计量方法与误差理论CH32电磁计量

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1、第 1节 时 间 频 率 计 量 测 试第 2节 电 磁 学 计 量 测 试第 3节 电 子 计 量 测 试第 4节 温 度 计 量 测 试第 5节 光 学 计 量 测 试第 6节 其 他 计 量 测 试 （ 几 何 、 力 学 、 声 学 、 电 离 辐 射 、 物 质 的 量 ） 电 磁 计 量 ： 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 和准 确 的 计 量 学 分 支 。 主 要 研 究 内 容 ： 精 密 测 定 与 电 磁 量 有 关 的 物

2、 理 常 数 ， 确 定电 磁 学 单 位 制 ， 按 定 义 研 究 、 复 现 和 保 存 电 磁 学 单 位 的 计 量 基准 和 标 准 ， 研 究 电 磁 量 的 测 量 方 法 ， 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 、检 定 规 程 、 技 术 规 范 等 技 术 法 规 。 电 学 量 计 量磁 学 量 计 量 直 流 计 量交 流 计 量 电 压 、 电 流 、 电 能 （ 功 率 ） 、电 阻 等电 压 、 电 流 、 功 率 、 电 能（ 功 率 ） 、 阻 抗

3、等磁 通 、 磁 矩 、 磁 感 应 强 度基 本 量材 料 电 磁 特 性 电 导 率 、 体 电 阻 、 绝 缘强 度 、 介 电 常 数 、 介 质损 耗 因 数 、 磁 化 率 、 饱和 磁 矩 等电磁学计量 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 。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 电 子 计 量 。 一 、 电 学 计 量 单 位 及 标 准 电 流l安 培 在 真 空 中 ， 截

4、 面 积 可 以 忽 略 的 两 根 相 距 1m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 每米 长 度 上 为 2*10-7N， 则 每 根 导 线 中 的 电 流 为 1A。l电 流 单 位 复 现 电 流 天 平 (直 接 测 量 法 ) 核 磁 共 振 欧 姆 定 律 电 流 天 平 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( 2 7020

5、 IF 比 例 常 数 （ 磁 导 系 数 ） 核 磁 共 振 nuclear magnetic resonanceNMR 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 ： 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

6、 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 子 计 算 机 处 理 获 得 图 像 。 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

7、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 ， 用于 保 存 和 复 现 电 流 量 值 。 【 说 明 】 ： RUI / 电 压 单 位 伏 特 以 及 电 阻 单 位 欧 姆 恰 好 是 电 磁 测 量 技 术 中 需 要 而 且 复现 准

8、确 度 最 高 的 两 个 单 位 ， 有 合 适 的 实 物 基 准 来 保 存 它 们 的 单 位 量 值 。 电 压 伏 特 ： 导 出 单 位 ， SI单 位 制 中 的 定 义 为 两 点 间 的 电 位 差 ， 在 载 有1A规 定 电 流 导 线 的 这 两 点 间 消 耗 1W的 功 率 。 标 准 电 池 ： 利 用 化 学 反 应 产 生 稳 定 的 电 动 势 （ 1.01860V） 惠 斯 登 1890发 明 的 镉 电 池 。 由 H型 或 单 管 型 玻 璃 容 器 内 装 入 硫 酸 镉溶 液 等 制 成 。 （ 20世 纪 60年 代 以 前 各 国 家 标 准

9、 ） 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 基 准 ） 过 渡 。 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 为 1nm,如 氧 化 薄 膜 ） ， 当 两 端 施 加 势 能 形

10、 成 势 垒 V时 ， 导 体 中 有 动 能 E的 部 分 微粒 子 在 E V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 准作 为 国 家 电 压 标 准 。 1988年 9月 ， 第 77届 国 际 计 量 委 员 会 通 过 决 议 ， 确定 “ 自 1990年 1月 1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 ” 。 我 国 自 1992年 8月

11、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 。 我国的电压单位量值 电 阻 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 1两 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 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

12、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 自 1980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 1990年 1月 1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 下面 的 国 际 推 荐 值 ：R K =h/e2=25812.807 Klitzing常 数 h/e2： 量 子 化 霍 尔 效 应 复 现 的

