光源电路的电气测量

1、光源 电路的电气测 量电气测量的范围涉及内容十分广泛， 本书中只叙述光源电路中有关的电器基 本测量知识， 其中包括基础知识， 光源电路电气测量中应用的仪器仪表介绍， 光 源及有关的电源与附件的电参数测量等内容。第一节 电气测量的基础知识10-1-1 测量与误差1. 测量的基本概念测量，是人们借助于专门的设备，通过实验的方法，对客观事物取得数量观 念的认识过程。 测量的结果可能是纯粹的数字， 也可能是一条曲线， 或者是某种 图形。不论是何种形式， 其结果总包含有一定的数值及单位。 由于种种因素的影 响，测量结果中不可避免地存在着误差， 所以在表示测量结果时， 一般要注明测 量误差数值或误差范围。

2、测量的过程实质上是一个比较过程，即把一个被测量与一个充当测量单位的 已知量进行比较， 确定它是该测量单位的若干倍或若干分之一。 体现测量单位的 器具称为量具，在使用量具测量时，一般都要配以相应的比较仪。然而，这种测 量方法使用时很麻烦， 并且有一些参量的测量又无相应的量具， 因此在实际工程 测量中，广泛使用直读式仪表或仪器。 比较仪、 直读式仪表或仪器都属于测量仪 器。在实际工作中， 为了完成某种测量任务， 需要把几台测量仪器以及辅助设备 组成一个整体， 这个整体就称为测量装置。 在实际测量中， 对各种参量进行综合 测量的有关测量仪器和测量装置的组合， 称为测试系统。 在近代测量中， 有些参

3、量的测量必须经过变换才能既方便又精确地进行。测量的过程既然是一个比较过程，就必然涉及到计量的有关知识，如测量的 基准或标准，量值的传递和鉴定，以及对比。其中经常要做的一项工作就是，由 上一级计量机构的基准或标准， 对本部门或本单位的量具、 仪表或仪器进行检定。2. 测量方法的分类(1) 直接测量：用已经由标准量定标好的测量仪器对某一未知量直接进行测 量，得知未知量的数值，这就是直接测量。如用电压表测量电压。(2) 间接测量： 对几个与被测量有确切函数关系的参量进行直接测量， 然后通 过函数关系求得被测量。这就是间接测量。如直接测量某电阻 R 的阻值 及其两端的电压 V 值，然后由公式 I=V/

4、R 求出被测量电流 I 的值。(3) 组合测量： 当各个未知量以一定的组合形式出现， 通过直接测量和间接测 量测得数据后， 再解一组联立方程， 最后求出未知量的数值， 这就是组合 测量。(4) 在测量中主要的、 经常使用的方法是直接测量和间接测量。(5) 误差与修正值3. 测量误差与修正值 测量者通过使用一定的测量仪器对被测量进行测量，总希望获得被测量的真 值。但是实际的测量结果与被测量的真值之间总存在着误差。 真值是指在一定的 时间、空间条件下， 某参量所体现的真实数值， 这个真实数值是利用理想无误差 的测量仪器获得的。(1) 绝对误差 令被测量的真值为 A0,测量仪器的示值为 x，则绝对误

5、差为： x=x-A 0由于真值 A0一般无法求得，因此在实际中是用上一级标准仪器的示值 A 代 替真值 A0,当然 A 不等于 A0，但A总比 x更接近于 A0，所以通常以 x与A 之差 (仪器的示值误差 )表示绝对误差： x=x-A 0 修正值与 x 的绝对值对等，但符号相反，用 C表示： C=- x=A-x通常由上一级标准通过检定给出受检测量仪器的修正值， 利用修正值便可求 出被测量的实际值：A=x+C.必须说明两点：i. 根据我国有关标准，绝对误差定义为： x=A-x 。ii. 仪器的示值与读数是有区别的。 读数是指从测量仪器的刻度盘、 指针、显 示器等直接读到的数字。而示值是该读数所代

6、表的被测量的数值。如一只电 流表线性该度为 0100，量程为 500mA，当指针指到 85 分度时，读数为 85， 而示值为：a) x=85/100500=425(mA) 。(2) 相对误差 为了判断测量结果的精确度， 经常采用相对误差的表示形式。i.实际相对误差：绝对误差 x与被测量的实际值 A 之比以百分数形式表示，就是实际相对误差，即 A=x/A 100%。ii. 示值相对误差：绝对误差 x 与测量仪器的示值 x 之比以百分数形式表示， 就是示值相对误差，即：iii. X=x/x 100%iv. 如果 A和 X很小，则 A与 x很接近，二者的差别不大，当然，如果误差本身很小，就需要注意区

7、别了。一般在实际测量中，为了计算方便，相对 误差就是示值相对误差。v. 满度相对误差 (引用误差 )：满度相对误差又称满度误差，就是指绝对误差x与测量仪器的满度值 xm之比以百分数形式表示， 即 m=x/ xm 100%。xm 就是测量仪器某一量程的上限 常数，所以满度相对误差 ( 引用误差 ) 实际上给出的是绝对误差。电工仪表的精确度分级正是按 m 之值来确定的。因 此在使用这类仪表进行测量时， 为了减少测量中的示值误差， 在选择量程时应使 指针尽可能接近于满度值，一般最好能工作在不小于满度值 2/3 以上的区域。(3) 允许误差 允许误差是指根据一定的技术要求，规定某一类测量仪器不应超过的

