電磁測量聯(lián)系

在自然界眾多的現(xiàn)象和規(guī)律中，電磁規(guī)律與其他物理現(xiàn)象具有廣泛的聯(lián)系，例如電或磁的力學效應、熱效應、光效應、化學效應等。這不僅為電學量和磁學量本身的測量，而且為幾乎所有非電量的測量提供了多種多樣的方法和手段。實際上，只要具備合適的檢測裝置，就可以方便地用電學方法處理以不同方式獲取的各種測量信息。同時，由于電信號比其他種類信號更便于轉換、放大、 傳送， 以致20世紀80年代數(shù)據(jù)處理的最有效工具──電子計算機也要求輸入電信號，因此電磁測量在技術科學領域中具有十分重要的地位。

研究電學量、磁學量以及可轉化為電學量的各種非電量的測量原理、 方法和所用儀器、 儀表的技術科學。測量是指用實驗方法將被測量（未知量）與已知的標準量相比較,以達到定量認識的過程。自然現(xiàn)象的規(guī)律,只在有可能定量描述時才能被人們深刻認識，而且只有在不斷為實驗和實踐所證實后才能被廣泛承認。同時，人們又利用已掌握其規(guī)律的各種現(xiàn)象去發(fā)展新的測量方法和工具，為科學的進一步發(fā)展，揭示新的規(guī)律創(chuàng)造條件。

電磁現(xiàn)象是自然界中最普遍的物理現(xiàn)象之一。在人們還沒有揭示出電和磁之間的關系之前，僅能根據(jù)它們本身的力效應制作簡單儀器，分別觀察電和磁的現(xiàn)象。磁測量儀器的出現(xiàn)遠在電測量儀器之前。最早的磁測量儀器是中國的司南（見電工科技史），它實際是一臺磁性羅盤。西方有關磁測量儀器的最早記載，出現(xiàn)于16世紀末。W.吉伯在他的專著《論磁性、磁體和巨大地磁體》中介紹了一種名為 Versorium的測磁儀器。此儀器是將一根箭形鐵針支承在尖端上,用以觀察磁性的吸引現(xiàn)象。Versorium也是最早的電測量儀器，吉伯發(fā)現(xiàn)不論用哪種金屬制作箭形針，當此儀器接近帶靜電物體時，金屬針都將被吸引而發(fā)生偏轉。1745年Г.Β.里赫曼為研究大氣電現(xiàn)象而發(fā)明了稱作靜電計的第一臺具有定量性質的電測量儀器。亞麻線長6cm，重量僅0.05g。當金屬桿移近帶電體或與帶電體連接時，亞麻線受斥力沿1/4 圓弧形木板張開一個角度。據(jù)此可分辨電“力”的強弱。以后又相繼出現(xiàn)一些不同結構的靜電測量儀器。

1820年，H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應；1821年，A.-M.安培闡明兩帶電流導體間能產生吸引或排斥力的效應；1831年，M.法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)使得科學家掌握了動電、磁和機械力，以及動磁與電之間的關系，促使電與磁的測量和有關儀表的發(fā)展產生了躍變，出現(xiàn)了利用磁與電相互作用產生機械力矩、并以指針或光點進行指示的各系機械式指示電表和記錄儀表，以及在特殊設計的線路（如電橋、電位差計等）中將待測的未知量與標準量進行比較的比較測量儀器（簡稱較量儀器）。

電磁測量對象和測量過程 　電磁測量對象以電學量和磁學量為主。電學量包括電學量（如電壓U、電流I、電功率P、無功功率Q、功率因數(shù)等）和電參數(shù)（如電阻R、電容C、自感L、互感M等）。其中,U和I是基本量,其他一些電學量可以通過它們間接得到。磁學量包括磁通Φ、磁通密度（磁感應強度）B、磁場強度 H、磁導率μ 、鐵損等。其中B與H為基本量。50年代以后出現(xiàn)的數(shù)字測量技術，則以時間、頻率（或脈沖數(shù)）為基本量。