13、RK， 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 化而 产 生 不 确 定 性 。 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 10-8 10-9量 级 。 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

14、 准 。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 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 “ 量 子 化 霍 尔 电 阻 基 准 ” 项 目 领 先 国 际 而 荣 获国 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 10倍多 。 电

15、 容 和 电 感 法 拉 ： 当 1F电 容 器 充 以 1C电 荷 量 时 ， 电 容 器 两 极 板 产 生 1V的电 位 差 。 电 容 器 基 准 一 般 是 由 几 只 105pF的 石 英 电 容 器 组 成 ， 精度 一 般 约 为 10-5量 级 （ 年 变 化 率 约 10-7数 量 级 ） 。 亨 利 ： 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 产 生 1V的 电 动 势 。 电 感 器 基 准 一 般 是 由 几 只 10mH的 电 感 组 成 （ 无 磁 性骨 架

16、的 电 感 线 圈 ） ， 精 度 一 般 约 为 10-5量 级 。 直 流 电 阻 计 量 单 电 桥 韦 斯 顿 四 臂 电 桥 R1、 R2构 成 比 例 ， 建 立 电 阻 比 例 的方 法 ： 哈 蒙 电 阻 箱 。 把 n个 量 值 很 接 近 的 电阻 串 联 ， 然 后 将 n个 同 样 量 值 接 近 的 电 阻 并联 ， 形 成 n2： 1的 电 阻 比 例 。 （ P166） 每 个 电 阻 都 可 以 4线 法 直 接 测 试 ， 也可 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 1/10，进 行 精

17、确 的 100:1的 传 递 ， 也 可 以 接 成串 并 联 实 现 精 确 的 10:1的 电 阻 传 递 。 双 电 桥 开 尔 文 电 桥 1以 下 小 电 阻 (四 端 电 阻 )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 计 量 双 电 桥 rIIRRI RIRIRI RIRIRI Nx )()( 23312 31221 32331 )( 132331 123 RRRRrRR r

18、RRRRR Nx 直 流 电 压 计 量 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 n nxxx ERRIRE 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 直 流 电 流 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 ， 并联 分 流 ） 。 电 压

19、 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 。 直 流 电 流 比 较 仪 ： 解 决 电 压 法 中 的 大 电 流 问 题 P167 F8.2.4 1221 NNII 直 流 功 率 和 电 能 计 量 T PdtE UIP 0电 动 势 或 电 磁 式 功 率 表计 量 电 压 电 流 计 算 功 率 根 据 精 度 选 择 ： 交 流 阻 抗 计 量 交 流 电 阻 的

20、 等 效 电 路 交 流 电 桥 （ P169调 平 衡 ？ ） 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 F8-2-7 212121 NNZZUU 匝 数 比 稳 定 、 可 靠 、 准 确 交 流 电 流 与 电 压 计 量 有 效 值 、 平 均 值 、 峰 值 。 AC-DC转 换 ： 交 流 量 没 有 实物 基 准 ， 用 直 流 量 基 准 作 参 考 。 AC-DC转 换 是 交 流 量 计量 中 最 关 键

21、的 问 题 有 效 值 计 量 ： 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 ） 平 均 值 计 量 ： 全 波 或 半 波 整 流 ， 取 直 流 分 量 进 行 计 量 (P171) 峰 值 计 量 ： 交 直 流 比 较 判 断 峰 值 （ P172 F8.2.9） 峰 值 包 络 检 波 原 理设 输 入 为 等 幅 载 波 （ 包 络 为 常 数 ）( ) cosi cm cv t V t ciAViD vtvvtvv )()(二 极 管 两 端 电 压工 作 过 程 ： 初 始 t=0， 0， cv CRD

22、充( ) 0iv t 当 时 ， 二 极 管 导 通 充 电 很 小 ， 充 得 快当 时 ， 二 极 管 截 止AVi vtv )( 放 电 RC放 很 大 ， 放 得 慢AVv结 果 ： 保 持 在 输 入 信 号 的 峰 值 上 AV AV cmv V V 输 入等 幅 波 （ 课 本 P172） 峰 值 包 络 检 波 电 路 工 作 过 程 的 特 点 ： 在 高 频 信 号 的 每 一 周 电 容 器 C充 、 放 电 一 次 当 输 入 为 AM信 号( ) (1 cos )cos i cm a cv t V m t t AVAVAV vVv检 波 输 出 两 部 分AVV 输

