電磁測量

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、儀錶的 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。自然現象的規律，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律的各種現象去發展新的測量方法和工具，為科學的進一步發展，揭示新的規律創造條件。

在自然界眾多的現象和規律中，電磁規律與其他物理現象具有廣泛的聯繫，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，由於電信號比其他種類信號更便於轉換、放大、傳送，以致20世紀80年代數據處理的最有效工具──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。

電磁現象是自然界中最普遍的物理現象之一。在人們還沒有揭示出電和磁之間的關係之前，僅能根據它們本身的力效應製作簡單儀器，分別觀察電和磁的現象。磁測量儀器的出現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），它實際是一台磁性羅盤。西方有關磁測量儀器的最早記載，出現於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(圖1)。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象。Versorium也是最早的電測量儀器，吉伯發現不論用哪種金屬製作箭形針，當此儀器接近帶靜電物體時，金屬針都將被吸引而發生偏轉。1745年Г.Β.里赫曼為研究大氣電現象而發明了稱作靜電計的第一台具有定量性質的電測量儀器（圖2中的立柱上方為一金屬桿），圖中的立柱右側為一金屬線及一根細亞麻線，它們都接到金屬桿上。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。據此可分辨電“力”的強弱。以後又相繼出現一些不同結構的靜電測量儀器。

1820年，H.C.奧斯特發現電流的磁效應；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.法拉第發現電磁感應現象。這些發現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係，促使電與磁的測量和有關儀錶的發展產生了躍變，出現了利用磁與電相互作用產生機械力矩、並以指針或光點進行指示的各系機械式指示電錶和記錄儀錶，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、功率因數等）和電參數（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年代以後出現的數字測量技術，則以時間、頻率（或脈衝數）為基本量。

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，不一定與未知量屬於同一性質，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量上可比較的量。圖3是測量過程的簡單框圖。例如機械式指示電錶，多是先將標準量轉換為力矩儲存在電錶的張絲或遊絲中，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，檢測儀錶指零。對於機械式指示電錶，可根據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，還要經數據處理計算出測量結果。若採用自動化測量，則可自動完成此步驟。

組成測量過程的每一環節，不論硬設備（各種電錶、儀器、電學基準等），還是軟措施（如不同的電磁測量方法、數據處理等），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，需在電錶和儀器內設置電磁屏蔽，或在測量線路內採取防止干擾的措施。

電磁測量促進了電工技術的發展，電磁測量在電工的發展中起著重要作用。在電學與磁學的早期分別發展階段，科學家為深入觀察和定量認識客觀規律，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。在發現了電和磁之間的關係以後，有更多的科學家投身於電磁關係的研究，並在當時比較原始的條件下，精心設計和製作了很多專用儀器，並提出很多創造性的測量方法，如安培為觀察電流間相互作用規律所做的實驗，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製者。

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，新興的電力事業還需要大量各種類型的監測儀器和測量方法；而電工設備製造行業，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錶，這就促使了電磁測量儀錶向商品化的方向發展。20世紀初，世界上一些國家已初步建成電工儀錶工業。以後又不斷吸取各種學科的新成就，提高了電磁測量儀錶的性能，如採用電子技術擴展儀錶的量限、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，另一方面它的發展一直與電工技術的發展交織在一起，成為後者的重要組成部分。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；到20世紀的中期已形成了自己的學科體系。

數字儀錶出現和電磁測量系統 在20世紀中期以前，電磁測量主要採用模擬技術，所生產的儀器儀錶稱為模擬式或經典儀器儀錶，以區別於50年代以後採用數字技術所製成的儀器儀錶。實際上，即使是模擬式儀器儀錶，由於新材料、新結構和新工藝的採用，它們的性能也不斷提高，並且發展出不少新的種類，如成套的變換器式電錶、感應耦合比例臂電橋、感應式電流比較儀等。但在引入數字技術后，電磁測量技術發生了重大的變化。

數字技術是將被測的連續物理量，利用模-數轉換原理轉變為離散量，經處理后，最終以數字形式顯示或列印出測量結果。數字儀錶具有準確度高、速度快、讀數沒有視差等優點，且便於與計算機聯接。

第一台數字電壓表出現於1952年，系電子管式，並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展，數字儀錶的性能也不斷改善。到80年代，將微型計算機、單片機與數字儀錶結合，賦予數字儀錶智能化功能，使數字測量技術進入了一個新階段。

科學研究的發展，工業品產量的增長，巨大電力等系統的集中控制，要求測試的物理參數常多達成百上千個。這樣大量的測量，若不採用自動化措施是難於實現的。這一任務可由測量信息系統來完成。

包括測量變換器、電磁測量儀錶及一些輔助設備。此系統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，電磁測量儀錶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，而後者的信號，雖便於傳送、便於做進一步變換、處理和保存等，可是不一定適於觀測者直接接受。為克服這一困難，常需兩者聯用。

隨著新材料、新工藝的出現和數字技術、電子技術、計算機的應用，進一步擴大了測量信息系統的功能。電磁測量將向以下幾方面發展。①利用現代物理的最新成就，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，製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、單片機製成各種智能化儀錶，構成自動測試系統。現代電力系統的測量已與控制融為一體，形成有機的調控系統，其測量功能遠超過簡單的測量裝置。