電磁測量綜述

測量是將未知量與標準量進行比較的過程。在電磁測量中，標準器件所提供的標準量，不一定與未知量屬于同一性質，即使有同一性質，它們的量值可能相差較大。為此，在比較前需將未知量與標準量變換為同一性質和數(shù)量上可比較的量。例如機械式指示電表，多是先將標準量轉換為力矩儲存在電表的張絲或游絲中，而未知量則是利用電磁或靜電的機械力效應也轉換為同數(shù)量級的力矩以便比較，其結果以指針或光點的偏移顯示。又如較量儀器，多是將未知量和標準量在測量線路中轉換為電壓(或電流)以進行比較。兩電壓相等時，檢測儀表指零。對于機械式指示電表，可根據(jù)指針或光點在刻度盤上的位置,直接讀出測量結果。而較量儀器，如電橋,還要經數(shù)據(jù)處理計算出測量結果。若采用自動化測量，則可自動完成此步驟。

電磁測量過程

組成測量過程的每一環(huán)節(jié)，不論硬設備（各種電表、儀器、電學基準等），還是軟措施（如不同的電磁測量方法、數(shù)據(jù)處理等），都不是絕對理想和完善的，都將存在著電磁測量誤差。此外，測量系統(tǒng)外部及內部之間的各種干擾和不希望的相互影響，也將引入各種測量誤差。為了減小及消除這些誤差源，需在電表和儀器內設置電磁屏蔽，或在測量線路內采取防止干擾的措施。

電磁測量促進了電工技術的發(fā)展，電磁測量在電工的發(fā)展中起著重要作用。在電學與磁學的早期分別發(fā)展階段,科學家為深入觀察和定量認識客觀規(guī)律,已通過測量做了很多探索工作。如1785年,C.-A.庫侖用靜電扭秤測靜磁相互作用及靜電相互作用的力，得到了平方反比定律即庫侖定律。在發(fā)現(xiàn)了電和磁之間的關系以后，有更多的科學家投身于電磁關系的研究，并在當時比較原始的條件下，精心設計和制作了很多專用儀器，并提出很多創(chuàng)造性的測量方法，如安培為觀察電流間相互作用規(guī)律所做的實驗，G.S.歐姆在建立歐姆定律過程中所做的實驗等。歷史上很多對電磁學理論有貢獻的科學家，其本人就是測量方案的制訂者、測量方法的提出者和測量儀器的創(chuàng)制者。

當將電磁學的科研成果轉向生產實際形成電工技術時，除要求更深入、更廣泛地進行研究外，新興的電力事業(yè)還需要大量各種類型的監(jiān)測儀器和測量方法；而電工設備制造行業(yè)，從檢查入廠的原材料質量開始，直到成品的性能試驗止，同樣需要大量的實驗儀表，這就促使了電磁測量儀表向商品化的方向發(fā)展。20世紀初，世界上一些國家已初步建成電工儀表工業(yè)。以后又不斷吸取各種學科的新成就，提高了電磁測量儀表的性能，如采用電子技術擴展儀表的量限、提高靈敏度、準確度等。此外還改進測量線路，提出新的測量方法。

電磁測量一方面以電工技術等為主要服務對象，另一方面它的發(fā)展一直與電工技術的發(fā)展交織在一起，成為后者的重要組成部分。同時，電磁測量又具有自己的基本理論，專門的設計原理，系統(tǒng)的測量方法和一整套電學和磁學基準以及傳遞量值的系統(tǒng)；到20世紀的中期已形成了自己的學科體系。

數(shù)字儀表出現(xiàn)和電磁測量系統(tǒng) 　在20世紀中期以前，電磁測量主要采用模擬技術，所生產的儀器儀表稱為模擬式或經典儀器儀表，以區(qū)別于50年代以后采用數(shù)字技術所制成的儀器儀表。實際上，即使是模擬式儀器儀表，由于新材料、新結構和新工藝的采用，它們的性能也不斷提高，并且發(fā)展出不少新的種類，如成套的變換器式電表、感應耦合比例臂電橋、感應式電流比較儀等。但在引入數(shù)字技術后，電磁測量技術發(fā)生了重大的變化。

數(shù)字技術是將被測的連續(xù)物理量,利用模-數(shù)轉換原理轉變?yōu)殡x散量，經處理后，最終以數(shù)字形式顯示或打印出測量結果。數(shù)字儀表具有準確度高、速度快、讀數(shù)沒有視差等優(yōu)點，且便于與計算機聯(lián)接。

