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1、书名：自动检测技术实用教程ISBN：978-7-111-24801-9作者：周征出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,第2章 电参数检测技术,本章提要本章介绍频率（周期）、相位、电压、电流和阻抗等常见电参数的测量方法。其中，在电流的测量方法中介绍了霍尔元件及其在电流测量中的应用。,内容简介,频率（周期）、相位的测量技术 电压和电流的测量技术 阻抗的测量技术简介,2.1.1 频率（周期）的测量技术,频率的测量方法主要有模拟法和计数法两类。计数法具有测量精度高、速度快、操作简便、可以直接显示数字、便于与微机结合实现测量过程自动化等优点，应用最为广泛；模拟法由于简单、经济等原因，在某些场合目前仍被
2、使用。,1.频率的模拟测量技术,由电路原理可知，LC谐振回路在频率等于谐振频率时，幅频特性有一个峰值；RC文氏电桥在频率等于谐振频率处，输出电压为零，即有一个最小值。频率的模拟测量原理是对于无源网络，若它们的频率特性存在极值，就可以利用这个极值点来实现频率的测量。,（1）文氏电桥法测频,文氏电桥法测频是利用电桥电源频率与交流电桥的平衡条件之间的关系来实现频率的测量，电路如图2-1所示。将频率为fx的被测交流信号加在文氏电桥的一组对角线上，G为指示电桥平衡的检流计。,图2-1 文氏电桥测频电路,当交流电桥达到平衡时，有下式（2-1）由式（2-1）可知，电桥的平衡条件为即，等式左右两端实部、虚部分
3、别相等为电桥平衡的两个条件。若取R1=R2=R，C1=C2=C 则平衡条件为（2-2）,由式（2-2）可知，图2-1中的电桥在R3=2R4的条件下，调节R（或C）可使电桥对被测信号频率fx达到平衡（检流计指示最小）。在电桥面板上可变电阻（或电容）调节旋钮（度盘）如果按频率刻度，测试者便可从刻度上直接读得被测信号频率fx。一般情况下，电阻的调节相对电容的调节容易，通常采用固定电容，调节电阻的方式。文氏电桥测频法的测频精确度大约是（0.51）。在高频时，由于寄生参数的影响严重，测量精确度大大降低，所以这种测频法仅适用于10kHz以下的音频范围。,（2）谐振法测频,谐振法测频是利用电感、电容串联谐振
4、回路或并联谐振回路的谐振特性来实现频率的测量，电路如图2-2所示。频率为fx的交流信号加到变压器的初级绕组上，调节电容C，当LC电路达到谐振点时，电流表或电压表将指示最大值，此时如果电容的调节度盘按谐振频率刻度，则测试者可直接从刻度盘上读出被测频率值。谐振法测量频率的误差大约在（0.251）范围内，常作为频率粗测或某些仪器的附属测频部件。,图2-2 谐振法测频电路,（3）频率/电压转换法测频,频率/电压转换法测频的原理如图2-3所示。,图2-3 频率/电压转换法测量频率（a）结构图；（b）波形图,图2-3（a）中，频率为fx的正弦信号ux经脉冲形成电路转化为等周期的尖脉冲uA，该尖脉冲经单稳多
5、谐振荡器，转化为周期为Tx，宽度为，幅度为Um的矩形脉冲列uB，其波形如图2-3（b）所示。uB的平均值U0（即直流分量）为用低通滤波器滤除uB的全部交流分量。输出的直流电压用电压表指示，如果电压表表盘依照（2-3）式按频率刻度，则从电压表指针所指刻度便可直接读出被测频率fx。以频率/电压转换法制成的频率计最高测量频率可达几兆赫，误差一般为百分之几。这种测量方法的突出优点是可以连续监测频率的变化。,（4）比较法测频,比较法测频就是用标准频率fc与被测频率fx进行比较，当把标准频率调节到与被测频率相等时指零仪表便指零，此时的标准频率值即被测频率值。比较法可分为拍频法测频与差频法测频两种。前者是将
6、待测频率信号与标准频率信号在线性元件上叠加产生拍频。后者是将待测频率信号与标准频率信号在非线性元件上进行混频。目前拍频法测量频率的绝对误差约为零点几赫兹，差频法测量频率的误差可优于10-5量级，最低可测信号电平达0.11V。拍频法和差频法在常规场合很少采用。,（5）示波器测量频率,用示波器测量频率有两种方法：一种是将被测信号加到示波器的Y通道，在荧光屏上测量被测信号的周期。另一种是将被测信号和标准频率信号分别加到示波器的X，通道和Y通道，观测荧光屏上显示的李沙育图形。,3.频率的数字化测量,（1）计数法测量频率用石英晶体振荡器产生的标准时钟信号经过分频后，得到周期为Td的脉冲信号，用来控制计数
