電氣測試技術

《電氣測試技術》單位：電氣信息工程學院教師：王玉聯(lián)系方式：4/14/20241.課程簡介測量基本概念，介紹測量的基本概念、技術方法，測量儀表基本結(jié)構(gòu)性能。測量誤差和數(shù)據(jù)處理，誤差的來源、表示方法、測量數(shù)據(jù)的處理。信號時域測量、示波器等儀器的原理和工作特性。非電量的電測技術，各類傳感器的介紹。

數(shù)字化測量技術抗干擾技術4/14/20242.緒論

檢測（Detection）定義：利用各種物理、化學效應，選擇合適的方法與裝置，將生產(chǎn)、科研、生活等各方面的有關信息通過檢查與測量的方法，賦予定性或定量結(jié)果的過程稱為檢測技術。4/14/20243.再例如：丈量土地、衡量谷物→長度、面積、容積和重量的測量；掌握季節(jié)和節(jié)候→原始的時間測量器具→天文測量。現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，處處離不開測量，一個大型鋼鐵廠需要約2萬個測量點在高新技術和國防現(xiàn)代化建設中更離不開測量例如，每種新設計的飛機，需要測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風洞試驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改進設計。4/14/20244.第一章測量的基本概念

1.1測量的概念和定義一、測量的基本方程測量是人類認識和改造客觀世界必不可少的重要手段之一。人們借助于專門的設備，通過實驗方法對客觀事物取得數(shù)量信息的過程稱為測量。測量就是以同性質(zhì)的標準量與被測量比較，并確定被測量對標準量的倍數(shù)，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。測量結(jié)果＝測量數(shù)值.測量單位4/14/20245.測量的內(nèi)涵測量對象：被測客體中的相應的量值信息；測量目的：從被測對象取得一個定量的認識；測量過程：通過實驗去認識對象的過程測量方法：比較；A.直接比較B.間接比較；C.需要測量儀器；(見下頁)測量標準：同類已知單位。測量結(jié)果：最終能表示給測量主體（人）

測量基本要素:被測對象、測量儀器、測量技術、測量人員和測量環(huán)境4/14/20246.被測物體的重量等于標準砝碼的重量。被測物體的重量從度盤上讀數(shù)，因為，彈簧秤度盤上的刻度是事先與標準量進行比較的結(jié)果。4/14/20247.測量的基本方程：被測量的數(shù)值與所選定的單位有關。被測量x，單位量x0，測量結(jié)果值Ax：x0愈大，Ax愈小；x0愈小，Ax愈大。同一被測量x，不同單位量x01、x02：用一定單位量測量某一量所得的數(shù)值，必須乘上換算因數(shù)K，得到用新單位表示的該被測量的數(shù)值。4/14/20248.二、工業(yè)檢測技術涉及的內(nèi)容電氣測試泛指一切利用電氣技術進行的測試及對電氣系統(tǒng)與設備(電機、電器等)所進行的測試。電工量（U、I、f、R、Z、E、B……在電工、電子等課程中講授，大多數(shù)不屬于本課程的范圍。）有關電氣系統(tǒng)與設備常用非電參數(shù)的測試熱工量：溫度t（℃、K、℉）例：0℃等于32℉，20℃等于68℉，100℃等于212℉

壓力（壓強）p（Pa）、壓差Δp、真空度、流量q（t、m3）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）4/14/20249.機械量：直線位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、轉(zhuǎn)速n（r/min）、應變ε（

m/m）、力矩T（Nm）、振動、噪聲、質(zhì)量（重量）m（kg、t）幾何量：長度、厚度、角度、直徑、間距、形狀、粗糙度、硬度、材料缺陷等物體的性質(zhì)和成分量：空氣的濕度（絕對、相對）、氣體的化學成分、濃度、液體的粘度、濁度、透明度、物體的顏色狀態(tài)量：工作機械的運動狀態(tài)（啟停等）、生產(chǎn)設備的異常狀態(tài)（超溫、過載、泄漏、變形、磨損、堵塞、斷裂等）4/14/202410.三、單位制和單位

