電參量測(cè)量技術(shù)課件

第2章電參量測(cè)量技術(shù)

2.1頻率、時(shí)間和相位的測(cè)量2.2電壓、電流和功率測(cè)量2.3

阻抗測(cè)量1謝謝觀賞2019-5-24 第2章電參量測(cè)量技術(shù)

2.1頻率、時(shí)間和相位的測(cè)量1

檢測(cè)方法：直接或通過(guò)各種傳感器、電路等轉(zhuǎn)換為與被測(cè)量相關(guān)的電壓、電流、時(shí)間、頻率等電學(xué)基本參量。

好處1：便于對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)、處理、記錄和控制

好處2：又能提高測(cè)量的精度。

本章內(nèi)容：分別介紹時(shí)間、頻率和相位、電壓、電流以及阻抗等參量的測(cè)量方法。

2謝謝觀賞2019-5-242謝謝觀賞2019-5-242.1頻率、時(shí)間和相位的測(cè)量頻率、時(shí)間的應(yīng)用與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，而在當(dāng)代高科技中顯得尤為重要。例如,郵電通訊，大地測(cè)量，地震預(yù)報(bào)，人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)的導(dǎo)航定位控制等都與頻率、時(shí)間密切相關(guān)，因此準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間和頻率是十分重要的。相位是描述交流信號(hào)的三要素之一。相位差的測(cè)量是研究信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)特性的不可缺少的重要方面。3謝謝觀賞2019-5-242.1頻率、時(shí)間和相位的測(cè)量32.1.1頻率的測(cè)量

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中周期性現(xiàn)象十分普遍，如各種周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、各種傳感器和測(cè)量電路變換后的周期性脈沖等。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系:

（2-1）頻率測(cè)量方法：1：計(jì)數(shù)法2：模擬法4謝謝觀賞2019-5-242.1.1頻率的測(cè)量4謝謝觀賞2019-5-241.頻率(周期)的數(shù)字測(cè)量⑴計(jì)數(shù)法測(cè)量原理

計(jì)數(shù)法就是在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)，對(duì)周期性脈沖的重復(fù)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若周期性脈沖的周期為T(mén)A，則計(jì)數(shù)結(jié)果為: （2-2）計(jì)數(shù)法原理如圖2-1(a)所示，周期為T(mén)A的脈沖①加到閘門(mén)的輸入端，寬度為T(mén)的門(mén)控信號(hào)②加到閘門(mén)的控制端，只有在閘門(mén)開(kāi)通時(shí)間T內(nèi)才輸出計(jì)數(shù)脈沖③進(jìn)行計(jì)數(shù)。5謝謝觀賞2019-5-241.頻率(周期)的數(shù)字測(cè)量5謝謝觀賞2019-5-24圖2-1計(jì)數(shù)法測(cè)量原理6謝謝觀賞2019-5-24圖2-1計(jì)數(shù)法測(cè)量原理6謝謝觀賞2019-5-24

由于T和TA兩個(gè)量是不相關(guān)的，T不一定正好是TA的整數(shù)N倍，即T與NTA之間有一定誤差，如圖2-1(b)所示。處在T區(qū)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)(即計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果)為N，則

（2-3）顯然，脈沖計(jì)數(shù)的最大絕對(duì)誤差△N=±1。7謝謝觀賞2019-5-24由于T和TA兩個(gè)量是不相關(guān)的，T不一定正好是脈沖計(jì)數(shù)最大相對(duì)誤差為：

（2－4）

⑵通用計(jì)數(shù)器的基本組成和工作方式

通用計(jì)數(shù)器一般都具有測(cè)頻和測(cè)周兩種方式?；窘M成如圖2-2所示。圖2-2中整形器是將頻率為fA(或fB)的正弦信號(hào)整形為周期為T(mén)A=1／fA(或TB)的脈沖信號(hào)。門(mén)控電路是將周期為mTB(fB經(jīng)m分頻)的脈沖變?yōu)殚l門(mén)時(shí)間為T(mén)=mTB的門(mén)控信號(hào)，將T=mTB代入(2-2)式可得圖2-2中十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果為：

8謝謝觀賞2019-5-24脈沖計(jì)數(shù)最大相對(duì)誤差為：⑵通用計(jì)數(shù)器的基本組成和工作方式8（2-5）圖2-2通用計(jì)數(shù)器的基本組成9謝謝觀賞2019-5-24（2-5）圖2-2通用計(jì)數(shù)器的基本組成9謝謝觀賞2019由上式可見(jiàn)，圖2-2中計(jì)數(shù)結(jié)果N與fA／fB成正比，此時(shí)計(jì)數(shù)器工作在頻率比測(cè)量方式。如圖2-2中A輸入端(fA=fx)，晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc信號(hào)接到B輸入端(fB=fc)，則計(jì)數(shù)器工作在測(cè)頻方式，此時(shí)(2-5)式變?yōu)椋? （2-6）若將被測(cè)信號(hào)fx接到圖2-2中B輸入端(fB=fx)，晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc信號(hào)接到A輸入端(fA=fc)，則稱計(jì)數(shù)器工作在測(cè)周方式，此時(shí)(2-5)式變?yōu)椋?/p>

（2-7）

10謝謝觀賞2019-5-24由上式可見(jiàn)，圖2-2中計(jì)數(shù)結(jié)果N與fA／fB成正比，此時(shí)計(jì)數(shù)⑶頻率(周期)的測(cè)量誤差與測(cè)量范圍理論上講測(cè)量頻率與測(cè)量周期是等效的，但從實(shí)際測(cè)量來(lái)看，圖2-2所示通用計(jì)數(shù)器工作在測(cè)頻方式和工作在測(cè)周方式，其測(cè)量誤差和范圍都不一樣。①測(cè)頻方式由(2-6)式可得“測(cè)頻”的相對(duì)誤差為：進(jìn)一步推導(dǎo)可得測(cè)頻最大相對(duì)誤差為：11謝謝觀賞2019-5-24⑶頻率(周期)的測(cè)量誤差與測(cè)量范圍進(jìn)一步推導(dǎo)可得測(cè)頻最大相對(duì)由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越高，分頻系數(shù)m越大，測(cè)頻的相對(duì)誤差△fx/fx越小，測(cè)頻的精確度越高。若采用K位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，為使計(jì)數(shù)結(jié)果不超過(guò)計(jì)數(shù)器最大允許計(jì)數(shù)值而發(fā)生溢出，要求：

且

（2-9）

(2-8)12謝謝觀賞2019-5-24由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越高，分頻系數(shù)m越大，測(cè)頻的相對(duì)誤差（2-10）一般晶振的精度很高，△fc/fc可忽略，故上式簡(jiǎn)化為：（2-11）因此可得“測(cè)頻”范圍為：

（2-12）

同時(shí)，最大相對(duì)誤差還應(yīng)滿足測(cè)量精度的要求，因此fx應(yīng)滿足：13謝謝觀賞2019-5-24（2-10）同時(shí)，最大相對(duì)誤差還應(yīng)滿足測(cè)量精度的要求，因此1②測(cè)周方式由(2-11)式可得測(cè)周的相對(duì)誤差為：將(2-10)式代入得測(cè)周的最大相對(duì)誤差為：