第一臺數(shù)字電壓表出現(xiàn)于1952年，系電子管式，并很快由分立元件組成的晶體管線路所取代。70年代以來，隨著半導體集成電路的發(fā)展，數(shù)字儀表的性能也不斷改善。到80年代，將微型計算機、單片機與數(shù)字儀表結合，賦予數(shù)字儀表智能化功能，使數(shù)字測量技術進入了一個新階段。

科學研究的發(fā)展，工業(yè)品產量的增長，巨大電力等系統(tǒng)的集中控制，要求測試的物理參數(shù)常多達成百上千個。這樣大量的測量，若不采用自動化措施是難于實現(xiàn)的。這一任務可由測量信息系統(tǒng)來完成。

包括測量變換器、電磁測量儀表及一些輔助設備。此系統(tǒng)通過一系列的變換器自動從外界獲取信息。測量變換器有兩大類：①將電學量仍變換為電學量的變換器，如分流器、分壓器，電力系統(tǒng)中使用的電壓、電流、功率變送器等；②將非電量變換為電學量的變換器，例如壓力、溫度、速度、位移等變換器。

從信息的角度，電磁測量儀表與測量變換器都是能產生含有測量信息信號的電測量工具，但前者具有能被觀測者接受的形式，而后者的信號，雖便于傳送、便于做進一步變換、處理和保存等，可是不一定適于觀測者直接接受。為克服這一困難，常需兩者聯(lián)用。

隨著新材料、新工藝的出現(xiàn)和數(shù)字技術、電子技術、計算機的應用，進一步擴大了測量信息系統(tǒng)的功能。電磁測量將向以下幾方面發(fā)展。①利用現(xiàn)代物理的最新成就，建立電磁測量的自然基準，如約瑟夫森電壓基準、量子霍耳效應電阻基準。②利用磁場對光的偏轉效應，制成測大電流的電流互感器和利用泡克耳斯效應或克爾效應測高電壓。③利用微型計算機、單片機制成各種智能化儀表，構成自動測試系統(tǒng)?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的測量已與控制融為一體，形成有機的調控系統(tǒng)，其測量功能遠超過簡單的測量裝置。2100433B

介紹

按獲得被測量數(shù)值的方式，電磁測量方法又分為直讀法和比較測量法。①直讀法：利用電測量儀表直接讀取被測量的數(shù)值，所用儀表的刻度預先按被測量的標準值標定。在電學量測量中，直讀法所用的主要測量儀器是機械式指示電表。磁學量測量主要用直讀法，常用儀器有磁通計、磁強計等。②比較測量法：簡稱較量法。測量時，需使被測量和作為標準的已知量一起在比較儀器中進行比較，從而求得被測量。較量法又分為零值法、替代法和差值法。零值法指被測量和已知量比較時，檢測器指零，如用電橋測量電阻。替代法是利用已知量替代被測量，此時如不引起儀器工作狀態(tài)的變化，則可認為被測量等于已知量。這種方法的測量結果與儀器本身的準確度無關，只決定于替代的已知量。差值法利用被測量與已知量的差值作用于儀器，求得被測量，主要用于測量電學量和磁學量的變化或與標準量的差值，如用不平衡電橋測量電阻時，電橋的檢測儀器不指零，只要其反映出的變化或差值。較量法使用的主要測量工具有電學標準器（見電學標準）和電測量儀器（如電橋、電位差計等）。磁學量測量中，因難于制出各種磁學標準器，較量法用得很少。

常用的電磁測量方法還有：①單表法：利用電表指示或其變化確定測量結果，例如半偏法測電表本身的內阻,替代法測電阻等。②電壓表-電流表法：將電壓表和電流表聯(lián)合起來測量電參數(shù)。最早用于測電阻，電橋的電路即從這一方法的電路演化而成。③諧振法：利用電諧振原理測量電量（如頻率）或電參數(shù)（如電感、電容和電阻）。④過渡過程法：利用被測量的動態(tài)過程進行測量。如利用電容放電測大電阻或大電容，用沖擊法測磁通變化等。

電磁測量誤差 　由于電磁測量與一般測量一樣總是存在誤差（見電磁測量誤差），因而不斷尋求新的測量方法，提高原有儀表的性能，消減測量誤差，已成為研究測量方法的重要課題。在實際測量中，并不是每一項測量任務都要求獲得盡量高的準確度。因此，在決定采用何種測量方法時，應注意使這種方法所達到的準確度與測量任務的要求相適應。