8、最大范 围。允许误差只表示某一类测量仪器可能的最大误差范围，并不是某台具体测量 仪器的实际误差。 允许误差的表示方法可以是绝对误差形式， 也可以是相对误差 的形式。4. 测量误差的主要来源 测量误是指用测量仪器进行测量时，所得到的数值与被测量的实际值之差， 有时简称为误差。根据产生误差的原因，测量误差的主要来源有：(1) 仪器误差：这是由于仪器本身性能不完善所引起的误差，如读数误差、内部 噪声引起的误差、稳定误差和动态误差等。(2) 使用误差：又称操作误差，是指在使用仪器的过程中，由于安装、调节等操 作不当所引起的误差。(3) 人身误差：这是指由于人的感觉器官和运动器官不完善所引起的误差。(4

9、) 影响误差：又称环境误差，是指受到外界环境影响，如温度、湿度、气压、 电磁场和机械震动等所引起的误差。(5) 方法误差：又称理论误差，是指使用的测量方法不完善，依据的理论不完备 等所引起的误差。5. 误差的性质和分类(1) 系统误差：是指在一定条件下误差的数值保持恒定或按某种已知的函数规律 变化的误差，又称系差。包括有恒定系差和变值系差。(2) 随机误差：又称偶然误差或随差，是一种具有随机变量特点的在一定条件下 服从统计规律的误差。(3) 粗大误差：是指在一定条件下测量结果显著地偏离其实际值所对应的误差， 又称粗差。其性质可能是系统误差，也可能是随机误差，但不论是哪一种，其 绝对值都特别大。

10、产生的原因有：测量方法不当；随机因素的影响；测 量人员的粗心；由于这些原因产生的误差又称疏失误差。6. 近似数与有效数字 在测量中得到的数，有准确数和近似数之分；在近似数中有一部分是不可靠 数字。准确数和近似数两者总称为有效数字。在有效数字中，尤其是要注意“ 0” 的使用，不可随意取舍。(1) 只与计量单位有关的“ 0”不计入有效数字；(2) 小数点以后的“ 0”不能随意省略；(3) 若数目很大，“ 0”也不能随意取舍，尤其要注意表示方法，不能因表示方法 不同而影响有效数字；(4) 只有在注明具体被表示数字误差的条件下， “ 0”的取舍才可以不十分严格。7. 仪表读数的化整规定 在不同准确度级

11、别的仪表中，它们的标度尺分度不一样，读数也就不是随意 的，有着严格的检定规程，在具体测量中必须注意。表 10-1 就是检定规程中的 “化整规定”。举例说明：(1) 对于标度尺分度为 100 的 0.1 级仪表，在小数点以后可以读两位数，但最后 一位数必须是 2 的整数倍 (即偶数)，这样误差就取到 0.02%。(2) 对于标度尺分度为 100 的 0.2 级仪表，在小数点以后可以读两位数，但最后 一位数必须是 5 的整数倍，这样读数误差就取到 0.05%。(3) 对于标度尺分度为 100 的 0.5 级仪表，在小数点以后只能读一位数，这位数 可 以 是 09 的 任 何 数 ， 这 样 误 差

12、 就 取 到 0.1%表 10-110-1-2 测量技术与测量仪器 在光源电路的电气测量中， 所应用的测量技术与测量仪器由被测量的电参量 决定，在被测量的电参量中，有直流和交流两类，交流又分为正弦交流、非正弦 交流和脉冲等几种。根据电参量的特点，还有电压、电流、功率、频率、阻抗、 波形等等， 所用的测量技术也各不相同。 从目前实际测量的情况分析， 主要的测 量技术有直流电测量技术 (包括电压、电流、功率、功率因素、交流阻抗等 )，脉 冲测量技术等。测量仪器主要有两大类：电气测量指示仪表 (又称电工仪表 )和电 子测量仪器。 从发展看，电子测量仪器的应用将会愈来愈多， 因为电子测量仪器 具有很多

13、特点：频率范围极宽、量程非常广、精确度很高，可以遥测、快测，甚 至测量过程可以自动化， 测量内容也大大超过电气测量指示仪表的内容范围。 目 前在光源电路的测量中， 仍以电气测量指示仪表为主， 电子测量仪器正在逐步扩 大其应用范围。第二节 常用电气测量指示仪表10-2-1 分类 电气测量指示仪表种类繁多， 应用广泛，根据不同的原则可以分成很多类别。根据工作原理分类则有： 磁电系、电磁系、电动系、 感应系、静电系和热电系等。根据测量参数分类则有：电流表、电压表、功率表、欧姆表、电度表、相位表、频率表和多用途仪表等。 根据使用方式分类则有：开关板式和便携式。 根据测量方法分类则有：直读式和比较式。

14、根据工作电流分类则有： 交流表、直流表和交直流两用表等。根据精确度分类，则有： .01、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和 5.0等七个级别。另外还可以根据对电磁场防御能力分类 （分、和四级 ）和根据使用 条件分类 （分 A、B、C 三组 ），还有根据仪表尺寸等分类和有关附件分类的。10-2-2 电气测量指示仪表的组成和基本工作原理 电气测量指示仪表的主要作用是将被测电量变换成仪表活动部分的偏转角 位移。电气测量指示仪表组成如图 10-1 所示。图 10-1 电气测量指示仪表组成的方框图测量线路的作用是将被测之量变换成测量机构可以直接测量的电磁量。测量机构是仪表是主要工作部分， 它的作用

