電磁測量

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(guān)系之前，僅能根據(jù)它們本身的力效應(yīng)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(yuǎn)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(shí)際是一臺磁性羅盤。西方有關(guān)磁測量儀器的最早記載，出現(xiàn)于16世紀(jì)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(dāng)此儀器接近帶靜電物體時(shí)，金屬針都將被吸引而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。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(jì)的第一臺具有定量性質(zhì)的電測量儀器。亞麻線長6cm，重量僅0.05g。當(dāng)金屬桿移近帶電體或與帶電體連接時(shí)，亞麻線受斥力沿1/4 圓弧形木板張開一個(gè)角度。據(jù)此可分辨電“力”的強(qiáng)弱。以后又相繼出現(xiàn)一些不同結(jié)構(gòu)的靜電測量儀器。

1820年，H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)；1821年，A.-M.安培闡明兩帶電流導(dǎo)體間能產(chǎn)生吸引或排斥力的效應(yīng)；1831年，M.法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)使得科學(xué)家掌握了動電、磁和機(jī)械力，以及動磁與電之間的關(guān)系，促使電與磁的測量和有關(guān)儀表的發(fā)展產(chǎn)生了躍變，出現(xiàn)了利用磁與電相互作用產(chǎn)生機(jī)械力矩、并以指針或光點(diǎn)進(jìn)行指示的各系機(jī)械式指示電表和記錄儀表，以及在特殊設(shè)計(jì)的線路（如電橋、電位差計(jì)等）中將待測的未知量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)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(xué)量和磁學(xué)量為主。電學(xué)量包括電學(xué)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(xué)量可以通過它們間接得到。磁學(xué)量包括磁通Φ、磁通密度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）B、磁場強(qiáng)度 H、磁導(dǎo)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(shù)，則以時(shí)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(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較的過程。在電磁測量中，標(biāo)準(zhǔn)器件所提供的標(biāo)準(zhǔn)量，不一定與未知量屬于同一性質(zhì)，即使有同一性質(zhì)，它們的量值可能相差較大。為此，在比較前需將未知量與標(biāo)準(zhǔn)量變換為同一性質(zhì)和數(shù)量上可比較的量。例如機(jī)械式指示電表，多是先將標(biāo)準(zhǔn)量轉(zhuǎn)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(jī)械力效應(yīng)也轉(zhuǎn)換為同數(shù)量級的力矩以便比較，其結(jié)果以指針或光點(diǎn)的偏移顯示。又如較量儀器，多是將未知量和標(biāo)準(zhǔn)量在測量線路中轉(zhuǎn)換為電壓(或電流)以進(jìn)行比較。兩電壓相等時(shí)，檢測儀表指零。對于機(jī)械式指示電表，可根據(jù)指針或光點(diǎn)在刻度盤上的位置,直接讀出測量結(jié)果。而較量儀器，如電橋,還要經(jīng)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出測量結(jié)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(shè)備（各種電表、儀器、電學(xué)基準(zhǔn)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(nèi)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(nèi)設(shè)置電磁屏蔽，或在測量線路內(nèi)采取防止干擾的措施。

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(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)、光效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等。這不僅為電學(xué)量和磁學(xué)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(shí)際上，只要具備合適的檢測裝置，就可以方便地用電學(xué)方法處理以不同方式獲取的各種測量信息。同時(shí)，由于電信號比其他種類信號更便于轉(zhuǎn)換、放大、 傳送， 以致20世紀(jì)80年代數(shù)據(jù)處理的最有效工具──電子計(jì)算機(jī)也要求輸入電信號，因此電磁測量在技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域中具有十分重要的地位。

研究電學(xué)量、磁學(xué)量以及可轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的各種非電量的測量原理、 方法和所用儀器、 儀表的技術(shù)科學(xué)。測量是指用實(shí)驗(yàn)方法將被測量（未知量）與已知的標(biāo)準(zhǔn)量相比較,以達(dá)到定量認(rèn)識的過程。自然現(xiàn)象的規(guī)律,只在有可能定量描述時(shí)才能被人們深刻認(rèn)識，而且只有在不斷為實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐所證實(shí)后才能被廣泛承認(rèn)。同時(shí)，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(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，揭示新的規(guī)律創(chuàng)造條件。

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

數(shù)字儀表出現(xiàn)和電磁測量系統(tǒng) 　在20世紀(jì)中期以前，電磁測量主要采用模擬技術(shù)，所生產(chǎn)的儀器儀表稱為模擬式或經(jīng)典儀器儀表，以區(qū)別于50年代以后采用數(shù)字技術(shù)所制成的儀器儀表。實(shí)際上，即使是模擬式儀器儀表，由于新材料、新結(jié)構(gòu)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(yīng)耦合比例臂電橋、感應(yīng)式電流比較儀等。但在引入數(shù)字技術(shù)后，電磁測量技術(shù)發(fā)生了重大的變化。

隨著新材料、新工藝的出現(xiàn)和數(shù)字技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，進(jìn)一步擴(kuò)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(zhǔn)，如約瑟夫森電壓基準(zhǔn)、量子霍耳效應(yīng)電阻基準(zhǔn)。②利用磁場對光的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，制成測大電流的電流互感器和利用泡克耳斯效應(yīng)或克爾效應(yīng)測高電壓。③利用微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)制成各種智能化儀表，構(gòu)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(jī)的調(diào)控系統(tǒng)，其測量功能遠(yuǎn)超過簡單的測量裝置。2100433B