根據(jù)定義而令系數(shù)為1的量稱為單位。單位是表征測量結(jié)果的重要組成部分，又是對兩個同類量值進行比較的基礎。英呎——feet英尺（0.3048m）在英文中的本意是“腳”。實際上，一英尺就是一個成年男子一只腳的長度。由于腳的長度因人而異，在使用時有必要規(guī)定一個標準的腳長。到了16世紀，德國人用了一個非常簡單的方法解決此事。在一個禮拜日，讓從教堂里走出來的16個男子站在一起，然后將其左腳的長度加在一起，除以16，求出一個平均的腳長。我們現(xiàn)在使用的英尺就這樣誕生了。4/14/202411.單位制是為給定量制建立的一組單位。單位制是由一組選定的基本單位和由定義方程式與比例因數(shù)確定的導出單位組成的一個完整的單位體制?；締挝皇强梢匀我膺x定的。由于基本單位選擇的不同，所以組成的單位制也就不同。多種單位制的并存：市制、英制……多種單位制的并存不僅對國際貿(mào)易有阻礙作用，而且不利于各國之間的科學文化交流。因此統(tǒng)一單位制巳成為各國的共同要求。4/14/202412.國際計量委員會(CIPM)在1956年將經(jīng)過21個國家同意的計量單位制草案命名為國際單位制，以國際通用符號SI來表示。1960年第11屆國際計量大會(CGPM)正式通過了SI。隨后一些國際組織，如國際法制計量組織(OIML)，國際標準化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)等也采用了國際單位制。4/14/202413.（一）國際單位制(SI)國際單位制由7個基本單位、兩個輔助單位和19個具有專門名稱的導出單位所組成。 所有單位都各有一個主單位和十進倍數(shù)（十進分數(shù)）的詞頭組成。7個基本單位定義如下：長度單位——米(m)

光在真空中于1／299792458s時間所經(jīng)過的距離(1983年第17屆國際計量大會通過)。質(zhì)量單位——千克(kg)

質(zhì)量單位、等于國際千克原器的質(zhì)量(1901年第3屆國際計量大會規(guī)定)。國際單位制基本單位中唯一保留的實物基準。4/14/202414.3．時間單位——秒(s)銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間(1967年第13屆國際計量大會決定)。4.電流強度單位——安[培](A)一恒定電流，若保持在處于真空中相距1m的兩無限長而截面可以忽略的平行直導線內(nèi)，則此兩導線之間產(chǎn)生的力在每米長度上等于2×l0-7N(1948年第9屆國際計量大會確定)。5.熱力學溫度單位——開[爾文](K)水的三相點熱力學溫度的1／273.16(1967年第13屆國際計量大會通過)。4/14/202415.6．物質(zhì)的量的單位——摩[爾](mol]一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元數(shù)與0.012kg碳-12的原子數(shù)目相等(1971年第14屆國際計量大會決定增加的基本單位)。在使用摩時，應指明基本單元是原于、分子、離子、電子及其它粒子，或是這些粒子的特定組合。7．發(fā)光強度單位——坎[德拉]（cd）發(fā)出頻率為540×l012Hz單色輻射的光源在給定方向上的發(fā)光強度。而且在此方向上的幅射強度為(1／683)w／sr[1979年第16屆國際計量大會規(guī)定)。4/14/202416.4/14/202417.國際單位制詞頭表示使單位增大或縮小的十進倍數(shù)。例：5.4×10-9s=5.4ns4/14/202418.（二）我國的法定計量單位法定計量單位是由國家以法令形式規(guī)定允許使用的計量單位。1984年2月國務院頒布了《中華人民共和國法定計量單位》，決定我國法定計量單位以國際單位制為基礎。我國法定計量單位包括：(1)國際單位制的基本單位；(2)國際單位制的輔助單位；(3)國際單位制中具有專門名稱的導出單位(4)國家選定的非國際單位制單位；(5)由以上單位構(gòu)成的組合形式的單位；(6)由詞頭和以上單位所構(gòu)成的十進倍數(shù)和分數(shù)單位。4/14/202419.三、測量儀表的基本功能1、變換功能y=F(x)2、選擇功能 y=f(x,u1,u2…,um)3、比較功能4、顯示功能4/14/202420.四、檢測技術的發(fā)展趨勢1.不斷提高檢測系統(tǒng)的測量精度、量程范圍、延長使用壽命、提高可靠性： 隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對檢測系統(tǒng)的測量精度要求也相應地在提高。近年來，人們研制出許多高精度和寬量程的檢測儀器以滿足各種需要。人們還對傳感器的可靠性和故障率的數(shù)學模型進行了大量的研究，使得檢測系統(tǒng)的可靠性及壽命大幅度的提高。現(xiàn)在，許多檢測系統(tǒng)可以在極其惡劣的環(huán)境下連續(xù)工作數(shù)十萬小時。目前，人們正在不斷努力進一步提高檢測系統(tǒng)的各項性能指標。4/14/202421.一、儀表的基本性能（一）精確度精密度、準確度、精確度(1)精密度。指在一定的測量條件下進行多次測量時所得各測量結(jié)果之間的分散程度。