15、在于使电磁能变为使仪表可动部 分偏转的机械能，从而使被测参量能够显示出来。 测量机构有固定和可动两部分， 其主要作用是：产生转动力矩、反作用力矩和阻尼力矩。其中，转动力矩和反作 用力矩是仪表指示的两个不可缺一的重要因素； 由于它们的相互作用， 最后决定 仪表指针的稳定偏转位置。 这就是电气测量指示仪表的基本工作原理， 不同种类 的仪表就是采用不同的方法和结构来产生上述几种力矩的。10-2-3 常用仪表1. 磁电系仪表（1） 原理磁电系仪表是利用永久磁铁的磁场与载流线圈相互作用的原理而制成的。 测 量机构中的固定部分就是永久磁铁，活动部分就是载流线圈 （又称载流载圈 ）。磁 电系仪表的原理性结构

16、如图 10-2 所示。图 10-2 磁电系仪表的原理性结构图 当可动线圈通过电流 I时，在动圈两侧产生作用力 F1和 F2，如参数选择适当， 则有： F1=F2=F=BNI l, 式中：B 为空气隙中的磁感应强度；N 为载流动圈的匝数；I 为载流动圈流过的电流；l 为载流动圈受力边的长度。 在载流动圈上产生的力矩 M 为：M b F1 2F2 bBNIl SBNI2 1 b 2 式中：b 为载流动非受力边的长度；S 为载流动圈的有效面积， S=bl 当转动力矩和反作用力矩平衡时，仪表的载流动圈将有一个稳定的偏转角，则SBNWSBNSLIW 式中:W为游丝（或张丝）的反作用力矩系数 .因S,B,

17、N和W均为定值,通常用 SL代 替 SBN , 则有 :W 式中:S L称为仪表的电流灵敏度 , 而 1/S L称为仪表的电流常数 . 如果载流动圈的电阻 R已知，则可换算成与动圈两端所加电压 U 的关系式 了：SL USL U SrURR式中： Sr 为仪表的电压灵敏度， 1/Sr 称为仪表的电压常数。（2） 特点和应用 磁电系仪表的特点是灵敏度高、工作稳定可靠、消耗功率小、精密度高等， 缺点是过载能力差、结构复杂、价格昂贵等。磁电系仪表的型号以“C”代表，符号为“ ”。磁电系仪表只能在直流电路中测量电流 （几微安到几千安；外附分流器 ）、电 压 （几毫伏到几千伏；外附电阻 ）等参数。如果配

18、以整流器或变送器，也可以测量 交流电路的电参数和其它非电量参数。2. 电磁系仪表（1） 原理 电磁系仪表是一种交直流两用的电气测量指示仪表， 其测量机构的固定部分是一 个固定线圈，简称定圈；活动部分是一个可动铁芯，它被置于固定线圈内，由软 磁材料制成。根据固定部分与可动部分相互的关系，有三种类型的结构形式：i 吸引型：由扁平型的固定线圈和可动铁芯组成，当被测以流过固定线圈时，定 圈吸引可动铁芯使得指针产生相应偏移 （图 10-3）。图 10-3 吸引型测量机构示意图ii 排斥型：测量机构的固定部分由圆筒形固定线圈和固定于线圈内壁上的铁芯两 部分组成； 可动部分仍由可动铁芯组成， 当被测电流流过

19、固定线圈时， 固定于线 圈内壁上的铁芯被磁化， 固定的铁芯与可动铁芯之间产生排斥力， 使可动铁芯及 相应的指针产生偏移 （图 10-4）。图 10-4 排斥型测量机构示意图iii 排斥吸引型：测量机构的固定部分由圆筒形固定线圈和固定于线圈内壁两侧 上、下的两组铁芯等两部分组成； 可动部分由两个可动铁芯组成， 当被测电流流 过固定线圈时， 固定于线圈内壁上的铁芯被磁化， 在两组固定铁芯与两组可动芯 之间分别产生吸引力和排斥力，使可动铁芯及相应的指针产生偏移 （图 10-5）。图 10-5 排斥 -吸引型三种结构型式虽有不同，但都有同样的工作原理。当被测电流方向改变时， 固定线圈的磁场方向及铁芯被

20、磁化的极性同时改变， 所以相互之间的吸引、 排斥 作用仍保持不变， 这样，转动力矩的方向与电流的方向无关， 这就是电磁系仪表 能测量交流电气参数的原理。在测量交流电气参数时，被测交流电流流过固定线圈所产生的磁场使可动体 发生偏转的电磁能量为：A 1 Li 22 式中： i 为流过固定线圈的交流电流L 为固定线圈电感 则产生的转动力矩是：dA 1 2 dLM ti2t d 2 d式中 :d是能量 dA 产生的偏转角 ;Mt 是随 I 变化的转动力矩瞬时值 由于可动部分惯性较大，最后实际可动体的偏转是反映转动力矩的平均值 MP，则MP1 TMtdt 1 dL T 0 t 2 d式中: I为交流电的

21、有效值1T 21 dL 2i dt I T 0 2d1 T 2,I T i 2dtT0KfI2K f 为当频率为 f 时的仪表系数这样，电磁系仪表在应用于交流电路测量时，其转动力矩与流过固定线圈中 交流电流 的有效值的平方成正比。在测量直流电气参数时，有同样的结果：M K 0I02式中： IO 为流过固定线圈的直流电流； KO为直流条件下的仪表系数。(2) 特点和应用 电磁系仪表的特点是结构简单，牢固，过载能力强，稳定，成本较低。近年 来随着工艺的改进与提高， 电磁系仪表的准确度等级在逐步提高， 功率消耗也逐 渐降低。电磁系仪表的型号以“ T”代表。电磁系仪表不仅可以测量交直流电路中的电流和电

