天线的方向图测量(设计性)试验

第一篇：天线的方向图测量(设计性)试验

理学院材料物理专业

近代物理实验（设计性）试验报告

2012年6月23号 中国石油大学近代物理 实验报告

班级： 材料物理10-2 姓名： 同组者：

设计性实验

不同材质天线的方向图测量

（measurement of antenna parameters）

【 中国石油大学（华东）理学院材料物理专业10-2 】

摘要：

天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须进行能量的转换。

研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的天线特性。我们知道电磁场满足麦克斯韦（Maxwell）方程组。因此，求解天线问题实质上是求解满足一定边界条件的电磁场方程，它的理论基础是电磁场理论。

研究天线主要是得到天线的相关特性，天线特性一般由电路特性和辐射特性两个方面表征。电路特性包括天线的输入阻抗、效率、频率宽度和匹配程度等；辐射特性包括方向图、增益、极化、相位等，为了达到最佳的通信效果，要求天线必须具备一定的方向性，较高的转换效率，以及满足系统工作的频带宽度。

根据无线电技术设备的任务不同，常常要求天线不是向所有方向均匀地辐射（或对所有方向具有同等的接受能力），而是只向某个特定的区域辐射（或只接受来自特定区域的无线电波），在其它方向不辐射或辐射很弱（接受能力很弱或不能接收），也就是说，要求天线具有方向性。

天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布，通常是不均匀的，这就是天线的方向性。即使最简单的天线也有方向性，完全没有方向性的天线实际上不存在。

通过天线方向图可以方便的得到表征天线性能的电参数。用来描述天线方向图的参数通常有主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等。

关键词：天线、无线电波、能量转换、电磁场、辐射或接收 引言：

通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备，都是通过无线电波来传播信息，都需要有无

线电波的辐射和接收。在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线和发射机、接收机一样，是无线电技术设备的一个重要组成部分。

图1是测量通过天线相位中心各平面内的方向图的方案之一。图中天线1为被测天线，与信号发生器相连用作发射,它装在旋转平台上能作360°转动；天线2为辅助天线，它与电场强度计相连以便测得离被测天线一定距离处的场强。两天线的极化特性要求相同，为了近似满足远场条件，两天线间的距离应满足,式中&λ为测试工作波长；r和D的意义见图1。当转动被测天线1时，可在天线2处测得以转动角θ表示的函数的电场强度E(θ)，于是就可画出转动平面内的天线 1的方向图。若被测天线为半波天线，它的子午面内的方向图如图2a，当把天线转动90°使之垂直于转动平面时,可测得赤道面内的方向图(图2b)。若把天线任意倾斜安装，则可测得任意面内的方向图。此外，也可固定被测天线1，而把辅助天线2沿以被测天线为中心,距离为半径的圆周运动，同样可以测得天线的方向图。若把收发条件互换，即把被测天线用作接收，辅助天线用作发射，最终测得的天线方向图并无变化，这是符合天线互易定理的。

r【实验目的】

1．了解天线的基本工作原理。2．绘制并理解天线方向图。

3．根据方向图研究天线的辐射特性。

4、通过对不同材质的天线的方向图的研究，探究其中的联系与规律。

【实验原理】

一．天线的原理

天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。要能够有效地辐射或者接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。图B1-1给出由高频开路平行双导线传输线演变为天线的过程。开始时，平行双导线传输线之间的电场呈现驻波分布，如图B3-1a。在两根互相平行的导线上，电流方向相反，线间距离又远远小于波长，它们所激发的电磁场在两线外部的大部分空间由于相位相反而互相抵消。如果将两线末端逐渐张开，如图B3-1b所示，那么在某些方向上，两导线产生的电磁场就不能抵消，辐射将会逐渐增强。当两线完全张开时，如图B3-1c所示，张开的两臂上电流方向相同，它们在周围空间激发的电磁场只在一定方向由于相位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，使辐射显著增强。这样的结构被称为开放式结构。由末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须进行能量的转换。图B3-2是进行无线电通信时，从发射机到接收机信号通路的简单方框图。在发射端，发射机产生的已调制的高频震荡电流经馈电设备传输到发射天线，发射天线将高频电流转变成无线电波——自由电磁波向周围空间辐射；在接受端，无线电波通过接收天线转变成高频电流经馈电设备传送到接收机。从上述过程可以看出，天线除了能有效地辐射或者接收无线电波外，还能完成高频电流到同频率无线电波的转换，或者完成无线电波到同频率的高频电流的转换。所以，天线还是一个能量转换器。

研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的天线特性。我们知道电磁场满足麦克斯韦（Maxwell）方程组。因此，求解天线问题实质上是求解满足一定边界条件的电磁场方程，它的理论基础是电磁场理论。

发射天线传播电磁波接收天线馈线发射机馈线接收机 图B3-2 无线电通信系统中的信号通道简单方框图

二．天线的分类

天线的形式很多，为了便于研究，可以根据不同情况进行分类。按用途分类，有发射天线，接收天线和收发公用天线。

按使用范围分类，有通信天线，雷达天线，导航天线，测向天线，广播天线，电视天线等。按馈电方式分类，有对称天线，不对称天线。

按使用波段分类，有长波、超长波天线，中波天线，短波天线，超短波天线和微波天线。按天线外形分类，有T形天线，V形天线，菱形天线，鱼骨形天线，环形天线，螺旋天线，喇叭天线，反射面天线等等。

