電氣測(cè)量基本知識(shí)

1、電氣測(cè)量技術(shù)合肥工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院黃福林2007.9 序論內(nèi)容提要課程介紹教學(xué)安排測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)1.課程介紹 課程名稱(chēng)：電氣測(cè)量技術(shù)、電工測(cè)量、電磁測(cè)量、電工儀表與測(cè)量、電工儀表 主要內(nèi)容：本課程是研究常用儀表的原理、結(jié)構(gòu)、使用操作技術(shù)；是各種電、磁量（電量+磁量）的測(cè)量方法； 是測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理的技術(shù)。 課程結(jié)構(gòu)：電工儀表+測(cè)量技術(shù)； 相關(guān)課程：電工理論、電子技術(shù)、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)等。1.課程介紹電氣測(cè)量的對(duì)象：電量：如電流、電壓、功率、電能、頻率、電阻、電感、電容以及時(shí)間常數(shù)等。磁量：主要指磁場(chǎng)以及物質(zhì)在磁場(chǎng)磁化下的各種磁特性，例如磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁勢(shì)、磁導(dǎo)率、磁滯和渦流損耗

2、等的測(cè)量。電測(cè)量和磁測(cè)量又可統(tǒng)稱(chēng)為電磁測(cè)量或電氣測(cè)量。1.課程介紹應(yīng)用領(lǐng)域 電工儀表及測(cè)量技術(shù)對(duì)從事電氣技術(shù)工作的人員來(lái)說(shuō)是十分必要的；不論是電氣設(shè)備的安裝、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行、維修；還是對(duì)電氣產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)、測(cè)試、鑒定都會(huì)涉及電磁測(cè)量方面的技術(shù)問(wèn)題。 應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活、國(guó)防、科研等各領(lǐng)域。如，變電所、配電室、發(fā)電廠、電力監(jiān)控網(wǎng)、火箭發(fā)射中心、家用電能計(jì)量表等。電氣測(cè)量的發(fā)展過(guò)程：儀器儀表的發(fā)展最能體現(xiàn)電氣測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。 儀器儀表的發(fā)展可以大致分為三個(gè)階段:1.課程介紹（1）古典（機(jī)械式）電工儀器儀表發(fā)展階段（2）數(shù)字式儀表發(fā)展階段（3）自動(dòng)測(cè)試（智能式）系統(tǒng)發(fā)展階段。1.課程介紹發(fā)展趨勢(shì)

3、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化小型化智能化2.教材及參考資料電氣測(cè)量陳立周 機(jī)械工業(yè)出版社 2004.6電氣測(cè)量陶時(shí)澍 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 1997.8電磁測(cè)量 唐統(tǒng)一 趙偉 清華大學(xué)出版社 1997.7 3、學(xué)習(xí)方法及其它理論+實(shí)踐，注重理論和實(shí)際結(jié)合。E-mail: hflhfut老師電話：3289819（可收短信）考核： 平時(shí)20%+考試80%24 （ 32 ）學(xué)時(shí)，1.5（2）學(xué)分，9周。堅(jiān)持聽(tīng)課，適當(dāng)看書(shū)。4、電工儀表資源中華電工儀表網(wǎng) http:/ /中國(guó)儀器網(wǎng) /中華電工儀器儀表信息網(wǎng) /電測(cè)與儀表雜志社 地址：哈爾濱市哈平路128號(hào) 郵編：150040 電話爾濱電

4、工儀表研究所 http:/ http:/ 測(cè) 量 研 究 所 http:/部分電工儀表圖片部分電工儀表圖片第1章 測(cè)量的基本知識(shí)測(cè)量方式分類(lèi)測(cè)量基本知識(shí)度量器及電學(xué)基準(zhǔn)國(guó)際單位制測(cè)量單位什么是電工測(cè)量（電氣測(cè)量、電磁測(cè)量）?什么是測(cè)量?比較測(cè)量（也可包含在直接測(cè)量中）組合測(cè)量間接測(cè)量直接測(cè)量第1章 測(cè)量的基本知識(shí)儀表的準(zhǔn)確度誤差的基本概念什么叫誤差絕對(duì)誤差相對(duì)誤差引用誤差最大引用誤差 1.1 測(cè)量的基本概念1、什么是測(cè)量： 所謂測(cè)量，是指用實(shí)驗(yàn)的方法，將被測(cè)（未知量）與已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，以得到被測(cè)量大小的過(guò)程；是對(duì)被測(cè)量定量認(rèn)識(shí)的過(guò)程。 1.1 測(cè)量的基本概念2、什么是電氣測(cè)量？ 是指把被