22、压，还可以测量电路中的 电容、相位和频率。目前，电磁系仪表已和电动系仪表配套作为交流测量中的标准仪表。3. 电动系仪表(1) 原理 电动系仪表是利用在磁场中的载流体要受电磁力作用的原理而制成的， 其测 量机构的固定部分是一个线圈， 称为固定线圈， 简称定圈； 可动部分也是一个线 圈，称为可动线圈，简称动圈。结构原理如图 10-6 所示。图 10-6 电动系仪表结构原理 当测量直流电流时，设流过定圈的电流为 IJQ，流过动圈的电流为 IDQ ，定圈 流过电流过时产生磁场使有电流通过的动圈受到电磁力的作用，作用力F1 为：F1 K 1BJQI DQ sinK 1BJQI DQ式中 : 0为仪表未通

23、电时动圈与 为动圈受力后与水平轴的 为动圈的偏转角 , 有sin 0 水平轴的夹角夹角BJQ为定圈流过电流 I JQ时产生的磁感应强度仪表可动部分受到的转 动力矩为 :M K 2 BJQ I DQ sin 0平衡时 :(K2/W)BJQIDQ sin 0式中:W 为游丝 (或张丝)的反作用力矩系数 由此可见, 与 BJQ与及 IDQ 成正比,并与动圈位置有关 (即角 )。必须说 明，定圈中流过的电流与动圈中流过电流可以是同一个电流， 也可以是不同的电 流。当测量交流电流时 ,设流过定圈的电流和动圈的电流是相同频率的iJQ 和 iDQ,两者之间有一定的位相关系 : iJQ= IJQmsin(t)

24、 iDQ= IDQmsin( t+) 式中: IJQm和 IDQm分别为相应电流的峰值为相交两电流之间的位相差 . 仪表的可动部分瞬时转距为 :Mt K3I JQIDQ cos cos2 t sin 0式中: I JQ和I DQ分别为相应电流的 有效值由此式可见，在瞬时转矩中包括有恒定分量和交变分量两部分：恒定分量为 : K3I JQI DQ cos sin 0交变分量为 : K 3I JQI DQ cos 2 t sin 0由于可动部分存在惯性 ,最后的实际偏转反映的是转距的平均值 ,即为恒定分量 而交变分量在取平均值和为零 ,则M P K3I JQ I DQ cos sin 0, 或者可表

25、示为M P K4I JQ I DQ cos sin 0图 10-7 表示了这图 10-7 电流 ,转矩和时间的关系曲线如果两个电流同位相，即 cos =1，则其结果与测量直流电流时的表示式一 样。这表明，电动系仪表可同时测量交直流电路的电参数。(2) 特点和应用电动系仪表的特点是可以做成准确等级在 0.5 级以上的高精度仪表，不仅可 以应用于直流电路，也可以应用于频率在 152500Hz 的交流电路中，甚至还可 在更高频率范围内使用。 电动系仪表可以做成电压表、 电流表， 尤其可以做成功 率表，此外还可以做成测量功率因数、电容、电感和频率等多项电参数的仪表。 电动系仪表已作为交流测量中的标准仪

26、表被应用。电动系仪表的型号以“ D”代 表。电动系仪表的缺点是：仪表本身损耗功率较大，过载性能较差，电压表及电 流表指示分度不均匀， 结构复杂，价格高等，这些缺点正在不断被克服和改进中。 虽然在电压和电流的测量方面， 电动系仪表有可能被电磁系仪表所取代， 电动系 仪表还是具有明显的优势的。在电动系仪表的应用中，作为测量功率的仪表应用十分广泛。在作为功率表的应用中，电动系仪表的定圈与动圈分开接线， 通常定圈作为功率表的电流线圈， 动圈作为电压线圈。 另外，如果被测电路的功率因数很小， 则必须选用特制的低 功率因数功率表 （如功率因数是 0.1或 0.2，都有相应的功率表 ），否则如选用一般 的功

27、率表 （功率因数接近 1），会产生相当大的测量误差。4. 测量用互感器 测量用互感器是一种通过变换，使交流电压或交流电流便于测量的仪表。在电气测量中， 常要测量高电压、 大电流和大功率数值的参数， 如使用一般的附 件，则有体积大、功率损耗大、不安全等缺点。采用测量用互感器可以很方便地 扩大交流仪表的量程，从而可以减少配备各种量限的仪表。测量用互感器本质上就是一个铁芯变压器。 常用的有电压互感器与电流互感 器。（1）电压互感器i. 原理：电压互感器相当于一个降压变压器，初级线圈的匝数远远大于次级线圈 的匝数。一般为适应多种量程的要求， 初级有很多抽头， 而次级线圈为额定电压 100V，配用一只

28、100V 量程的电压表，会给测量带来很大的方便。电压互感器在 应用中，参数变比 Kv 是须首先考虑的：KVN1N2式中 : N 1为初级线圈匝数N 2为次级线圈匝数ii. 特点和应用：电压互感器有 0.1、0.2、0.5、1.0 和 3.0 等级别，误差来源主要 是变经和相角，应用是时要注意与配用的其它仪表准确度等级相一致。同时 在应用时要注意以下事项：A、要注意根据被测电压的高低选择一定的变比；B、根据次级配套用交流电压表 （一般为 100V 量程）及一定的变比获得测量 结果；C、注意测量仪表的功率损耗是否超过互感器的容量；D、初级与次级务必不要接反；初级并联于被测电压端，次级则接电压表或

29、其它仪表；E、次级一端及铁芯必须可靠接地，以确保人身安全；F、次级绝对不允许开路，一般都装有短路开关以便换接仪表时应用。（2）电流互感器i. 原理 :电流互感器相当于一个电流变换器 ,次级线圈匝数远比初级线圈匝数多 为了适应多种量限的要求 ,初级有很多抽头 ,而次级线圈为额定电流 5A; 配用 一个 5A 量限的电流表 ,使测量很方便 .电流互感器在应用中参数变比 K I需首 先考虑 :I1K I II12I2 式中 : I 1为初级电流I 2 为次级电流ii. 特点和应用 :电流互感器有 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 和 3.0 等级别 .误差来

