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1、第四章 电学与磁学量测量,第四章 电学与磁学量测量,第一节 概 述 第二节 电学量测量 第三节 频率的测量 第四节 相位差的测量 第五节 磁场测量技术及仪器 第六节 材料磁特性测量技术,第一节 概 述,表4-1 常用的磁学量单位及其换算关系,第二节 电学量测量,一、电学量测量简介 二、电压、电流的测量 三、电阻、电容、电感的测量 四、电功率的测量,一、电学量测量简介,(1)直读(或偏转)法 利用模拟式指示仪表的指针、光标在度盘上所处位置或数字显示装置的读数来显示被测对象量值大小的方法均属于直读(或偏转)法。 (2)比较测量法(简称较量法) 它是将被测的量与标准量直接比较的方法。,(1)直读(或
2、偏转)法,利用模拟式指示仪表的指针、光标在度盘上所处位置或数字显示装置的读数来显示被测对象量值大小的方法均属于直读(或偏转)法。,(2)比较测量法(简称较量法) 它是将被测的量与标准量直接比较的方法。,图4-1 一般数字式仪表的结构框图,(2)比较测量法(简称较量法) 它是将被测的量与标准量直接比较的方法。,图4-2 直流数字电压表原理框图,(2)比较测量法(简称较量法) 它是将被测的量与标准量直接比较的方法。,图4-3 数字万用表原理框图,二、电压、电流的测量,图4-4 霍尔效应直接检测直流电流的原理图,二、电压、电流的测量,图4-5 霍尔检零式测量直流电流的原理图,三、电阻、电容、电感的测
3、量,图4-6 恒流源式电阻测量原理,三、电阻、电容、电感的测量,图4-7 不平衡电桥测量电阻原理,三、电阻、电容、电感的测量,图4-8 四端式测量低值电阻阻值 的数字欧姆表原理图,三、电阻、电容、电感的测量,图4-9 基于电容充电原理的超高值电阻测量原理图,四、电功率的测量,用电压和电流的乘积可间接得到视在功率和阻性电路的有功功率；采用电动系或铁磁电动系功率表可直接测出工作频率下的有功功率；频率较高的情况下可用热电系或整流变换机构的功率表。近年来也有用霍尔变换器式功率表和分割乘法式数字功率表来测量功率的。,第三节 频率的测量,一、直接测频法 二、测周法 三、多周期同步测频法 四、频率测量专用芯
4、片 五、微波频率的测量,一、直接测频法,图4-10 直接测频的原理框图,一、直接测频法,图4-11 直接测频记数误差示意图,二、测周法,图4-12 测周法原理框图,三、多周期同步测频法,图4-13 多周期同步测频法,四、频率测量专用芯片,实际频率测量中除利用单片机、PLC、FPGA/CPLD等控制器件按上述方法来实现和构建测量仪表之外，目前也有一些专用集成芯片可以实现频率测量，如ICM7216D、NB8216D、TDC-GP2等。,五、微波频率的测量,1.变频法 2.锁相分频法 该方法的测量原理如图4-15所示，由压控振荡器产生基频振荡信号fL及谐波信号NfL，由混频器产生差频信号f1=fxN
5、fL，鉴相器将此差频信号与电子计数器产生的标准信号fs比较，当f1=fxNfL=fs时，压控振荡器信号频率锁定并同步于fs，由计数器测出fL，则得到被测信号频率：fx=fs+NfL。,1.变频法,图4-14 变频法测微波信号频率的原理框图,2.锁相分频法,图4-15 锁相分频法测量原理,第四节 相位差的测量,一、脉冲计数法测相位 二、基于FFT的相位测量 三、相关法测相位 四、基于集成芯片的相位测量,一、脉冲计数法测相位,图4-16 脉冲计数法测相位的原理框图,一、脉冲计数法测相位,图4-17 脉冲计数法测相位的波形图,二、基于FFT的相位测量,三、相关法测相位,四、基于集成芯片的相位测量,图
