电工测量及指示仪表基础知识

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1、测量是通过实验方法及各种仪器仪表，对客观事物取得定量信息即数量概念的过程。人们通过对客观事物大量的观察和测量，形成定性和定量的认识，归纳、建立起各种定理和定律，而后又要通过测量来验证这些认识、定理和定律是否符合实际情况。,电工测量与指示仪表的基础知识,第一节 测量的基本概念,电工测量泛指以电工技术为基本手段的一种测量技术，是利用电工仪表，获得被测电量（电压、电流、功率等）或磁量（磁感应强度、磁通等）数值的过程。 电工测量不仅应用于电学各专业，也广泛应用于物理学、化学、光学、机械学、材料学、生物学、医学等科学领域以及生产、国防、交通、通讯、商业贸易、生态环境保护乃至日常生活的各个方面。,近几十年

2、来计算机技术和微电子技术的迅猛发展，为电工测量和测量仪器仪表的发展增添了巨大活力。电子计算机尤其是微型计算机与电工测量仪器相结合，构成了一代崭新的仪器和测试系统，即人们通常所说的“智能仪器”和“自动测试系统” 。 电工测量技术(包括测量理论、方法，测量仪器装置等)已成为整个电工学领域的一个重要分支。,一、电工测量的内容和特点,电量的测量：如频率、电压、电流、功率波形、频率、周期、相位、失真度、调幅度、电阻、电感、电容、阻抗参数等的测量 非电量的测量：如位移、速度、温度、压力、流量、物面高度、物质成分等的测量。传感技术的发展为这类测量提供了新的方法和途径。,电工测量具有如下一些特点： 1、测量频

3、率范围宽 2、测量量程宽 3、测量准确度高低相差悬殊 4、易于实现测试智能化和测试自动化 5、影响因素众多，误差处理复杂,二、电工测量的方法和分类,按测量手续分类 1、直接测量：是指直接从测量仪表的读数获取被测量量值的方法，比如用电压表测量晶体管的工作电压，用欧姆表测量电阻阻值等。直接测量的特点是不需要对被测量与其它实测的量进行函数关系的辅助运算，因此测量过程简单迅速，是工程测量中广泛应用的测量方法。 2、间接测量：是利用直接测量的量与被测量之间的函数关系(可以是公式、曲线或表格等)，间接得到被测量量值的测量方法。例如需要测量电阻上消耗的直流功率P，可以通过直接测量电压U，电流I，而后根据函数

4、关系PUI，经过计算，“间接”获得功耗P。间接测量费时费事，常在下列情况下使用：直接测量不方便，或间接测量的结果较直接测量更为准确，或缺少直接测量仪器等。 3、组合测量：当某项测量结果需用多个未知参数表达时，可通过改变测量条件进行多次测量，根据测量值与未知参数间的函数关系列出方程组并求解，进而得到未知量，这种测量方法称为组合测量。,按测量方式分类 1、偏差式测量法：在测量过程中，用仪器仪表指针的位移（偏差）表示被测量大小的测量方法，称为偏差式测量法。例如使用万用表测量电压、电流等。由于是从仪表刻度上直接读取被测量，包括大小和单位，因此这种方法也叫直读法。 2、零位式测量法：零位式测量法又称作零

5、示法或平衡式测量法。测量时用被测量与标准量相比较（因此也把这种方法叫作比较测量法），用指零仪表（零示器）指示被测量与标准量相等（平衡），从而获得被测量。 3、微差式测量法：偏差式测量法和零位式测量法相结合，构成微差式测量法。它通过测量待测量与基准量之差（通常该差值很小）来得到待测量的值。,按被测量的性质分类 1、时域测量：时域测量也叫作瞬态测量，主要测量被测量随时间的变化规律。典型的例子如用示波器观察脉冲信号的升沿、下降沿、平顶降落等脉冲参数以及动态电路的暂态过程等。 2、频域测量：频域测量也称为稳态测量，主要目的是获取待测量与频率之间的关系。如用频谱分析仪分析信号的频谱、测量放大器的幅频特性