（2-13）因Tx=1/fx，△Tx／Tx=-△fx／fx，故由上式可測(cè)周法測(cè)頻的最大相對(duì)誤差為：

（2-14）14謝謝觀賞2019-5-24②測(cè)周方式14謝謝觀賞2019-5-24由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越低，分頻系數(shù)m越大，測(cè)周的相對(duì)誤差△Tx/Tx越小，即測(cè)周的精度越高測(cè)頻的精度也越高。總結(jié)1若被測(cè)頻率fx較高，則直接測(cè)頻的相對(duì)誤差較小2若被測(cè)頻率fx較低，則用測(cè)周法測(cè)頻的相對(duì)誤差較小。3當(dāng)f0＝fc時(shí)，測(cè)頻與測(cè)周相對(duì)誤差都一樣15謝謝觀賞2019-5-24由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越低，分頻系數(shù)m越大，15謝謝觀賞2從提高測(cè)量精度考慮，當(dāng)被測(cè)頻率fx高于fc時(shí)應(yīng)采用直接測(cè)頻法；當(dāng)被測(cè)頻率fx低于fc時(shí)應(yīng)采用測(cè)周法。測(cè)周法的周期測(cè)量范圍，同樣也受到測(cè)量精度要求值和計(jì)數(shù)器的限制，即應(yīng)滿足故Tx的測(cè)量范圍為：

（2－15）若取fc=fmax，并忽略晶振的誤差，則上式簡(jiǎn)化為16謝謝觀賞2019-5-24從提高測(cè)量精度考慮，當(dāng)被測(cè)頻率fx高于fc時(shí)應(yīng)采圖2-2中分頻系數(shù)m一般取10的整數(shù)次冪且分擋可選，即m=10n(n=0，1，2，3…等可選)。此時(shí)改變n只是改變fx和Tx的指示數(shù)字的小數(shù)點(diǎn)位置。例如N=100，fc=1MHz(Tc=lμs)，若取n=2，則fx=1MHz，Tx=1μs。若取n=3，則x=0.1MHz，Tx=0.1μs。

（2－16）17謝謝觀賞2019-5-24

2.頻率的模擬測(cè)量⑴直讀法測(cè)頻⑵比較法測(cè)頻⑶示波器測(cè)量頻率①電橋法測(cè)頻②諧振法測(cè)頻③頻率-電壓(f-V)轉(zhuǎn)換法測(cè)頻18謝謝觀賞2019-5-242.頻率的模擬測(cè)量①電橋法測(cè)頻18謝謝觀賞2019-5-22.1.2時(shí)間間隔的數(shù)字測(cè)量時(shí)間間隔的測(cè)量方案和周期測(cè)量的基本相同，所不同的僅是此處的門(mén)控電路不再采用計(jì)數(shù)觸發(fā)方式，而是要求根據(jù)測(cè)量時(shí)間間隔，給出起始計(jì)數(shù)和終止計(jì)數(shù)兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)。19謝謝觀賞2019-5-242.1.2時(shí)間間隔的數(shù)字測(cè)量時(shí)間間隔的測(cè)量方案和周期測(cè)量

若時(shí)間間隔即門(mén)控信號(hào)的寬度(閘門(mén)時(shí)間)為tx，選用時(shí)標(biāo)周期為T(mén)c(圖中Tc=1μs，10μs，…，10s分擋可選)，則計(jì)數(shù)結(jié)果為：（2－18）將上式與(2-7)式對(duì)比可見(jiàn)，時(shí)間間隔的測(cè)量相當(dāng)于分頻系數(shù)m=1的周期Tx的測(cè)量情況。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量時(shí)間間隔的誤差比測(cè)周期時(shí)大。20謝謝觀賞2019-5-24若時(shí)間間隔即門(mén)控信號(hào)的寬度(閘門(mén)時(shí)間)為202.1.3

相位差的數(shù)字測(cè)量

測(cè)量相位差的方法主要有：1.用示波器測(cè)量；2.與標(biāo)準(zhǔn)移相器比較(零示法)；3.把相位差轉(zhuǎn)換為電壓來(lái)測(cè)量；4.把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量等。1.相位-電壓轉(zhuǎn)換法

相位-電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)的原理框圖如2-4(a)所示。其各點(diǎn)波形如2-4(b)所示。輸出方波幅度為Ug，則用低通濾波器將方波中的基波和諧波分量全部濾除后，此方波的平均值即直流分量為：21謝謝觀賞2019-5-242.1.3相位差的數(shù)字測(cè)量21謝謝觀賞2019-5-24上式中T為被測(cè)信號(hào)的周期，Tx由兩信號(hào)的相位差φx決定，即

（2-20）

將(2-20)式代入(2-19)式得相位差：

（2-21）（2－19）22謝謝觀賞2019-5-24上式中T為被測(cè)信號(hào)的周期，Tx由兩信號(hào)的相位差φx決定，即（圖2-4相位-電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)原理23謝謝觀賞2019-5-24圖2-4相位-電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)原理23謝謝觀賞2012.相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法

將上述相位-電壓轉(zhuǎn)換法中鑒相器的時(shí)間間隔Tx用計(jì)數(shù)法對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，便構(gòu)成相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換式相位計(jì)，如圖2-5所示。它與時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)測(cè)量原理基本相同，若時(shí)標(biāo)脈沖周期為T(mén)c，則在Tx時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為：

（2-22）24謝謝觀賞2019-5-242.相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法24謝謝觀賞2019-5-24

圖2-5相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換式相位計(jì)原理25謝謝觀賞2019-5-24圖2-5相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換式相位計(jì)原理25謝謝觀賞201如果采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而且時(shí)標(biāo)脈沖周期Tc與被測(cè)信號(hào)周期T滿足以下關(guān)系式：

（2-23）

則代入（2-22）式可得:

（2-24）相對(duì)量化誤差為:

（2-25）26謝謝觀賞2019-5-24如果采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而且時(shí)標(biāo)脈沖周期Tc與被測(cè)信號(hào)周期由(2-23)式可知，時(shí)標(biāo)脈沖頻率fc與被測(cè)信號(hào)頻率fx的關(guān)系為:

（2-26）

缺點(diǎn)：1.由于時(shí)標(biāo)頻率fc不允許太高，所以計(jì)數(shù)式相位計(jì)只能用于測(cè)量低頻率信號(hào)的相位差，而且要求測(cè)量精度越高(即n越大)，能測(cè)量的頻率fx越低。2.當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fx改變時(shí)，時(shí)標(biāo)脈沖頻率fc也必須按(2-26)式相應(yīng)改變。27謝謝觀賞2019-5-24由(2-23)式可知，時(shí)標(biāo)脈沖頻率fc與被測(cè)信號(hào)頻率fx272.2電壓和電流的測(cè)量

2.2.1電壓的測(cè)量

電量測(cè)量中的很多電參數(shù)，包括電流、功率、設(shè)備的靈敏度等都可以視作電壓的派生量，通過(guò)電壓測(cè)量獲得其量值。

電壓的測(cè)量分為模擬和數(shù)字兩種方法。模擬電壓表的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，測(cè)量頻率范圍較寬；缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度、分辨力低，不便于與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。數(shù)字式電壓表則正好相反。28謝謝觀賞2019-5-242.2電壓和電流的測(cè)量直流電壓的測(cè)量⑴普通直流電壓表

普通直流電壓通常由動(dòng)圈式高靈敏度直流電流表串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮铇?gòu)成，如圖2-6所示。設(shè)電流表的滿偏電流(或滿度電流)為Im，電流表本身內(nèi)阻為Re，串聯(lián)電阻Rn所構(gòu)成的電壓表的滿度電壓為 （2-27）所構(gòu)成的電壓表的內(nèi)阻為:

