电子测量原理第部分电压测量

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1、第5章 电压测电压测 量 5 1 概述 5 2 电压标准 5 3 交流电压的测量 5 4 直流电压的数字化测量及A D转换原理 5 5 电流 电压 阻抗变换技术及数字多用表 5 6 数字电压表测量的不确定度及 自动校准 自动量程技术 5 7 电压测量的干扰及抑制技术 5 1 概述 5 1 1 电压测量的意义 特点 1 电压测量的重要性 阐述电压测量的意义 重要性及应用 2 电压测量的特点 从电压测量的频率 范围 要求等方面阐述其 特点 这些特点也反映了电子测量的主要特点 1 电压测量的重要性 电压测量是电测量与非电测量的基础 电测量中 许多电量的测量可以转化为电压测量 表征电信号能量的三个基本

2、参数 电压 电流 功率 其中 电流 功率 电压 再进行测量 电路工作状态 饱和与截止 线性度 失真度 电压表征 非电测量中 物理量 电压信号 再进行测量 如 温度 压力 振动 加 速度 2 电压测量的特点 1 频率范围广 零频 直流 109Hz 低频 1MHz以下 高频 射频 1MHz以上 2 测量范围宽 微弱信号 心电医学信号 地震波等 纳伏级 10 9V 超高压信号 电力系统中 数百千伏 3 电压波形的多样化 电压信号波形是被测量信息的载体 各种波形 纯正弦波 失真的正弦波 方波 三角波 梯 形波 随机噪声 2 电压测量的特点 4 阻抗匹配 在多级系统中 输出级阻抗对下一输入级有影响 直流

3、测量中 输入阻抗与被测信号源等效内阻形 成分压 使测量结果偏小 如 采用电压表与电流表测量电阻 当测量小电阻时 应采用电压表并联方案 当测量大电阻时 应采用电流表串联方案 交流测量中 输入阻抗的不匹配引起信号反射 2 电压测量的特点 5 测量精度的要求差异很大 10 1至10 9 6 测量速度的要求差异很大 静态测量 直流 慢变化信号 几次 秒 动态测量 高速瞬变信号 数亿次 秒 几百MHz 精度与速度存在矛盾 应根据需要而定 7 抗干扰性能 工业现场测试中 存在较大的干扰 5 1 2 电压测量的方法和分类 2 电压测量方法的分类 按对象 直流电压测量 交流电压测量 按技术 模拟测量 数字测量

4、 1 交流电压的模拟测量方法 表征交流电压的三个基本参量 有效值 峰值和 平均值 以有效值测量为主 方法 交流电压 有效值 峰值和平均值 直流电流 驱动表头 指示 有效值 峰值和平均值电压表 电平表等 5 1 2 电压测量的方法和分类 2 数字化直流电压测量方法 模拟直流电压 A D转换器 数字量 数字 显示 直观 数字电压表 DVM 数字多用表 DMM 3 交流电压的数字化测量 交流电压 有效值 峰值和平均值 直流电 压 A D转换器 数字量 数字显示 DVM DMM 的扩展功能 5 1 2 电压测量的方法和分类 4 基于采样的交流电压测量方法 交流电压 A D转换器 瞬时采样值u k 计算

5、 如有效值 式中 N为u t 的一个周期内的采样点数 5 示波测量方法 交流电压 模拟或数字示波器 显示波形 读出结果 5 2 电压标准 5 2 1 直流电压标准 电压和电阻是电磁学中的两个基本量 电压基准和电阻基准 其他电磁量基准 电压标准有 标准电池 实物基准 10 6 齐纳管电压标准 固态标准 10 6 约瑟夫森量子电压基准 量子化自然基准 10 10 电阻标准有 精密线绕电阻 实物标准 霍尔电阻基准 量子化自然基准 10 9 5 2 1 直流电压标准 u 1 标准电池 原理 利用化学反应产生稳定可靠的电动势 1 01860V 有饱和型和不饱和型两种类型 饱和型特点 电动势非常稳定 年稳

6、定性可小于 0 5 V 相当于5 10 7 但温度系数较大 约 40 V 用于计量部门恒温条件下的电压标 准器 不饱和型特点 温度系数很小 约 4 V 但稳定性较差 用于一般工作量具 如实验室中 常用的便携式电位差计 1 标准电池 使用中应注意 1 不能倾倒 不能震动 冲击 不易运输 2 温度修正 特别是对饱和型 温度 电动势 修正公式 式中 Et E20分别为t 使用时的温度 和 20 出厂检定时温度 时标准电池的电动势 3 标准电池存在内阻 仪表输入电阻应较大 2 齐纳管电压标准 u 原理 利用齐纳二极管的稳压特性制作的电子式电压标 准 也称为固态电压标准 u 齐纳管的稳压特性仍然存在受温