5、測(cè)的電量或磁量直接或間接地與測(cè)量單位的同類(lèi)物理量（或者可以推算出被測(cè)量的異類(lèi)物理量）進(jìn)行比較的過(guò)程。 1.1 測(cè)量的基本概念 3、測(cè)量單位 （unit of measurement） 把測(cè)量中的標(biāo)準(zhǔn)量定義為“單位” ，單位是一個(gè)選定的標(biāo)準(zhǔn)量（或參考量）。獨(dú)立定義的單位稱(chēng)“基本單位” ；由物理關(guān)系導(dǎo)出的單位稱(chēng)“導(dǎo)出單位” 。1.2 國(guó)際單位制（SI）1980年由國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）采納和推薦的一種一貫單位制。 注： SI 是國(guó)際單位制的國(guó)際通用符號(hào)。目前，國(guó)際單位制下7個(gè)基本單位： 長(zhǎng) 度 米 M 質(zhì) 量 千克（公斤） Kg時(shí) 間 秒 S電 流 安培 A熱力學(xué)溫度 開(kāi)爾文 K 物質(zhì)的量 摩爾

6、 Mol發(fā)光強(qiáng)度 坎德拉 cd1.2國(guó)際單位制1.2 .1 SI基本單位的定義米：光在真空中（1/299792458s）時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)過(guò)路徑的長(zhǎng)度。第17屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（1983）千克：國(guó)際千克原器的質(zhì)量。第1屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（1889）和第3屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（1901）秒：銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（1967），決議1安培：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1 m的無(wú)限長(zhǎng)平行圓直導(dǎo)線內(nèi)通以等量恒定電流時(shí)，若導(dǎo)線間相互作用力在每米長(zhǎng)度上為210-7 N，則每根導(dǎo)線中的電流為1 A。國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（1946）決議2

7、。第9屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（1948）批準(zhǔn)1.2國(guó)際單位制1.2 .1 SI基本單位的定義開(kāi)爾文：水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（1967），決議4摩爾：是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元（原子、分子、離子、電子及其他粒子，或這些粒子的特定組合）數(shù)與0.012 kg碳-12的原子數(shù)目相等。第14屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（1971），決議3坎德拉：是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為5401012 Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr。第16屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（1979），決議3國(guó)際單位制（SI）的導(dǎo)出單位電荷量 庫(kù)侖 0C電位（電壓、電動(dòng)

8、勢(shì)） 伏特 V電容 法拉 F電阻 歐姆 電導(dǎo) 西門(mén)子 S電感 亨利 H功率（輻射通量） 瓦特 W磁通量 韋伯 Wb磁通量密度磁感應(yīng)強(qiáng)度 特斯拉 TH表0-1 電磁學(xué)單位的部分SI導(dǎo)出單位國(guó)際單位制（SI）的導(dǎo)出單位國(guó)際單位制中具有專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)的導(dǎo)出單位量平面角 弧度 rad立體角 球面度 sr頻率 赫茲 Hz力（重力、壓力） 牛頓 N壓強(qiáng)（應(yīng)力） 帕斯卡 Pa能量（功、熱） 焦耳 J國(guó)際單位制（SI）的導(dǎo)出單位攝氏溫度 攝氏度 0C光通量 流明 lm光照度 勒克斯 lx放射性活度 貝可勒爾 Bq吸收劑量 戈瑞 Gy劑量當(dāng)量 希沃特 Sv1.3. 電學(xué)單位新基準(zhǔn)及度量器基準(zhǔn)：能最精確地復(fù)現(xiàn)或保存單位

9、的物理現(xiàn)象或?qū)嵨锝谢鶞?zhǔn)。實(shí)物基準(zhǔn)：能最精確地復(fù)現(xiàn)或保存單位的實(shí)物叫實(shí)物基準(zhǔn)（如國(guó)際千克原器，原子鐘等）。自然基準(zhǔn)：能最精確地復(fù)現(xiàn)或保存單位的物理現(xiàn)象叫自然基準(zhǔn)。1.3. 電學(xué)單位新基準(zhǔn)及度量器1.3.1 度量器1、什么叫度量器？ 在測(cè)量過(guò)程中實(shí)際使用的標(biāo)準(zhǔn)量，是測(cè)量單位的復(fù)制體，稱(chēng)作度量器（即實(shí)物基準(zhǔn)）。度量器可以是測(cè)量單位本身，也可以是測(cè)量單位的分?jǐn)?shù)倍或整數(shù)倍。 2、度量器分類(lèi)： 根據(jù)度器在量值傳遞上的作用和精確度不同，分為基準(zhǔn)器（自然基準(zhǔn)或?qū)嵨锘鶞?zhǔn)）、標(biāo)準(zhǔn)器和工作量具三種，其中基準(zhǔn)器是精度高的測(cè)量單位復(fù)制體，一般由國(guó)際或國(guó)家計(jì)量部門(mén)擁有和管理，而日常測(cè)量用的是工作量具。1.3. 電學(xué)單位新