30、源主要是变比和相角 ,应用时要注意以下事项 :A. 要注意根据被测电流的大小选择一定的变比 ;B. 根据次级配套用交流电流表 (一般为 5A 量程 )及一定的变比获得测量结 果;C. 注意测量仪表的功率损耗是否超过互感器的容量 ;D. 初级与次级务必不要接反 ,初级与负载串联 ,次级则接电流表或其他仪表 .E. 次级一端及铁心必须可靠接地 ,以确保人身安全 .F. 次级绝对不允许开路 ,一般都装有短路开关以便换接仪表时应用 .5. 热电系仪表 在测量交流高频电路的有关电参数时，由于一般仪表本身具有一定的R、L和 C ，测量机构如直接接入被测电路中，会引起电抗的很大变化，影响被测电路 的工作状态

31、。 因此， 一般仪表均有一定频率响应范围， 通常不能应用于交流高频 条件下的电参数测量。对于交流高频条件下的电参数测量 ，热电系仪表是可以 应用的仪表之一。(1) 原理 热电系仪表实际上是磁电系仪表的一个特例，即在磁电系仪表中加一个称为 热电变换器的附件。 热电变换器由两部分组成： 加热器和热电偶。 加热器是把被 测电参数变换成热量的元件， 即一个加热元件； 热电偶就是测量加热器的温度变 化的元件，即将温升变换成热电势。加热器是一个微小的导体，阻抗很小，在高频电流作用下，加热器被加热升 温，对高频电流的测量就被变换成对温度的测量。 而对高频电压的测量， 则可以 变换成对高频电流的测量。测量温度

32、的方法很多，最常用且方便的手段是采用热电偶，热电偶将对温度 的测量变换成对热电势的测量； 由于热电势很小， 通常采用高灵敏度的磁电系仪 表来测量热电势。(2) 特点和犄应用 热电系仪表是测量温度的仪表，所以受环境影响较大，导致测量的准确度不 高。为了克服环境温度的影响和提高准确度等级， 热电系仪表变得十分复杂， 而 且制作工艺要求也十分高， 因而，目前应用的高频电流表只能测量较大的高频电 流，且准确度也不够理想。第三节 常用电子测量仪器 由于无线电电子学的诞生和发展，使经典的测量学有了新的发展，出现了电 子测量这一新的技术， 并且已成为一门独立的学科。 电子测量就是以电子技术为 手段进行的测量

33、，电子测量的内容也大大超过电气测量指示仪表的测量内容范 围。应用电子测量技术离不开电子测量仪器； 电子测量仪器作为新一代的测量设 备正在发展之中。 在电光源与光源电器的研制和测量过程中， 正在逐步应用电子 测量仪器。本节主要介绍在光源电路中应用的部分电子测量仪器和应用时应注意 的事项。10-3-1 示波器示波器是电子测量仪器中最常用一种， 其特点是能显示电参数随时间的变化 情况。在光源电路中应用示波器主要是为了观察光源或附件的电压或电流的波 形，了解对应的相位关系等。常用的示波器有以下几种：1双踪或多踪示波器 双踪或多踪示波器在一个水平轴 （即时间轴 ）上可同时显示两个或多个信号。在光源电路中

34、应用这样的仪器可同时观察了解两个电参数或多个电参数之间的 相互关系， 如光源的工作电流与端电压之间的关系， 光源的电参数与附加电器电 参数之间的关系等。在具体使用双踪或多踪示波器进行测量的过程，必须十分注意示波器，电源 与光源电路之间的电位关系， 要防止发生短路事故。 通常待测的光源电路要由隔 离变压器供电。如果需要将被测波形记录下来，可应用照相技术将示波屏上的波形拍摄冲印 后留作资料。2记忆示波器 测量一定频率下重复出现的电信号，可用一般示波器，但是在测量某些光源 电路的电参数时，其电参数的持续时间很短，仅仅是一瞬间 （不重复出现 ），如脉 冲灯的峰值电流，峰值电压、放电曲线等，又如气体放电

35、光源的启动着火过程， 灯电压或灯电流的变化情况等， 对这些单次的、 瞬间即逝的电信号就要用记忆示 波器显示，以便观察和测量。记忆示波器又称存贮示波器， 有两种存贮信息的方式 （即有两种类型的记忆示 波器）；一种是利用存贮示波管的记忆示波器；另一种是利用数字存贮器的记忆 示波器。由于记忆示波器价格昂贵，使用程序复杂，耐过载能力差。目前应用尚不普 遍.3光线示波器 这是一种利用电磁作用原理，以感光的方式实现观察和记录电信号的一种仪 器。有以下特点：（1）可以记录从低频到较高频率的输入电信号 （可以是正弦或非正弦信号， 也可以 是周期或非周期信号， 甚至是单次信号 ），频率的上限并不很高 （约数十千

36、赫兹 ）， 但在一般的光源电路中应用，能满足要求。（2）灵敏度比较高。因为电源系统本身有一定放大作用，所以使测量机构的灵敏 度大大提高。（3）可同时记录多个被测电信号 （如 16 个）。 目前在光源电路的测试中， 已逐步应用光线示波器测量某些电参数。 如电影放映 用整流器 （短孤氙灯配用 ）的国家标准中，已规定光线示波器作为测量某些电参数 必须使用的仪器。10-3-2 频谱分析仪 频谱分析仪是一种比较大型的精密测量仪器。主要用途是对非正弦的周期或 非周期电信号波形进行频谱分析。 在光源电路中， 有许多电参数是属于非正弦的 参数，如气体放电光源的电流和电压，在交流 50HZ 电源供电的条件下都是