δ↓→精密度↑→隨機誤差小例：某溫度儀表精密度δ＝0.5℃，說明多次測量結(jié)果的分散程度不大于0.5℃。第二節(jié)測量儀表的結(jié)構(gòu)和基本特性4/14/202422.(2)準確度。表示測量結(jié)果與真值的一致程度。例：某電壓表準確度ε＝0.5V，說明該表的指示值偏離被測量不會大于0.5V。

ε↓→準確度↑→系統(tǒng)誤差小

(3)精確度：精密度和準確度的綜合反映。τ＝ε＋δ——精密度、準確度中某一個高，另一個低都不能說精確度高！4/14/202423.例：射擊打靶——測量精度不精密不準確精密不準確不精密準確精密準確→精確度高4/14/202424.（二）穩(wěn)定性穩(wěn)定度：規(guī)定時間內(nèi)，測量條件不變時，儀表內(nèi)部隨機因素。例如，儀表內(nèi)部某些因素做周期性變動，引起示值變化。環(huán)境影響（影響系數(shù)）：儀表外部環(huán)境和工作條件變換所引起的示值不穩(wěn)定。測量環(huán)境包括溫度、濕度、力場、電磁場、輻射、化學氣霧和粉塵，霉菌以及有關電磁量（工作電壓、源阻抗、負載阻抗、地磁場、雷電等）的數(shù)值、范圍及其變化。冷～4/14/202425.二、測量儀表的結(jié)構(gòu)

