电气测量技术第三章.ppt

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1、1,3.0 概述3.1 直流电位差计3.2 电桥3.3 作业,back,第三章 比较式电测仪表,2,第三章 比较式电测仪表,比较式电测仪表将被测对象直接与标准量作比较，从而确定被测对象的大小。使用的标准量包括标准电压（标准电池、齐纳管稳压值等）、标准电阻、标准电容、标准电感等。,比较式仪表的概述,3,比较式电测仪表,比较式仪表的分类,将被测量与已知标准量相比较，当检测仪表指零时，达到全补偿状态。,先利用标准量对被测量进行补偿，再对剩下的被测量与标准量间的微小差值进行测量。,第三章 比较式电测仪表,back,4,3.1 直流电位差计,第三章 比较式电测仪表,电位差计：根据补偿法或对消法测试原理对

2、静电场或电路中两点间的电动势之差的测量,直流电位差计（Direct-current potentiometer）是一个测量直流电压的仪器，它用一个已知电压与被测电压相平衡，该已知电压可以由固定电流流过可调电阻或由可调电流流过固定电阻来获得，或者由它们的组合而获得。,5,3.1 直流电位差计,第三章 比较式电测仪表,电位差计测量电压有以下优点：电位差计是一个电阻分压装置，可产生准确、已知、有一定调节范围的电压，用它与被测电压比较，可以得到被测电压值。被测电压的测量值仅取决于电阻和标准电动势，因而可以达到较高的测量准确度。在“校准”和“测量”中检流计两次都指示为零，表明测量时既不从标准回路的标准电

3、动势（通常是标准电池）中，也不从测量回路中分出电流。因此不改变被测回路的原有状态，同时避免测量回路导线电阻、标准电池内阻以及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一原因。,6,3.1 直流电位差计,定阻变流式,定阻变流式,第三章 比较式电测仪表,7,比较式电测仪表,3.1 直流电位差计,定流变阻式,1.S拨在1，调节R0，使检流计G指零。,2.S拨向2，调节R的滑动端，以改变标准电压US，当检流计G再次指零时，说明Ux与R上的压降相互补偿。,第三章 比较式电测仪表,8,比较式电测仪表,3.1 直流电位差计,第三章 比较式电测仪表,9,比较式电测仪表,3.1 直流电位

4、差计的分类,第三章 比较式电测仪表,直流电位差计按被测电压端口输出电阻的高低可分高阻电位差计（输出电阻大于10k/V）和低阻电位差计（输出电阻小于100/V）：高阻电位差计用于测量大电阻上的电压及高内阻电源的电动势，其工作电流小，不需大容量工作电源供电；低阻电位差计用于测量小电阻的电压及低内阻电源的电动势，其工作电流大，应由大容量电源供电。直流电位差计按测量量限可分高电压电位差计（测量上限2V左右，输出电阻高达2104，工作电流I0为0.1mA左右）和低电压电位差计（测量上限20mV左右，输出电阻20，工作电流I0为1mA左右）。直流电位差计还可按使用条件分实验室型和便携型两类。,10,3.1

5、 直流电位差计的应用,电位差计测电流,第三章 比较式电测仪表,back,直流电位差计除了可以测量有限大小的电压或电动势外，还可以用来测量高电压（高电动势）、电流、直流功率和电阻。,11,3.2 电桥,概述（电桥：bridge）直流电桥：交流电桥：2.2.4 有源电桥：active bridge 2.2.5 数字电桥：digital bridge 2.2.6 智能电桥：intelligent bridge,第三章 比较式电测仪表,back,12,比较式电测仪表,3.2.1 电桥,第三章 比较式电测仪表,电桥主要用于测量电路元件（如直流电阻、交流电感、电容、电阻等）的量值、变化量，也用于测量转换为

6、电参数的非电量。最早出现的电桥是测电阻用的直流电桥，其中最负盛名的是惠斯通电桥。随后，为测交流元件的参数等，发展出种类繁多、用途各异的经典交流电桥。到20世纪50年代前后，这些电桥的大多数被淘汰，随之出现了一些新型电桥，例如高准确度的感应耦合比例臂电桥，它是由计算电容器的需要而不断发展和完善起来的。50年代以后，半导体技术和微计算机的迅速发展，电子器件和数字技术被大量引入测量仪表领域，又出现了有源电桥、数字电桥和智能化电桥等。,back,13,比较式电测仪表,3.2.2 直流电桥,直流电桥是测量电阻或与电阻有关参量的比较式仪表，它通过被测电阻与标准电阻的比较实现测量，其准确度可达十万分之几，一

7、般不难做到0.1、0.2级。根据结构的不同特点，直流电桥可分为惠斯通电桥（单比电桥）、开尔文电桥（双比电桥）、高阻电桥和直流电流比较式电桥等四种。惠斯通电桥适用于测量中值电阻（1106欧），开尔文电桥适用于测量低值电阻（1欧以下）。,第三章 比较式电测仪表,14,比较式电测仪表,第三章 比较式电测仪表,3.2.2 惠斯登电桥,单比电桥也称为惠斯登（Wheatstone）电桥，主要用于测量中值电阻。这种测量方法首先由S.H.Christie于1833年提出，并由Wheatstone于1858年以测量小电阻的方法为题刊登在皇家学会（London）的报告中。,电桥平衡时：,四臂结构是直流电桥的基本形