37、非正 弦的周期电信号。 为了深入研究光源及相应电路的特性， 也为了作精密测量， 有 必要应用频谱分析仪进行分析和测量。目前已生产和应用的频谱分析仪是两种：1外差式频谱分析仪这种仪器又称为模拟式频谱分析仪，主要的工作特性有：（1）频率特性：包括输入电信号的频率上、下限等。（2）幅度特性：包括量程、动态范围等。（3）扫频特性：包括扫频宽度、分析时间等。2快速傅立叶变换频谱分析仪这是一种数字式频谱分析仪，简称 FFT，配用计算机进行测量和计算。既可 以对周期电信号进行分析，也可对单次“瞬时信号”进行分析 （包括随机信号 ）。在光源电路的电气测量中，应用频谱分析仪工作仅仅才开始，并只对光源的 电流波形

38、、电压波形进行分析， 目的是精确测量各项有关的电参数。10-3-3 数字式电表 在光源电路的电气参数测量中，应用数字式电表的越来越多了，它比电气测 量指示仪表有许多优点。 应用最多的是数字式电压表， 还有数字式多用表等； 多 数用来测量直流电压和交流电压。 当然， 直流电流和交流电流也可以测量， 但最 基本的是电压测量，因为测量电流时也是通过取样电阻 （内接或外接 ）测量电压换 算得到。由于数字电压表输入阻抗高，灵敏度也高，所以在测量直流电压时，一般都 能获得满意的结果，对被测量电路影响也是极小的。当测量交流电压时 （包括交 流电流 ），仪表内装有一定的交流 直流转换器，将交流电压转换成直流电

39、压再 进行测量。 这样，数字电压表测量交流电压的性能如何， 就由转换器的质量性能 决定了。应用转换器的目的， 是为了使仪器的测量指示值能表示被测的交流电压 值，而交流值一般以有效值来表示。 在数字电压中应用的转换器有三种： 平均值 转换器、有效值转换器和峰值转换器。1平均值转换器这是把交流电压经过整流 （半波或全波 ）变成直流电压，实际上是交流电压的 平均值，但按交流有效值刻度指示。 对于正弦交流电压， 这种转换器能测量指示 相应的有效值。2有效值转换器 这是直接测量交流电压，并以直流电压形式表示出相应的交流电压有效值， 具体又析分为两种：（1）热电式有效值转换器：将交流电压经过加热元件，再将

40、热能变换成直流电压 进行测量。这个测量结果， 不仅对正弦交流电压能反映出有效值， 就是对非正 弦交流电压，也能反映相应的有效值， 又称真有效值。 对于非正弦交流电压的 有效值， 以真有效值表示， 并有严格的定义。 由于非正弦交流电压不是单一的 频率成分， 即有许多高次谐波成分， 即有许多高次谐波成分， 所以用均方根值 表示其真有效值。(2) 全电子式有效值转换器：这是按有效值定义，通过对被测交流电压的运算， 而得到的相应的有效值。(3) 峰值转换器 是将交流电压进行峰值检波等处理得到直流电压，同样按交流有效值刻度。对于正弦交流电压，一样能测量指示相应的有效值。因此，转换器类型虽然不同，但对于被

41、测量的正弦交流电压，都可以得到同 样的结果 指示出相应的有效值，但对于非正弦交流电压，尤其当波形相对 于正弦波有较大的失真时， 平均值转换器与峰值转换器就不能正确测量指示出相 应的真有效值了， 而用有效值转换器。 所以，在应用数字电压表测量非正弦交流 电压时，必须先了解电压表内转换器的类型。 如果不是有效值转换器就不能进行 测量。10-3-4 数字式功率计数字式功率计是一种测量电器功率损耗的电子测量仪器。以前，在光源电路 中，是用电气测量指示仪来测量光源或镇流器的功率损耗的。 由于这类仪表本身 有一定的损耗，所以在作比较精确的测量或测量较小的功率损耗时，误差较大， 有时不仅不能修正测量结果，

42、还会影响被测电路的工作状态。目前国内外应用于光源电路测量的数字式功率计都是采用时分割乘法器， 最 后输出数字显示。 它的特点是： 电压输入部分输入阻抗大， 电流输入部分输入阻 抗小，仪器本身总的功率损耗极小， 不仅可以测量正弦交流电信号， 也适用于各 种非正弦交流电信号，精度高，动态范围大。国内正研究另一种数字式功率计，即将相应的电流电压电信号，同样同步取 样并作模数转换， 在存贮到存贮器以后， 再按一定程序对数字化了的信号进行运 算，最后得到平均功率数，以数字显示。从原理上讲，这是完全可行的：这本质 上是一台专用的微机测量仪器。10-3-5 失真度仪 这是一种测量光源电路中电流或电压波形失真

43、度的仪器，为了叙述方便，先 简单介绍失真度的定义。失真度又称非线性失真系数，简称失真系数，是表示一个非正弦波形与正弦 波形的差别程度。失真系数 Kf 为：式中: K f为失真系数V1为基波分量V2,V3, Vn为高次谐波分量目前应用的失真度仪就是按此定义设计生产的。 仪器分别对原信号及将基波 成分滤掉的信号进行测量，再进行计算，仪器可测得：2 2 2V22 V32Vm2KV12 V22 V32 Vm2它与 K f 的关系是：Kf当 K1时，KfK,一般如失真系数在 30%以下，则可认为 K 近似等于 Kf.应用失真度仪测量光源电路中电流或电压波形的失真度， 可以分析光源及有 关电器的性能，发现