10、基準(zhǔn)及度量器1.3.2 “伏特”和“歐姆”電學(xué)單位新基準(zhǔn) 過(guò)去的電學(xué)基準(zhǔn)是用標(biāo)準(zhǔn)電池組復(fù)現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)或電壓的單位“伏特”，標(biāo)準(zhǔn)電阻復(fù)現(xiàn)電阻的單位“歐姆”。 年月日國(guó)際上正式啟用電學(xué)計(jì)量新基準(zhǔn)。約瑟夫森效應(yīng)（P-3/0-3-1）和馮克里青效應(yīng)（P-3/0-3-1）（也稱(chēng)量子化霍爾效應(yīng)），復(fù)現(xiàn)“伏特”和“歐姆”單位。它具有復(fù)現(xiàn)精確度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)(0-3-1)兩塊弱連接的超導(dǎo)體在微波頻率的照射下，就會(huì)出現(xiàn)階梯式伏安特性，如圖0-3-1所示。這種超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為約瑟夫森結(jié)。在第n個(gè)階梯處的電壓與微波頻率有如下關(guān)系:這個(gè)公式是復(fù)現(xiàn)和保存國(guó)家電壓?jiǎn)挝弧胺亍钡睦碚摶A(chǔ)。通過(guò)精心測(cè)量微波頻率就可確定Vn的

11、數(shù)值。1、約瑟夫森效應(yīng)當(dāng)通過(guò)元件的電流I固定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化而霍爾電壓不變的區(qū)域稱(chēng)為霍爾平臺(tái)。RH是物理常數(shù)。一旦確定i，馮克里青效應(yīng)就可用于復(fù)現(xiàn)、保存電阻單位歐姆。量子化霍爾電阻與平臺(tái)序數(shù)i的關(guān)系如下:(0-3-3)式中，RH為馮克里青常數(shù)。(0-3-4)(0-3-2)霍爾電阻RH(i)，即(2) 馮克里青效應(yīng)(量子化霍爾效應(yīng))標(biāo)準(zhǔn)電池是性能極其穩(wěn)定的化學(xué)電池。電動(dòng)勢(shì)在1.0186V左右。按電解液的濃度劃分為飽和式和不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池。（3） 、標(biāo)準(zhǔn)電池(1)要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池的等級(jí),在規(guī)定要求的溫度下存放和使用。(3)標(biāo)準(zhǔn)電池嚴(yán)禁搖晃和振動(dòng),嚴(yán)禁倒置。經(jīng)運(yùn)輸后要放置足夠時(shí)間后再使用。 標(biāo)

12、準(zhǔn)電池在使用時(shí)應(yīng)注意下列事項(xiàng)。(2)標(biāo)準(zhǔn)電池不能過(guò)載,嚴(yán)禁用電壓表或萬(wàn)用表去測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)。(4)檢定證書(shū)和歷年的檢定數(shù)據(jù)是衡量一只標(biāo)準(zhǔn)電池好壞的依據(jù),應(yīng)注意保存。通常標(biāo)準(zhǔn)電阻是錳銅絲繞制的。標(biāo)準(zhǔn)電阻能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)歐姆量值。（4） 標(biāo)準(zhǔn)電阻高電阻標(biāo)準(zhǔn)電阻有時(shí)制成三端鈕形式。其中,一個(gè)端鈕是屏蔽端鈕,如圖0-3-5所示。在使用時(shí)給屏蔽端一定的電位,可減小漏電的影響。電阻上的電流不流過(guò)電位端鈕，減小了端鈕接觸電阻對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值得影響。阻值低于10W的電阻通常是四端鈕結(jié)構(gòu)。即分別有電流端 鈕和電位端鈕。其接線如圖0-3-4所示。電阻器的四端鈕結(jié)構(gòu)1.4 測(cè)量方式分類(lèi)直接測(cè)量： 直接測(cè)量指的是被測(cè)