（一）直接變換型正向變換回路，各環(huán)節(jié)傳遞系數(shù)k1…kn總傳遞系數(shù)：采用開環(huán)方式構(gòu)成的測量系統(tǒng)，雖然從結(jié)構(gòu)上看比較簡單，但是缺點是所有變換器特性的變化都會造成測量誤差。4/14/202426.正向變換回路，各環(huán)節(jié)傳遞系數(shù)k1…kn，總傳遞系數(shù)：反向變換回路，各環(huán)節(jié)傳遞系數(shù)β1…βn，總傳遞系數(shù)：（二）平衡變換型系統(tǒng)輸出：整個系統(tǒng)的輸入輸出關系由反饋系統(tǒng)的特性決定。正向變換特性的變化不會造成測量誤差或者說造成的誤差很小。精心設計反向回路可以保證較高的穩(wěn)定性和高精度。4/14/202427.（三）差動變換型若干擾信號u1＝u2，y＝2k3kx——抗干擾能力較強。靈敏度高，精心制作k3，可保證較高的精確度。三個回路，傳遞函數(shù)k1、k2、k3，k1、k2回路組成結(jié)構(gòu)相同。設k1＝k2＝k，得：y＝2k3kx＋k3k（u1－u2）4/14/202428.1.3測量儀表的輸入輸出特性一、靜態(tài)特性及其性能指標（一）靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指被測量x不隨時間變化或變化極為緩慢的情況下，測量設備輸出量y與輸入量x之間的函數(shù)關系，表示為式中a0，a1，a2…an為決定曲線形狀的系數(shù)衡量儀表靜態(tài)特性的重要措標：線性度、靈敏度、滯環(huán)和重復性4/14/202429.1、理想特性輸入輸出曲線是經(jīng)過坐標原點的直線靈敏度xy04/14/202430.2、具有零點遷移的線性特性輸入輸出曲線是在縱軸上的截距為±y0的直線，相當于把儀表零點遷移到±y0處。xy0+y0-y04/14/202431.3、只含奇次方非線性特性y(x)=-y(-x)輸入輸出曲線對原點對稱在原點附近相當范圍內(nèi)是線性的。這種特性儀表，在輸入量x相當大的范圍內(nèi)具有相當寬的近似線性范圍。xy04、只含偶次方非線性特性輸入輸出曲線不對稱。因為沒對稱性，其線性范圍較窄。一般儀表設計很少采用這種特性。xy04/14/202432.5、普遍情況表達式是靜態(tài)特性的多項式代數(shù)方程。輸入輸出曲線是非線性的。xy04/14/202433.（二）靜態(tài)性能指標1、靈敏度穩(wěn)態(tài)下輸出量的增量與輸入量的增量之比：靜態(tài)特性曲線為線性方程的測量設備，其靈敏度為常數(shù)；靜態(tài)待性曲線為非線性的測量設備，靈敏度是變化的，由靜態(tài)特性曲線上各點的斜率來決定。4/14/202434.靈敏度k越高，表示儀表越靈敏。測量儀表的靈敏度可分為三種情況：在整個測量范圍，靈敏度k保持為常數(shù)，即靈敏度不隨被測量變化；靈敏度k隨被測量增加而增加；靈敏度k隨被測量輸入量增加而減小。由于輸入、輸出的變化量一般都具有量綱，所以靈敏度也是有量綱。輸入為電壓（V）；輸出量為標尺上的位移(格)：k的單位：格/V如果輸入和輸出量是同類量．則此時k理解為放大倍數(shù)。靈敏度比放大倍數(shù)有更廣泛的含義。4/14/202435.2、線性度

線性度是測量設備實際特性曲線與參考直線偏離的程度，常用實際特性曲線偏離參考直線的最大偏差Δym與量程輸出值ym之比的百分數(shù)表示：B請得出結(jié)論：線性度的數(shù)值小些好還是大些好？4/14/202436.參考直線的確定通常有三種方法，所以有相對應的三種線性度。（1）理論線性度(絕對線性度)表示實際輸出曲線與理論曲線之間的偏差程度。選通過零點與滿量程輸出點所作的直線為參考直線。Δymyx4/14/202437.（2）端基線性度(端點線性度)以測量設備多次實測之零輸入所得平均值點與滿量程輸出平均值點所聯(lián)成的直線為參考直線。擬和方法簡單直觀，應用較廣泛；但精度較低。4/14/202438.（3）最小二乘法線性度擬和直線：設實際標準測量點有n個，對應輸出量為y，第i個校準數(shù)據(jù)與擬和直線對應值之間殘差：擬和原則：k=…b=…4/14/202439.在具有等精度的多次測量中求最可靠值時，是當各測定值的殘值的殘差平方和為最小時，所求得的值，也就是說，把所有校準點數(shù)據(jù)都標在坐標圖上，用最小二乘法擬合的直線，其校準點與對應的擬合直線上的點之間的殘差平方和為最小。最小二乘法有嚴格的數(shù)學依據(jù)，盡管計算繁雜，但所得到的擬合直線精密度高，即誤差小。書p10例14/14/202440.設計者和使用者總是希望非線性誤差越小越好，也即希望儀表的靜態(tài)特性接近于直線，這是因為線性儀表的刻度是均勻的，容易標定，也不容易引起讀數(shù)誤差?，F(xiàn)在多采用計算機來糾正檢測系統(tǒng)的非線性誤差。4/14/202441.3、滯環(huán)滯環(huán)是測量設備輸出量與先前輸入量順序有關的一種特性。當輸入量分別由增加方向、減小方向到達同一量時，兩輸出量之差稱為滯后誤差。常用全量程中最大滯環(huán)差值與滿量程輸出值之比的百分數(shù)表示：產(chǎn)生滯環(huán)誤差的主要原因是：摩擦力、機械元件之間的游隙、彈性材料變形、磁性材料的磁滯效應等。4/14/202442.4．重復性

