电工测量与指示仪表的基础知识

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、测量频率

3、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，而后根据函数关系PUI，经过

4、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示法或平衡式测量法。测

5、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、相频特性等。3、数据域测

6、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预程度分为自动测量和非自动测量；

7、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，测量手段不完善，环境影响，测量操作不熟练及工作疏

8、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对测量结果的处理等。一、几个基本的误

9、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级实物计量标准构成量值传递网，把国家基准所体现

10、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确度等级。5、示值由测量器具指示的被测量量值称

11、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，真值A0一般无法得到，所以用实际值A代替A0 ，因而

12、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。0AxxAxx2、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，两者应加以区别。（3）满度相对误差 满度相对误差定义

13、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%100AxA%100 xxxxxAAmxmx%100mmmxxmmmxx 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

14、间物理量的数值去计算被 测物理量的测量方法。 二测量误差二测量误差 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。 仪表误差仪表误差 1仪表误差的分类（根据仪表误差的产生原因）

15、（1）基本误差：；它主要是由仪表的结构性能和制作性能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

16、此可得：最大相对误差 m（K%Am/AX）100%准确度等级K0.10.20.51. 01.52.55.0基本误差（%） 0.10.30.51.01.52.55.0 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

17、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模-数转换器变换为数字量，再通过数码显示被测物理量的值。 2按仪表测量的物理量： 电流表、电压表、功率表、电度表、兆 欧表、转速表等。 3按仪表的工作原理： 磁电系、电磁系、电动系等。 4按

18、仪表测量的电流： 直流表、交流表、交直流两用表等。 5按仪表的准确度等级： 0. 1、0.2、0.5、1.0、1. 5、2. 5、5.0 七级。 6按仪表使用的环境温度和湿度：A、B、 C三组。 7按仪表防御外磁场干扰能力：I、II、 III、IV级。 二指示仪表的型号二指示仪表的型号 指示仪表的型号一般标注在仪表表面或刻度盘上，通常由外形尺寸代号、系列代号、用途代号、设计序号等组成。 常用的用途代号：A电流表，V电压表，W功率表； 常用的系列代号：C磁电系，T电磁系，D 电动系。 三传统指示仪表的表面标记三传统指示仪表的表面标记 在电工测量中，应按指示仪表的表面标记正确选用仪表，并符合仪表的

19、正常工作条件。 传统指示仪表的表面标记如下表。 四指示仪表的基本原理四指示仪表的基本原理 1磁电系仪表 磁电系仪表的测量机构如图所示，在固定的永磁铁1的极掌2和圆柱形铁心3间的气隙中，放置绕在铝框上的可转动线圈4，指针6偏转的角度与电流I成正比：KI（K-比例系数），可见仪表的偏转角度与被测量成线性关系，故刻度盘上的刻度是均匀的。 磁电系仪表测量机构 1-永磁铁 2-极掌 3-铁心 4-动圈 5-游丝 6-指针 磁电系仪表的优点是准确度和灵敏度高、功耗小、防外磁场能力强，缺点是过载能力差；该类仪表主要用于测量直流电压和电流的，也可制成高精度直流标准表。 2电磁系仪表 电磁系仪表的测量机构如图所

20、示，在固定线圈1中放置固定铁片2和可动铁片3，每个铁片的磁性强弱与通过线圈的电流I成正比、偏转角度与I的平方成正比： KI2，可见仪表的偏转角度与被测量成非线性关系，故刻度盘上的刻度是不均匀的。 电磁系仪表结构简单、成本低，但准确度低；该类仪表可主要用于测量交流电压和电流。 磁电系仪表测量机构 1-线圈 2-固定铁片 3-可动铁片 4-空气阻尼器 3电动系仪表 电动系仪表的测量机构如图所示，它有两个 平行排列的固定线圈1（电流线圈），之间有一个可以转动的圆形线圈2（电压线圈），固定线圈中通入电流I1、可动线圈中通入电流I2，指针的偏转角度与两个线圈中电流的乘积成比例：K I1I2。磁电系仪表测