23、出 平 均 值 ， AV cmV V AVv 输 出 交 流 ， 反 映 输 入 的 包 络( ) (1 cos )AV cm av t V m t AV cv v ,充 电 快 、 放 电 慢 ； 当 充 放 电 荷 达 动 态 平 衡 时 ， 输 入 信 号 峰 值 充放 达 到 二 极 管 只 在 输 入 信 号 峰 值 尖 顶 上 有 短 暂 的 导 通 ， 大 部 分 时 间 截 止 。 交 流 功 率 和 能 量 计 量 T vidtTP 01电 动 式 或 电 磁 式 功 率 表直 流 功 率 比 较 ： 高 精 度 乘 法 积 分 运 算 装 置 ， 热 电 式 交 直 流 功

24、率 比 较 器 ,计 算 两 个 有 效 值 实 现 ， 精 度 千 分 之 0.1 0.01 1、 磁 场 计 量 磁 场 强 弱 常 用 磁 感 应 强 度 B描 述 ， 单 位 特 斯 拉 T 特 斯 拉 是 1Wb磁 通 量 均 匀 而 垂 直 地 通 过 1m2面 积 的 磁 通 量 密 度 。 磁 感 应 强 度 B与 磁 场 强 度 H： 磁 导 率 HB l 弱 磁 （ 10-8-10-3T） 计 量 主 要 利 用 亥 姆 霍 兹 线 圈l 中 磁 （ 10 -3-10-1T） 计 量 主 要 利 用 螺 线 管l 强 磁 （ 10-1T以 上 ） 计 量 主 要 利 用 水

25、 冷 或 抽 冷 的螺 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 ， 常用 于 弱 磁 场 的 计 量 标 准 。 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 B成 正 比 霍 尔 效 应 法 （ 精 度 10-2） ： 导 体 的 电 流

26、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 ） 。 dIBRU HH RH: 霍 尔 系 数I: 通 电 电 流d: 材 料 厚 度B: 磁 感 应 强 度 原 理 ： 在 恒 定 的 磁 场 中 ， 任 何 具 有 本 征 磁 矩 的 原 子 核 都 会 产 生 能级 分 裂 ， 如 果 在 垂 直 于 外 磁

27、场 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 进 动 频 率 时 ， 低 能 级 的 粒 子 就 会 从 射 频 场 吸收 能 量 ， 迁 跃 到 高 能 级 。 核 磁 共 振 法 ： 精 度 10-4物 质 的 磁 性 分 为 永 磁 、 电 磁 以 及 核 磁 。 原 子 由 绕 核 电 子 及 原 子 核 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 关系 可 产 生 磁 场 ， 于 是 在 原 子 核 周 围 产 生 一 个 磁 场 核 磁 。

28、B 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、 磁 通 （ 磁 感 应 通 量 ） 计 量 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 dS，并 取 其 法 线 一 侧 的 方 向 n作 为 dS的 方 向 ， 则 dS与 该 处 磁 感 应 强 度 矢 量 B的 标 量 积 便 称 为 向 dS的 法 线 一 侧 穿 过 的 磁 感 应 通 量 。 cos dSBdSBdl 磁 感 应 强 度 描 述 每 一 点 的 磁 场 ， 磁 通 描

29、 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 ， 磁 通 是 联 系 磁 学 计 量 和 电学 计 量 的 纽 带 。l 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1V的 电 动 势 。 磁 通 表 又 称 韦 伯 计 。l 计 量 方 法 ： 康 贝 尔 线 圈 （ 10 -5 10-6） 、 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

30、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（ 磁 通 表 、 冲 击 法 ） 。 3、 材 料 磁 特 性 计 量 l 抗 磁 材 料 、 顺 磁 材 料 、 铁 磁 材 料l 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 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l 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 基本 定 律 ） ， 数 字 积 分 法 、 伏 安 法 、 冲 击 法 等