电压的测量方法
电压的测量
1. 电压测量的方法一般分为直接测量法和间接测量法两种。
直接测量法在测量过程中，能从仪器、仪表上直接读出被测参量的波形或数值。
间接测量是先对各间接参量进行直接测量，再将测得的数值代入公式，通过计算得到待测参量。
2. 测量电压的仪器一般有电压表、示波器、交流毫伏表等。
电压表可以用来测量直流电压、低频交流电压，其测量方法简便，精度较高，是测量电压的基本方法。
示波器测量法可以测量所有的电压信号。
交流毫伏表用于交流信号大小的测量。
3. 电表法模拟式直流电压测量
动圈式电压表
图1是动圈式电压表示意图。图中虚框内为一直流动圈式高灵敏度电流表，内阻为Re，满偏电流(或满度电流)为Im，若作为直流电压表，满度电压
UmReIm
另外增加了电阻，继而增加了三个电压量程
电子电压表 图1
电子电压表中，通常使用高输入阻抗的场效应管(FET)源极跟随器或真空三极管阴极跟随器以提高电压表输入阻抗，后接放大器以提高电压表灵敏度，当需要测量高直流电压时，输入端接入分压电路。分压电路的接入将使输入电阻有所降低，但只要分压电阻取值较大，仍然可以使输入电阻较动圈式电压表大得多。图2是这种电子电压表的示意图。图中由于FET源极跟随器输入电阻很大(几百MΩ以上)，因此由Ux测量端看进去的输入电阻基本上由R0，R1…等串联决定，通常使它们的串联和大于10MΩ ,以满足高输入阻抗的要求。同时，在这种结构下，电压表的输入阻抗基本上是个常量，与量程无关。
图2
4. 电表法交流电压的测量
测量交流电压大小的仪表统称交流电压表。交流电压表分为模拟式电压表与数字式电压表两大类。模拟式电压表是先将交流电压经过检波器转换成直流电压后推动微安表头，由表头指针指示出被测电压的大小。检波器有三种类型，分别是平均值检波器、峰值检波器、有效值检波器，故电压表有三种类型，分别是平均值电压表、峰值电压表、有效值电压表。
平均值电压表
平均值电压表的基本原理方框图
u（t
先对被测电压进行放大，然后检波，最后由表头指示。这种构成方案的均值电压表的工作频率范围主要受放大器带宽的限制，而灵敏度受放大器噪声的限制，所以当测量小信号时，容易淹没到放大器的噪声中。因此主要用于低频和高频信号的测量，如高频毫伏表。
峰值电压表
峰值检波器
串联式峰值检波器
Rux
并联式峰值检波器
Rux
峰值电压表原理
在表的输入端输入不同幅度的标准正弦波，而在表头的对应位置上刻度该正弦波的有效值。故利用峰值电压表测量纯正弦波时读数为该被测电压的有效值；而测量非正弦波电压时，读数没有实际意义，但可根据读数求得被测电压的峰值。
有效值电压表
有效值的物理意义是：交流电压一个周期内，在一纯电阻负载中所产生的热量与另一
直流电压在同样情况下产生的热量相等时，这个直流电压的值就是该交流电压的有效值。
热电偶式电压表
两种不同导体的两端相互连接在一起，组成一个热电偶，当两节点处温度不同
时，回路中将产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，所产生的
电动势称为热电动势。
5. 示波器测电压
直接测量法
所谓直接测量法，就是直接从屏幕上量出被测电压波形的高度，然后换算成电压值。定量测试电压时，一般把Y轴灵敏度开关的微调旋钮转至“校准”位置上，这样，就可以从“V/div”的指示值和被测信号占取的纵轴坐标值直接计算被测电压值。所以，直接测量法又称为标尺法。
比较测量法
比较测量法就是用已知的标准电压波形与被测电压波形进行比较求得被测电压值。
6. 电压互感器测电压
电压互感器和变压器很相像。电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表测量，用来测量线路的电压、功率和电能。
7. 霍尔电压传感器测电压
变频电压在控制领域通常采用霍尔电压传感器测量，在高精度计量领域一般采用变频功率传感器测量。
电流的测量
1. 电阻采样法
用电阻做采样，一般就是讲电阻放置在需要采样电流的位置，通过测量电阻两端的电压值来反馈，进而确定电路中的电流大小。那么采样电阻的阻值一般要求比较小，这样才能让放进去的电阻不影响原电路中电流大小，以确保采样精准。
2. 互感检测法
互感检测法，一般用在高电压大电流场合（交流）。在互感电路中，当主绕组流过大小不同电流时，副绕组就感应出相应的高低不同的电压。将互绕组的电压数值读出，就可以计算出流经主绕组的电流。 3. 霍尔电流传感器
霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流Ic，并在霍尔 元件平面的法线方向上施加磁场 强度为B的磁场，那么在垂直于 电流和磁场方向(即霍尔输出端 之间)，将产生一个电势VH，称 其为霍尔电势，其大小正比于控制电流I。与磁场强度B的乘积。由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号U0可以间接反映出被测电流I的大小.