从便于分析和研究天线的性能出发，可以将大部分天线按其结构形式分为两大类：一类是由半径远小于波长的金属导线构成的线状天线——称为线天线，另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线——称为面天线。线天线主要用于长、中、短波波段，面天线主要用于微波波段，超短波波段则两者兼用。线天线和面天线的基本辐射原理是相同的，但分析方法则有所不同。

三．天线的辐射方向图

研究天线主要是得到天线的相关特性，天线特性一般由电路特性和辐射特性两个方面表征。电路特性包括天线的输入阻抗、效率、频率宽度和匹配程度等；辐射特性包括方向图、增益、极化、相位等，为了达到最佳的通信效果，要求天线必须具备一定的方向性，较高的转换效率，以及满足系统工作的频带宽度。

根据无线电技术设备的任务不同，常常要求天线不是向所有方向均匀地辐射（或对所有方向具有同等的接受能力），而是只向某个特定的区域辐射（或只接受来自特定区域的无线电波），在其它方向不辐射或辐射很弱（接受能力很弱或不能接收），也就是说，要求天线具有方向性。如果天线没有方向性，对发射天线来说，它说辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向，大部分功率浪费在不需要的方向上；对接收天线来说，在接受到所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪声中。因此，一副好的天线，在有效地辐射或接收无线电波的同时，还应该具有为完成某种任务而要求的方向特性。

天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布，通常是不均匀的，这就是天线的方向性。即使最简单的天线也有方向性，完全没有方向性的天线实际上不存在。为了表示天线的方向特性，人们规定了几种方向性电参数，其中一个就是辐射方向图。天线方向图是指与天线等距离处，天线辐射参量在空间中的相对分布随方向变化的图形。所谓辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化等。实际应用中，我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，在没有特别指明的情况下，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布。方向图还可以用分贝（dB）表示，功率方向图用分贝表示后就称为分贝方向图，它表示某方向的功率通量密度相对于最大值下降的分贝数。天线某方向的分贝数的计算方法见公式（B3-1），其中P为某方向的功率通量密度，Pmax为最大功率通量密度。绘制方向图可以采用极坐标，也可以采用直角坐标。极坐标方向图形象、直观，但对于方向性强的天线难于精确表示；直角坐标方向图虽然没有极坐标方向图形象、直观，但更容易从中计算描述天线方向性的诸多参数。

p(dB)10lgPPmax(dB)

（B3-1）

00.52020.50主轴主瓣第一副瓣图B3-3 极坐标下天线方向图一般形状

通过天线方向图可以方便的得到表征天线性能的电参数。用来描述天线方向图的参数通常有主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等。图B3-3是极坐标下天线方向图的一般形状。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，副瓣中最大的为第一副瓣。下面我们列举出可由天线方向图得到的天线参数：

(1)主方向角。指主瓣最大值对应的角度；

(2)主瓣宽度。也称零功率点波瓣宽度（Beam Width between First Nulls, BWFN）,指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角，即20。主瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强；

(3)半功率角。也称半功率点波瓣宽度（Half Power Beam Width, HPBW）,指主瓣最大值两边功率密度等于最大值的0.5倍的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度（将功率密度转化成分贝数后，会发现功率密度变成最大功率密度1/2的地方对应的分贝数比最大功率处小3dB（-3dB=10*lg<1/2>dB），即20.5；

(4)副瓣宽度。指第一副瓣两边两个零辐射方向之间的夹角；

(5)副瓣电平（Side Lobe Lever, SLL）。指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般也以分贝表示，见公式（B3-2），其中：Pmax2和Pmax分别为最大副瓣核主瓣的功率密度最大值。

SLL10lgPmax2Pmax(dB)

（B3-2）

【实验器材】

本实验的实验装置为AT3200天线实训系统。本系统包括可以提供500MHz、2GHz、10GHz的RF 信号源和天线方向控制器，以及可以在计算机上仿真天线复制图和特性的仿真软件。因为本天

线实训系统使用信号的频率较高，所以它能够在较窄的空间（如100m）实验天线的传播特性。而且系统的移动和保管也比较方便。图B3-4为本实验装置的一个示意图：

本实验装置主要包含以下几个主要部件： 1． 主控器 2． 发射器 3． 接收器

4． 各种天线的类型：铝线、镍铬合金和铁线

发射器主控器接收器计算机 图B3-4 AT3200天线实训系统设备示意图

【数据处理】

图

1、极坐标系下的八木天线图

图

2、直角坐标系下的八木天线图

图3、3D下的八木天线方向图

图

4、极坐标系下的八木（铝线）天线图

图

5、直角坐标系下的八木（铝线）天线图

图6、3D下的八木天线（铝线）方向图

图

7、极坐标系下的八木（铁线）天线图

图

8、直角坐标系下的八木（铝线）天线图

图9、3D下的八木天线（铁线）方向图

图

10、极坐标系下的八木（镍铬合金线）天线图

图

11、直角坐标系下的八木（镍铬合金线）天线图

图12、3D下的八木天线（镍铬合金线）方向图

图

13、八木（水平——铝线）

图

14、八木（水平——镍铬合金线）

图

15、八木（水平——铁线）

分析：虽然一般情况下，对于金属材料都满足天线的条件，但从以上图像中，我们可以发现，当将八木天线换成不同的材料之后，天线的方向性将会发生改变，其主方向角和主瓣宽度等都会发生变化，而且变化较为明显，接收信号的宽度也就会相应的改变，但我们也可以发现铁线，铝线和镍铬合金线形成的方向图明显的不规则，这也和在替换材料时的人为因素有关，因为替换材料之后，和原来的八木天线相比，天线必然会出现不直，长短不一，分布不均匀等现象，这些会直接影响到信号的接收。一：因为空间的信号分布是不均匀的；

