2021-09-11 18:16:12

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研究电学量、磁学量以及可转化为电学量的各种非电量的测量原理、 方法和所用仪器、 仪表的技术科学。

基本信息

  • 中文名称

    电磁测量

  • 外文名称

    Electromagnetic measurement

  • 分类

    技术科学、物理

  • 最早出现时间

    16世纪末

折叠 编辑本段 简介

研究电学量、磁学量以及可转化为电学量的各种非电量的测量原理、 方法和所用仪器、 仪表的技术科学。测量是指用实验方法将被测量(未知量)与已知的标准量相比较,以达到定量认识的过程。自然现象的规律,只在有可能定量描述时才能被人们深刻认识,而且只有在不断为实验和实践所证实后才能被广泛承认。同时,人们又利用已掌握其规律的各种现象去发展新的测量方法和工具,为科学的进一步发展,揭示新的规律创造条件。

折叠 编辑本段 联系

在自然界众多的现象和规律中,电磁规律与其他物理现象具有广泛的联系,例如电或磁的力学效应、热效应、光效应、化学效应等。这不仅为电学量和磁学量本身的测量,而且为几乎所有非电量的测量提供了多种多样的方法和手段。实际上,只要具备合适的检测装置,就可以方便地用电学方法处理以不同方式获取的各种测量信息。同时,由于电信号比其他种类信号更便于转换、放大、 传送, 以致20世纪80年代数据处理的最有效工具──电子计算机也要求输入电信号,因此电磁测量在技术科学领域中具有十分重要的地位。

折叠 编辑本段 起源

电磁现象是自然界中最普遍的物理现象之一。在人们还没有揭示出电和磁之间的关系之前,仅能根据它们本身的力效应制作简单仪器,分别观察电和磁的现象。磁测量仪器的出现远在电测量仪器之前。最早的磁测量仪器是中国的司南(见电工科技史),它实际是一台磁性罗盘。西方有关磁测量仪器的最早记载,出现于16世纪末。W.吉伯在他的专著《论磁性、磁体和巨大地磁体》中介绍了一种名为 Versorium的测磁仪器。此仪器是将一根箭形铁针支承在尖端上,用以观察磁性的吸引现象。Versorium也是最早的电测量仪器,吉伯发现不论用哪种金属制作箭形针,当此仪器接近带静电物体时,金属针都将被吸引而发生偏转。1745年Г.Β.里赫曼为研究大气电现象而发明了称作静电计的第一台具有定量性质的电测量仪器。亚麻线长6cm,重量仅0.05g。当金属杆移近带电体或与带电体连接时,亚麻线受斥力沿1/4 圆弧形木板张开一个角度。据此可分辨电"力"的强弱。以后又相继出现一些不同结构的静电测量仪器。

1820年,H.C.奥斯特发现电流的磁效应;1821年,A.-M.安培阐明两带电流导体间能产生吸引或排斥力的效应;1831年,M.法拉第发现电磁感应现象。这些发现使得科学家掌握了动电、磁和机械力,以及动磁与电之间的关系,促使电与磁的测量和有关仪表的发展产生了跃变,出现了利用磁与电相互作用产生机械力矩、并以指针或光点进行指示的各系机械式指示电表和记录仪表,以及在特殊设计的线路(如电桥、电位差计等)中将待测的未知量与标准量进行比较的比较测量仪器(简称较量仪器)。

电磁测量对象和测量过程 电磁测量对象以电学量和磁学量为主。电学量包括电学量(如电压U、电流I、电功率P、无功功率Q、功率因数等)和电参数(如电阻R、电容C、自感L、互感M等)。其中,U和I是基本量,其他一些电学量可以通过它们间接得到。磁学量包括磁通Φ、磁通密度(磁感应强度)B、磁场强度 H、磁导率μ 、铁损等。其中B与H为基本量。50年代以后出现的数字测量技术,则以时间、频率(或脉冲数)为基本量。

折叠 编辑本段 测量

折叠 综述

测量是将未知量与标准量进行比较的过程。在电磁测量中,标准器件所提供的标准量,不一定与未知量属于同一性质,即使有同一性质,它们的量值可能相差较大。为此,在比较前需将未知量与标准量变换为同一性质和数量上可比较的量。例如机械式指示电表,多是先将标准量转换为力矩储存在电表的张丝或游丝中,而未知量则是利用电磁或静电的机械力效应也转换为同数量级的力矩以便比较,其结果以指针或光点的偏移显示。又如较量仪器,多是将未知量和标准量在测量线路中转换为电压(或电流)以进行比较。两电压相等时,检测仪表指零。对于机械式指示电表,可根据指针或光点在刻度盘上的位置,直接读出测量结果。而较量仪器,如电桥,还要经数据处理计算出测量结果。若采用自动化测量,则可自动完成此步骤。