4. 罗格夫斯基线圈
罗氏线圈是一种交流电流传感器，是一个空心环形的线圈，有柔性和硬性两种，可以直接套在被测量的导体上来测量交流电流。
罗氏线圈适用于较宽频率范围内的交流电流的测量，对导体、尺寸都无特殊要求，具有较快的瞬间反应能力，广泛应用在传统的电流测量装置如电流互感器无法使用的场合，用于电流测量，尤其是高频、大电流测量。罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律,当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时,在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场。
5. 光纤电流传感器
光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉弟效应．根据of=VBl，通过对法拉弟旋转角0F的测量，可得到电流所产生的磁场强度，从而可以计算出电流大小．由于光纤具有抗电磁干扰能力强、绝缘性能好、信号衰减小的优点，因而在法拉弟电流传感器研究中，一般均采用光纤作为传输介质。
激光束通过光纤，并经起偏器产生偏振光，经自聚焦透镜人射到磁光晶体:在电流产生的外磁场作用下，偏振面旋转θF角度；经过检偏器、光纤，进人信号检测系统，通过对θF的测量得到电流值．
电机转速的测量
1. 测速发电机
测速发电机是一种测量转速的信号元件，它将输入的机械转速变换为电压信号输出，测速发电机一般分为直流测速发电机和交流测速发电机。
直流测速发电机的原理与一般直流发电机相同，在恒定磁场中，电枢绕组旋转切割磁通，并产生感应电势,由电刷引出的电枢感应电势与转速成正比。直流测速电机的电枢反应，使电机的气隙磁通不再是常数，它将随负载大小的大小（即电枢电流大小）而改变。由于电刷的存在，直流无刷电机的寿命，稳定性均受到了影响，一般其测速电机需要安装在双转子电机
的机壳内，机壳内工作温度比较高，影响电枢绕组的阻值，并且其测速电机体积一般还比较大，安装在双转子电机的内部，增大了双转子电机的整个体积大小。
交流测速发电机可分为同步测速发电机和异步测速发电机；由于交流测速发电机感应电势的频率随转速而改变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此这种测速发电机的输出电压不再与转速成正比关系，尽管结构简单，又没有滑动接触，但不适于精确测速系统，一般作为指示式转速计。
2. 光电编码器
光电编码器如图1所示，通常可以分为绝对式光电编码
器、增量式光电编码器、以及混合式光电编码器三类。一般由发光二极管、旋转部分(或动光栅)、固定部分(或定光栅)和光敏元件四个部分组成。其测速方法有三种[5]：M 法测速，T 法测速，M/T 法，其中M/T 法克服了M 法只适用于测量电机转速高速段和T 法只适用于测量电机转速低速段的问题。
光电编码器的特点是数据处理电路简单。因为是数字信号，所以噪声容限较大。容易实现高分辨率，检测精度高。其缺点是不耐冲击及振动，容易受温度变化影响，适应环境能力较差，由于电动汽车用测速传感器要求适应冲击震动和温湿度变化等恶劣的工作环境，而普通检测转子位置的光电编码器由于结构复杂，可靠性差等缺点限制了在电动汽车上作为测速传感器的使用。因此仍需要结构简单可靠、能够提供电机转子足够精度的位置信号的位置传感器，以适应目前高性能电机系统一体化的要求。
图1 光电编码器原理示意图
3. 磁性编码器
磁性编码器如图2 所示，不易受尘埃和结露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快(达500～700kHz)，体积比光电编码器小，而成本更低，且易将多个元件精确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。此外，采用双层布线工艺，还能使磁性编码器不仅具有一般编码器仅有的增量信号及增量信号输出，还具有绝对信号输出功能。但分辨率较低。而电动汽车电机的驱动控制系统需要高分辨率，稳定性好的测速传感器，磁性编码器作为电动汽车测速传感器受到限制。
的机壳内，机壳内工作温度比较高，影响电枢绕组的阻值，并且其测速电机体积一般还比较大，安装在双转子电机的内部，增大了双转子电机的整个体积大小。
交流测速发电机可分为同步测速发电机和异步测速发电机；由于交流测速发电机感应电势的频率随转速而改变，致使电机本身的阻抗及负载阻抗均随转速而变化，因此这种测速发电机的输出电压不再与转速成正比关系，尽管结构简单，又没有滑动接触，但不适于精确测速系统，一般作为指示式转速计。
2. 光电编码器
光电编码器如图1所示，通常可以分为绝对式光电编码
器、增量式光电编码器、以及混合式光电编码器三类。一般由发光二极管、旋转部分(或动光栅)、固定部分(或定光栅)和光敏元件四个部分组成。其测速方法有三种[5]：M 法测速，T 法测速，M/T 法，其中M/T 法克服了M 法只适用于测量电机转速高速段和T 法只适用于测量电机转速低速段的问题。
光电编码器的特点是数据处理电路简单。因为是数字信号，所以噪声容限较大。容易实现高分辨率，检测精度高。其缺点是不耐冲击及振动，容易受温度变化影响，适应环境能力较差，由于电动汽车用测速传感器要求适应冲击震动和温湿度变化等恶劣的工作环境，而普通检测转子位置的光电编码器由于结构复杂，可靠性差等缺点限制了在电动汽车上作为测速传感器的使用。因此仍需要结构简单可靠、能够提供电机转子足够精度的位置信号的位置传感器，以适应目前高性能电机系统一体化的要求。
图1 光电编码器原理示意图
3. 磁性编码器
磁性编码器如图2 所示，不易受尘埃和结露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快(达500～700kHz)，体积比光电编码器小，而成本更低，且易将多个元件精确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。此外，采用双层布线工艺，还能使磁性编码器不仅具有一般编码器仅有的增量信号及增量信号输出，还具有绝对信号输出功能。但分辨率较低。而电动汽车电机的驱动控制系统需要高分辨率，稳定性好的测速传感器，磁性编码器作为电动汽车测速传感器受到限制。
图2 磁性编码器原理示意图
4. 旋转变压器
旋转变压器是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。
旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。通过输出的电压信号的频率变化即可归算出电机的绝对转速。