7、度漂移的影响 采用高稳定电源和内部恒温控制电路可使其温度 系数非常小 u 将齐纳管与恒温控制电路集成在一起的精密电压 基准源 如LM199 299 399 REF系列 2 齐纳管电压标准 u 为克服输出电压的波动 还可将多个精密电压基 准源并联 得到它们的平均值 2 齐纳管电压标准 上图中 假设运放是理想的 则流入运放同相端电流I 0 即 若R1 R2 R3 R4 则 而输出电压 2 齐纳管电压标准 u 齐纳管电压标准器整机输出电压有 10V 1V和1 0186V 10V输出便于检定和传递到高电压 且运输 保 存和使用方便 如WUK7000系列直流电压参考标准 10V输出的年稳定性可达0 5

8、10 6 1V和1 018V输出的年稳定性可达到2 10 6 温度 系数为0 05 10 6 3 约瑟夫森量子电压基准 u 原理 基于约瑟夫森 Josephson 效应的量子电压基准 u 约瑟夫森效应 约瑟夫森隧道结 在两块相互隔开 约10埃的绝缘层 的超导体之间 由于量子隧道效应 超导电流 约 mA量级 可以穿透该绝缘层 使两块超导体之间存在 微弱耦合 这种超导体 绝缘体 超导体 SIS 结构称 为约瑟夫森隧道结 约瑟夫森效应 当在约瑟夫森结两边加上电压V时 将 得到穿透绝缘层的超导电流 这是一种交变电流 这 种现象称为交流约瑟夫森效应 3 约瑟夫森量子电压基准 u 约瑟夫森效应 即 电压V

9、 约瑟夫森结 超导电流 超导交变电流的频率为 式中 e为电子电荷 h为普朗克常数 因而KJ为一常数 当电压V为mV量级时 频率f相当于厘米波 逆效应 若将约瑟夫森结置于微波场中 即用微波辐 射到处于超导状态下的约瑟夫森结上 时 将在约瑟 夫森结上得到量子化阶梯电压Vn 即 微波 频率f 约瑟夫森结 量子化阶梯电 压Vn 第n个阶梯 3 约瑟夫森量子电压基准 u 约瑟夫森电压基准 根据约瑟夫森效应 由稳定的频率 f 确定电压V 即 通过时间 频率 单位得到量子化电压基准 量子化电压基准的准确度可接近时间 频率 准确度 国际计量委员会的建议 从1990年1月1日开始 在世界范围内同时启用了约瑟 夫

10、森电压量子基准 JJAVS 10 10 并给出 KJ 90 483597 9GHz V 3 约瑟夫森量子电压基准 u 约瑟夫森结阵 JJA 约瑟夫森结产生的量子电压较低 mv级 在一个芯片上将成千上万个或更多的约瑟夫森结串联 得到约瑟夫森结阵 JJA 可产生1V至10V的电压 u 我国的约瑟夫森量子电压基准 由中国计量科学研究院 NIM 量子部建立 1993年底 1V约瑟夫森结阵电压基准 测量不确定度 达到6 10 9 1999年底 10V约瑟夫森结阵电压基准 合成不确定 度为5 4 10 9 1 应用 对标准电池 固态电压标准的量值传递 高精 度数字多用表等的计量检定 测量不确定度为1E 8

11、 5 2 1 交流电压标准 u 原理 由直流电压标准建立 因而 需经过交流 直流变换 u 测热电阻桥式高频电压标准 基本原理 将高频电压通过一电阻 称为测热电阻 如热敏电阻 该电阻由于吸收高频电压功率 其阻 值将发生变化 再将一标准直流电压同样施加于该电 阻 若引起的阻值变化相等 则高频电压的有效值就 等于该直流电压 u 双测热电阻电桥的原理图 双测热电阻电桥的原理图 双测热电阻电桥的原理 u 如图 标准电阻 如R 200 组成三个桥臂 两个完全 相同的测热电阻RT 如RT 100 组成一个桥臂 u 测量过程 1 电桥置于 DC 直流 调节直流电压源到V0 使电桥平衡 则测热电阻2RT R 2