8、式。电桥由直流电源供电，平衡时，相邻两桥臂电阻的比值等于另外两相邻桥臂电阻的比值。若一对相邻桥臂分别为标准电阻器和被测电阻器,它们的电阻有一定的比值，则为了使电桥平衡，另一对相邻桥臂的电阻必须有相同的比值。根据这一比值和标准电阻器的电阻值可求得被测电阻器的电阻值。平衡时的测量结果与电桥电源的电压大小无关。,15,电桥平衡时，被测电阻的数值与电源E无关。,在灵敏度足够的情况下，电源电压波动对测量结果没有影响。,电桥的准确度主要由比例臂和比较臂的准确度决定。,误差公式：,电桥准确度级别,附加误差系数,比例臂最小步进电阻值,比例系数,a0.02，b取0.3a0.05，b取0.2,第三章 比较式电测仪

9、表,3.2.2 直流电桥-惠斯登电桥,16,第三章 比较式电测仪表,3.2.2 直流电桥-惠斯登电桥,QJ23a型直流单比电桥简化电路,17,比较式电测仪表,第三章 比较式电测仪表,3.2.2 直流电桥-开尔文电桥,直流双比电桥原理电路,用于测量阻值较低（1）的电阻,这种桥路又称双比电桥。所测电阻值可低到毫欧级或更小。根据双比电桥原理又发展出史密斯电桥，三平衡电桥和四跨线电桥等，使得采用桥路测小电阻的理论与实践臻于完善。,18,第三章 比较式电测仪表,3.2.2 直流电桥-开尔文电桥,等效电阻,等效后为单比电桥,即,back,19,QJ57型直流双比电桥的简化电路,第三章 比较式电测仪表,3.

10、2.2 直流电桥-开尔文电桥,20,3.2.3 交流电桥,第三章 比较式电测仪表,交流电桥 A.C.bridge 测量交流元件电参数的量值和残量的电桥。也用于测量频率、损耗等电参量及一些可转换为电参数的非电量。交流元件的电参数主要有电阻、电感、电容等。残量主要指影响交流元件电参数量值和性能的次要微小因素，一般与电参数有不同的量纲，如电阻时间常数、电容损耗角、互感角差等。交流电桥的桥臂均由阻抗元件（即电阻、电容、电感元件）或它们的组合所构成。,21,3.2.3 交流电桥,Z1=R1+jX1=z1j1；Z2=R2+jX2=z2j2；Z3=R3+jX3=z3j3；Z4=R4+jX4=z4j4；,电桥

11、平衡时,辐度平衡条件,相角平衡条件,第三章 比较式电测仪表,22,3.2.3 交流电桥,交流电桥 要使电桥平衡，如相邻两臂接入电阻时，则另外相邻二臂也必须同接电容或同接电感，称为电容电桥，如图 4所示；而相对两臂接入电阻时，则其他相对二臂必须一接电感，一接电容，称为电感电桥，如图5所示。根据平衡条件可由已知的三个桥臂的电参量求得未知桥臂的电参量。,第三章 比较式电测仪表,P50：不是任意四个阻抗构成的交流电桥均可以调节平衡，也不是任意,23,3.2.3 交流电桥,第三章 比较式电测仪表,交流阻抗电桥的四个桥臂，要按一定的条件配置，才有可能平衡，从理论上讲，配置方式有好多种，但实际上可用的配置类

12、型并不多。,（a)（b)实比型（c)虚比型（d)实积型（e)虚积型,24,3.2.3 交流电桥,交流电桥 交流阻抗电桥的四个桥臂，要按照一定的条件配置，才有可能平衡。一般来说可以有实比型、虚比型、实积型、虚积型。平衡条件（2-3-1）（2-3-2）典型交流电桥：西林（Schering）电桥 麦氏（Maxwell）电桥 海氏（Hay）电桥 欧文（Owen）电桥 文氏（Wien）电桥,第三章 比较式电测仪表,25,西林（Schering）电桥,被测电容损耗因数：tandx=wC4R4 当选择R2、R4作为可调量时，Cx、tandx可以分别读数。,西林电桥属于虚积电桥，适合测量高压电容器。C3为标准

13、高压电容。平衡时,3.2.3 交流电桥,第三章 比较式电测仪表,26,被测线圈品质因数：Qx=C4R4 选择C4、R4作为可调量测量Rx、Lx时，收敛性较好。,麦氏电桥用来测量低Q值电感，平衡时,交流电桥,麦氏（Maxwell）电桥,第三章 比较式电测仪表,27,海氏电桥适合在磁性测量中测量Q值较高（10）的铁芯线圈的电感，平衡时,3.2.3 交流电桥,海氏（Hay）电桥,第三章 比较式电测仪表,28,欧文电桥用于电感的准确测量，平衡时,被测线圈品质因数 选择C3、R3作为可调量时，收敛性好且准确率高。,3.2.3 交流电桥,欧文（Owen）电桥,第三章 比较式电测仪表,29,若R1=2R2，R3=R4，C3=C4，则,文氏（Wien）电桥用于正弦电源频率的测量，平衡时,3.2.3 交流电桥,文氏（Wien）电桥,第三章 比较式电测仪表,back,30,3.3 作业,P54：2.62.7,第三章 比较式电测仪表,back,