二：由于改变过的天线方向性会严重减低，所以才会导致方向图的不均匀。但是我们还是可以总结出，不同的材料所对应的主瓣大小是不同的，方向角是不同的，因为不同材料的天线对信号的接收能力是有差别的！

图16、3D下八木（水平——铝线）天线方向图

图16、3D下八木（水平——镍铬合金线）天线方向图

图16、3D下八木（水平——铁线）天线方向图

【思考题】

1.什么是天线方向性图？

答：天线方向图就是通过测量天线在空间不同角度的相关残参量值，在绘制在直角坐标系或者极坐标系中，表示天线相关参量在空间不用角度分布情况的坐标图片。2.测量天线方向图的方法分别有几种，并说明？

答：测量天线方向图的方法主要有两种，分别为固定测量法和旋转测量法，固定测量法主要用于大型天线，由于转动不便，故待测天线固定，辅助天线在空中或地面绕待测天线旋转，得到不同角度的辐射强度，即可绘制出天线方向图。另一种方法是旋转测量法，待测天线旋转，辅助天线固定不动，然后通过测量得到方向图。

【原始数据】

八木(水平——铝线）.atn

八木铝.atn

八木（水平——铁线）.atn八木铁.atn

八木（水平——镍铬合金）.atn

镍铬.atn

【参考文献】

【1】 魏文员，宫德明。《天线原理》 国防工业出版社，1985.【2】 深圳安泰信电子有限公司，AT3200天线实训是同实验参考书。【3】 王石安。《天线的参数测量》（中国大百科）北京百科网络出版社。【4】 任朗：《天线理论基础》，人民邮电出版社，北京，1980。【5】 谢处方：《电波与天线》第二版，人民邮电出版社，北京，1966。

第二篇：测量性实验总结

测量性实验总结

一、长度的测量

1： 测量原则（1）为避免读数出错，三种测量器具（包括毫米刻度尺）均应以mm为单位读数！（2）用游标尺或螺旋测微器测长度时，均应注意从不同方位多测量几次，读平均值。（3）尺应紧贴测量物，使刻度线与测量面间无缝隙。

2：实验原理

l 游标卡尺----(1)每等份为0.9mm，每格与主尺最小分度差0.1mm;20分度的卡尺，游标总长度为19mm，分成20等份，每等份为19/20 mm，每格与主尺最小分度差0.05(即二十分子一)mm;50分度的卡尺，游标总长度为49mm，分成50等份，每等份为49/50mm，每格与主尺最小分度差0.02(即1/50)mm;

二、读数方法：

以洲标尺的零刻线对就位置读出主尺上的整毫米数，再读出洲标尺上的第几条线一心尽的某条线重合，将对齐的洲标尺刻度线数乘以该卡尺的精确度（即总格的倒数），将主尺读数与游标读数相加即得测量值。

l 螺旋测微器

（1）工作原理：每转一周，螺杆运动一个螺距0.5mm，将它等分为50等份，则每转一份即表示0.01mm，故它精确到0.01mm即千分之一厘米，故又叫千分尺。

（2）读数方法：先从主尺上读出露出的刻度值，注意主尺上有整毫米和半毫米两行刻线，不要漏读半毫米值。再读可动刻度部分的读数，看第几条刻度线与主尺线重合（注意估读），乘以0.01mm即为可动读数，再将固定与可动读数相加即为测量值。注意：螺旋测微器读数如以mm为单位，小数点后一定要读够三位数字，如读不够，应以零来补齐。