13、量與度量器直接進(jìn)行比較，或者采用事先刻好刻度數(shù)的儀器進(jìn)行測(cè)量，從而在測(cè)量過(guò)程中直接求出被測(cè)量的數(shù)值。這種方式稱(chēng)為直接測(cè)量。間接測(cè)量： 如被測(cè)量不便于直接測(cè)定，或直接測(cè)量該被測(cè)量的儀器不夠準(zhǔn)確，那么就可以利用被測(cè)量與某種中間量之間的函數(shù)關(guān)系，先測(cè)出中間量，然后通過(guò)計(jì)算公式，算出被測(cè)量的值，這種方式稱(chēng)為間接測(cè)量。如測(cè)長(zhǎng)、寬求面積；測(cè)電流電壓求功率等。1.4 測(cè)量方式分類(lèi)組合測(cè)量： 如果被測(cè)量有多個(gè)，雖然被測(cè)量（未知量）與某種中間量存在一定函數(shù)關(guān)系，但由于函數(shù)式有多個(gè)未知量，對(duì)中間量的一次測(cè)量是不可能求得被測(cè)量的值。這時(shí)可以通過(guò)改變測(cè)量條件來(lái)獲得某些可測(cè)量的不同組合，然后測(cè)出這些組合的數(shù)值，解聯(lián)立方

14、程求出未知的被測(cè)量。比較測(cè)量： 比較法是指被測(cè)量與已知的同類(lèi)度量器在比較器上進(jìn)行比較，從而求得被測(cè)量的一種方法。這種方法用于高準(zhǔn)確度的測(cè)量 。1.5 測(cè)量誤差真值：在一定條件下，物理量符合其定義的真實(shí)值，稱(chēng)為真值。1.5.1 誤差的基本知識(shí)約定真值：真值無(wú)法得到，通常只能在一定條件下得到與真值最接近的可使用的值，稱(chēng)為約定真值。誤差：是測(cè)量值與（約定）真值相差的程度。誤差公理：測(cè)量的過(guò)程必然存在著誤差，誤差自始至終存在于一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量的過(guò)程之中。因此研究誤差規(guī)律，并盡量減小誤差是測(cè)量的任務(wù)之一。1.5 測(cè)量誤差關(guān)于約定真值另一種方法是在相同條件下多次重復(fù)測(cè)量的算術(shù)平均值來(lái)代表真值。一種方法是

15、采用相應(yīng)的高一級(jí)精度的計(jì)量器具所復(fù)現(xiàn)的被測(cè)量值來(lái)代表真值，另外在產(chǎn)品檢測(cè)中，某項(xiàng)被測(cè)量的設(shè)計(jì)指標(biāo)，既標(biāo)稱(chēng)值視作已知真值，而測(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值之差，就是產(chǎn)品制作誤差（注意：這里的測(cè)量值與其算術(shù)平均值之差才是測(cè)量誤差）。 實(shí)際上，真值是難于得到的，實(shí)際中，人們通常用兩種方法來(lái)近似確定真值，并稱(chēng)之為約定真值。 1.5 測(cè)量誤差1.5.2 誤差的產(chǎn)生原因?qū)嶒?yàn)方法所限；方法不同結(jié)果不一樣。如抽樣調(diào)查中的代表性誤差（抽樣平均誤差）。 儀器本身；因?yàn)槿魏蝺x器都有一定的靈敏度和精確度。環(huán)境的變更；如溫度，緯度，濕度，電磁場(chǎng)的變化。操作人員的素質(zhì)。每個(gè)人生理?xiàng)l件的不同，受教育，訓(xùn)練的程度不同。值得強(qiáng)調(diào)的是，誤差不是

16、錯(cuò)誤，測(cè)量結(jié)果包含了誤差范圍恰恰是測(cè)量結(jié)果正確和科學(xué)的表達(dá)。測(cè)量結(jié)果數(shù)值要用有效數(shù)字來(lái)表示。 1.5 測(cè)量誤差1.5.2 誤差的表示方法絕對(duì)誤差相對(duì)誤差最大引用誤差 nm引用誤差n 1.5 測(cè)量誤差絕對(duì)誤差：測(cè)量值A(chǔ)x與被測(cè)量真值A(chǔ)0之差 相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與真值A(chǔ)0之比，并用百分?jǐn)?shù)表示。（用來(lái)反映測(cè)量結(jié)果）(0-4-1) (0-4-2)因?yàn)锳0難以測(cè)得，有時(shí)用Ax代替A0，則 (0-4-3)由此可見(jiàn)，前者的相對(duì)誤差小些，測(cè)量的準(zhǔn)確度要高些。所以，一般都用它來(lái)表示誤差。例題：用兩個(gè)伏特表測(cè)量?jī)蓚€(gè)電壓，一個(gè)電壓的測(cè)量值為150伏，絕對(duì)誤差為1.5伏；另一個(gè)的測(cè)量值為10伏，絕對(duì)誤差為0.5伏。從