電磁測量根據(jù)誤差范圍分為監(jiān)測、測試、精密測量和計量。計量是為實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準確一致的測量，常帶有法制和技術監(jiān)督的涵義，包括對物理量單位的統(tǒng)一、傳遞，也包括工廠、企業(yè)、科研機構中的校驗工作。因此，在電磁測量中，從誤差的角度，計量屬于精密測量的低誤差，即高準確度段。電磁測量的主要誤差范圍見表。 　在測量中，對誤差的處理原則是：①盡量消除。如對測量電路進行屏蔽,設計各種消減誤差的測量方法,如對稱消去法、替代法、正負誤差消去法等。②消弱到允許范圍之內。③盡量使影響誤差的因素穩(wěn)定，以便在最終測量結果中扣除或做出準確估計。2100433B

前言

第一章 電磁測量的基本知識

第一節(jié) 電磁測量的基本概念

第二節(jié) 儀表和測量方法的分類

第三節(jié) 測量誤差

第四節(jié) 直讀儀表的準確度等級

第五節(jié) 系統(tǒng)誤差的合成與估計

第六節(jié) 系統(tǒng)誤差的消除

第七節(jié) 測量結果的數(shù)據(jù)處理

第八節(jié) 直讀儀表測量機構中的力矩

習題與思考題

第二章 直流電壓和電流的測量

第一節(jié) 用磁電系儀表直接測量

第二節(jié) 用直流電位差計測量電壓

第三節(jié) 直流電壓和電流的時間測量

第四節(jié) 工程應用實例——直流系統(tǒng)泄漏電流的測量

習題與思考題

第三章 交流電壓和電流的測量

第一節(jié) 用整流式儀表直接測量

第二節(jié) 用電磁系儀表直接測量

第三節(jié) 用電動系儀表直接測量

第四節(jié) 用靜電系儀表測量電壓

第五節(jié) 用交流電位差計測量電壓

第六節(jié) 測量用互感器

第七節(jié) 交流電壓和電流的間接測量

第八節(jié) 工程應用實例——配電網(wǎng)電容電流的測量

習題與思考題

第四章 功率和電能的測量

第一節(jié) 用電動系功率表直接測量單相有功功率

第二節(jié) 單相有功功率的間接測量

第三節(jié) 三相功率的測量

第四節(jié) 電能的測量

第五節(jié) 工程應用實例——電容型設備介質損耗的測量

習題與思考題

第五章 直流電阻的測量

第一節(jié) 中值電阻的測量

第二節(jié) 低值電阻的測量

第三節(jié) 高值電阻的測量

第四節(jié) 網(wǎng)絡中電阻的測量

第五節(jié) 工程應用實例——變壓器直流電阻的測量

習題與思考題

第六章 交流參數(shù)的測量

第一節(jié) 電容的測量

第二節(jié) 電感的測量

第三節(jié) 互感的測量

第四節(jié) 混合參數(shù)的測量

第五節(jié) 工程應用實例——輸電線路工頻參數(shù)的測量

習題與思考題

第七章 數(shù)字測量技術

第一節(jié) 概述

第二節(jié) 數(shù)字測量的基本單元電路

第三節(jié) 頻率、周期和相位差的測量

第四節(jié) 電壓的測量

第五節(jié) 功率和電能的測量

第六節(jié) 元件參數(shù)的測量

第七節(jié) 智能儀表

第八節(jié) 工程應用實例——電力系統(tǒng)諧波測量儀

習題與思考題

第八章 虛擬儀器技術

第九章 磁性測量技術

參考文獻2100433B

干擾源電磁測量中遇到的干擾源有外部干擾源和內部干擾源兩類。外部干擾源指測量系統(tǒng)之外的電磁干擾，常見的有高電壓、大功率輸電線或用電器件在空間形成的電場、磁場、電磁場；天電、空間電磁場；地磁以及兩接地點間的電壓降等。內部干擾源指測量系統(tǒng)內存在的電磁干擾，常見的有電源變壓器的漏磁場；測量線路和元件所產生的電場與磁場、絕緣漏電等。電磁測量中影響較大的主要是外部干擾源。