三、注意事项：

（1）游标卡尺读数时，主尺的读数应从游标的零刻度处读，而不能从游标的机械末端读。

（2）游标尺使用时，不论多少分度都不用估读20分度的读数，末位数一定是0或5；50分度的卡尺，末位数字一定是偶数。

（3）若游标尺上任何一格均与主尺线对齐，选择较近的一条线读数。

（4）螺旋测微器的主尺读数应注意半毫米线是否露出。

（5）螺旋测微器的可动部分读数时，即使某一线完全对齐，也应估读零。

四、用单摆测重力加速度

1．实验目的：用单摆测定当地的重力加速度。

2．实验原理：g=

3．实验器材：长约1m的细线、小铁球、铁架台、米尺、游标卡尺、秒表。

4．易错点：

a．小球摆动时，最大偏角应小于50。到10度。

b．小球应在竖直面内振动。

c．计算单摆振动次数时，应从摆球通过平衡位置时开始计时。

d．摆长应为悬点到球心的距离。即：L=摆线长+摆球的半径。

五、用油膜法估测分子直径

1：实验原理：油酸滴在水面上，可认为在水面上形成了单分子油膜，如把分子认为是球状，测出其厚度即为直径。

2：实验器材：盛水方盘、注射器（或胶头滴管）、试剂瓶、坐标纸、玻璃、痱子粉（或石膏粉）、酒精油酸溶液、量筒

3：步骤：盘中倒水侍其静，胶头滴管吸液油，逐滴滴入量筒中，一滴体积应记清，痱粉均撒水面上，靠近水面一滴成，油膜面积稳定后，方盘上放玻璃稳，描出轮廓印（坐标）纸上，再把格数来数清，多于半格算一格，少于半格舍去无，数出方格求面积，体积应从浓度求。4．注意事项：（1）实验前应注意方盘是否干净，否则油膜难以形成。（2）方盘中的水应保持平衡，痱子粉应均匀浮在水面上（3）向水面滴酒精溶液时应靠近水面，不能离水面太高，否则油膜难以形成。（4）向水面只能滴一滴油酸溶液（5）计算分子直径时，注意滴加的不是纯油酸，而是酒精油酸溶液，应用一滴溶液的体积乘以溶液的体积百分比浓度

六、测定金属的电阻率

1．电路连接方式是安培表外接法，而不是内接法。

2．测L时应测接入电路的电阻丝的有效长度。

3．闭合开关前，应把滑动变阻器的滑动触头置于正确位置。

4．多次测量U、I，先计算R，再求R平均值。

5．电流不宜过大，否则电阻率要变化，安培表一般选0-—0.6安挡。

七、测定电源的电动势和内电阻 1．实验电路图：安培表和滑动变阻器串联后与伏特表并联。

2．测量误差：e、r测量值均小于真实值。

3．安培表一般选0－0.6A档，伏特表一般选0－3伏档。

4．电流不能过大，一般小于0.5A。

误差：电动势的测量值e测和内电阻的测量值r测均小于真实值

八、电表改装（测内阻）

实验注意：

（1）半偏法测电流表内阻时，应满足电位器阻值远远大于待测表内阻（倍左右）的条件。

（2）选用电动势高的电源有助于减少误差

（3）半偏法测得的内阻值偏小（读数时干路电流大于满度电流，通过电阻箱的电流大于半偏电流，由分流规律可得）

（4）改装后电表的偏转仍与总电流或总电压成正比，刻度或读数可由此来定且刻度线应均匀。

（5）校准电路一般采用分压器接法

（6）绝对误差与相对（百分）误差相比，后者更能反应实验精确程度。

第三篇：防性试验委托协议书（本站推荐）

用户变电所预防性试验委托协议书

委托方（以下简称业主）

委托（以下简称服务商）对业主专用变电所进行预防性试验，试验计划日期为为使委托任务安全顺利进行，特订如下协议：

一、变电所业主办理委托时，须带有该变电所电气一次系统图。在图上标明委托试验范围，以及试验期变电所是否保留运行的高压和抵押电气设备。

二、服务商根据业主提供的电气一次系统图，进行现场查勘和核对，开出“变电第一种工作票”。

三、试验当天，由业主值班员根据工作票操作票要求，进行停电操作并作各项安全措施。在预试工作中如需操作和恢复送电，应由业主方值班员进行。

四、被试设备需要拆除电气连接进行试验时，拆除和恢复工作由服务商派员进行，不另行计费，业主应安排专业电工配合。

五、变电所停电后，能否提供预试电源请业主事先告知，服务商可自带发电机供电。

六、工作票许可手续办妥后，工作人员在工作票规定的范围内做好技安措施进行预试工作，如工作人员违反安全工作规程，造成设备损坏和人员伤亡事故，应由服务商负责。

七、业主值班员在试验工作未结束、工作票未办理中介手续前，不得随意改变工作票规定的安全措施，更不允许对设备进行送电操作，如因上述情况发生设备损坏和人员伤亡事故，应由业主方负责。

八、如在测试过程中发现有损坏无法使用的部件业主应自行或委托设备供应商购买，服务商可给予安装调试（需另行收费），如因上述原因延误送电，服务商不承担责任。

九、电气设备通过预防性试验合格，标明该设备性能正常，服务商出具实验报告单。服务商之实验报告，仅对试验当期负责，并不承担设备今后长期安全运行之责任。

十、测试过程中由测试单位造成的设备及人员损伤，责任由测试方承担

十一、工程费用定价元人民币，预试结束后二周内一次性支付，业主不按期付款应向服务商支付违约金，每逾期一天，按合同总价的千分之五偿付违约金。

十二、本协议共两份，双方各执一份。本协议自双方签订时生效，工程竣工签证、款清后自行失效。

本协议签订日期年月日

业主（签章）：服务商（签章）：

代表人（签章）：

第四篇：根向重力性自主性试验的教学设计

“根向重力性”自主性实验的教学设计

吴红漫(江苏省扬州大学附属中学 225001)生物学教学2003年(第28卷)第5期

人教版高中《生物》的实验十“植物向性运动的实验设计和观察”是新教材中的开放性实验,教学目标定位于“学会设计植物向性运动实验的方法”和“学会观察植物的向性运动”。显然,增强开放性,增加学生实验活动的自主性是教学目标达成的关键。笔者组织学生进行了“植物向重力性”自主性实验,意在通过教师的引导与点拨,让学生亲身体验科学实验从准备、选材、设计、操作、分析到结论的全过程,在独立实验中培养学生创新能力。1 实验时间和条件