21、量机构 1-固定线圈 2-可动线圈 3-游丝 4-指针 电动系仪表可以测量与两个被测量有关的物理量，但线路繁琐、过载能力差、防外磁场能力弱；该仪表主要用于测量电路的功率、功率因数等，也可作高精度交流标准表。 准确度等级使用范围0.10.2级标准表、精密测量用仪表0.51.5级实验室测量仪表1.05.0级一般工业生产仪表0.12.5级发电厂、变配电所仪表 五指示仪表的使用规则五指示仪表的使用规则 1选择仪表的准确度，应保证测量结果的误差不超过允许范围，通常的选择依据如表所示：各准确度等级指示仪表的使用范围 2应满足仪表的正常工作条件。 3测量前应将仪表指针调零。 4对于单向偏转的直流仪表，应正确

22、连接仪表的正、负端钮，以使指针正偏来获取读数。 5对于多量程仪表，应选用合适的量程，使指针偏转尽可能的大但又不超过满量程；当未知被测量大小范围时，应先用大量程粗测，然后再选择合适的量程以获得精确读数。 6读数时应使观察视线垂直于仪表标尺表面，若标尺平面上带镜子，当“眼、针、影”重合时读数；正确记录读数的有效数字，使之与仪表的准确度相适应。 电工常用测量仪表有摇表、万用表和钳形电流表，这些仪表在测量时若不注意正确的使用方法或稍有疏忽，不是将表烧坏，就是使被测元件损坏，甚至还危及人身安全，因此，掌握常用电工测量仪表的正确使用方法是非常重要的。电工测量仪表万用表（Multimeter) 万用电表又叫

23、繁用表或多用表，它具有多种用途、多种量程、携带方便等一系列优点，是电工、电子测量中最常用的工具、在电气维修和调试工作中被广泛应用。 万用表是综合性仪表，可测量交流或直流的电压、电流，还可以测量元件的电阻以及晶体管的一般参数和放大器的增益等。因此，万用表转换开关的接线较为复杂，必须要掌握其使用方法。万用表有指针式和数字式。指针式万用表是以表头为核心部件的多功能测量仪表，测量值由表头指针指示读取。数字式多用表的测量值由液晶显示屏直接以数字的形式显示，读取方便，有些还带有语音提示功能。外观面板 DT-830 DT-830型万用表的面板图型万用表的面板图POWEROFF ONBEChFE晶体管晶体管插

24、孔插孔显示器电源开关电源开关转换开关转换开关输入输入插座插座hFEDCAVACACADCV10AmACOMV213零欧姆零欧姆调整调整机械零机械零位调整位调整200100504030201050100200300400500246810101522A-V-010V-dB-10V.mA10V+dB+50010 100500255110k1k10010150550500500100VAmAV转换开关转换开关500型万用表测量机构 万用表由测量机构（习惯上称表头）、测量电路和转换开关组成。面板上装有转换开关、电阻测量档的调零旋钮以及接线柱或插孔等。 500型万用表的外型：从图上可以看出当转换开关位于

25、不同位置时，组成不同的测量电路，即可测量不同的电量。转换开关多采用多刀多掷开关，左面开关1是二层三刀十二掷开关，共十二个档位，右面开关K2，是二层二刀十二掷，也有十二个掷位。下面分别介绍当开关位于不同档位时，所组成的电路形式及其特点。 （1）表头：它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表，万用表的主要性能指标基本上取决于表头的性能。表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过表头的直流电流值，这个值越小，表头的灵敏度愈高。测电压时的内阻越大，其性能就越好。表头上有四条刻度线，它们的功能如下：第一条（从上到下）标有R或，指示的是电阻值，转换开关在欧姆挡时，即读此条刻度线。第二条标有和VA，指示的是交、直流

