电子测量技术第3章

1、第3章 电流、电压的测量 测量电流的电流表是串入电路中的，让支路电流流经电表，从而测量支路电流值。显然，电流表的内阻必须很小，远小于支路电阻，才不会明显增大支路总阻而改变被测电流值； 电压表是跨接在电路的两点上，测量这两点的电压(电位差)，显然，电压表的内阻必须很大，远大于电路电阻，才不会有明显的分流效应而改变被测电 压值。图3.1.1 动圈式表头 3.1 万用表 3.1.1 万用表的表头 3.1.2 多挡电流表和电压表 设满偏电流I=I4，这挡有电压等式： 可改写成： 对于第三挡，有 实际上，对任何一挡下式都成立： 在图3.1.3中，多挡电压表用串联电阻降压法，扩大电压量程。电路显然有下列等

2、式：图3.1.2 多挡电流表电路图3.1.3 多挡电压表电路图3.1.4 多挡电流电压两用表图3.1.5 全波整流(a)和半波整流(b)电路 3.1.3 交流电压表 一般都用二极管把交流电整流成直流送入表头。表头指针偏角大小与这直流的平均值成正比。 从电工学可知有效值与平均值的关系为：图3.1.6 电路电流的波形图图3.1.7 三用表的电路和读数标尺 3.1.4 欧姆表 设满偏点的角度为m，测量R的偏角是。由于mE/R0，E/(R+R0)，所以有和R的关系式：图3.1.8 串联式电阻测量电路和欧姆读数标尺图3.1.9 多挡电阻测量电路 3.1.5 测量误差 万用表的误差源除了表头的固有误差外，

3、有很多其他附加误差。 如果各个误差源引入的测量误差分别是1，2，3，则总的测量误差可用下式 计算： (1)直流电流、电压的误差 直流电流、电压的测量误差源主要有基准电流的校正误差、电阻元件值误差和表头 固有误差。一般万用表的电流校正误差可达1%；电阻值误差等于或小于表头固有误差。表头固有误差可有两种表示法：一是偏角误差，它是由于指针偏转部分和轴承间的摩擦，偏转部分重心不平衡和读数标尺校正不良引起的。二是满偏相对误差m，请参看式(2.1.4)和式(2.1.5)。 读数相对改变引起的偏角增量和读数相对改变之比。即 对于直流线性标尺有/m=A/Am， 所以 因而知道，线性标尺由表头固有误差引起的测量

4、误差为： (2)交流电压的误差 (3)欧姆表的误差 有很多误差源造成欧姆表测量的附加误差。 欧姆标尺是非线性的。它的参量公式(3.1.13)应当写成微分式： 微分式(3.1.11)求出d/dR，代入上式即得： 该最大值为： 欧姆标尺的测量误差： 测量误差为： 0(满偏)调节电路是造成欧姆表内阻R0不稳定的主要根源。 现在设内阻不稳，与标尺中值的相对误差为R0，于是得证明： 3.2 热电式电流表 3.2.1 电流表的结构 在高频宽频带内测量电流，一般使用热电式电流表。它用热电偶作为交/直流变换器。热电偶又称温差电偶，请参看物理学的“温差电现象”。 3.2.2 热电偶电表的原理 实验发现，温差电势

5、近似与温度差成正 比。即图3.2.1 金属的温差电现象图3.2.2 热电偶电流表的结构图3.2.3 金属的接触电势 电流I也近似与温差成正比。即 加热器产生热量的功率N1与被测电流i2成正比。即 由于温差，热点要向周围环境发散热量。发散的热功率N2与温差相关，也与散热表面的状况相关： 表头电流I与被测电流i的关系式如下： 3.3 电压的测量 电流和电压是最重要的基本量，许多电量都是用电流电压的形式表示。直流电压表常用一个高灵敏度直流A表头和串联降压电阻组成。而交流电压表常要把交流整流(或称检波)成直流，再用直流表头指示被测交流电压。数字式电表的优点是：直观、精 确度高、输入阻抗大，便于与其他数

6、字式设备连接，组成自动测量系统。 3.3.1 模拟式交流电压表 (1)电压表的组构方案 (2)正弦交流电压(电流)的特征参数 1)峰值和幅值 2)平均值 周期性电压波形v(t)的平均值在数学上的定义为：图3.3.1 交流电压表的组构方案图3.3.2 峰值、幅值的定义图3.3.3 正弦波及其整流波形 正弦波全波整流后的平均值为： 3)有效值 正弦电流i在电阻R上产生的平均热功率为： 4)波形系数和波峰系数表3.3.1 几种波形的特征参数 (3)电压表的检波电路 1)峰值检波器 这种检波器的输出读数与被测交流电压的峰值成正比。图3.3.4 典型的峰值检波电路 如果令充电的电阻为r，则应有下式成立：

7、 2)平均值检波器 检波器的输出与被测交流电压的平均值成正比。图3.3.5 典型的平均值检波电路 3)有效值检波器 有效值检波适用于任何波形测量，直接读电压的有效值。图3.3.6 平方律检波的工作原理 平方律检波可用图3.3.6的简单电路说明其工作原理。VD是锗晶体二极管，伏安特性近似平方律特性。 计算式有效值检波是真根均方(r.m.s.)运算，把被测电压做平方、积分、平均和开方运算，最后，输出的直流电压与被测电压的有效值成正比。 热电式有效值检波：首先看利用热电偶构成的有效值电压表。图3.3.7 热电偶式有效值电压表图3.3.8 集成热电有效值检波器 3.3.2 数字式电压表 数字电压表大体

8、由三部分组成：一是模/数(A/D)变换；二是逻辑控制；三是数字显示。模/数变换是电压表的核心部分，它能把被测的模拟电压变换成数字量。数字电压表的 优 点 是 ： 精 确 度 高 ， 一 般 是(0.10.01)%，高精度数字电压表可达(0.0010.000 1)%，而模拟电压表要达到0.1%非常困难；直接显示读数，读数清晰、方便。电压表输入阻抗很高，可达 1 000 M。 双积分数字电压表由于有抗干扰力强，对多数元件要求不高，却仍有较高精确度、容易集成化、成本低廉等优点，所以得到广泛应用。图3.3.9 双积分型A/D变换的原理 根据充、放电电量Q相等的条件，得出下列等式： 3.3.3 数字式万

9、用表 (1)表头单元 (2)电流、电压测量 (3)交流/直流变换器图3.3.10 电流电压测量电路原理图3.3.11 交流/直流变换器图3.3.12 基本电路及其波形 变换器的输出电压u2=uR2+uR3。uR3的平均值为零，u2的平均值就等于uR2的平均值。u2的平均值为： (4)电阻测量电路 电阻测量的公式：图3.3.13 电阻测量电路 3.4 电平的概念 3.4.1 主观感觉的对数特性 若用F表示人的主观感觉强度，用S表示客观刺激量，则有下列增量等式和微分等式成立，即 式中，K是比例常数。积分上式，可得： 现在利用式(3.4.2)，可求出两刺激量S1和S2之间的感觉强度的差异，即 比较电压V1和V2(或电流I1和I2)的水平，定义它们的电水平高低差有N个单位，即 3.4.2 电平计算公式 人们习惯用功率比较的常用对数