因为向重力性实验对材料、用具、药品等要求不复杂,学生有理论基础,故采取课后自主性实验方式。

布置学生利用课余时间,在两周左右完成实验。可以利用课余时间去实验室完成,或带进教室,或带回家,根据操作需要也可“随身携带”。

布置学生根据自己设计的实验的需要列出实验用具清单,向实验室借或领实验用具,也可以由学生自备,如用矿泉水瓶、易拉罐、纸杯剪成的小花盆,使学生的实验设计尽量不受实验用具的限制,有助于拓宽思路。2 实验材料的选择

教材中提供的实验材料是“刚萌发并长出幼根的蚕豆种子或玉米种子”,为什么呢?启发学生自主选材:提出疑问→小组讨论→师生共议→学生选择。

提问一.为什么要选用幼苗或刚萌发的种子? 学生讨论结果:主要原因是幼苗或刚萌发的种子的幼嫩的根和茎在萌发和生长的过程中受到重力的影响,逐步表现出正向重力性和负向重力性,实验现象明显,易于观察;其次实验材料易准备;实验条件易控制,种子体积小易于操作;实验周期较短等。

提问二.哪些植物对我们实验比较合适? 学生讨论结果:因当地平均最高气温在0℃～6℃,经过种子培养实验,发现冬小麦与玉米相比、豌豆与蚕豆相比发芽率高,发芽较早。因此,可选用这两种植物分别代表单子叶植物和双子叶植物。

提问三.除了种子,还能选择其它实验材料吗? 学生讨论结果:还可以用两类材料,一是块茎,如当年收获的、处于休眠的马铃薯块茎;二是球茎,如洋葱、蒜或水仙。

经过分析、讨论和培养实验,学生的选材主要集中在四种材料:冬小麦种子、豌豆种子、马铃薯块茎、洋葱鳞茎。当然,学生的最佳选择不一定是真正的最佳选择,但不能轻易否定,应给学生实践的机会。学生的自主性选材首先受到其自身知识水平的影响,又受到生生活经验的启迪,还受到教师的提示和启发,但并不受书本选材的限制,这样的过程触发了学生思维的开放性和多元化。3 实验方案的设计

实验设计是指正式进行科学实验之前,根据一定的目的要求,运用生物学原理,制定一套研究方案。本实验的研究方案包括以下内容:提出假设→提出预期→实验方法及步骤→观察和收集数据→结果分析→实验结论→班级交流。本实验的假设为:植物根的生长受到重力的影响,具有向重力的方向生长的特性。学生的设计的方案有四套,简介如下。

[方案一] 准备:将冬小麦种子若干,培养至刚萌发,选取胚根长约0.5ｍｍ,胚芽长约1ｍｍ的种子4ｎ(ｎ≥1)粒,分为四组。预期:不论胚根与地心引力的相对位置如何,幼根总是向地生长。

实验过程:取一只大号培养皿,填满湿棉花,将四组麦种,每组4粒(设ｎ=4),排成“口”字形经1、2、3、4组的胚根分别对准罗盘的北、东、南、西4个方向,并做好标记。排放时注意将种子放在棉花上,有胚根和胚芽的一面向外,再盖上培养皿。这样做,一是保证萌发和生长的空气;二是防止棉纤维羁绊幼根的生长,影响实验效果。将整套装置竖起,成第1组上、第2组右、第3组下、第4组左的状态,即使第1组成为对照,第2、3、4组为实验组,放在温暖避光处。

[方案二] 准备:选择大小及饱满度相当的豌豆种子3ｎ(ｎ≥1)颗,浸泡后分为三组培养至胚根刚突破种孔。用纸杯剪成等高的3组小花盆,并填满取自同一地点的等量土壤。

预期:不论豌豆种子在土壤中如何埋置,长成的主根都呈现向重力性。

实验过程:将三组培养好的豌豆种子分种在三组花盆中,取ｎ=4,第1组的4粒种子种孔向上,第2组的4粒种子种孔向下,第3组的4粒种子种孔偏向侧面,种脐在种孔上方,使第3组成为对照。埋置的土层深度一致,离表面1ｃｍ,适当洒水,三组花盆用胶带纸和泡沫塑料固定在一起。

[方案三] 准备:马铃薯块茎多个,纵切带一个芽眼的块茎,用赤霉素液浸泡打破休眠,并凉干;沙土一盆。

预期:不论马铃薯的芽眼与地心引力的相对方向如何,新芽总是背地生长,新根总是向地生长。

实验过程:将马铃薯小块茎分为两组,对照组小块茎上的芽眼朝正上方,实验组芽眼朝一侧横放,浅埋于湿的沙土中,置于较温暖的环境中。

[方案四] 准备:洋葱鳞茎2ｎ个,分为两组,都切除枯腐的老根,打破休眠。预期:不论洋葱正或倒挂,根总是向地生长。

实验过程:将两只大小相近的洋葱鳞茎,一只根部朝下,正挂起来,作为对照组;另一只根部朝上,倒挂起来,作为实验组。两组悬挂的高度一致,挂在同一避光环境中。在他们的根部都垫上多层纱布,定时洒水,保持纱布湿润,又便于根部的呼吸。

