计量方法与误差理论CH32电磁计量

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1、第第1节节 时间频率计量测试时间频率计量测试第第2节节 电磁学计量测试电磁学计量测试第第3节节 电子计量测试电子计量测试第第4节节 温度计量测试温度计量测试第第5节节 光学计量测试光学计量测试第第6节节 其他计量测试其他计量测试 （几何、力学、声学、电离辐射、物质的量）（几何、力学、声学、电离辐射、物质的量）电磁计量电磁计量：应用电磁测量仪器、仪表和设备，采用相应的：应用电磁测量仪器、仪表和设备，采用相应的方法对被测量进行定量分析，研究和保证电磁量测量的统一和方法对被测量进行定量分析，研究和保证电磁量测量的统一和准确的计量学分支。准确的计量学分支。主要研究内容主要研究内容：精密测定与电磁量有关

2、的物理常数，确定：精密测定与电磁量有关的物理常数，确定电磁学单位制，按定义电磁学单位制，按定义研究、复现和保存电磁学单位的计量基研究、复现和保存电磁学单位的计量基准和标准准和标准，研究，研究电磁量的测量方法电磁量的测量方法，研究进行电磁量量值传递，研究进行电磁量量值传递的标准量具和专用测量装置，以及研究制定相应的检定系统、的标准量具和专用测量装置，以及研究制定相应的检定系统、检定规程、技术规范等技术法规。检定规程、技术规范等技术法规。电学量计量电学量计量磁学量计量磁学量计量直流计量直流计量交流计量交流计量电压、电流、电能（功率）、电压、电流、电能（功率）、电阻等电阻等电压、电流、功率、电能电压

3、、电流、功率、电能（功率）、阻抗等（功率）、阻抗等磁通、磁矩、磁感应强度磁通、磁矩、磁感应强度基本量基本量材料电磁特性材料电磁特性电导率、体电阻、绝缘电导率、体电阻、绝缘强度、介电常数、介质强度、介电常数、介质损耗因数、磁化率、饱损耗因数、磁化率、饱和磁矩等和磁矩等电电磁磁学学计计量量 电磁计量从直流、低频段逐步发展到高频、微波、毫米波、亚毫米波。电磁计量从直流、低频段逐步发展到高频、微波、毫米波、亚毫米波。世界上不少国家已将以电子学领域中电磁量为对象的计量分离出来，成为世界上不少国家已将以电子学领域中电磁量为对象的计量分离出来，成为计量学的另一分支计量学的另一分支电子计量电子计量。一、电学计

4、量单位及标准一、电学计量单位及标准 电流电流l安培安培 在真空中，截面积可以忽略的两根相距在真空中，截面积可以忽略的两根相距1m的无限长平行的无限长平行圆直导线内通过等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每圆直导线内通过等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为米长度上为2*10-7N，则每根导线中的电流为，则每根导线中的电流为1A。l电流单位复现电流单位复现 电流天平电流天平(直接测量法直接测量法)核磁共振核磁共振 欧姆定律欧姆定律 电流天平电流天平 安培秤安培秤:FI 固定线圈A、B,活动线圈C A、B、C通相同的电流IB、C电流流向相同A、C电流流向相反 C线圈受力垂直向下)104(

5、27020IF比例常数（磁导系数）核磁共振核磁共振 nuclearmagneticresonanceNMR 核磁共振核磁共振：在恒定磁场中，磁矩不为零的原子核受射频场激励后发生的能级间共振跃迁现象（共振吸收现象）。1946年美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，两人获得1952年度诺贝尔物理学奖。核磁共振成像核磁共振成像：利用水分子中氢原子的核磁共振现象，获取人体内水分子分布信息，从而精确绘制人体内部结构。其基本原理：将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电