7、器的门电路的开启。如果被测信号的周期为Tx，在Td这段时间内进入计数器的脉冲个数Nx为所以 Td越大，记录的脉冲个数Nx越多，f x的精确度越高。,（2）用计数器测量周期,当被测信号频率较低时，用计数器测量频率得到的读数Nx的位数较少，这样使测量误差增大。为此，采用测量周期的方法来增加读数的位数，降低测量误差。测量周期时，被测信号经过放大、整形、分频（或者不分频）后，去开启控制门。通过控制门进入计数器的是晶体振荡器产生的周期为T0的脉冲，亦称填充脉冲。假设计数器计得的数为Nx，被测周期为Tx，若未经分频直接用Tx开启控制门，则进入计数器的脉冲个数为即（2-4）,式中，f 0为标准频率。所以计数
8、器的读数和被测量的周期成正比。若改变填充脉冲的频率f 0，可以改变被测周期的测量范围。当被测周期较小时，为了增加读数位数，提高测量准确度，可以把被测周期分频，也就是延长开门时间，这样也可以扩展测量周期的上限值。,（3）用计数器测量时间间隔,测量两个脉冲之间的时间间隔的电路框图如图2-4所示。被测的两个脉冲分别送入A、B两个通道。A通道的信号经放大、整形后去打开计数门；而B通道的信号经放大、整形后关闭计数门。这样，控制门开启的时间即为两脉冲的时间间隔T0。开门时间内计数器计得的标准脉冲个数可以度量时间间隔。即式中，T0为标准脉冲的周期。,图2-4 测量时间间隔的电路框图,（4）用计数器测量频率比
9、,用计数器可以测量两个信号的频率之比，其框图如图2-5所示。若两个频率分别为f A和f B，且f Af B，则其周期TATB。f A经整形放大后输入至B通道，去控制计数门的开启，f B输入至A通道，经放大整形后作为填充脉冲输入至计数器，计数器的读数为（2-5）用这种方法可以方便地测量旋转体地转速比及分频器的频率比。,图2-5 测量频率比的原理框图,2.1.2 相位的数字化测量,1.相位数字化测量的原理相位的数字化测量主要采用过零鉴相法，其原理框图如图2-6所示。图2-6中，具有相位差x的两个同频率正弦信号e1和e2，经过放大、整形后变成方波，其前后沿分别对应正弦波的正向过零点和负向过零点，其波
10、形如图2-7所示。可以用两信号波形过零的时间差表示两信号的相位差。,图2-6 过零鉴相法测量相位的原理框图,设两个同频率信号的周期为T，相位差为x，两信号波形过零点的时间差为Tx，则存在下列关系式（2-6）显然，测出T及Tx，即可求出相位差x。,图2-7 过零鉴相法测量相位的波形图,2.数字化相位计,（1）相位/电压式相位计相位/电压转换式数字相位计的原理框图如图2-8（a）所示。,图2-8 相位/电压转换式数字相位计,图2-8（a）中，e1和e2为频率相同、相位差为x的两个被测正弦信号，经限幅放大和脉冲整形后变成两个方波，再经微分得到两个对应被测信号负向过零点的尖脉冲，鉴相器为非饱和型高速双
11、稳态电路，被这两组负脉冲所触发，输出周期为T，宽度为Tx的方波，其各点波形如图2-8（b）所示。若方波幅度为Ug，则此方波的平均值即直流分量为（2-7）式中，T为被测信号的周期，Tx由两信号的相位差x决定，即（2-8）,将式（2-8）代入（2-7）可得若A/D的量化单位取Ug/3600，则A/D转换结果即为x的度数。,（2）相位/时间转换法,将上述相位/电压转换法中鉴相器的时间间隔Tx用计数法对它进行测量，便构成相位/时间转换式相位计，如图2-9所示。它与时间间隔的计数测量原理基本相同，若时标脉冲周期为TC，则在Tx时间内的计数值为,图2-9 相位/时间转换式数字相位计原理图,如果采用十进制计
12、数器计数，而且时标脉冲周期TC与被测信号周期T满足以下关系式 式中，n为正整数。由上式可知，时标脉冲频率f C与被测信号频率f x的关系为由于时标频率f C不允许太高，所以计数式相位计只能用于测量低频率信号的相位差，而且要求测量精度越高（即n越大），能测量的频率f x越低。此外，当被测信号频率f x改变时，时标脉冲频率fC也必须相应改变。这些是计数式相位计的缺点。,2.2 电压和电流的测量技术,直流电压的测量技术2.交流电压的测量技术,霍尔效应与霍尔元件,1879年，美国物理学家霍尔（）首先在金属材料中发现霍尔效应。最先用于磁场测量；20世纪50年代后，由于微电子技术的发展，开始用半道理材料制