学生自愿组合成甲、乙、丙、丁四大组,分别按方案一、二、三、四进行实验。甲组和乙组的学生均在实验室操作好,带回教室培养和观察;丙组和丁组的学生带回家培养和观察。要求学生都做好详细的实验记录,包括观察日期、时间、环境条件(温度、天气)、实验对象的生长情况,最好拍成照片,以便分析结果和评价。4 实验结果的比较分析与报告

至第21天,所有小组的实验都已结束。教师将全班的实验结果汇总成表格,进行比较分析。各小组完成实验报告,并在全班交流。交流的重点是如何更合理地改进实验方案,使该实验更加简便、巧妙,更利于假设的验证。从甲组(冬小麦)、乙组(豌豆)、丙组(马铃薯)和丁组(洋葱)的实验现象及结果,得出实验结论:植物根在生长过程中,受重力影响,表现出向重力性生长的特性。收获与体会

自主性实验的过程对于学生是学以致用的过程,能激发学生对学习新知识的需求,例如种子萌发的条件、生长素的两重性、营养生殖、赤霉素的作用、单双子叶植物根的区别等。

自主性实验的开设更重要的是有利于学生创造力的培养,例如甲组的一位学生并没有按预定的方案操作,而是将装置好的培养皿“随身携带”,仍竖放培养皿,但每隔两小时旋转90°,使四组小麦的受力方向不断改变,实验结果是第3～4天现象明显,胚根向中心方向生长。这种方法颇具新意,但缺乏对照。如继续改进,可以成为补充实验来验证重力对根生长的影响。

指导学生开展自主性实验是对教师的知识水平、组织能力、实验技能等多方面素质的考验。教师应具备扎实的基本功和创新能力,还要积极创造条件在教学中为学生创新意识和实践能力的培养创设更为广阔的空间,使学生在实验设计、操作和对结果的观察、分析过程中取得更大的收获和提高,使学生的潜能得到开发,科学素养得到更好地培养。

第五篇：浅谈变频电机试验的功率测量

浅谈变频电机试验的功率测量

徐伟专,董行健，方宏

(1.国防科学技术大学，湖南 长沙 410073；湖南银河电气有限公司, 湖南 长沙410073 ；2.西南交通大

学电气工程学院, 四川 成都 610031）

摘要：本文首先对三表法和二表法在电机试验中的测量方式进行了比较，其次分析了电容电流存在时的电机功率测量方法及误差，并对两表法测量进行了改进，最后讨论了电容电流对功率测量的影响以及消除方法。

关键词： 电机试验，功率测量，二表法，三表法，电容电流

1,21,3

A Brief Talk on Power Measurement of Variable Frequency Electrical Machine

Xu Wei-zhuan,DONG Xing-jian

（1．HuNan Yinhe Electric Co..Ltd, Changsha Hunan 410073, China 2．Department of Electric Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China；）

21,2Abstract: The comparison between double meter method and three meter method on Electrical Machine test is firstly introduced.Then the power measurement method and its error with capacitor current existing are analyzed.Next, a method to improve the double meter method is proposed.Finally, the influence and its eliminations are discussed.Key words: Electrical machine test, Power measurement, Double meter method, Three meter method, Capacitor current 0 引言

随着变频调速技术的高速发展。变频电源作为电机试验电源，存在诸多的优势，但是，与区别于机组电源相比，变频电源存在一些机组电源所未遇到的问题。比如功率测试，《变频器供电三相笼型感应电动机试验方法》[1]报批稿指出，“脉冲频率高的场合不宜使用两表法（Aron接法）。这是因有电容电流存在，输入电流相量之和可能不为零。因此，应采用每相用一个功率表的测量方法”。

本文首先分析了三表法和二表法的功率测量原理，随后就电容电流存在时的功率测量方法和误差，对三表法和二表法进行了对比，最后讨论了实际应用中如何处理电容电流对功率测量的影响。

iAANBCiBiC 图1 Y型三相电路

式中，iA(t)、iB(t)、iC(t)为三相瞬时电流，uAN(t)、uBN(t)、uCN(t)为三相瞬时电压。

式(1),(2)即为三表法测量功率的原理，图2为三表法的测量电路。

*A*1 三表法和两表法功率测量原理 WW* 三相电路有功功率的测量方法有二种：三表法，两表法 [2,3,4]。图1为Y型接法的三相电路。

三相瞬时功率：

p(t)uAN(t)iA(t)uBN(t)iB(t)uCN(t)iC(t)

(1)

B*CN*W*平均功率：

图2 三表法测量电路

PUANIAcosAUBNIBcosBUCNICcosC

PAPBPC

(2)

由图（2）知，三表法测量功率的前提是三相

四线制，只有三相绕组为Y型连接，才能接成三相四线制。对于Y连接的三相负载，若中线N未引出，则有 iAiBiC0

(3)另外 UABUANUBN，UCBUCNUBN

(4)将上述式(3),(4)代入式（1），有

p(t)uAB(t)iA(t)uCB(t)iC(t)