6、子计算机处理获得图像。核磁共振确立磁场强度的标准核磁共振确立磁场强度的标准：IB，复现安培 由于直接由定义复现电流很难实现（其它方法单位精度不高，且很由于直接由定义复现电流很难实现（其它方法单位精度不高，且很难进行保存）。因此，国际上常用的复现电流单位的方法是根据电学中难进行保存）。因此，国际上常用的复现电流单位的方法是根据电学中的欧姆定律，即用电压和电阻两个电学量导出电流。的欧姆定律，即用电压和电阻两个电学量导出电流。因此在实际量值传递中，电压和电阻起到了电学基本量的作用，用因此在实际量值传递中，电压和电阻起到了电学基本量的作用，用于保存和复现电流量值。于保存和复现电流量值。【说明说明】：R

7、UI/电压单位电压单位伏特伏特以及电阻单位以及电阻单位欧姆欧姆恰好是电磁测量技术中需要而且复恰好是电磁测量技术中需要而且复现准确度最高的两个单位，有合适的现准确度最高的两个单位，有合适的实物基准实物基准来保存它们的单位量值。来保存它们的单位量值。电压电压 伏特：伏特：导出单位，导出单位，SI单位制中的定义为单位制中的定义为两点间的电位差，在载有两点间的电位差，在载有1A规定电流导线的这两点间消耗规定电流导线的这两点间消耗1W的功率的功率。标准电池：标准电池：利用化学反应产生稳定的电动势（）利用化学反应产生稳定的电动势（）惠斯登惠斯登1890发明的镉电池。由发明的镉电池。由H型或单管型玻璃容器内

8、装入硫酸镉型或单管型玻璃容器内装入硫酸镉溶液等制成。（溶液等制成。（20世纪世纪60年代以前各国家标准）年代以前各国家标准）缺点：电池自发扩散作用，电动势也会随时间下降，对外界环境条缺点：电池自发扩散作用，电动势也会随时间下降，对外界环境条件的影响非常敏感，国家基准若随时间变化就难以复现，不同国家间更件的影响非常敏感，国家基准若随时间变化就难以复现，不同国家间更难于统一电磁测量的结果。难于统一电磁测量的结果。因此实物基准有必要向自然基准（或称量子因此实物基准有必要向自然基准（或称量子基准）过渡。基准）过渡。约瑟夫森电压基准：约瑟夫森电压基准：量子隧道效应：在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约

9、为量子隧道效应：在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为1nm,如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能时，导体中有动能E的部分微的部分微粒子在粒子在EV的情况下仍可以从绝缘层一侧通过势垒的情况下仍可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物而达到另一侧的物理现象。理现象。1962年约瑟夫森效应理论提出以后，各国逐渐以约瑟夫森电压标准年约瑟夫森效应理论提出以后，各国逐渐以约瑟夫森电压标准作为国家电压标准。作为国家电压标准。1988年年9月，第月，第77届国际计量委员会通过决议，确届国际计量委员会通过决议，确定定“自自1990年年1月月1日起国际上

10、正式启用约瑟夫森常数来定义和复现电压日起国际上正式启用约瑟夫森常数来定义和复现电压单位单位”。我国自我国自1992年年8月正式批准启用约瑟夫森电压基准替代原电动势实物月正式批准启用约瑟夫森电压基准替代原电动势实物基准，复现电压单位，电学计量进入了自然基准的新时期。基准，复现电压单位，电学计量进入了自然基准的新时期。我我国国的的电电压压单单位位量量值值电阻电阻 电磁计量中精度较高的一个，良好的实物基准电磁计量中精度较高的一个，良好的实物基准基本的电阻基准标称值为基本的电阻基准标称值为11两端电阻和四端电阻（把电流端与电位端分开）。两端电阻和四端电阻（把电流端与电位端分开）。计算电容法阻抗标准计算