折叠 过程

组成测量过程的每一环节,不论硬设备(各种电表、仪器、电学基准等),还是软措施(如不同的电磁测量方法、数据处理等),都不是绝对理想和完善的,都将存在着电磁测量误差。此外,测量系统外部及内部之间的各种干扰和不希望的相互影响,也将引入各种测量误差。为了减小及消除这些误差源,需在电表和仪器内设置电磁屏蔽,或在测量线路内采取防止干扰的措施。

折叠 编辑本段 作用

电磁测量促进了电工技术的发展,电磁测量在电工的发展中起着重要作用。在电学与磁学的早期分别发展阶段,科学家为深入观察和定量认识客观规律,已通过测量做了很多探索工作。如1785年,C.-A.库仑用静电扭秤测静磁相互作用及静电相互作用的力,得到了平方反比定律即库仑定律。在发现了电和磁之间的关系以后,有更多的科学家投身于电磁关系的研究,并在当时比较原始的条件下,精心设计和制作了很多专用仪器,并提出很多创造性的测量方法,如安培为观察电流间相互作用规律所做的实验,G.S.欧姆在建立欧姆定律过程中所做的实验等。历史上很多对电磁学理论有贡献的科学家,其本人就是测量方案的制订者、测量方法的提出者和测量仪器的创制者。

当将电磁学的科研成果转向生产实际形成电工技术时,除要求更深入、更广泛地进行研究外,新兴的电力事业还需要大量各种类型的监测仪器和测量方法;而电工设备制造行业,从检查入厂的原材料质量开始,直到成品的性能试验止,同样需要大量的实验仪表,这就促使了电磁测量仪表向商品化的方向发展。20世纪初,世界上一些国家已初步建成电工仪表工业。以后又不断吸取各种学科的新成就,提高了电磁测量仪表的性能,如采用电子技术扩展仪表的量限、提高灵敏度、准确度等。此外还改进测量线路,提出新的测量方法。

折叠 编辑本段 体系

电磁测量一方面以电工技术等为主要服务对象,另一方面它的发展一直与电工技术的发展交织在一起,成为后者的重要组成部分。同时,电磁测量又具有自己的基本理论,专门的设计原理,系统的测量方法和一整套电学和磁学基准以及传递量值的系统;到20世纪的中期已形成了自己的学科体系。

数字仪表出现和电磁测量系统 在20世纪中期以前,电磁测量主要采用模拟技术,所生产的仪器仪表称为模拟式或经典仪器仪表,以区别于50年代以后采用数字技术所制成的仪器仪表。实际上,即使是模拟式仪器仪表,由于新材料、新结构和新工艺的采用,它们的性能也不断提高,并且发展出不少新的种类,如成套的变换器式电表、感应耦合比例臂电桥、感应式电流比较仪等。但在引入数字技术后,电磁测量技术发生了重大的变化。

折叠 编辑本段 数字技术

数字技术是将被测的连续物理量,利用模-数转换原理转变为离散量,经处理后,最终以数字形式显示或打印出测量结果。数字仪表具有准确度高、速度快、读数没有视差等优点,且便于与计算机联接。

第一台数字电压表出现于1952年,系电子管式,并很快由分立元件组成的晶体管线路所取代。70年代以来,随着半导体集成电路的发展,数字仪表的性能也不断改善。到80年代,将微型计算机、单片机与数字仪表结合,赋予数字仪表智能化功能,使数字测量技术进入了一个新阶段。

科学研究的发展,工业品产量的增长,巨大电力等系统的集中控制,要求测试的物理参数常多达成百上千个。这样大量的测量,若不采用自动化措施是难于实现的。这一任务可由测量信息系统来完成。

折叠 编辑本段 测量信息系统

包括测量变换器、电磁测量仪表及一些辅助设备。此系统通过一系列的变换器自动从外界获取信息。测量变换器有两大类:①将电学量仍变换为电学量的变换器,如分流器、分压器,电力系统中使用的电压、电流、功率变送器等;②将非电量变换为电学量的变换器,例如压力、温度、速度、位移等变换器。

从信息的角度,电磁测量仪表与测量变换器都是能产生含有测量信息信号的电测量工具,但前者具有能被观测者接受的形式,而后者的信号,虽便于传送、便于做进一步变换、处理和保存等,可是不一定适于观测者直接接受。为克服这一困难,常需两者联用。

折叠 编辑本段 发展

随着新材料、新工艺的出现和数字技术、电子技术、计算机的应用,进一步扩大了测量信息系统的功能。电磁测量将向以下几方面发展。①利用现代物理的最新成就,建立电磁测量的自然基准,如约瑟夫森电压基准、量子霍耳效应电阻基准。②利用磁场对光的偏转效应,制成测大电流的电流互感器和利用泡克耳斯效应或克尔效应测高电压。③利用微型计算机、单片机制成各种智能化仪表,构成自动测试系统。现代电力系统的测量已与控制融为一体,形成有机的调控系统,其测量功能远超过简单的测量装置。

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