(5)PUABIAcos1UCBICcos2P1P

2(6)式中，1为UAB与IA的相位差，2为UCB与IC的相位差。式(5)、(6)即为两表法的测量原理，图3为两表法的测量电路。

*A*WBC*W* 图3 两表法测量电路

△连接时，有同样的结论。图3中，两个功率表的公共端接在B相，显然，两表法的接线方式共有3种，分别以A、B、C相为公共点。由两表法的推导过程可知，两表法的应用前提是iAiBiC0，故两表法适用于中线未引出的Y连接或△连接的三相电路，即适用三相三线制的三相电路功率测量，与负载是否对称无关。相反，三表法由于需要将中性点作为电压的参考点，只能用于三相四线制电路的功率测量，不能用于三相三线制电路的功率测量。可见，两表法和三表法的用途不同，一般而言，两者不能兼容，对于确定的电路，能采用两表法测量的，就不能采用三表法测量，反之，能用三表法测量的，就不能用两表法测量。有一种特殊情况，在三相四线制电路中，若中线无电流（例如，电源对称，负载对称的情况下）既可用三表法，也可用两表法。这也许就是部分人认为两表法只适合三相对称电路测量的原因。显然，这种认识是错误的。首先，对称电路，只在电路分析时有意义，对于测量来讲，并无实际意义。因为测量

是人类认知或检验的一个过程，而对称与否，是测量的结果，测量之前，我们并不知道其是否对称。其次，对于对称电路来说，只需用一个功率表，读数乘以三即可，无需采用两表法或三表法。存在电容电流时的电机功率测量

2.1 测量方法

对于变频器供电的三相系统中，当载波频率较高时，这些高频电压信号经过传输电缆时，会通过周围的杂散电容形成电容电流，在电机内部，包括轴承电容在内的各种分布电容也会形成电容电流，造成三相电流和不等于零，按照两表法的原理，此时采用两表法测量会造成误差。为此，国家标准《变频器供电三相笼型感应电动机试验方法》报批稿指出，“脉冲频率高的场合不宜使用两表法（Aron接法）。这是因有电容电流存在，输入电流相量之和可能不为零。因此，应采用每相用一个功率表的测量方法”，标准中，未明确实际应用中面临的下述问题：

1． 多高的脉冲频率下，不宜使用两表法？

2．用一个功率表测量每一相是否就是三表法？

3．采用三表法，对于中线未引出的电机，如何测量？

4．采用三表法，是否可以忽略电容电流的影响？

杂散电容根据对功率测量的影响，可以分为两种，第一种，其电流最终回到电源，无中线系统，仍然有iAiBiC0；第二种，其电流通过地回路等泄漏，不再回到电源，可能导致无中线系统

iAiBiC0。本文主要考虑第二种杂散电容的影响，并以电容的对地电流影响为例，图4为存在对地电容电流的三相电路。

iiA1AAiA0iGiBiB1BB0iNiCiC1CC0

图4存在对地电容电流的三相电路

图4中。iA1，iB1，iC1为杂散电容引起的泄漏电流。iA0，iB0，iC0为电机绕组实际相电流，iA，iB，iC为总电流，有：

iAiA0iA1 iBiB0iB(6)iCiC0iC1

T(7)P((uANiA0uBNiB0uCNiC0)dt0T(uAGiA1uBGiB1uCGiC1)dt）/T0 由于电容不消耗功率，式（7）的第二项为零，即： TP(uANiA0uBNiB0uCNiC0)dt /T

(8)0 式(8)说明了两个问题，首先，功率与电容电流无关，其次，从测量角度看，除非电机三相绕组的始端和末端均引出，否则，iA0、iB0、iC0不易直接通过测量获得。为了方便测量，我们对P进行下述变换: TTP((uANiA0uBNiB0uCNiC0)dt(uAGiA1uBGiB1uCGiC1)dt)/T00TT((uANiAuBNiBuCNiC)dt(uANiA1uBNiB1uCNiC1)dt)/T00TT((uANiA1uBNiB1uCNiC1)dt(uNGiA1uNGiB1uNGiC1)dt)/T00 TT(uANiAuBNiBuCNiC)dt/TuNG(iA1iB1i)dt/T

(9)C100 电机试验中，对于较大功率的电机，往往只引出三根线，式（9）中，第一项可直接测量，第二项不易测量，其值取决于电容电流和负载中性点电位。在电容电流不能忽略的情况下，如何准确测量三相电机的功率，尤其是如何采用两表法准确测量功率，对电机试验功率测量具有现实指导意义。2.2存在电容电流时的三表法测量误差

采用三表法测量的功率为：

T P3(uANiAuBNiBuCNiC)dt/T0

(10)TPuNG(iA1iB1iC1)dt/T0可见，三表法测量功率，并不能完全消除电容电流的影响，假设电容电流带来的附加误差为EP3，则有：

TEP3uNG(iA1iB1iC1)dt/T

(11)

0当中性点接地时，uNG0，P3P。

2.3 存在电容电流时的两表法测量误差

以B相为公共端，采用两表法测量的功率为：

TP2B(uABiAuCBiC)dt/T0T

(uANiAuBNiAuCNiCuBNiC)dt/T

0TT(uANiAuBNiBuCNiC）dt/T0uBN(iAiBiC)dt/T0T(uANiAuBNiBuCNiC）dt/T0TuNG(iAiBiC)dt/T0TuBG(iAiBiC)dt/T0