（2-28）29謝謝觀賞2019-5-24直流電壓的測(cè)量29謝謝觀賞2019-5-24圖2-6普通直流電壓表電路

如圖中電流表串接3個(gè)電阻后，除最小電壓量程Uo=Im·Re外，又增加了U1、U2、U3三個(gè)量程，根據(jù)所需擴(kuò)展的量程，可估算出3個(gè)擴(kuò)展電阻的阻值:30謝謝觀賞2019-5-24圖2-6普通直流電壓表電路如圖中電流表串接通常把內(nèi)阻Rv與量程Um之比(每伏歐姆Ω/V數(shù))定義為電壓表的電壓靈敏度。

（2-29）“Ω/V’數(shù)越大，表明為使指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需驅(qū)動(dòng)電流越小?！唉?V”數(shù)一般標(biāo)明在磁電式電壓表表盤(pán)上，可依據(jù)它推算出不同量程時(shí)的電壓表內(nèi)阻，即

（2-30）31謝謝觀賞2019-5-24通常把內(nèi)阻Rv與量程Um之比(每伏歐姆Ω/V數(shù))定義為電壓表動(dòng)圈式直流電壓表的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，缺點(diǎn)是靈敏度不高和輸入電阻低。工程測(cè)量中為了滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求，常采用輸入電阻和電壓靈敏度高的模擬式直流電子電壓表進(jìn)行測(cè)量。⑵直流電子電壓表⑶直流數(shù)字電壓表圖2-7

直流數(shù)字電壓表框圖32謝謝觀賞2019-5-24動(dòng)圈式直流電壓表的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，缺點(diǎn)是2.交流電壓的測(cè)量⑴交流電壓的表征：交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數(shù)以及波峰系數(shù)來(lái)表征。①峰值 周期性交流電壓U(t)在一個(gè)周期內(nèi)偏離零電平的最大值稱為峰值，用Up表示，正、負(fù)峰值不等時(shí)分別用Up+和Up-表示，如圖2-8(a)所示。U(t)在一個(gè)周期內(nèi)偏離直流分量U0的最大值稱為幅值或振幅，用Um表示，正、負(fù)幅值不等時(shí)分別用Um+和Um-表示，如2-8(b)所示。圖中U0=0，且正、負(fù)幅值相等。33謝謝觀賞2019-5-242.交流電壓的測(cè)量33謝謝觀賞2019-5-24圖2-8交流電壓的峰值和幅值34謝謝觀賞2019-5-24圖2-8交流電壓的峰值和幅值34謝謝觀賞2019-5-②平均值

u(t)的平均值的數(shù)學(xué)定義為:

（2-31）實(shí)質(zhì)上就是被測(cè)電壓的直流分量U0，如圖2-8(a)中虛線所示。在電子測(cè)量中，平均值通常指交流電壓檢波(也稱整流)以后的平均值，又可分為半波整流平均值和全波整流平均值。全波平均值定義為:

（2-32）

如不另加說(shuō)明，平均值通常指全波平均值。35謝謝觀賞2019-5-24②平均值35謝謝觀賞2019-5-24③有效值

一個(gè)交流電壓和一個(gè)直流電壓分別加在同一電阻上，若它們產(chǎn)生的熱量相等，則交流電壓有效值U(或Urms)等于該直流電壓，可表示為:

即

（2-33）36謝謝觀賞2019-5-24③有效值36謝謝觀賞2019-5-24④波形因數(shù)、波峰因數(shù)交流電壓的波形因數(shù)KF定義為該電壓的有效值與平均值之比:

（2-34）交流電壓的波峰因數(shù)Kp定義為該電壓的峰值與有效值之比: （2-35）不同電壓波形，其KF、Kp值不同，下表列出了幾種常見(jiàn)電壓的有關(guān)參數(shù)。37謝謝觀賞2019-5-24④波形因數(shù)、波峰因數(shù)37謝謝觀賞2019-5-24名稱波形圖波形系數(shù)波峰系數(shù)有效值平均值正弦波

1.111.414半波整流

1.572全波整流

1.111.414三角波

1.151.7338謝謝觀賞2019-5-24名稱波形圖波形系數(shù)波峰系數(shù)有效值平均值正方波

11鋸齒波

1.151.73脈沖波

白噪聲

1.25339謝謝觀賞2019-5-24方波

11鋸齒波

1.151.73脈沖波

白噪聲

1.2注意點(diǎn)國(guó)際上一直以有效值作為交流電壓的表征量。例如電壓表，除特殊情況外，幾乎都按正弦波的有效值來(lái)定度。如果被測(cè)電壓是正弦波，那么由表2-1很容易從電壓表讀數(shù)即有效值得知它的峰值和平均值。如果被測(cè)電壓是非正弦波，那就須根據(jù)電壓表讀數(shù)和電壓表所采用的檢波方法，進(jìn)行必要的波形換算，才能得到有關(guān)參數(shù)。40謝謝觀賞2019-5-24注意點(diǎn)40謝謝觀賞2019-5-24⑵交流電壓的測(cè)量方法 按AC/DC轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型分為：1.檢波法2.熱電轉(zhuǎn)換法。

按檢波特性的不同，檢波法又可分成1.平均值檢波2.峰值檢波3.有效值檢波等。

41謝謝觀賞2019-5-24⑵交流電壓的測(cè)量方法41謝謝觀賞2019-5-24按照AC/DC變換的先后不同，模擬式交流電壓表大致可分成下列三種類(lèi)型。①檢波-放大式

②放大-檢波式③外差式電壓表

42謝謝觀賞2019-5-24按照AC/DC變換的先后不同，模擬式交流電壓表大致可分成下⑶低頻交流電壓(1MHz以下)的測(cè)量

這類(lèi)電壓表一般采用放大-檢波式，

檢波器類(lèi)型分為：1.平均值2.有效值檢波器，

分別構(gòu)成兩種測(cè)量表：1.均值電壓表2.有效值電壓表。43謝謝觀賞2019-5-24⑶低頻交流電壓(1MHz以下)的測(cè)量43謝謝觀賞2019-⑷高頻交流電壓的測(cè)量

高頻交流電壓的測(cè)量不采用放大-檢波式(以避免高頻測(cè)量受放大器通頻帶的限制)而采用檢波-放大式或外差式電壓表來(lái)測(cè)量。

采用峰值檢波器的電壓表稱峰值電壓表。峰值電壓表也是按正弦電壓的有效值定度的。被測(cè)正弦電壓的峰值（2-38）44謝謝觀賞2019-5-24⑷高頻交流電壓的測(cè)量44謝謝觀賞2019-5-24如果被測(cè)電壓為非正弦電壓，峰值電壓表讀數(shù)也為Ua，那就意味著該被測(cè)非正弦電壓的峰值也為 : 據(jù)(2-35)式，該被測(cè)非正弦電壓的有效值Uxrms等于其峰值Up除以其峰值系數(shù)Kp，因此非正弦電壓的波形換算公式為：（2-39）45謝謝觀賞2019-5-24如果被測(cè)電壓為非正弦電壓，峰值電壓表讀數(shù)也為45謝謝觀賞203.高電壓測(cè)量技術(shù)

在有些電子設(shè)備測(cè)試中，有高達(dá)萬(wàn)伏的電壓；在電力系統(tǒng)中則常遇到需測(cè)量數(shù)十萬(wàn)伏甚至更高電壓的問(wèn)題。在電力系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用電壓互感器配上低壓電壓表來(lái)測(cè)量高電壓，在試驗(yàn)室條件下則用高壓靜電電壓表、峰值電壓表、球隙測(cè)壓器、高壓分壓器等儀器來(lái)測(cè)量高電壓。46謝謝觀賞2019-5-243.高電壓測(cè)量技術(shù)46謝謝觀賞2019-5-24圖2-11靜電電壓表極板結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物圖

⑴高壓靜電電壓表

47謝謝觀賞2019-5-24圖2-11靜電電壓表極板結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物圖⑴高壓靜電⑵峰值電壓表