6、、相频特性等。 3、数据域测量：数据域测量也称为逻辑量测量，主要是用逻辑分析仪等设备对数字量或电路的逻辑状态进行测量。数据域测量可以同时观察多条数据通道上的逻辑状态，或者显示某条数据线上的时序波形，还可以借助计算机分析大规模集成电路芯片的逻辑功能等。随着微电子技术的发展需要，数据域测量及其测量智能化、自动化显得愈来愈重要。 4、随机测量：随机测量又叫作统计测量，主要是对各类噪声信号进行动态测量和统计分析。这是一项较新的测量技术，尤其在通信领域有着广泛应用。,除了上述几种常见的分类方法外，还有其他一些分类方法。比如，按照对测量精度的要求，可以分为精密测量和工程测量；按照测量时测量者对测量过程的干

7、预程度分为自动测量和非自动测量；按照被测量与测量结果获取地点的关系分为本地（原位）测量和远地测量（遥测），接触测量和非接触测量；按照被测量的属性分为电量测量和非电量测量等等。 在选择测量方法时，要综合考虑下列主要因素：被测量本身的特性；所要求的测量准确度；测量环境；现有测量设备等。在此基础上，选择合适的测量仪器和正确的测量方法。正确可靠的测量结果的获得，要依据测量方法和测量仪器的正确选择、正确操作和测量数据的正确处理。否则，即便使用价值昂贵的精密仪器设备，也不一定能够得到准确的结果，甚至可能损坏测量仪器和被测设备。,第二节 测量的误差及数据的处理,在实际测量中，由于测量器具不准确，测量手段不完

8、善，环境影响，测量操作不熟练及工作疏忽等因素，都会导致测量结果与被测量的真值不同。测量仪器仪表的测量值与被测量真值之间的差异，称为测量误差。测量误差的存在具有必然性和普遍性，人们只能根据需要和可能，将其限制在一定范围内而不可能完全加以消除，所以，我们通常说误差是不可避免的。人们进行测量的目的，通常是为了获得尽可能接近真值的测量结果，如果测量误差超出一定限度，测量工作及由测量结果所得出的结论就失去了意义。在科学研究及现代生产中，错误的测量结果有时还会使研究人员作出错误的判断，使研究工作误入歧途甚至带来灾难性后果。因此，人们不得不认真对待测量误差，研究误差产生的原因，误差的性质，减小误差的方法以及

9、对测量结果的处理等。,一、几个基本的误差概念,1、真值A0 一个物理量在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值称作它的真值。要想得到真值，必须利用理想的量具或测量仪器进行无误差的测量。由此可推断，物理量的真值实际上是无法测得的。 2、指定值As 由于绝对真值是不可知的，所以一般由国家设立各种尽可能维持不变的实物标准（或基准），以法令的形式指定其所体现的量值作为计量单位的指定值。例如指定国家计量局保存的铂铱合金圆柱体质量原器的质量为1kg 。国际间通过互相比对保持一定程度的一致。指定值也叫约定真值，一般就用来代替真值。 3、实际值A 实际测量中，不可能都直接与国家基准相比对，所以国家通过一系列的各

10、级实物计量标准构成量值传递网，把国家基准所体现的计量单位逐级比较传递到日常工作仪器或量具上去。在每一级的比较中，都以上一级标准所体现的值当作准确无误的值，通常称为实际值，也叫作相对真值，比如如果更高一级测量器具的误差为本级测量器具误差的13到 ll0，就可以认为更高一级测量器具的测得值（示值）为真值。在本书后面的叙述中，不再对实际值和真值加以区别。,4、标称值 测量器具上标定的数值称为标称值。如标准电阻上标出的1 ，标准电池上标出来的电动势1 .5 V等。由于制造和测量精度不够以及环境等因素的影响，标称值并不一定等于它的真值或实际值。为此，在标出测量器具的标称值时，通常还要标出它的误差范围或准

11、确度等级。 5、示值 由测量器具指示的被测量量值称为测量器具的示值，也称测量器具的测得值或测量值，它包括数值和单位。一般地说，示值与测量仪表的读数有区别，读数是仪器刻度盘上直接读到的数字。例如以l00分度表示50mA的电流表，当指针指在刻度盘上的50处时，读数是50，而值是25mA。为便于核查测量结果，在记录测量数据时，一般应记录仪表量程、读数和示值（当然还要记载测量方法、连接图、测量环境、测量用仪器及编号、测量者姓名、测量日期等），对于数字显示仪表，通常示值和读数是统一的。,二、误差的表示方法,1、绝对误差 绝对误差定义为： ，式中x称为绝对误差，x称为测得值， A0为被测量真值。前面已提到