13、成霍尔元件。霍尔传感器广泛用于电磁测量，压力，加速度，振动等方面的测量。,1）霍尔效应,霍尔效应的实质是磁电转换效应。如图2-15所示的有限尺寸的霍尔材料中，在y方向加电流I，在z方向加恒定磁场B.,图2-15 霍尔效应,此时，半导体中的载流子（设为电子）将受洛伦兹力F的作用向-x方向运动，使-x平面上堆积了负电荷，+x平面上就有多余的正电荷，从而在半导体内又产生了一个横向电场。这个横向电场的电场力与洛伦兹力的方向正好相反，在这两种力的作用下，使-x平面上堆积的负电荷越来越多，横向电场力就越来越大。由于洛伦兹力F保持不变，当作用在电子上的洛沦兹力和横向电场力相平衡时，电子的运动就会停止。在稳定
14、状态下，半导体片两侧面（x方向）的负电荷和正电荷相对积累，形成电动势，这种现象称为霍尔效应。,由此而产生的电动势称为霍尔电势。霍尔电势VH的大小为：VH=KHIB（2-9）式中，KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电势差的大小；I为控制电流；B为磁感应强度。式（2-9）是表示传感器受磁面与所加磁场成直角的情况。如果受磁面与所加磁场夹角为，则式（2-9）为VH=KHIBsin（2-10）,在工程应用中，控制电流I通常为几毫安到几十毫安；B的单位可为高斯（Gs）或特斯拉（T），1特斯拉（T）104高斯（Gs）；KH通常表示电流为1mA，磁场为1kGs时的输
15、出电压，单位为mV/(mAkGs)，它与元件材料的性质和几何尺寸有关。,2）霍尔元件材料及特点,霍尔元件常用材料有N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铅（InAs）、砷化镓（GaAs）等。目前常用的有InSb和GaAs两种，其特性如图2-16所示。,由图2-16可见两者都具有良好的线性特性。InSb材料霍尔元件的特点：稳定性好，受漂移电压的影响较小；霍尔电压受温度变化影响较大；频率特性较差。GaAs材料霍尔元件的特点：霍尔电压的温度系数较小；线性好；灵敏度低。,目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的
16、线性度最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。,3）霍尔元件外形及符号,霍尔元件的外形如图2-17（a）所示，由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔元件的结构如图2-17（b）所示，霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方向两端面上焊接有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线；在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊接有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。图2-17（c）为霍尔元件符号。（a）外形
17、（b）结构（c）符号 图2-17 霍尔元件,4）霍尔元件主要技术参数,输入电阻RIN和输出电阻ROUT。霍尔元件控制电流极间的电阻为RIN；霍尔电压极间的电阻为ROUT。输入电阻与输出电阻一般为1002000，而且输入电阻大于输出电阻，但相差不太多，使用时不能搞错。额定控制电流I。额定控制电路I为使霍尔元件在空气中产生10温升的控制电流。I大小与霍尔元件的尺寸有关，尺寸愈小，I愈小。一般为几毫安几十毫安。不等位电势V0。霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势V0，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。,
18、灵敏度KH。灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电压。寄生直流电势V0D。在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电压极间产生的直流电势。它主要是由电极与基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。霍尔电压温度系数。为温度每变化1霍尔电压变化的百分率。这一参数对测量仪器十分重要。若仪器要求精度高时，要选择值小的元件，必要时还要加温度补偿电路。电阻温度系数。为温度每变化1霍尔元件材料的电阻变化的百分率。灵敏度温度系数。为温度每变化1霍尔元件灵敏度变化率。线性度。霍尔元件的线性度常用1kGs时霍尔电压相对于5kGs时霍尔电压的最大差值的百分比表示。,表2-1为几种霍