圖2-12峰值電壓表接線原理、實(shí)物圖48謝謝觀賞2019-5-24⑵峰值電壓表圖2-12峰值電壓表接線原理、實(shí)物圖48謝⑶球隙測(cè)壓器

圖2-13球隙測(cè)壓器接入示意圖及實(shí)物圖49謝謝觀賞2019-5-24⑶球隙測(cè)壓器圖2-13球隙測(cè)壓器接入示意圖及實(shí)物圖49謝⑷高壓分壓器

當(dāng)被測(cè)電壓很高時(shí)，采用高壓分壓器來(lái)分出一小部分電壓，然后利用靜電電壓表、峰值電壓表、高壓脈沖示波器等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，是最合理的解決方案。對(duì)分壓器最重要的技術(shù)要求有二：①分壓比的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性(幅值誤差要小)；②分出的電壓與被測(cè)高電壓波形的相似性(波形畸變要小)。

50謝謝觀賞2019-5-24⑷高壓分壓器50謝謝觀賞2019-5-242.2.2電流的測(cè)量

電流表直接測(cè)量法

電流-電壓轉(zhuǎn)換法電流-磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換法電流互感器法

51謝謝觀賞2019-5-242.2.2電流的測(cè)2.3阻抗的測(cè)量

電阻R、電感L和電容C是電路的3種基本元件，在測(cè)量技術(shù)中，許多傳感器如電阻式、電感式和電容式傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻、電感和電容輸出的。本節(jié)研究R、L、C元件的阻抗及這三種元件參數(shù)的測(cè)量方法。52謝謝觀賞2019-5-242.3阻抗的測(cè)量52謝謝觀賞2019-5-242.3.1概述1.阻抗定義

阻抗是描述一個(gè)元、器件或電路網(wǎng)絡(luò)中電壓、電流關(guān)系的特征參量，其定義為：

(2-50)理想的電阻只有電阻分量，沒(méi)有電抗分量；而理想電感和理想電容則只有電抗分量。電感電抗和電容電抗分別簡(jiǎn)稱為感抗XL和容抗XC，表示為：

(2-51)53謝謝觀賞2019-5-242.3.12.電阻、電感和電容的等效電路

實(shí)際的電阻、電感和電容元件，不可能是理想的，存在著寄生電容、寄生電感和損耗。下圖是考慮了各種因素后，實(shí)際電阻R、電感L、電容C元件的等效電路：圖2-17電阻R、電感L、電容C元件的等效電路54謝謝觀賞2019-5-242.電阻、電感和電容的等效電路54謝謝觀賞2019-5-2

2.3.2直流電阻測(cè)量從測(cè)量角度出發(fā)將電阻分為小電阻-如接觸電阻、導(dǎo)線電阻等中值電阻大電阻，如絕緣材料電阻。電阻的測(cè)量方法很多，按原理可分為：1.直接測(cè)量法2.比較測(cè)量法3.間接測(cè)量法也可分為電表法電橋法諧振法利用變換器測(cè)量電阻等方法。55謝謝觀賞2019-5-242.3.2直流電阻測(cè)1.電表法

電表法測(cè)量電阻的原理建立在歐姆定律之上，有如下三種方法伏特-安培表法(簡(jiǎn)稱伏-安法)歐姆表法三表法56謝謝觀賞2019-5-241.電表法56謝謝觀賞2019-5-242.電橋法

測(cè)量直流電阻最常用的是電橋法。電橋分為直流電橋和交流電橋兩大類(lèi)，直流電橋主要用于測(cè)量電阻。

直流電橋由四個(gè)橋臂、檢流計(jì)和電源組成，其原理電路如圖2-21所示。57謝謝觀賞2019-5-242.電橋法57謝謝觀賞2019-5-24直流電阻電橋58謝謝觀賞2019-5-24直流電阻電橋58謝謝觀賞2019-5-243.直流小電阻的測(cè)量

測(cè)量小電阻時(shí)，因?yàn)楸粶y(cè)電阻本身阻值很小，在接入儀表時(shí)的接線電阻、接觸電阻不可忽略，必須采取措施減少或消除這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。(1)

直流雙電橋(2)數(shù)字微歐計(jì)

(3)脈沖電流測(cè)量法

59謝謝觀賞2019-5-243.直流小電阻的測(cè)量59謝謝觀賞2019-5-244.直流大電阻的測(cè)量

常用的大電阻測(cè)量方法有沖擊電流計(jì)法、高阻電橋法，兆歐表法等。大阻值電阻測(cè)量時(shí)要注意防護(hù)(安全防護(hù)和測(cè)量防護(hù))。

(1)沖擊電流計(jì)法

沖擊電流計(jì)法測(cè)量原理如圖2-23所示。圖中Rx為被測(cè)電阻。當(dāng)開(kāi)關(guān)S倒向“1”時(shí)，電容C被充電t秒，其上的電壓和電荷量分別為：

(2-63)60謝謝觀賞2019-5-244.直流大電阻的測(cè)量

常用的大電阻測(cè)量方法圖2-23沖擊法測(cè)量大電阻原理61謝謝觀賞2019-5-24圖2-23沖擊法測(cè)量大電阻原理61謝謝觀賞2019-5-取Qc的級(jí)數(shù)展開(kāi)式的前兩項(xiàng)，故有：

(2-64)由此得

(2-65)t秒后，開(kāi)關(guān)S由“1”倒向“2”，沖擊電流計(jì)測(cè)出Qc為：

(2-66)式中CQ為沖擊電流計(jì)的沖擊常數(shù)，為電流計(jì)的最大偏轉(zhuǎn)角。于是有：

(2-67)62謝謝觀賞2019-5-24取Qc的級(jí)數(shù)展開(kāi)式的前兩項(xiàng)，故有：62謝謝觀賞2019-5-(2)高阻電橋法

高阻電橋法利用如圖2-24所示的六臂電橋，通過(guò)電路變換并結(jié)合四臂電橋的基本平衡條件就可推得關(guān)系式為：

(2-68)高阻電橋測(cè)量范圍為Ω。被測(cè)電阻值小于時(shí)，測(cè)量誤差為0.03％，被測(cè)電阻值為時(shí)誤差為0.1％。這種電橋的供電電壓在50～1000V范圍。63謝謝觀賞2019-5-24(2)高阻電橋法63謝謝觀賞2019-5-24圖2-24高阻電橋測(cè)量原理64謝謝觀賞2019-5-24圖2-24高阻電橋測(cè)量原理64謝謝觀賞2019-5-242.3.3交流阻抗及L、C的測(cè)量

如2.3.1節(jié)中分析，在交流條件下，R、L、C元件必須考慮損耗、引線電阻、分布電感和分布電容的影響，R、L、C元件的實(shí)際阻抗隨環(huán)境以及工作頻率的變化而變。測(cè)量交流阻抗和L、C參數(shù)的方法有傳統(tǒng)的交流電橋，也可以用變量器電橋和數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x等儀器來(lái)測(cè)量。

65謝謝觀賞2019-5-2465謝謝觀賞2019-5-241.交流阻抗電橋

圖2-25是交流阻抗電橋原理圖。由4個(gè)橋臂阻抗Z1、Z2、Z3和Z4，1個(gè)激勵(lì)源U和1個(gè)零電位指示器G組成。圖2-25交流四臂電橋66謝謝觀賞2019-5-241.交流阻抗電橋圖2-25交流四臂電橋66謝謝觀賞20電橋平衡條件