6、4-18 AD8302引脚图,第五节 磁场测量技术及仪器,一、磁测量技术简介 二、磁感应法测磁 三、霍尔效应法 四、磁阻效应法 五、磁通门法 六、其他磁测量技术简介,一、磁测量技术简介,表4-2 磁测量技术总结表,二、磁感应法测磁,三、霍尔效应法,1.原理简介 2.霍尔元件的特性参数 霍尔元件使用时必须了解其特性参数，以便有针对性地设计测量或补偿电路。 3.霍尔元件的使用 这里介绍实用中需要注意的几个问题，供读者参考。,1.原理简介,图4-19 霍尔效应原理图,1.原理简介,图4-20 霍尔元件测量电路,2.霍尔元件的特性参数 霍尔元件使用时必须了解其特性参数，以便有针对性地设计测量或补偿电路
7、。,1)额定激励电流I 它是使在空气中的霍尔器件产生允许温升T的控制电流。 2)输入电阻 它指激励电极间的电阻值。 3)输出电阻 它指霍尔电动势输出极之间的电阻值。 4)乘积灵敏度KH 指单位电流、单位磁感应强度、霍尔电极间空载时(RL)的霍尔电动势。 5)不等位电动势U0与不等位电阻r0 不等位电动势又称零位电动势。 6)霍尔元件的温度特性及其补偿方法 霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此其许多参数都具有较大的温度系数。,图4-21 霍尔元件的不等位电动势,2.霍尔元件的特性参数 霍尔元件使用时必须了解其特性参数，以便有针对性地设计测量或补偿电路。,图4-22 霍尔元件等效电路,2.霍尔元件
8、的特性参数 霍尔元件使用时必须了解其特性参数，以便有针对性地设计测量或补偿电路。,图4-23 霍尔元件不等位电动势补偿电路,2.霍尔元件的特性参数 霍尔元件使用时必须了解其特性参数，以便有针对性地设计测量或补偿电路。,图4-24 恒流源温度补偿电路,2.霍尔元件的特性参数 霍尔元件使用时必须了解其特性参数，以便有针对性地设计测量或补偿电路。,图4-25 恒压源温度补偿电路,2.霍尔元件的特性参数 霍尔元件使用时必须了解其特性参数，以便有针对性地设计测量或补偿电路。,图4-26 热敏电阻温度补偿,2.霍尔元件的特性参数 霍尔元件使用时必须了解其特性参数，以便有针对性地设计测量或补偿电路。,3.霍
9、尔元件的使用 这里介绍实用中需要注意的几个问题，供读者参考。,)元件的选择。 2)正确的接法。 3)测量方向未知的磁场时，若霍尔元件平面与磁场的方向线成角斜交，则霍尔电动势应为UH=KHIBcos，通过旋转霍尔元件使输出达 )测量诸如地磁场等这样的微弱磁场时，常采用磁场集中器(高磁导率材料制成的圆棒或圆锥体)，以增强磁场，如图4-29所示。,)元件的选择。,元件的选择主要决定于被测对象的条件和要求。测量弱磁场时，霍尔输出电压比较小，应选择灵敏度高、噪声低的元件，如锗、锑化姻、砷化铀等元件；测量强磁场时，对元件的灵敏度要求不高，应选用磁场线性度较好的霍尔元件，如硅、锗(100)之类的元件；当供电
10、电源容量比较小时，从省电角度出发，采用锗霍尔元件有利；对环境温度有变化的场合，使用温度线性度较好的元件，如砷化镓、硅元件比较合适。总之，元件的选择要根据具体情况，全面考虑，以解决主要矛盾为首位，其余的可通过补偿办法加以克服。,2)正确的接法。,图4-27 霍尔输出的串联接法,2)正确的接法。,图4-28 霍尔交流应用的串联接法,3)测量方向未知的磁场时，若霍尔元件平面与磁场的方向线成角斜交，则霍尔电动势应为UH=KHIBcos，通过旋转霍尔元件使输出达,图4-29 磁场集中器,)测量诸如地磁场等这样的微弱磁场,测量诸如地磁场等这样的微弱磁场时，常采用磁场集中器(高磁导率材料制成的圆棒或圆锥体)
11、，以增强磁场，如图4-29所示。,四、磁阻效应法,1.原理简介 给通以电流的金属或半导体材料的薄片加一与电流垂直的外磁场时，由于电流的流动路径会因磁场作用而加长(即在洛伦兹力作用下载流子路径由直线变为斜线)，从而使其阻值增加，这种现象称为磁阻效应。 2.磁阻元件(MR)及其应用 如前所述，磁阻效应法是利用物质在磁场的作用下电阻发生变化的特性，用金属铋、砷化铟、磷砷化铟、坡莫合金等材料制成的磁阻元件来进行磁场测量的方法。,1.原理简介,给通以电流的金属或半导体材料的薄片加一与电流垂直的外磁场时，由于电流的流动路径会因磁场作用而加长(即在洛伦兹力作用下载流子路径由直线变为斜线)，从而使其阻值增加，