11、电容法阻抗标准 制作一个高精度电容器，将其几何尺寸精确计量出，从而计算出电制作一个高精度电容器，将其几何尺寸精确计量出，从而计算出电容量，把它作为阻抗标准导出其它电学阻抗。容量，把它作为阻抗标准导出其它电学阻抗。量子化霍尔效应电阻标准量子化霍尔效应电阻标准 量子化霍尔效应自量子化霍尔效应自1980年发现以来，在用于建立量子电阻标准方面年发现以来，在用于建立量子电阻标准方面取得了巨大的成功。国际计量委员会建议从取得了巨大的成功。国际计量委员会建议从1990年年1月月1日起在世界范日起在世界范围内启用量子化霍尔电阻标准代替原来的电阻实物标准，并给出了下围内启用量子化霍尔电阻标准代替原来的电阻实物标

12、准，并给出了下面的国际推荐值：面的国际推荐值：RK=h/e2Klitzing常数常数h/e2：量子化霍尔效应复现的：量子化霍尔效应复现的RK，极其稳定，达到，极其稳定，达到10-8量级以上。不象实物标准，复现和保存时由于线圈阻值随时间变化量级以上。不象实物标准，复现和保存时由于线圈阻值随时间变化而产生不确定性。而产生不确定性。主要困难主要困难：非整数值，实用标准电阻值为十进数值，需要建立高准确：非整数值，实用标准电阻值为十进数值，需要建立高准确度的非整数比例装置，实现难度极高。目前只有五、六个国家得到了度的非整数比例装置，实现难度极高。目前只有五、六个国家得到了成功，比例准确度为成功，比例准确

13、度为10-810-9量级。量级。中国计量科学研究院张钟华院士：中国计量科学研究院张钟华院士：建立了我国量子化霍尔电阻标准建立了我国量子化霍尔电阻标准。研制的低温电流比较仪不确定度达到研制的低温电流比较仪不确定度达到10-10量级，世界第一，在国际计量级，世界第一，在国际计量领域享有极高声誉。量领域享有极高声誉。1988年，他测得的量子化霍尔电阻的国际单位年，他测得的量子化霍尔电阻的国际单位制量值被国际计量委员会正式采用作为确定国际推荐值的依据之一。制量值被国际计量委员会正式采用作为确定国际推荐值的依据之一。张钟华和他的团队因张钟华和他的团队因“量子化霍尔电阻基准量子化霍尔电阻基准”项目领先国际

14、而荣获项目领先国际而荣获国家科技进步一等奖国家科技进步一等奖这一基准的准确度比国外最高水平高了这一基准的准确度比国外最高水平高了10倍倍多。多。电容和电感电容和电感 法拉法拉：当当1F电容器充以电容器充以1C电荷量时，电容器两极板产生电荷量时，电容器两极板产生1V的的电位差。电位差。电容器基准一般是由几只电容器基准一般是由几只105pF的石英电容器组成，精的石英电容器组成，精度一般约为度一般约为10-5量级（年变化率约量级（年变化率约10-7数量级）。数量级）。亨利亨利：亨利是一闭合回路的电感，当此回路中流过的电流以亨利是一闭合回路的电感，当此回路中流过的电流以1A/s的速率均匀变化时，回路中

15、产生的速率均匀变化时，回路中产生1V的电动势。的电动势。电感器基准一般是由几只电感器基准一般是由几只10mH的电感组成（无磁性的电感组成（无磁性骨架的电感线圈），精度一般约为骨架的电感线圈），精度一般约为10-5量级。量级。直流电阻计量直流电阻计量 单电桥单电桥韦斯顿四臂电桥韦斯顿四臂电桥 R1、R2构成比例，建立电阻比例的构成比例，建立电阻比例的方法：哈蒙电阻箱。把方法：哈蒙电阻箱。把n个量值很接近的电个量值很接近的电阻串联，然后将阻串联，然后将n个同样量值接近的电阻并个同样量值接近的电阻并联，形成联，形成n2：1的电阻比例。的电阻比例。（P166）每个电阻都可以每个电阻都可以4线法直接测试