調(diào)節(jié)各橋臂參數(shù)，使零電位指示器讀數(shù)IG=0，則電橋處于平衡，可得：

(2-69)設(shè)Z1為被測(cè)阻抗Zx，則電橋平衡后Zx可從其他三個(gè)橋臂阻抗求得。根據(jù)復(fù)數(shù)相等的定義，上式必須同時(shí)滿足：(2-70)67謝謝觀賞2019-5-24電橋平衡條件67謝謝觀賞2019-5-24

因此，在交流情況下，電橋四個(gè)橋臂阻抗的大小和性質(zhì)必須按一定條件配置，否則可能不能實(shí)現(xiàn)電橋平衡。交流電橋至少應(yīng)有兩個(gè)可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)元件，通常是用一個(gè)可變電阻和一個(gè)可變電抗，大多采用標(biāo)準(zhǔn)電容器作為標(biāo)準(zhǔn)電抗器。需反復(fù)調(diào)節(jié)可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)元件，以使(2-70)式成立，調(diào)節(jié)交流電橋平衡要比調(diào)節(jié)直流電橋平衡麻煩得多。68謝謝觀賞2019-5-24因此，在交流情況下，電橋四個(gè)橋臂阻抗的大小和(2)電橋電路及元件參數(shù)的測(cè)量

交流阻抗電橋有多種配置形式，各有特點(diǎn)和適用范圍。此處僅以串聯(lián)電容電橋?yàn)槔f(shuō)明。圖2-25中，若Z1和Z2為串聯(lián)電容，Z3和Z4為純電阻，則構(gòu)成串聯(lián)電容電橋或稱維恩電橋。根據(jù)電橋平衡條件得：上式兩邊必須同時(shí)滿足實(shí)部相等和虛部相等條件，因此可以解得：(2-71)69謝謝觀賞2019-5-24(2)電橋電路及元件參數(shù)的測(cè)量69謝謝觀賞2019-5-242.變量器電橋

交流四臂電橋適用于在低頻時(shí)測(cè)量交流電阻、電感、電容等，且使用不太方便。變量器電橋可用于高頻時(shí)的阻抗測(cè)量。變量器電橋有變壓式、變流式和雙邊式三種結(jié)構(gòu)，雙邊式是前兩種結(jié)構(gòu)形式的組合。圖2-26雙邊式變量器電橋

70謝謝觀賞2019-5-242.變量器電橋圖2-26雙邊式變量器電橋70謝謝觀3.數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x

傳統(tǒng)的阻抗測(cè)量?jī)x是模擬式的。主要采用電橋法、諧振法和伏安法進(jìn)行測(cè)量，缺點(diǎn)較多。測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，要求對(duì)阻抗的測(cè)量既精確又快速，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和數(shù)字顯示。近年來(lái)，由于高性能微處理器的使用使得現(xiàn)在的阻抗測(cè)量?jī)x向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。71謝謝觀賞2019-5-2471謝謝觀賞2019-5-24圖2-27阻抗測(cè)量原理矢量阻抗測(cè)量原理

目前帶有微處理器的數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x多采用矢量阻抗測(cè)量法，根據(jù)被測(cè)阻抗元件兩端的電壓矢量和流過(guò)它的電流矢量計(jì)算出其矢量值。72謝謝觀賞2019-5-24圖2-27阻抗測(cè)量原理矢量阻抗測(cè)量原理72謝謝觀賞如圖2-27(a)所示，若已知被測(cè)阻抗的端電壓和流過(guò)被測(cè)阻抗的電流矢量，則可精確求得被測(cè)阻抗：

(2-75)若在圖2-27(a)中，將被測(cè)阻抗Zx與一標(biāo)準(zhǔn)阻抗Zb串聯(lián)，如圖2-27(b)所示，則可得：

(2-76)可見(jiàn)，這樣就將對(duì)阻抗Zx的測(cè)量變成了測(cè)量?jī)蓚€(gè)矢量電壓的比。73謝謝觀賞2019-5-2473謝謝觀賞2019-5-24

被測(cè)阻抗Zx兩端電壓ùx與標(biāo)準(zhǔn)阻抗Zb兩端電壓ùb的矢量關(guān)系如圖2-28所示。圖中，

(2-77)若(2-76)式中Zb用標(biāo)準(zhǔn)電阻Rb代替，則

(2-78)74謝謝觀賞2019-5-2474謝謝觀賞2019-5-24圖2-28矢量關(guān)系圖

可見(jiàn)，只要知道兩個(gè)電壓矢量在直角坐標(biāo)軸上的投影，則經(jīng)過(guò)標(biāo)量運(yùn)算，就可求出被測(cè)阻抗Zx。75謝謝觀賞2019-5-24圖2-28矢量關(guān)系圖75謝謝觀賞201(2)數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x組成

組成數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x有多種方案，圖2-29是采用鑒相原理的阻抗-電壓變換器，用它與數(shù)字電壓表結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗的數(shù)字化測(cè)量。

圖2-29阻抗—電壓變換器76謝謝觀賞2019-5-24(2)數(shù)字式阻抗測(cè)量?jī)x組成76謝謝觀賞2019-5-24HP4274A自動(dòng)阻抗測(cè)量?jī)x

77謝謝觀賞2019-5-24HP4274A自動(dòng)阻抗測(cè)量?jī)x77謝謝觀賞2019-5-24

第2章電參量測(cè)量技術(shù)

2.1頻率、時(shí)間和相位的測(cè)量2.2電壓、電流和功率測(cè)量2.3

阻抗測(cè)量78謝謝觀賞2019-5-24 第2章電參量測(cè)量技術(shù)

2.1頻率、時(shí)間和相位的測(cè)量1

檢測(cè)方法：直接或通過(guò)各種傳感器、電路等轉(zhuǎn)換為與被測(cè)量相關(guān)的電壓、電流、時(shí)間、頻率等電學(xué)基本參量。

好處1：便于對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)、處理、記錄和控制

好處2：又能提高測(cè)量的精度。

本章內(nèi)容：分別介紹時(shí)間、頻率和相位、電壓、電流以及阻抗等參量的測(cè)量方法。

79謝謝觀賞2019-5-242謝謝觀賞2019-5-242.1頻率、時(shí)間和相位的測(cè)量頻率、時(shí)間的應(yīng)用與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，而在當(dāng)代高科技中顯得尤為重要。例如,郵電通訊，大地測(cè)量，地震預(yù)報(bào)，人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)的導(dǎo)航定位控制等都與頻率、時(shí)間密切相關(guān)，因此準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間和頻率是十分重要的。相位是描述交流信號(hào)的三要素之一。相位差的測(cè)量是研究信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)特性的不可缺少的重要方面。80謝謝觀賞2019-5-242.1頻率、時(shí)間和相位的測(cè)量32.1.1頻率的測(cè)量

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中周期性現(xiàn)象十分普遍，如各種周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)、各種傳感器和測(cè)量電路變換后的周期性脈沖等。周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系:

（2-1）頻率測(cè)量方法：1：計(jì)數(shù)法2：模擬法81謝謝觀賞2019-5-242.1.1頻率的測(cè)量4謝謝觀賞2019-5-241.頻率(周期)的數(shù)字測(cè)量⑴計(jì)數(shù)法測(cè)量原理

計(jì)數(shù)法就是在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)，對(duì)周期性脈沖的重復(fù)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若周期性脈沖的周期為T(mén)A，則計(jì)數(shù)結(jié)果為: （2-2）計(jì)數(shù)法原理如圖2-1(a)所示，周期為T(mén)A的脈沖①加到閘門(mén)的輸入端，寬度為T(mén)的門(mén)控信號(hào)②加到閘門(mén)的控制端，只有在閘門(mén)開(kāi)通時(shí)間T內(nèi)才輸出計(jì)數(shù)脈沖③進(jìn)行計(jì)數(shù)。82謝謝觀賞2019-5-241.頻率(周期)的數(shù)字測(cè)量5謝謝觀賞2019-5-24圖2-1計(jì)數(shù)法測(cè)量原理83謝謝觀賞2019-5-24圖2-1計(jì)數(shù)法測(cè)量原理6謝謝觀賞2019-5-24