12、这种现象称为磁阻效应。,2.磁阻元件(MR)及其应用,图4-30 HMC1001单轴磁阻传感器的结构示意图,2.磁阻元件(MR)及其应用,图4-31 HMC1001传感器的简单应用举例,五、磁通门法,1.磁通门磁强计的基本原理 磁通门磁强计种类很多，无论其传感器、励磁电源或是检测电路都是多种多样的，但工作原理都是基于磁调制器。 2.磁通门测量电路 磁通门磁强计的测量电路种类也很多，按励磁和检出信号方式大致可分为检波式、检相式、分频式和锁相式等。 3.磁通门测量技术的特点 磁通门技术自形成以来，得到迅速发展和广泛的应用，主要是因为它与传统的磁测量相比具有显著的优点和更优良的性能。,1.磁通门磁强
13、计的基本原理,图4-32 磁通门传感器原理图,1.磁通门磁强计的基本原理,图4-33 磁滞回线 a)坡莫合金 b)铁磁物质,1.磁通门磁强计的基本原理,图4-34 磁通门双铁心跑道 形传感器结构图,2.磁通门测量电路 磁通门磁强计的测量电路种类也很多，按励磁和检出信号方式大致可分为检波式、检相式、分频式和锁相式等。,图4-35 常用的倍频参考检相式磁强计原理框图,2.磁通门测量电路 磁通门磁强计的测量电路种类也很多，按励磁和检出信号方式大致可分为检波式、检相式、分频式和锁相式等。,图4-36 励磁电路 、为CD4060分频器； 为CD4049六反相驱动器,2.磁通门测量电路 磁通门磁强计的测量
14、电路种类也很多，按励磁和检出信号方式大致可分为检波式、检相式、分频式和锁相式等。,图4-37 二次谐波测量电路 为UAF42有源滤波器;V为晶体管,3.磁通门测量技术的特点,1)具有极好的矢量响应性能，能精确测量磁场矢量、标量、分量、梯度和角参数。 2)可以实现点磁测量。 3)有较高的测量分辨力，能方便地达到10-810-9T。 4)磁通门探头没有重复性误差、迟滞误差和灵敏阈。 5)磁通门测强仪器一般适用于弱磁场测量，而现有其他仪器最高测量上限只有1.2510-3T。 6)可以实现无接触和远距离检测。,六、其他磁测量技术简介,1.核磁法 物质具有磁性和相应的磁矩，半数以上的原子核具有自旋，旋转
15、时也会产生一小磁场。 2.超导量子干涉器 某些物质在温度降到一定数值后，其电阻率突然消失为零，成为超导体。 3.磁光法 磁光法是利用传光物质在磁场作用下，引起光的振幅、相位或偏振态发生变化进行磁场测量的方法。 4.磁致伸缩型 利用紧贴在光纤上的铁磁材料如镍、金属玻璃(非晶态金属)等在磁场中的磁致伸缩效应来测量磁场。,1.核磁法,1)磁矩在外磁场作用下绕外磁场旋进，其旋进角速度为=B0(称为拉莫频率)，其中为测量介质的旋磁比，对于氢原子核，其值为2.67513108Hz/T；对于锂原子核，其值为1.039652108Hz/T。 2)塞曼效应。 3)磁共振现象。,图4-38 质子旋进式 磁强计原理
16、,2.超导量子干涉器 某些物质在温度降到一定数值后，其电阻率突然消失为零，成为超导体。,图4-39 超导隧道 结示意图,3.磁光法 磁光法是利用传光物质在磁场作用下，引起光的振幅、相位或偏振态发生变化进行磁场测量的方法。,磁光法是利用传光物质在磁场作用下，引起光的振幅、相位或偏振态发生变化进行磁场测量的方法。最早用于测量磁场的是1846年法拉第发现的磁光效应：当偏振光通过处于磁场中的传光物质，而且光的传播方向与磁场方向一致时，光的偏振面会发生偏转，其偏转角与磁感应强度B以及光穿过传光物质的长度l成正比,4.磁致伸缩型 利用紧贴在光纤上的铁磁材料如镍、金属玻璃(非晶态金属)等在磁场中的磁致伸缩效应来测量磁场。,利用紧贴在光纤上的铁磁材料如镍、金属玻璃(非晶态金属)等在磁场中的磁致伸缩效应来测量磁场。当这类铁磁材料在磁场作用下，其长度发生变化时，与它紧贴的光纤会产生纵向应变，使得光纤的折射率和长度发生变化，因而引起光的相位发生变化，这一相位变化可用光学中的干涉仪测得，从而求出被测磁场值。,第六节 材料磁特性测量技术,1.磁化曲线