測量設備在相同工作條件下輸入量按同一個方向多次重復測量，所得的特性曲線的不一致的程度。重復誤差：用多次量程中最大重復差值與量程輸出值之比的百分數(shù)表示：xy0xy0ΔydmΔycmΔycm>Δydm4/14/202443.1、直接測量法(偏差式測量)不對與被測量有函數(shù)關系的其它量進行測量而能獲得被測量值的一種測量方法。用預先按已知標準量定度好的測量儀器對被測量進行測量，或者用標準量直接與被測量進行比較，從而得到被測量值。例如，電壓表測電壓，電子卡尺，用電橋測電阻等。一、按測量方法分

4/14/202444.偏差式測量儀表，一般要利用被測物理量產(chǎn)生的力或力矩，使儀表的彈性元件產(chǎn)生方向相反的作用。此反作用又與儀表指針的線位移或角位移（即指針偏差）相關，它便于人們用感官直接觀測。在測量過程中，此反作用一直要增加到與被測物理量的某物理作用相平衡，這時指針的位移在標尺上對應的刻度值，就表示了被測量的測量值。優(yōu)點：測量過程簡單、迅速，應用較廣泛。壓力表：4/14/202445.二、間接測量法通過對被測量有函數(shù)關系的其它量的直接測量，通過函數(shù)關系得到被測量值的測量方法。例如，直接測出電阻的阻值及其兩端的電壓來確定流過該電阻的電流值；測量電阻率。阿基米德測量皇冠的比重：ρ＝V/m對多個被測量進行測量，經(jīng)過計算求得被測量。

4/14/202446.何種情況采用間接測量？一般，間接測量需要測量的量較多。測量和計算工作量較大，引起的誤差因素也較多。但如果對測量誤差進行分析并選擇和確定具體的優(yōu)化測量方法和在比較理想的條件下進行測量，測量結(jié)果的準確程度不一定低，有的甚至有較高的準確度。通常在實驗室使用。直接測量不方便，例測量電流I，I＝U/R直接測量誤差大缺乏直接測量儀器采用現(xiàn)有多參數(shù)綜合測試儀，可使測量手續(xù)簡化。4/14/202447.三、組合測量法組合測量法是當各未知量能以某些可測量的組合形式表示(或改變測量條件來獲得這種不同的組合)時，根據(jù)直接測量和間接測量所得的數(shù)據(jù)，通過解一組聯(lián)立方程而求出各未知量的數(shù)值。通常在實驗室使用。組合測量法實質(zhì)上仍然是一種間接測量法。組合測量法兩個明顯的優(yōu)點：在準確度要求相同的情況下，組合測量需要進行的測量次數(shù)較少；系統(tǒng)誤差出現(xiàn)的規(guī)律變?yōu)殡S機性質(zhì)。測量結(jié)果的準確度有所提高。例：標準電阻電阻值和溫度之間的數(shù)值關系4/14/202448.二、按測量方式分1、直讀式測量在測量過程中，利用測量儀表指針相對于刻度初始點的位移(即偏差)來決定檢測量的測量方法。在使用這種測量方法的儀表內(nèi)并沒有標準量具，只有經(jīng)過標準量具校準過的標尺或刻度盤。測量時，利用儀表指針在標尺上的示值，讀取被測量的數(shù)值。它以間接方式實現(xiàn)被測量和標準量的比較。偏差式測量簡單、迅速，但精度不高，這種方法廣泛應用于工程測量。例：萬用表測量電流、電壓4/14/202449.2、零位測量法

通過調(diào)整一個或幾個與被測量有已知平衡關系的量，用平衡的方法確定出被測量的值。零位測量法的一般形式是將被測量與其值為已知的量相比較，而使所選擇的已知量和被測量之間的差值為零。差值的指示用零位指示器(指零表)指示。零位測量法的最大優(yōu)點是可以用一個固定已知量，通過調(diào)整另一已知可調(diào)量而確定不同大小的被測量，如用電橋測電阻。4/14/202450.例：電位差計簡化電路Ex用三個標準量表示，測量精度高。讀數(shù)時，指零表P指零，不吸收能量，不影響電路工作狀態(tài)，不會