由于T和TA兩個(gè)量是不相關(guān)的，T不一定正好是TA的整數(shù)N倍，即T與NTA之間有一定誤差，如圖2-1(b)所示。處在T區(qū)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)(即計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果)為N，則

（2-3）顯然，脈沖計(jì)數(shù)的最大絕對(duì)誤差△N=±1。84謝謝觀賞2019-5-24由于T和TA兩個(gè)量是不相關(guān)的，T不一定正好是脈沖計(jì)數(shù)最大相對(duì)誤差為：

（2－4）

⑵通用計(jì)數(shù)器的基本組成和工作方式

通用計(jì)數(shù)器一般都具有測(cè)頻和測(cè)周兩種方式?；窘M成如圖2-2所示。圖2-2中整形器是將頻率為fA(或fB)的正弦信號(hào)整形為周期為T(mén)A=1／fA(或TB)的脈沖信號(hào)。門(mén)控電路是將周期為mTB(fB經(jīng)m分頻)的脈沖變?yōu)殚l門(mén)時(shí)間為T(mén)=mTB的門(mén)控信號(hào)，將T=mTB代入(2-2)式可得圖2-2中十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果為：

85謝謝觀賞2019-5-24脈沖計(jì)數(shù)最大相對(duì)誤差為：⑵通用計(jì)數(shù)器的基本組成和工作方式8（2-5）圖2-2通用計(jì)數(shù)器的基本組成86謝謝觀賞2019-5-24（2-5）圖2-2通用計(jì)數(shù)器的基本組成9謝謝觀賞2019由上式可見(jiàn)，圖2-2中計(jì)數(shù)結(jié)果N與fA／fB成正比，此時(shí)計(jì)數(shù)器工作在頻率比測(cè)量方式。如圖2-2中A輸入端(fA=fx)，晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc信號(hào)接到B輸入端(fB=fc)，則計(jì)數(shù)器工作在測(cè)頻方式，此時(shí)(2-5)式變?yōu)椋? （2-6）若將被測(cè)信號(hào)fx接到圖2-2中B輸入端(fB=fx)，晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率fc信號(hào)接到A輸入端(fA=fc)，則稱計(jì)數(shù)器工作在測(cè)周方式，此時(shí)(2-5)式變?yōu)椋?/p>

（2-7）

87謝謝觀賞2019-5-24由上式可見(jiàn)，圖2-2中計(jì)數(shù)結(jié)果N與fA／fB成正比，此時(shí)計(jì)數(shù)⑶頻率(周期)的測(cè)量誤差與測(cè)量范圍理論上講測(cè)量頻率與測(cè)量周期是等效的，但從實(shí)際測(cè)量來(lái)看，圖2-2所示通用計(jì)數(shù)器工作在測(cè)頻方式和工作在測(cè)周方式，其測(cè)量誤差和范圍都不一樣。①測(cè)頻方式由(2-6)式可得“測(cè)頻”的相對(duì)誤差為：進(jìn)一步推導(dǎo)可得測(cè)頻最大相對(duì)誤差為：88謝謝觀賞2019-5-24⑶頻率(周期)的測(cè)量誤差與測(cè)量范圍進(jìn)一步推導(dǎo)可得測(cè)頻最大相對(duì)由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越高，分頻系數(shù)m越大，測(cè)頻的相對(duì)誤差△fx/fx越小，測(cè)頻的精確度越高。若采用K位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，為使計(jì)數(shù)結(jié)果不超過(guò)計(jì)數(shù)器最大允許計(jì)數(shù)值而發(fā)生溢出，要求：

且

（2-9）

(2-8)89謝謝觀賞2019-5-24由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越高，分頻系數(shù)m越大，測(cè)頻的相對(duì)誤差（2-10）一般晶振的精度很高，△fc/fc可忽略，故上式簡(jiǎn)化為：（2-11）因此可得“測(cè)頻”范圍為：

（2-12）

同時(shí)，最大相對(duì)誤差還應(yīng)滿足測(cè)量精度的要求，因此fx應(yīng)滿足：90謝謝觀賞2019-5-24（2-10）同時(shí)，最大相對(duì)誤差還應(yīng)滿足測(cè)量精度的要求，因此1②測(cè)周方式由(2-11)式可得測(cè)周的相對(duì)誤差為：將(2-10)式代入得測(cè)周的最大相對(duì)誤差為：

（2-13）因Tx=1/fx，△Tx／Tx=-△fx／fx，故由上式可測(cè)周法測(cè)頻的最大相對(duì)誤差為：

（2-14）91謝謝觀賞2019-5-24②測(cè)周方式14謝謝觀賞2019-5-24由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越低，分頻系數(shù)m越大，測(cè)周的相對(duì)誤差△Tx/Tx越小，即測(cè)周的精度越高測(cè)頻的精度也越高?？偨Y(jié)1若被測(cè)頻率fx較高，則直接測(cè)頻的相對(duì)誤差較小2若被測(cè)頻率fx較低，則用測(cè)周法測(cè)頻的相對(duì)誤差較小。3當(dāng)f0＝fc時(shí)，測(cè)頻與測(cè)周相對(duì)誤差都一樣92謝謝觀賞2019-5-24由上式可見(jiàn)，被測(cè)頻率fx越低，分頻系數(shù)m越大，15謝謝觀賞2從提高測(cè)量精度考慮，當(dāng)被測(cè)頻率fx高于fc時(shí)應(yīng)采用直接測(cè)頻法；當(dāng)被測(cè)頻率fx低于fc時(shí)應(yīng)采用測(cè)周法。測(cè)周法的周期測(cè)量范圍，同樣也受到測(cè)量精度要求值和計(jì)數(shù)器的限制，即應(yīng)滿足故Tx的測(cè)量范圍為：

（2－15）若取fc=fmax，并忽略晶振的誤差，則上式簡(jiǎn)化為93謝謝觀賞2019-5-24從提高測(cè)量精度考慮，當(dāng)被測(cè)頻率fx高于fc時(shí)應(yīng)采圖2-2中分頻系數(shù)m一般取10的整數(shù)次冪且分擋可選，即m=10n(n=0，1，2，3…等可選)。此時(shí)改變n只是改變fx和Tx的指示數(shù)字的小數(shù)點(diǎn)位置。例如N=100，fc=1MHz(Tc=lμs)，若取n=2，則fx=1MHz，Tx=1μs。若取n=3，則x=0.1MHz，Tx=0.1μs。

（2－16）94謝謝觀賞2019-5-24

2.頻率的模擬測(cè)量⑴直讀法測(cè)頻⑵比較法測(cè)頻⑶示波器測(cè)量頻率①電橋法測(cè)頻②諧振法測(cè)頻③頻率-電壓(f-V)轉(zhuǎn)換法測(cè)頻95謝謝觀賞2019-5-242.頻率的模擬測(cè)量①電橋法測(cè)頻18謝謝觀賞2019-5-22.1.2時(shí)間間隔的數(shù)字測(cè)量時(shí)間間隔的測(cè)量方案和周期測(cè)量的基本相同，所不同的僅是此處的門(mén)控電路不再采用計(jì)數(shù)觸發(fā)方式，而是要求根據(jù)測(cè)量時(shí)間間隔，給出起始計(jì)數(shù)和終止計(jì)數(shù)兩個(gè)觸發(fā)信號(hào)。96謝謝觀賞2019-5-242.1.2時(shí)間間隔的數(shù)字測(cè)量時(shí)間間隔的測(cè)量方案和周期測(cè)量