數(shù)字技術(shù)是將被測的連續(xù)物理量,利用模-數(shù)轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散量，經(jīng)處理后，最終以數(shù)字形式顯示或打印出測量結(jié)果。數(shù)字儀表具有準(zhǔn)確度高、速度快、讀數(shù)沒有視差等優(yōu)點(diǎn)，且便于與計(jì)算機(jī)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(dǎo)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(jì)算機(jī)、單片機(jī)與數(shù)字儀表結(jié)合，賦予數(shù)字儀表智能化功能，使數(shù)字測量技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新階段。

科學(xué)研究的發(fā)展，工業(yè)品產(chǎn)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(dá)成百上千個(gè)。這樣大量的測量，若不采用自動化措施是難于實(shí)現(xiàn)的。這一任務(wù)可由測量信息系統(tǒng)來完成。

電磁測量促進(jìn)了電工技術(shù)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(xué)與磁學(xué)的早期分別發(fā)展階段,科學(xué)家為深入觀察和定量認(rèn)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(guān)系以后，有更多的科學(xué)家投身于電磁關(guān)系的研究，并在當(dāng)時(shí)比較原始的條件下，精心設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)，G.S.歐姆在建立歐姆定律過程中所做的實(shí)驗(yàn)等。歷史上很多對電磁學(xué)理論有貢獻(xiàn)的科學(xué)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(dāng)將電磁學(xué)的科研成果轉(zhuǎn)向生產(chǎn)實(shí)際形成電工技術(shù)時(shí)，除要求更深入、更廣泛地進(jìn)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(shè)備制造行業(yè)，從檢查入廠的原材料質(zhì)量開始，直到成品的性能試驗(yàn)止，同樣需要大量的實(shí)驗(yàn)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(jì)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(xué)科的新成就，提高了電磁測量儀表的性能，如采用電子技術(shù)擴(kuò)展儀表的量限、提高靈敏度、準(zhǔn)確度等。此外還改進(jìn)測量線路，提出新的測量方法。

包括測量變換器、電磁測量儀表及一些輔助設(shè)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(xué)量仍變換為電學(xué)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(xué)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(chǎn)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(jìn)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。

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(yù)先按被測量的標(biāo)準(zhǔn)值標(biāo)定。在電學(xué)量測量中，直讀法所用的主要測量儀器是機(jī)械式指示電表。磁學(xué)量測量主要用直讀法，常用儀器有磁通計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)等。②比較測量法：簡稱較量法。測量時(shí)，需使被測量和作為標(biāo)準(zhǔn)的已知量一起在比較儀器中進(jìn)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(shí)，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(shí)如不引起儀器工作狀態(tài)的變化，則可認(rèn)為被測量等于已知量。這種方法的測量結(jié)果與儀器本身的準(zhǔn)確度無關(guān)，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(xué)量和磁學(xué)量的變化或與標(biāo)準(zhǔn)量的差值，如用不平衡電橋測量電阻時(shí)，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(xué)標(biāo)準(zhǔn)器（見電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)）和電測量儀器（如電橋、電位差計(jì)等）。磁學(xué)量測量中，因難于制出各種磁學(xué)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果，例如半偏法測電表本身的內(nèi)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(jìn)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(shí)際測量中，并不是每一項(xiàng)測量任務(wù)都要求獲得盡量高的準(zhǔn)確度。因此，在決定采用何種測量方法時(shí)，應(yīng)注意使這種方法所達(dá)到的準(zhǔn)確度與測量任務(wù)的要求相適應(yīng)。

電磁測量根據(jù)誤差范圍分為監(jiān)測、測試、精密測量和計(jì)量。計(jì)量是為實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確一致的測量，常帶有法制和技術(shù)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(jī)構(gòu)中的校驗(yàn)工作。因此，在電磁測量中，從誤差的角度，計(jì)量屬于精密測量的低誤差，即高準(zhǔn)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(jìn)行屏蔽,設(shè)計(jì)各種消減誤差的測量方法,如對稱消去法、替代法、正負(fù)誤差消去法等。②消弱到允許范圍之內(nèi)。③盡量使影響誤差的因素穩(wěn)定，以便在最終測量結(jié)果中扣除或做出準(zhǔn)確估計(jì)。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(zhǔn)確度等級

第五節(jié) 系統(tǒng)誤差的合成與估計(jì)

第六節(jié) 系統(tǒng)誤差的消除

第七節(jié) 測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

第八節(jié) 直讀儀表測量機(jī)構(gòu)中的力矩

習(xí)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(jì)測量電壓

第三節(jié) 直流電壓和電流的時(shí)間測量

第四節(jié) 工程應(yīng)用實(shí)例——直流系統(tǒng)泄漏電流的測量

習(xí)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(jì)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(yīng)用實(shí)例——配電網(wǎng)電容電流的測量

習(xí)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(yīng)用實(shí)例——電容型設(shè)備介質(zhì)損耗的測量

習(xí)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(luò)中電阻的測量

第五節(jié) 工程應(yīng)用實(shí)例——變壓器直流電阻的測量

習(xí)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(yīng)用實(shí)例——輸電線路工頻參數(shù)的測量

習(xí)題與思考題

第七章 數(shù)字測量技術(shù)

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(yīng)用實(shí)例——電力系統(tǒng)諧波測量儀

習(xí)題與思考題

第八章 虛擬儀器技術(shù)

第九章 磁性測量技術(shù)

參考文獻(xiàn)2100433B

干擾源電磁測量中遇到的干擾源有外部干擾源和內(nèi)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(diǎn)間的電壓降等。內(nèi)部干擾源指測量系統(tǒng)內(nèi)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(chǎn)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。