16、，也线法直接测试，也可以组合测试，更主要的是，可以通可以组合测试，更主要的是，可以通过并联选件直接成为标称值的过并联选件直接成为标称值的1/10，进行精确的进行精确的100:1的传递，也可以接成的传递，也可以接成串并联实现精确的串并联实现精确的10:1的电阻传递。的电阻传递。双电桥双电桥开尔文电桥开尔文电桥 1以下小电阻以下小电阻(四端电阻四端电阻)计量计量 被测电阻和标准电阻均采用四端接法，电流端接电源回路，从而被测电阻和标准电阻均采用四端接法，电流端接电源回路，从而将这两端的引线电阻、接触电阻折合到电源回路的其它串联电阻中将这两端的引线电阻、接触电阻折合到电源回路的其它串联电阻中 直流电阻

17、计量直流电阻计量双电桥双电桥rIIRRIRIRIRIRIRIRINx)()(233123122132331)(132331123RRRRrRRrRRRRRNx直流电压计量直流电压计量 直流电位差计直流电位差计（P37 FIG3-1-6）先根据标准电池的数值确定工作电流然后把被测电压接上，调节Rx使检流器再次为零 nnxxxERRIRE两次检流器为零，不从标准电压和被测电压中吸收能量，标准电压稳定。数字电压表数字电压表直流电流计量直流电流计量 电表计量：电表计量：精度低。大电流（几十安以上）时采用分流器（低值四端电阻，并精度低。大电流（几十安以上）时采用分流器（低值四端电阻，并联分流）。联分流）

18、。电压法：电压法：用四端电阻（也称分流器）将电流转换为电压，用电位差计或数字用四端电阻（也称分流器）将电流转换为电压，用电位差计或数字电压表进行计量。电压表进行计量。大电流（几千安以上）时，分流器功耗大、发热，影响准确度。大电流（几千安以上）时，分流器功耗大、发热，影响准确度。直流电流比较仪：直流电流比较仪：解决电压法中的大电流问题解决电压法中的大电流问题 1221NNII直流功率和电能计量直流功率和电能计量 TPdtEUIP0电动势或电磁式电动势或电磁式功率表功率表计量计量电压电流电压电流计算功率计算功率 根据精度选择：根据精度选择：交流阻抗计量交流阻抗计量 交流电阻的等效电路交流电阻的等效

19、电路 交流电桥交流电桥（P169调平衡？）调平衡？）感应式比例器交流电桥：感应式比例器交流电桥：解决阻抗臂比例精度不高问题（自耦解决阻抗臂比例精度不高问题（自耦式感应分压器作比例臂，隔离式感应分压器作比例臂）式感应分压器作比例臂，隔离式感应分压器作比例臂）P170 F8-2-7212121NNZZUU匝数比稳定、可靠、准确 交流电流与电压计量交流电流与电压计量 有效值、平均值、峰值。有效值、平均值、峰值。AC-DC转换：交流量没有实转换：交流量没有实物基准，用直流量基准作参考。物基准，用直流量基准作参考。AC-DC转换是交流量计转换是交流量计量中最关键的问题量中最关键的问题 有效值计量：有效值

20、计量：热效应转换，热电偶（热电势与加热丝中交热效应转换，热电偶（热电势与加热丝中交流电流有效值平方成正比）流电流有效值平方成正比）平均值计量：平均值计量：全波或半波整流，取直流分量进行计量全波或半波整流，取直流分量进行计量(P171)峰值计量：峰值计量：交直流比较判断峰值交直流比较判断峰值（）（）峰值峰值包络检波包络检波原理原理设输入为等幅载波（包络为常数）设输入为等幅载波（包络为常数）()cosicmcv tVtciAViDvtvvtvv)()(二极管两端电压二极管两端电压工作过程工作过程：初始初始 t=0t=0，0 0，cvCRD充()0iv t 当当 时，二极管导通时，二极管导通充电充电