若時(shí)間間隔即門(mén)控信號(hào)的寬度(閘門(mén)時(shí)間)為tx，選用時(shí)標(biāo)周期為T(mén)c(圖中Tc=1μs，10μs，…，10s分擋可選)，則計(jì)數(shù)結(jié)果為：（2－18）將上式與(2-7)式對(duì)比可見(jiàn)，時(shí)間間隔的測(cè)量相當(dāng)于分頻系數(shù)m=1的周期Tx的測(cè)量情況。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量時(shí)間間隔的誤差比測(cè)周期時(shí)大。97謝謝觀賞2019-5-24若時(shí)間間隔即門(mén)控信號(hào)的寬度(閘門(mén)時(shí)間)為202.1.3

相位差的數(shù)字測(cè)量

測(cè)量相位差的方法主要有：1.用示波器測(cè)量；2.與標(biāo)準(zhǔn)移相器比較(零示法)；3.把相位差轉(zhuǎn)換為電壓來(lái)測(cè)量；4.把相位差轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量等。1.相位-電壓轉(zhuǎn)換法

相位-電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)的原理框圖如2-4(a)所示。其各點(diǎn)波形如2-4(b)所示。輸出方波幅度為Ug，則用低通濾波器將方波中的基波和諧波分量全部濾除后，此方波的平均值即直流分量為：98謝謝觀賞2019-5-242.1.3相位差的數(shù)字測(cè)量21謝謝觀賞2019-5-24上式中T為被測(cè)信號(hào)的周期，Tx由兩信號(hào)的相位差φx決定，即

（2-20）

將(2-20)式代入(2-19)式得相位差：

（2-21）（2－19）99謝謝觀賞2019-5-24上式中T為被測(cè)信號(hào)的周期，Tx由兩信號(hào)的相位差φx決定，即（圖2-4相位-電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)原理100謝謝觀賞2019-5-24圖2-4相位-電壓轉(zhuǎn)換式數(shù)字相位計(jì)原理23謝謝觀賞2012.相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法

將上述相位-電壓轉(zhuǎn)換法中鑒相器的時(shí)間間隔Tx用計(jì)數(shù)法對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，便構(gòu)成相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換式相位計(jì)，如圖2-5所示。它與時(shí)間間隔的計(jì)數(shù)測(cè)量原理基本相同，若時(shí)標(biāo)脈沖周期為T(mén)c，則在Tx時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值為：

（2-22）101謝謝觀賞2019-5-242.相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換法24謝謝觀賞2019-5-24

圖2-5相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換式相位計(jì)原理102謝謝觀賞2019-5-24圖2-5相位-時(shí)間轉(zhuǎn)換式相位計(jì)原理25謝謝觀賞201如果采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而且時(shí)標(biāo)脈沖周期Tc與被測(cè)信號(hào)周期T滿足以下關(guān)系式：

（2-23）

則代入（2-22）式可得:

（2-24）相對(duì)量化誤差為:

（2-25）103謝謝觀賞2019-5-24如果采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，而且時(shí)標(biāo)脈沖周期Tc與被測(cè)信號(hào)周期由(2-23)式可知，時(shí)標(biāo)脈沖頻率fc與被測(cè)信號(hào)頻率fx的關(guān)系為:

（2-26）

缺點(diǎn)：1.由于時(shí)標(biāo)頻率fc不允許太高，所以計(jì)數(shù)式相位計(jì)只能用于測(cè)量低頻率信號(hào)的相位差，而且要求測(cè)量精度越高(即n越大)，能測(cè)量的頻率fx越低。2.當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fx改變時(shí)，時(shí)標(biāo)脈沖頻率fc也必須按(2-26)式相應(yīng)改變。104謝謝觀賞2019-5-24由(2-23)式可知，時(shí)標(biāo)脈沖頻率fc與被測(cè)信號(hào)頻率fx272.2電壓和電流的測(cè)量

2.2.1電壓的測(cè)量

電量測(cè)量中的很多電參數(shù)，包括電流、功率、設(shè)備的靈敏度等都可以視作電壓的派生量，通過(guò)電壓測(cè)量獲得其量值。

電壓的測(cè)量分為模擬和數(shù)字兩種方法。模擬電壓表的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，測(cè)量頻率范圍較寬；缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度、分辨力低，不便于與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。數(shù)字式電壓表則正好相反。105謝謝觀賞2019-5-242.2電壓和電流的測(cè)量直流電壓的測(cè)量⑴普通直流電壓表

普通直流電壓通常由動(dòng)圈式高靈敏度直流電流表串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮铇?gòu)成，如圖2-6所示。設(shè)電流表的滿偏電流(或滿度電流)為Im，電流表本身內(nèi)阻為Re，串聯(lián)電阻Rn所構(gòu)成的電壓表的滿度電壓為 （2-27）所構(gòu)成的電壓表的內(nèi)阻為:

（2-28）106謝謝觀賞2019-5-24直流電壓的測(cè)量29謝謝觀賞2019-5-24圖2-6普通直流電壓表電路

如圖中電流表串接3個(gè)電阻后，除最小電壓量程Uo=Im·Re外，又增加了U1、U2、U3三個(gè)量程，根據(jù)所需擴(kuò)展的量程，可估算出3個(gè)擴(kuò)展電阻的阻值:107謝謝觀賞2019-5-24圖2-6普通直流電壓表電路如圖中電流表串接通常把內(nèi)阻Rv與量程Um之比(每伏歐姆Ω/V數(shù))定義為電壓表的電壓靈敏度。

（2-29）“Ω/V’數(shù)越大，表明為使指針偏轉(zhuǎn)同樣角度所需驅(qū)動(dòng)電流越小。“Ω/V”數(shù)一般標(biāo)明在磁電式電壓表表盤(pán)上，可依據(jù)它推算出不同量程時(shí)的電壓表內(nèi)阻，即

（2-30）108謝謝觀賞2019-5-24通常把內(nèi)阻Rv與量程Um之比(每伏歐姆Ω/V數(shù))定義為電壓表動(dòng)圈式直流電壓表的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，缺點(diǎn)是靈敏度不高和輸入電阻低。工程測(cè)量中為了滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求，常采用輸入電阻和電壓靈敏度高的模擬式直流電子電壓表進(jìn)行測(cè)量。⑵直流電子電壓表⑶直流數(shù)字電壓表圖2-7

直流數(shù)字電壓表框圖109謝謝觀賞2019-5-24動(dòng)圈式直流電壓表的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，缺點(diǎn)是2.交流電壓的測(cè)量⑴交流電壓的表征：交流電壓可以用峰值、平均值、有效值、波形系數(shù)以及波峰系數(shù)來(lái)表征。①峰值 周期性交流電壓U(t)在一個(gè)周期內(nèi)偏離零電平的最大值稱為峰值，用Up表示，正、負(fù)峰值不等時(shí)分別用Up+和Up-表示，如圖2-8(a)所示。U(t)在一個(gè)周期內(nèi)偏離直流分量U0的最大值稱為幅值或振幅，用Um表示，正、負(fù)幅值不等時(shí)分別用Um+和Um-表示，如2-8(b)所示。圖中U0=0，且正、負(fù)幅值相等。110謝謝觀賞2019-5-242.交流電壓的測(cè)量33謝謝觀賞2019-5-24圖2-8交流電壓的峰值和幅值111謝謝觀賞2019-5-24圖2-8交流電壓的峰值和幅值34謝謝觀賞2019-5-②平均值

u(t)的平均值的數(shù)學(xué)定義為:

（2-31）實(shí)質(zhì)上就是被測(cè)電壓的直流分量U0，如圖2-8(a)中虛線所示。在電子測(cè)量中，平均值通常指交流電壓檢波(也稱整流)以后的平均值，又可分為半波整流平均值和全波整流平均值。全波平均值定義為:

（2-32）

如不另加說(shuō)明，平均值通常指全波平均值。112謝謝觀賞2019-5-24②平均值35謝謝觀賞2019-5-24③有效值

一個(gè)交流電壓和一個(gè)直流電壓分別加在同一電阻上，若它們產(chǎn)生的熱量相等，則交流電壓有效值U(或Urms)等于該直流電壓，可表示為:

即

（2-33）113謝謝觀賞2019-5-24③有效值36謝謝觀賞2019-5-24④波形因數(shù)、波峰因數(shù)交流電壓的波形因數(shù)KF定義為該電壓的有效值與平均值之比:

（2-34）交流電壓的波峰因數(shù)Kp定義為該電壓的峰值與有效值之比: （2-35）不同電壓波形，其KF、Kp值不同，下表列出了幾種常見(jiàn)電壓的有關(guān)參數(shù)。114謝謝觀賞2019-5-24④波形因數(shù)、波峰因數(shù)37謝謝觀賞2019-5-24名稱波形圖波形系數(shù)波峰系數(shù)有效值平均值正弦波

1.111.414半波整流

1.572全波整流

1.111.414三角波

1.151.73115謝謝觀賞2019-5-24名稱波形圖波形系數(shù)波峰系數(shù)有效值平均值正方波

11鋸齒波

1.151.73脈沖波

白噪聲

1.253116謝謝觀賞2019-5-24方波

11鋸齒波

1.151.73脈沖波

白噪聲

1.2注意點(diǎn)國(guó)際上一直以有效值作為交流電壓的表征量。例如電壓表，除特殊情況外，幾乎都按正弦波的有效值來(lái)定度。如果被測(cè)電壓是正弦波，那么由表2-1很容易從電壓表讀數(shù)即有效值得知它的峰值和平均值。如果被測(cè)電壓是非正弦波，那就須根據(jù)電壓表讀數(shù)和電壓表所采用的檢波方法，進(jìn)行必要的波形換算，才能得到有關(guān)參數(shù)。117謝謝觀賞2019-5-24注意點(diǎn)40謝謝觀賞2019-5-24⑵交流電壓的測(cè)量方法 按AC/DC轉(zhuǎn)換器的類(lèi)型分為：1.檢波法2.熱電轉(zhuǎn)換法。

按檢波特性的不同，檢波法又可分成1.平均值檢波2.峰值檢波3.有效值檢波等。

118謝謝觀賞2019-5-24⑵交流電壓的測(cè)量方法41謝謝觀賞2019-5-24按照AC/DC變換的先后不同，模擬式交流電壓表大致可分成下列三種類(lèi)型。①檢波-放大式

②放大-檢波式③外差式電壓表

119謝謝觀賞2019-5-24按照AC/DC變換的先后不同，模擬式交流電壓表大致可分成下⑶低頻交流電壓(1MHz以下)的測(cè)量

這類(lèi)電壓表一般采用放大-檢波式，

檢波器類(lèi)型分為：1.平均值2.有效值檢波器，

分別構(gòu)成兩種測(cè)量表：1.均值電壓表2.有效值電壓表。120謝謝觀賞2019-5-24⑶低頻交流電壓(1MHz以下)的測(cè)量43謝謝觀賞2019-⑷高頻交流電壓的測(cè)量

高頻交流電壓的測(cè)量不采用放大-檢波式(以避免高頻測(cè)量受放大器通頻帶的限制)而采用檢波-放大式或外差式電壓表來(lái)測(cè)量。

采用峰值檢波器的電壓表稱峰值電壓表。峰值電壓表也是按正弦電壓的有效值定度的。被測(cè)正弦電壓的峰值（2-38）121謝謝觀賞2019-5-24⑷高頻交流電壓的測(cè)量44謝謝觀賞2019-5-24如果被測(cè)電壓為非正弦電壓，峰值電壓表讀數(shù)也為Ua，那就意味著該被測(cè)非正弦電壓的峰值也為 : 據(jù)(2-35)式，該被測(cè)非正弦電壓的有效值Uxrms等于其峰值Up除以其峰值系數(shù)Kp，因此非正弦電壓的波形換算公式為：（2-39）122謝謝觀賞2019-5-24如果被測(cè)電壓為非正弦電壓，峰值電壓表讀數(shù)也為45謝謝觀賞203.高電壓測(cè)量技術(shù)

在有些電子設(shè)備測(cè)試中，有高達(dá)萬(wàn)伏的電壓；在電力系統(tǒng)中則常遇到需測(cè)量數(shù)十萬(wàn)伏甚至更高電壓的問(wèn)題。在電力系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用電壓互感器配上低壓電壓表來(lái)測(cè)量高電壓，在試驗(yàn)室條件下則用高壓靜電電壓表、峰值電壓表、球隙測(cè)壓器、高壓分壓器等儀器來(lái)測(cè)量高電壓。123謝謝觀賞2019-5-243.高電壓測(cè)量技術(shù)46謝謝觀賞2019-5-24圖2-11靜電電壓表極板結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物圖

⑴高壓靜電電壓表

124謝謝觀賞2019-5-24圖2-11靜電電壓表極板結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物圖⑴高壓靜電⑵峰值電壓表

圖2-12峰值電壓表接線原理、實(shí)物圖125謝謝觀賞2019-5-24⑵峰值電壓表圖2-12峰值電壓表接線原理、實(shí)物圖48謝⑶球隙測(cè)壓器

圖2-13球隙測(cè)壓器接入示意圖及實(shí)物圖126謝謝觀賞2019-5-24⑶球隙測(cè)壓器圖2-13球隙測(cè)壓器接入示意圖及實(shí)物圖49謝⑷高壓分壓器

當(dāng)被測(cè)電壓很高時(shí)，采用高壓分壓器來(lái)分出一小部分電壓，然后利用靜電電壓表、峰值電壓表、高壓脈沖示波器等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，是最合理的解決方案。對(duì)分壓器最重要的技術(shù)要求有二：①分壓比的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性(幅值誤差要小)；②分出的電壓與被測(cè)高電壓波形的相似性(波形畸變要小)。

127謝謝觀賞2019-5-24⑷高壓分壓器50謝謝觀賞2019-5-242.2.2電流的測(cè)量

電流表直接測(cè)量法

電流-電壓轉(zhuǎn)換法電流-磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換法電流互感器法

128謝謝觀賞2019-5-242.2.2電流的測(cè)2.3阻抗的測(cè)量

電阻R、電感L和電容C是電路的3種基本元件，在測(cè)量技術(shù)中，許多傳感器如電阻式、電感式和電容式傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻、電感和電容輸出的。本節(jié)研究R、L、C元件的阻抗及這三種元件參數(shù)的測(cè)量方法。129謝謝觀賞2019-5-242.3阻抗的測(cè)量52謝謝觀賞2019-5-242.3.1概述1.阻抗定義

阻抗是描述一個(gè)元、器件或電路網(wǎng)絡(luò)中電壓、電流關(guān)系的特征參量，其定義為：

(2-50)理想的電阻只有電阻分量，沒(méi)有電抗分量；而理想電感和理想電容則只有電抗