-1-9 电流互感器
i2 i1 ( N1 N2 )
使用注意：副边绝对不允许开路，且副边必须可靠接地
图1-1-10 电流互感器的电流-电压转换电路
U0 i2 R i1R( N1 N2 )
1.2 电压的测量
1.2.1 直流电压的测量
普通直流电压表 （表头指针偏转角度与被测电压成正比）
电压表类型
检波—放大式
应用
带宽
灵敏度
高频/超高频电 较宽（20Hz— 早期约为0.1V。 压表 数百MHz） 采用调制式直 流放大器可达 mv级 宽频/视频毫伏 较窄（20Hz— 一般可做到 表 10MHz） mV级 高频微伏表、 选频电平表、 测量接收机 频带宽 很高，可达微 伏级。
放大—检波式
外差式
①平均值检波——输出直流电压等于输入交流电压平均值
检 波 法
②有效值检波——输出直流电压等于输入交流电压有效值
③峰值检波——输出直流电压等于输入交流电压峰值
模拟式交流电压表（检波—放大式、放大—检波式、外差式）
检波-放大式
放大— 检波式
图1-2-7 交流电压表类型
图1-2-8 外差式电压表
三种模拟式交流电压表的比较：
低频交流电压的测量
--多采用均值电压表或有效值电压表测量
1.均值电压表的特点 放大—检波式组成结构 采用平均值检波——测两电压时，若电压表的读数相同， 则两电压的平均值相同 按正弦电压有效值刻度（有效值为U的正弦电压的读数也为U）
2、测量数据换算——波形换算（从读数值Ua求平均值和有效值U） 被测信号 正弦信号 非正弦信号

E0 E0 U Rv m R0 Rv R0 Rv I m
U 0 E0 R0 E0 R0 Rv
消除误差办法 1. 使
RV R0
2. 二量程测量法：
设量程 U m1 时的读数为 U 01 ，量程 U m 2 时的读数为U 02
E0 ( K 1) U 02 U 02 K U 01
磁电系电流表头的基本参数有：动圈内阻Rg、动圈满偏电流 Im和动圈满偏电压Um。Um=Rg*Im
扩展量程、 减小内阻的 方法
图1-1-2 单量程电流表原理图
S0 Rs I ( ) S0 I n Rg Rs
从保护表头的 角度，多采用 图 1-1-3 多量程电流表原理图 闭路抽头式
I1R1 I g ( R1 R2 R3 Rg )
第一章 电压、电流和 功率的测量
1.1 电流的测量
1.1.1 电流表直接测量法
原理：在被测电流的通路中串入适当量程的电流表，让被测电 流的全部或一部分流过电流表，从电流表上直接读取被测电流值 或被测电流分流值