19、尔元件的主要参数。,（2）霍尔传感器在电流检测中的应用,1）直接测量方式霍尔电流传感器直接测量方式霍尔电流传感器的结构如图2-18所示。（a）小电流检测（b）大电流检测 图2-18 直接测量式霍尔电流传感器,图2-18中，用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感应的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。图2-18（a）所示的传感器用于测量电流强度较小的电流，图2-18（b）所示的传感器用于检测较大的电流。,将图2-18中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数
20、值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料；制成多层磁芯；采用多个霍尔元件来进行检测等等。这类霍尔电流传感器的价格也相对便宜，使用非常方便，已得到极为广泛的应用，国内外已有许多厂家生产。,2）零磁通式霍尔电流传感器,零磁通式（也称为磁
21、平衡式或反馈补偿式）霍尔电流传感器，如图2-19所示。图2-19 霍尔零磁通电流传感器,图2-19中，将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件I0N1=ISN2，则磁芯中的磁通为0，这时下式成立：I0=IS（N2/N1）（2-11）式中，I0为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流；N1为初级绕组的匝数；IS为补偿绕组中的电流；N2为补偿绕组的匝数。,由式（2-11）可知，达到磁平衡时，即可由IS及匝数比N2/N1得到I0。这个平衡过程是自动建立的，是一个动态平衡。建立平衡所需的时间极短。平衡时，霍尔器件处
22、于零磁通状态。磁芯中的磁感应强度极低（理想状态应为0），不会使磁芯饱和，也不会产生大的磁滞损耗和涡流损耗。恰当地选择磁芯材料和线路元件，可做出性能优良的零磁通电流传感器。在霍尔电流传感器的输出电路中接上恰当的负载电阻器，即可构成霍尔电压传感器。,霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔离的。检测过程中，被测电路的状态不受检测电路的影响，检测电路也不受被检电路的影响。霍尔电流传感器可以检测从直流到100kHz（通过仔细的设计和制作，甚至可以达到MHz级）的各种波形的电流，响应时间可
23、短到1s以下。由于这些优点，霍尔电流传感器得到了极其广泛的应用。采用霍尔传感器制成的钳形电流表和漏电检测器如图2-20所示。,（a）钳形电流表（b）漏电检测器 图2-20 霍尔电流传感器应用实例,4.电流互感器法,采用电流互感器法也可以在不切断电路的情况下，测得电路中的电流。注意：由于电流互感器二次绕组匝数远大于一次绕组匝数，在使用时二次侧绝对不允许开路，否则会使一次侧电流完全变成励磁电流，铁心达到高度饱和状态，使铁心严重发热并在二次侧产生很高的电压，引起互感器的热破坏和电击穿，对人身造成伤害。此外，为了人身安全，互感器二次绕组一端必须可靠地接地（安全接地）。,电流互感器的两种电流/电压转换电路如图2-22所示。,2.3 阻抗的测量技术简介,2.3.1 直流电阻测量 1.电表法（1）伏安法（2）欧姆表法,图2-24 欧姆表测量电阻电路,图2-23 伏安法测量直流电阻,2.电桥法,图2-25 直流电桥,2.电桥法3.直流小电阻的测量4.直流大电阻的测量,2.3.2 交流阻抗及L、C的测量,1.交流阻抗电桥2.变量器电桥 3.数字式阻抗测量仪,思考题与习题频率测量有哪几种方法？各有什么有缺点？分别适用于什么场合？对不同频率的信号，能否测量相位差？为什么？模拟式交流电压表有哪几种类型？简述其测量原理。电流的测量方法有哪些？各有什么特点？电流互感器的二次测为什么不能开路？,