TPu

(12)

BG(iAiBiC)dt/T

0 TEPuBG(iAiBiC)dt/T

(13)0由于 iA0iB0iC00，所以 iAiBiCiA1iB1iC1。

TEPuBG(iA1iB1iC1)dt/T

(14)

0同理，有：

TP2APuAG(iA1iB1iC1)dt/T

(15)0

T

(16)

P2CPuCG(iA1iB1iC1)dt/T0 对于电机试验，一般而言，电机的三相绕组基

本对称，分布电容也存在一定的对称性。即：uNGuAG,uNGuBG,uNGuCG。故三表法测量结果较为准确。两表法测量的改进

电机试验中，中线通常没有引出，导致无法采

用三表法进行测量。如何提高两表法的测量精度，具有积极的现实意义。将分别以A、B、C为同名端的三次两表法测量结果进行平均

PP2BP2C2P2A(17)TPAGuBGuCG)(iA1iB1iC1)dt/3T0(uTP(uANuBNuCN3uNG)(iA1iB1iC1)dt/3T0 由于电机试验时，试验电源一般具有较好的对称性，当电源完全对称时，有uANuBNuCN0，即 TP

(18)2PuNG(iA1iB1iC1)dt/T

0 此时，测量结果与三表法测量结果相等，图5为测量原理图，图中采用能测量瞬时值的两个电压表和三个电流表，由于uCAuCBuAB，功率可按照式（17）求取。改进后的两表法的优点是适合三相三线制的功率测量。

AAVBAVCA 图5：改进后两表法测量原理图 分析与探讨

4.1电容电流对功率测量的影响

不论是三表法、两表法还是改进后的两表法，功率测量结果均受漏电流大小的影响。且其附加的绝对误差均与iA1iB1iC1成正比，iA1iB1iC1与电源电压有关，电压越高，尤其是高次谐波电压越高，iA1iB1iC1越大。其相对误差与功率P有关，当P越小，相对误差越大。即：电源电压固定时，负载电流越小，相对误差越大；功率因素越低，相对误差越大。就电机试验而言，同样的变频器，对于同一台电机而言，负载试验时，误差较小；空载试验时，误差较大。

4.2 分离负载电流与电容电流

不论是三表法、两表法还是改进后的三表法，功率测量结果均受电容电流大小的影响。在了解测

量方法和误差后，更重要的是如何分离负载电流和电容电流，实现用两表法或三表法准确测量功率。

不论是三表法还是两表法，测量到的线电流为负载电流与电容电流之和，我们称为总电流。电容电流的大小与载波频率有关，载波频率越高，电容电流越大，由于分布电容的容量较小，电容电流主要由高次谐波构成。由于电机负载呈感性，负载电流主要由基波和低次谐波构成。

理论上，我们可以通过对总电流的谐波成分进行分析估计电容电流的大小，较高次的谐波电流，主要是电容电流，基波电流及较低次的谐波电流，主要是负载电流。而实际上，不同特性的电机，对谐波的截止频率不同，我们很难用一个通用的，确切的频率值来衡量这个界限，从而不能有效地指导实际测量。实际测量时，更有效的办法应该是尽量减小电容电流。首先，对于线路电容电流，其大小与载波频率，脉冲上升时间，电缆长度有关，实际测量时，只要将测试设备尽可能靠近电机端，完全可以忽略电容电流的影响，还可减小线路电压降对功率测试的影响。其次，电容电流由高次电压谐波造成，而高次电压谐波除了增加功率测量误差外，还有诸多的危害，如：

1.在电缆传输环节，高次谐波会造成过冲电压，损

坏电机绝缘。2.在电机内部，高次谐波导致的轴承电流会损害电

机轴承。

3.高次谐波产生很强的电磁干扰，影响其它设备运

行。

因此，不论是电机试验还是工业运行的变频电源，都应该尽可能减小这种高次谐波。对于变频电机试验而言，若要求试验电源是正谐波电源，需要在变频器的输出加装正谐波滤波器。若要求模拟用户运行环境，可采用诸如dv/dt滤波器等低通滤波器以保护电机。只要采取了上述两种方式中的任意一种，均可大大减小电容电流，提高功率测试精度。

对于载波频率较高，而输出又未加装任何滤波器的变频器，可通过下述方法判断电容电流的大小。不引出中线或将中线悬空，采用三个宽频带的电流传感器，由于iAiBiCiA1iB1iC1，通过对三相电流的高速采样，运算其向量和，该向量和即为电容电流的向量和。结论

电容电流存在，输入电流向量和可能不为零，对两表法或三表法测量均会造成附加误差。改进后的两表法测试误差与三表法基本相当。就电机试验而言，可通过就近测量和附加滤波器等方式减小电容电流，提高测试精度。

【参考文献】

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方法[ S].[2].邱关源.《电路(第五版)》[M].北京:高等教育出版

社,2006.[3] 龚立娇,吴延祥,李玲.三相功率的测量方法[J],石河子大

学学报(自然科学版), 2005,(02).[4] 刘丽君,伍斌.三相电功率两表测量接线方法的研究[J]，西南师范大学学报(自然科学版), 2002,(04).