21、很小很小，充得快充得快当当 时，二极管截止时，二极管截止AVivtv)(放电放电RC放很大很大，放得慢放得慢AVv结果：结果：保持在输入信号的峰值上保持在输入信号的峰值上 AVAVcmvVV 输入输入等幅波等幅波（课本（课本P172）峰值峰值包络检波包络检波电路工作过程的特点：电路工作过程的特点：在在高频高频信号的信号的每一周每一周 电容器电容器C充、放电一次充、放电一次 当输入为当输入为AM信号信号()(1cos)cosicmacv tVmttAVAVAVvVv检波检波输出两部分输出两部分AVV输出输出平均值平均值，AVcmVVAVv输出输出交流交流，反映，反映输入的包络输入的包络()(1c

22、os)AVcmavtVmtAVcvv ,充电快、充电快、放电慢放电慢；当充放电荷达动态平衡时，当充放电荷达动态平衡时，输入信号输入信号峰值峰值 充放达到达到 二极管二极管只在输入信号峰值尖顶上有只在输入信号峰值尖顶上有短暂的导通短暂的导通，大部分时间截止大部分时间截止。交流功率和能量计量交流功率和能量计量TvidtTP01电动式或电磁式电动式或电磁式功率表功率表直流功率比较：高精度乘法积分运算装置，直流功率比较：高精度乘法积分运算装置，热电式交直流功热电式交直流功率比较器率比较器,计算两个有效值实现，精度千分之计算两个有效值实现，精度千分之0.01 0.01 1、磁场计量、磁场计量 磁场强弱常

23、用磁场强弱常用磁感应强度磁感应强度B描述，单位特斯拉描述，单位特斯拉T 特斯拉特斯拉是是1Wb磁通量均匀而垂直地通过磁通量均匀而垂直地通过1m2面积的磁通量密度。面积的磁通量密度。磁感应强度磁感应强度B与磁场强度与磁场强度H：磁导率 HB l 弱磁（弱磁（10-8-10-3T）计量主要利用亥姆霍兹线圈）计量主要利用亥姆霍兹线圈l 中磁（中磁（10-3-10-1T）计量主要利用螺线管）计量主要利用螺线管l 强磁（强磁（10-1T以上）计量主要利用水冷或抽冷的以上）计量主要利用水冷或抽冷的螺线管、螺线管、或低温超导螺线管。或低温超导螺线管。如果有一对相同的载流圆线圈彼如果有一对相同的载流圆线圈彼此

24、平行且共轴，通以同方向电流，此平行且共轴，通以同方向电流，当线圈间距等于线圈半径时，两当线圈间距等于线圈半径时，两个载流线圈的总磁场在轴的中点个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的，常附近的较大范围内是均匀的，常用于弱磁场的计量标准。用于弱磁场的计量标准。旋转线圈法旋转线圈法（精度10-3）：发电机原理。线圈的感应电动势与磁感应强度发电机原理。线圈的感应电动势与磁感应强度B成正比成正比 霍尔效应法霍尔效应法（精度10-2）：导体的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。导体的电流与磁场相互作用而产生电动势的效应。将金属或半导体置于磁场中，在垂直于磁场的方向通以电流，则将金属或半导体

25、置于磁场中，在垂直于磁场的方向通以电流，则电子在洛仑兹力的作用下，沿垂直于磁场和电流的平面移动，产生电电子在洛仑兹力的作用下，沿垂直于磁场和电流的平面移动，产生电动势（霍尔电动势）。动势（霍尔电动势）。dIBRUHHRH:霍尔系数霍尔系数I:通电电流通电电流d:材料厚度材料厚度B:磁感应强度磁感应强度 原理原理：在恒定的磁场中，任何具有在恒定的磁场中，任何具有本征磁矩本征磁矩的原子核都会产生能的原子核都会产生能级分裂，如果在垂直于级分裂，如果在垂直于外磁场外磁场的方向上加一个小的射频场，当射频的方向上加一个小的射频场，当射频场的角频率等于原子的场的角频率等于原子的进动频率进动频率时，低能级的粒