12、，真值A0一般无法得到，所以用实际值A代替A0 ，因而绝对误差更有实际意义的定义是： 对于绝对误差，应注意下面几个特点： （1）绝对误差是有单位的量，其单位与测得值和实际值相同。 （2）绝对误差是有符号的量，其符号表示出测量值与实际值的大小关系，若测得值较实际值大，则绝对误差为正值，反之为负值。 （3）测得值与被测量实际值间的偏离程度和方向通过绝对误差来体现。,2、相对误差 相对误差用来说明测量精度的高低，又可分为： （1）实际相对误差 实际相对误差定义为： （2）示值相对误差 示值相对误差也叫标称相对误差，定义为： 如果测量误差不大，可用示值相对误差 代替实际误差 ，但若 和 相差较大，两者

13、应加以区别。 （3）满度相对误差 满度相对误差定义为仪器量程内最大绝对误差 与测量仪器满度值 （量程上限值） 的百分比值 满度相对误差也叫作满度误差和引用误差。由上式可以看出，通过 满度误差实际上给出了仪表各量程内绝 对误差的最大值,电工实验中经常需要用到各种指示仪表对电压、电流、功率等物理量进行测量 一电工测量 电工测量，是利用电工仪表，获得被测电量（电压、电流、功率等）或磁量（磁感应强度、磁通等）数值的过程。 电工测量主要分两类： 1直接测量：从一次测量的实验数据中直接获得数据的 测量方法； 2间接测量：先测量与被测物理量有函数关系的中间物 理量、再利用中间物理量的数值去计算被 测物理量的

14、测量方法。,二测量误差 电工测量无论采用怎样的仪器仪表和测量方法，都会有测量误差，它是测量结果与被测物理量实际值（真值）之间的差异。 1系统误差 系统误差是测量结果有一定规律地向某一方向偏离，如相对于真实值偏大或偏小： （1）仪表误差：仪表在规定的正常工作条件下进行测量时所具有的误差 。,仪表的正常工作条件是指： A指针该调零时应调到零位； B按规定位置放置； C在规定的温度、湿度下工作； D除地磁场外没有超过规定强度的外来磁 场； E交流仪表的被测电流规定为一定频率范 围内的正弦波形。,仪表误差 1仪表误差的分类（根据仪表误差的产生原因） （1）基本误差：；它主要是由仪表的结构性能和制作性能

15、不完善引起的精确程度差异，这是仪表本身固有的，即使再精密的仪表也会有。 （2）附加误差：仪表不在规定的正常工作条件下进行测量而引起的误差。,2仪表误差的表示形式 （1）绝对误差：测量值AX被测量对象实际值AO （2）相对误差：（/AO）100%（/AX）100% （因AO较难确定，故工程上常用AX代替AO） （3）引用误差：n（/Am）100%（Am：仪表的最大测量范围量程）,3仪表的准确度等级 准确度等级K反映的是仪表的基本误差，其实质是最大引用误差（n）m： K% =（n）m（m/Am）100%（m：仪表在整个测量范围内最大绝对误差） 由此可得：最大相对误差 m（K%Am/AX）100%,

16、国家规定的仪表准确度等级有7级（表1-1所示），准确度等级数值越大，仪表相应的准确程度就越低、精度就越差。,注意：仪表的准确度不完全等同于仪表指示值的准确程度（当被测量值等于满刻度值时，两者相同；当被测量值越小于满刻度值，仪表指示值的准确程度越低，所以测量时要兼顾准确度等级与量程，仪表指示值应尽量大于量程的一半）,仪表的准确度等级与基本误差,（2）方法误差（理论误差）：是由于测量 方法本身的合理性、严密性所引起的 差异； 2偶然误差 偶然误差是由于环境干扰等某种偶然因素，使得测量结果在相同测量条件下无规律地出现偏差。,指示仪表,一指示仪表的分类 电工测量的指示仪表有多种分类方式，主要类别如下： 1按仪表的电路形式： （1）模拟式（机械式）电工测量指示仪表：这类仪表将被测模拟物理量变换为机械位移（如指针或光标的角位移等），再通过指示器指示出被测物理量的值； （2）数字式电工测量指示仪表：这类仪表将被测模拟物理量通过