12、 置于 RF 射频 即高频电压 设有效值为VRF 此时 测热电阻上同时施加有交流和直流功率 两测热电 阻RT对交流为并联 对直流为串联 再次调节直流电压源到V1 使电桥平衡 双测热电阻电桥的原理 u 测量过程 由两次电桥平衡关系 有 即高频电压有效值为 双测热电阻电桥的原理 u 对上述电路的要求 两个测热电阻的一致性好 阻值和温度特性相同 检流计要非常灵敏 特别是测量小的高频电压时 隔直电容C应保证满足 使交流功率在电容C上的损耗可以 忽略 u 测热电阻电桥的缺点 测热电阻对环境温度敏感 操作较复杂 一般不能直接读数 需换算 u 准确度 若直流电压标准准确度为10 5 则得到的高频电压标准准

13、确度可达10 3 u 应用 对模拟电压表检定 5 3 交流电压的测量 u 5 3 1 表征交流电压的基本参量 峰值 平均值 有效值 波峰因数和波形因数 u 峰值 以零电平为参考的最大电压幅值 用Vp表示 注 以直流分量为参考的最大电压幅值则称为振幅 通常用Um表示 5 3 1 表征交流电压的基本参量 u 平均值 均值 数学上定义为 相当于交流电压u t 的直流分量 交流电压测量中 平均值通常指经过全波或半波整流 后的波形 一般若无特指 均为全波整流 对理想的正弦交流电压u t Vpsin t 若 2 T 5 3 1 表征交流电压的基本参量 u 有效值 定义 交流电压u t 在一个周期T内 通过

14、某纯电阻负 载R所产生的热量 与一个直流电压V在同一负载上产 生的热量相等时 则该直流电压V的数值就表示了交流 电压u t 的有效值 表达式 直流电压V在T内电阻R上产生的热量Q I2RT 交流电压u t 在T内电阻R上产生的热量Q 由Q Q 得 有效值 5 3 1 表征交流电压的基本参量 u 有效值 意义 有效值在数学上即为均方根值 有效值反映了 交流电压的功率 是表征交流电压的重要参量 对理想的正弦交流电压u t Vpsin t 若 2 T u 波峰因数和波形因数 波峰因数定义 峰值与有效值的比值 用Kp表示 5 3 1 表征交流电压的基本参量 u 波峰因数和波形因数 对理想的正弦交流电压

15、u t Vpsin t 若 2 T 波形因数定义 有效值与平均值的比值 用KF表示 对理想的正弦交流电压u t Vpsin t 若 2 T 5 3 1 表征交流电压的基本参量 u 波峰因数和波形因数 常见波形的波峰因数和波形因数可查表得到 如正弦波 Kp 1 41 KF 1 11 方波 Kp 1 KF 1 三角波 Kp 1 73 KF 1 15 锯齿波 Kp 1 73 KF 1 15 脉冲波 Kp KF 为脉冲宽度 T为周期 白噪声 Kp 3 较大 KF 1 25 5 3 2 交流 直流转换器的响应特性及 误差分析 u 1 交流 直流电压 AC DC 转换原理 模拟电压表的交流电压测量原理 交

16、流电压 直流电流 有效值 峰值和平均值 驱动表头 指示 交流电压 有效值 峰值和平均值的转换 称为 AC DC转换 由不同的检波电路实现 峰值检波原理 由二极管峰值检波电路完成 有二极管串联和并联两 种形式 如下图 1 交流 直流电压 AC DC 转换原理 二极管峰值检波电路 a 串联式 b 并联式 c 波形 1 交流 直流电压 AC DC 转换原理 u 二极管峰值检波电路工作原理 通过二极管正向快速充电达到输入电压的峰值 而二 极管反向截止时 保持 该峰值 为此 要求 式中 Rs和rd分别为等效信号源u t 的内阻和二极管正 向导通电阻 C为充电电容 并联式检波电路中C还起 到隔直流的作用 RL为等效负载电阻 Tmin和Tmax为 u t 的最小和最大周期 从波形图可以看出 峰值检波电路的输出存在较小的 波动 其平均值略小于实际峰值 1 交流 直流电压 AC DC 转换原理 u 平均值检波原理 由二极管桥式整流 全波整流和半波整流 电路完成 如图 整流电路输出直流电流I0 其平均值与被测输入 电压u t 的平均值成正比 与u t 的波形无关 电容C用于滤除整流后的交流成分 避免指针摆