17、絕對(duì)誤差角度來(lái)看，前者比后者大，但從相對(duì)誤差來(lái)看呢？(0-4-4)=(0-4-5)例題前者為：后者為： 式中, n為儀表的引用誤差；為儀表的絕對(duì)誤差；Am為儀表的量限。(0-4-6)通常用引用誤差來(lái)衡量?jī)x表的準(zhǔn)確度。 1.5 測(cè)量誤差引用誤差：儀表某一刻度點(diǎn)讀數(shù)的絕對(duì)誤差比上儀表量程上限Am ，并用百分?jǐn)?shù)表示。 1.5 測(cè)量誤差最大引用誤差：注意：m可以是正的，也可以是負(fù)的。 儀表在整個(gè)量程范圍內(nèi)的最大絕對(duì)誤差m比儀表量程上限Am ，并用百分?jǐn)?shù)表示，稱(chēng)為最大引用誤差（用來(lái)反映儀表質(zhì)量）。（047）1.6 儀表的準(zhǔn)確度儀表的誤差：儀表指示值與被測(cè)量真值 之間相差程度儀表誤差的分類(lèi) （2）附加誤差

18、：在規(guī)定條件之外，所產(chǎn)生的誤差；（1）基本誤差：在規(guī)定條件下，儀表本身所產(chǎn)生的誤差； 1.6 儀表的準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度等級(jí) a1.0基本誤差 (%)1.0儀表的準(zhǔn)確度：GB776-76電測(cè)量指示儀表通用技術(shù)條件給儀表規(guī)定了7個(gè)等級(jí)準(zhǔn)確度。（048） 表示儀表指示值與被測(cè)量真值之間接近的程度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)用最大引用誤差的絕對(duì)值來(lái)確定。即：1.6 儀表的準(zhǔn)確度（1）最大可能的絕對(duì)誤差： ma%Am ( 0-4-9)（2）最大可能的相對(duì)誤差：（0-4-10） 儀表準(zhǔn)確度與測(cè)量誤差估算：例0-4-1 用量限為10安，準(zhǔn)

19、確度為0.5級(jí)的電流表去測(cè)量10安和5安的電流，求測(cè)量的最大相對(duì)誤差。解：（1）測(cè)量10安電流時(shí)所產(chǎn)生的最大可能的絕對(duì)誤差:測(cè)量10安電流時(shí)所產(chǎn)生的最大可能相對(duì)誤差：誤差估算例題由A得（2）測(cè)量5安時(shí)：用同一只表測(cè)量不同的數(shù)值，相對(duì)誤差卻不樣，為什么？例題分析 此例說(shuō)明，如果量程選擇恰當(dāng)，用.級(jí)儀表比用.級(jí)儀表測(cè)量誤差還小。因此，在選用儀表時(shí)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)量的大小，兼顧儀表的等級(jí)和量程或測(cè)量上限，合理地選擇儀表。 為充分利用儀表的準(zhǔn)確度，被測(cè)量的值應(yīng)在儀表量程上限的%-9%為好。補(bǔ)充例題 例1.1： 用以電壓表測(cè)量某電壓，其讀數(shù)為201V，而標(biāo)準(zhǔn)表的讀數(shù)（認(rèn)為是真值）為200V，求絕對(duì)誤差。 解： = Ax - A0 = 201- 200 = 1(V) 例1.2 ： 用一 電壓表測(cè)200V電壓，絕對(duì)誤差為+1V，用另一電壓表測(cè)20V電壓，絕對(duì)誤差為+0.5V，求相對(duì)誤差？ 解：補(bǔ)充例題例1.4：檢定.級(jí)、上限為的電壓表，發(fā)現(xiàn)分度點(diǎn)的誤差為，并且較其它各分度點(diǎn)的誤差為大，該表是否合格？解：該表的最大引用誤差為，因此該電壓表合格。例1.5：某待測(cè)電壓約為，現(xiàn)有.級(jí)300和.級(jí)兩個(gè)電壓表，問(wèn)用哪一個(gè)電壓表測(cè)量較好？分析上例中前者的絕對(duì)誤差大于后者，但誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，后者卻大于前者。因此衡量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，要用相對(duì)誤差。分析 通常儀表的絕對(duì)誤差在儀表標(biāo)尺