26、子就会从射频场吸时，低能级的粒子就会从射频场吸收能量，迁跃到高能级。收能量，迁跃到高能级。核磁共振法核磁共振法：精度10-4物质的磁性分为永磁、电磁以及核磁。物质的磁性分为永磁、电磁以及核磁。原子由绕核原子由绕核电子电子及及原子核原子核构成，而原子核沿自身构成，而原子核沿自身轴旋转，根据电磁原理，自旋与周围绕核电子相互关轴旋转，根据电磁原理，自旋与周围绕核电子相互关系可产生磁场，于是在原子核周围产生一个磁场系可产生磁场，于是在原子核周围产生一个磁场核磁核磁。B磁旋比，与粒子有关的物理常量磁旋比，与粒子有关的物理常量原子核的磁矩与自旋角动量之比称为磁旋比 2 2、磁通（磁感应通量）计量、磁通（磁

27、感应通量）计量 如果将某一空间曲线围成的某一曲面如果将某一空间曲线围成的某一曲面S分成无限多个微分面积分成无限多个微分面积dS，并取其法线一侧的方向并取其法线一侧的方向n作为作为dS的方向，则的方向，则dS与该处磁感应强度矢量与该处磁感应强度矢量B的的标量积标量积便称为向便称为向dS的法线一侧穿过的的法线一侧穿过的磁感应通量磁感应通量。cosdSBdSBdl 磁感应强度描述每一点的磁场，磁通描述闭合回路所围成的磁感应强度磁感应强度描述每一点的磁场，磁通描述闭合回路所围成的磁感应强度的通量。磁通的变化直接反映为感应电动势，的通量。磁通的变化直接反映为感应电动势，磁通是联系磁学计量和电磁通是联系磁

28、学计量和电学计量的纽带。学计量的纽带。l 韦伯：单匝环路的磁通量，当它在韦伯：单匝环路的磁通量，当它在1s内均匀地减小到零时，环路内产生内均匀地减小到零时，环路内产生1V的电动势。的电动势。磁通表磁通表又称韦伯计。又称韦伯计。l 计量方法：康贝尔线圈（计量方法：康贝尔线圈（10-510-6）、场源线圈与计量线圈组合（）、场源线圈与计量线圈组合（10-4）l 直流磁场测量：人为改变穿过测量线圈的磁通，线圈中产生脉冲感应电直流磁场测量：人为改变穿过测量线圈的磁通，线圈中产生脉冲感应电动势，根据电动势的数值可以测量出变化的磁通值以及直流磁场强度动势，根据电动势的数值可以测量出变化的磁通值以及直流磁场

29、强度（磁通表、冲击法）。（磁通表、冲击法）。3、材料磁特性计量、材料磁特性计量 l 抗磁材料、顺磁材料、铁磁材料抗磁材料、顺磁材料、铁磁材料l 直流磁特性：直流磁特性：直流磁场中表现的特性，磁化曲线、磁滞回线、矫顽直流磁场中表现的特性，磁化曲线、磁滞回线、矫顽力、剩磁感应强度、起始磁导率、最大磁导率、最大磁能积等力、剩磁感应强度、起始磁导率、最大磁导率、最大磁能积等l 交流磁特性：交流磁特性：交变磁场中表现的特性，交流磁化曲线、交流磁滞回交变磁场中表现的特性，交流磁化曲线、交流磁滞回线、损耗、起始磁导率、最大磁导率、最大磁能积等线、损耗、起始磁导率、最大磁导率、最大磁能积等l 材料磁特性计量的基本原理：材料磁特性计量的基本原理：法拉第电磁感应定律（磁计量的基法拉第电磁感应定律（磁计量的基本定律），数字积分法、伏安法、冲击法等本定律），数字积分法、伏安法、冲击法等