44、问题并作改进。根据定义，有一台谱分析仪也可对电压或电流波形的失真度进行测量，但不 如失真度仪简单方便。第四节 光源电路中部分电参数测量在光源电路中所涉及到的电参数很多，除光源本身的电参数外，还有电源及 各种附属电器的电参数。 另外，在光源的光参数测试和光源寿命试验中， 也都离 不开有关电参数的测量和观察，因此，光源各光电参数之间都是密切相关的。10-4-1 对测量仪器的要求电参数测量用的仪器仪表，前两节中已作叙述。目前仍以电气测量指示仪表 应用为多，而今后将愈来愈多地应用电子测量仪器。不论应用哪一种仪器仪表， 由于光源电路本身具有的特点， 对仪器仪表的选择和应用都有一定的要求和必须 注意的事项

45、。1对电气测量指示仪表的要求(1) 要有足够的准确度。这要根据要求和条件来选择；并不是准确度等级越高越好，而要考虑各个仪表准确度等级的一致性。(2) 仪表指示的重复性要好。在仪表的术语中是指变差要小。(3) 要有合适的灵敏度。这要根据测量量值的范围来决定仪器的选择。(4) 仪表本身的功率损耗要小。一般说电流表的内阻要小，电压表的内阻要大 (即 分流要小 )，而功率表电流绕组的内阻要小，电压绕组的内阻要大。具体在光 源电路中，有关标准这样规定：串联仪表产生的附加电压不能超过被测支路 电压的 2%；并联仪表的分流电流不能超过被测支路电流的 3%。(5) 要有良好的读数装置。(6) 要有足够的频率响

46、应。 这个要求比较复杂， 在一般 50HZ 的正弦交流电路测量 中，没什么问题，因为常用的电器测量指示仪表是按 50HZ 正弦波形校验出厂 的，而在某些光源电路中，电压、电流波表仍为正弦形，畸变小，如热幅射 光源电路中的电压、电流等参数，而其他的光源电路中，电压、电流波形有 着不同程度的失真，这样将会给测量带来不同程度的误差。而波形的失真就 意味着谐波分量的增加。如果仪表的频率响应能满足要求，则可大大减小测 量误差。2对电子测量仪器的要求和注意事项(1) 选择的电子测量仪器应有较好的稳定性和重复性。(2) 注意被测电参数的范围， 防止因过载使电子测量仪器损坏。(3) 由于电子测量仪器都独立供电

47、，所以在应用中应注意被测光源电路与电子测 量仪器之间的电压关系。当两个部分的零电位点不是同一电位时，联接后可 能会发生短路事故。通常的做法是将光源电路经隔离变压器供电。10-4-2 热幅射光源电参数测量1. 测量的电参数：(1) 电压：光源两端的工作电压(2) 电流：流过光源的工作电流(3) 功率；光源消耗的功率。2. 测量电路：如图 10-9 所示图 10-9 热辐射光源测量电路3. 测量仪表与装置：电压表、电流表、功率表和调压变压器及开关等4. 测量注意事项：在测量某一参数时，不用的仪表可用开关短路或开路方法使 它脱离测量电路，以减少测量误差。图 10-9 所示的电路可用交流电源供电， 也

48、可用直流电源供电 (不用调压变压器 )。一般应选用稳压电源；在高精度测 量时，可选用稳流电源。此外，还应注意光源在通电后应有一段稳定时间， 要保证环境条件的相对稳定。11-4-3气体放电光源电参数测量 气体放电光源的种类很多，这里主要叙述荧光灯的电参数测量方法，其它气 体放电光源电参数的测量方法基本一样，只将一些特殊问题作些说明。1. 荧光灯电参数测量(1) 测量的电参数： 电压：光源两端的工作电压 电流：流过光源的工作电流 启动电流：又称预热电流，是灯丝预热时的电流 功率：光源消耗的功率。（2） 测量电路：如图 10-10 所示。图 10-10 荧光灯测量电路（3）测量仪器与装置：有电压表、

49、电流表、功率表、调压变压器、基准镇流器及 开关等。（4）测量注意事项；荧光灯与热幅射光源不同，外界条件对光电参数影响十分显 著，所以荧光灯在测试时，必须十分注意测试条件：A 供电电源：电源通常都是 50HZ的交流电源， 电源频率应稳定在一定范围 内，并与镇流器的设计频率相一致，电源电压也应该稳定，电源电压的波形 应是失真较小的正弦波， 高次谐波的总含量不应超过 3%（设基波为 100%，按 均方根之和计算 ）。频率稳定、电压稳定范围等具体指标是根据测量的要求而 定的,一般生产检验测量，要求低一些，频率及电压的稳定范围可以大一些， 而作为计量测量，要求就比较高了。目前比较理想的供电电源是稳频稳压

50、电 源。B 测量仪表：总的要求已经说明了，只强调一点，仪表基本上不产生波形 误差。在荧光灯电路中 （包括其它气体放电光源电路 ） 电流波形失真较小， 电压 波形失真很大，几乎是一个方波了。 这也就是对仪表的频响应要求。C 基准镇流器：基准镇流器又称标准镇流器，它是测量气体放电光源必不 可少的元件。由于气体放电光源实际使用中配备的气体放电光源的光电参数， 为了有利于比较不同光源各项参数，就统一规定在测量中必须配备基准镇流 器，即误差较小的，符合规定 （电压电流比值，功率因数和温升等三项参数 ） 的特殊镇流器。这种镇流器必须由专业厂生产，并经计量部门检测确认后才 可应用。D 环境条件：环境温度和通

51、风情况对荧光灯的光电参数影响十分明显，所 以测量时要求环境温度在一定范围 （是不通风的密封环境 ）。每次测量必须使灯 稳定工作 15 分钟以上。E 测量比较的条件：气体放电光源是一个放电特性非常不稳定的器件，所 以不同灯管的测量或同一支灯管多次测量， 应保证在同样的条件下进行比较。 为此又有一些相应的规定：线路一样，荧光灯与电路联接的相地位置要固 定；可以规定在同样电源电压下进行比较，也可以规定在同样工作电流下 进行比较，或规定在同样的功率下比较。具体的规定要根据测量的要求和光 源的应用情况决定。对一般测量，如仅仅检验产品的成品情况，则规定在同 样的电源电压下进行，因为在光源的应用过程中，只能

52、控制电源电压，无法 控制灯的工作电流或功率。但在对计量标准测试时，就应规定在同样的工作 电流或功率条件下进行。F 老练：对于荧光灯，国际标准及国家标准都规定必须将新制成的灯老练 100 小时，也就是说，灯的光电参数必须以老练 100 小时以后所测得的数值 为准。G 配用电子镇流器的荧光灯电参数测量：以上叙述的测量内容和注意事项 都是针对用电感镇流器的荧光灯电路，如果荧光灯配用电子镇流器，则用荧 光灯的电参数测量就比较困难了， 因为此时荧光灯实际工作于 20KHZ 以上的频 率范围， 用普通仪表无法测量。 目前针对这样的使用条件有两种处置的方法： 选用相应频率响应的仪器进行测量 (就目前国内仪器

53、条件有一定困难 ) ； 将电子镇流器和灯作为一个整体看待，从电源输入端进行测量，即在规定电 源电压的条件下测量电源供给的工作电流，测量电源总的消耗功率。由于电 源是直流电源或 50HZ交流电源，这样又成为直流或 50HZ 交流的电参数测量了。2. 其他气体放电光源的电参数测量 目前应用的气体放电光源除荧光灯外， 还有低压汞灯、 低压钠灯、 高压汞灯、 高压钠灯灯、 金属卤化物灯等许多种， 其中直流供电的测量方法比较简单， 不再 叙述。交流供电的测量方法及测量内容大致上与荧光灯相似， 但也有一些应特别 注意的问题：(1) 这些光源除个别外，在多数从启动建立稳定的放电到正常工作的过程都比较 长(

54、这一过程也称为启动过程，但与建立气体放电的启动过程的性质不同；这 是在已建立起填充气体的气体放电后， 由于放电物质逐步从固态或液态蒸发成 气态，使放电逐渐过渡到设计的工作状态的过程 ) ，这时流过灯的电流都比额 定工作电流大， 这在电路及仪表量程的选择中要特别注意。 此启动过程随环境 温度与灯种类而长短不一。一般在数分种的范围之内。(2) 这些光源的功率都比较大， 一般为百瓦， 也有数千瓦的， 个别的可达 10 千瓦 以上，所以灯的工作电流都比较大， 因此电路中的引线截面不能太小， 并且也 不易过长， 尤其应注意联接点， 防止因接触不良而发热， 导致测量不准确和损 坏测量仪表。(3) 这些光源

55、大多数都应用专门的高压或高频高压启动装置以建立气体放电条 件，所以要防止测试仪表受高压或高频高压的影响 (严重时可损坏测量仪表 ) 。(4) 由于这些光源功率大、品种多，目前仅只有部分规格的灯有相应的基准镇流 器，因此在测量中必须注意镇流器对测量的影响。 在没有基准镇流器的条件下， 可以根据光源特性和对基准镇流器的要求， 自行设计专用镇流器， 或从已应用 的镇流器中选择合适的镇流器， 把它们当作基准镇流器应用， 或称为参照镇流 器。这样可以使被测灯管在同一镇流器条件下测量，并作比较。但是，凡有条 件的，都应使用基准镇流器。(5) 由于气体放电光源的一致性较差，虽然测量了灯的工作电压，工作电流和

56、功 率等电参数，但为了深入分析灯的工作状态， 还须测量灯的工作电压波形和工作电流波形。如果使用不同类型的镇流器， 还要测量电路的功率因数等。3. 脉冲灯电参数测量 在气体放电光源中，有一类光源称为脉冲灯，它们的工作状态不同于前面叙 述的各种气体放电光源工作状态，所以脉冲灯电参数测量有必要单独叙述。脉冲灯是瞬间工作的气体放电光源，它从启动放电到停止工作仅只有数毫秒 到数微秒的时间， 又因为脉冲灯的工作过程是储能电容对灯的放电过程， 通常就 将脉冲灯的工作过程称为脉冲灯放电过程。描述脉冲灯放电过程的电参数很多， 除个别参数外，大多数都随放电的时刻而变化， 而且几乎所有参数都与电路结构、 灯的几何尺寸、灯内充气压力 和充气种类有着十分密切的关系，这正是脉冲灯 的特点，以下叙述比较常用的几个电参数测量。(1) 测量的电参数：i. 电阻率：脉冲灯的等效电阻率ii. 电阻系数：脉冲灯峰值电流对应的电阻系数。(2) 测量电路：如图 10-11 所示。(3) 测量仪器与装置：电压取样装置、电流妈样装置、示波器和照相机等。Rt Vt /it图 10-11 脉冲灯测量电路(4) 测量仪器注意事项：脉冲灯电阻率和电阻系数的测量，是间接测量，即通过 脉冲放电瞬间电压