26、电压和直流电流值，当转换开关在交、直流电压或直流电流挡，量程在除交流10V以外的其它位置时，即读此条刻度线。第三条标有10V，指示的是10V的交流电压值，当转换开关在交、直流电压挡，量程在交流10V时，即读此条刻度线。第四条标有dB，指示的是音频电平。 （2）测量线路 测量线路是用来把各种被测量转换到适合表头测量的微小直流电流的电路，它由电阻、半导体元件及电池组成它能将各种不同的被测量（如电流、电压、电阻等）、不同的量程，经过一系列的处理（如整流、分流、分压等）统一变成一定量限的微小直流电流送入表头进行测量。 （3）转换开关 其作用是用来选择各种不同的测量线路，以满足不同种类和不同量程的测量要

27、求。转换开关一般有两个，分别标有不同的档位和量程。500型万用表原理总图500型万用表直流电流测量电路指针表和数字表的选用 指针表和数字表的选用：指针表读取精度较差，但指针摆动的过程比较直观，其摆动速度幅度有时也能比较客观地反映了被测量的大小（比如测电视机数据总线（SDL）在传送数据时的轻微抖动）；数字表读数直观，但数字变化的过程看起来很杂乱，不太容易观看。 指针表和数字表的选用 指针表内一般有两块电池，一块低电压的1.5V，一块是高电压的9V或15V，在电阻档时其黑表笔相对红表笔来说是正端。 数字表一般用9V的电池。在电阻档，表笔极性不变， 指针表的表笔输出电流相对数字表来说要大很多，用R1

28、档可以使扬声器发出响亮的“哒”声，用R10k档甚至可以点亮发光二极管（LED）。 指针表和数字表的选用 在电压档，指针表内阻相对数字表来说比较小，测量精度相比较差。某些高电压微电流的场合甚至无法测准，因为其内阻会对被测电路造成影响（比如在测电视机显像管的加速级电压时测量值会比实际值低很多）。 数字表电压档的内阻很大，至少在兆欧级，对被测电路影响很小。但极高的输出阻抗使其易受感应电压的影响，在一些电磁干扰比较强的场合测出的数据可能是虚的。 万用表测量电量的种类和量程都很多，而且，结构形式各异。因此使用中必须谨慎小心，避免造成不应有的损失。 使用万用表前要校准机械零位和电气零位，若要测量电流或电压

29、，则应先调表指针的机械零位；若要测量电阻，则应先调表指针的电气零位，以防表内电池电压下降而产生测量误差。 使用前必须熟悉转换开关、旋钮和插孔的作用，了解标度盘上每条刻度线所对应的被测量； 检查表笔所接的位置是否正确。此外还应明确要测什么和怎样测量,在此路基础上，将转换开关转到相应的测量种类,选好档位，即电压档、电流档或电阻档; 同时还要选对量程, 被测量的大小有时无法预先估计，初选时应从大到小，以免打坏指针,即应先用高量程试测，然后再以试测结果将量程减小到合适的位置。读数时也应根据被测量选取对应的读数标尺。万用表的使用 量程的选择原则是:禁止带电切换量程,“U、I在上半部分、R在中间较准”，即

30、测量电压、电流时指针在刻度盘的12以上处，测量电阻时指针指在刻度盘的中间处才准确。 测量直流电流、电压时应注意正负极性以免仪表指针反偏、碰弯；测量较高电压(如220V)或较大电流(如0.5A)时不应带电转动开关和旋钮，以免产生电弧，烧坏开关触点； 测量高压时，应把红、黑表笔插入“2500V”和“-”插孔内，把万用表放在绝缘支架上，然后用绝缘工具将表笔触及被测导体。 测电流时万用表笔应串入被测电路中；测电压时万用表的表笔与被测电路并联； 测量晶体管或集成件时，不得使用R1和R10k量程档。 由于整流元件的非线性影响，指针式仪表不适宜测量毫伏级交流信号万用表的使用 万用表交流挡实际测出的是正弦波整

31、流后的半波或全波的平均值，而标尺以其有效值分度若被测电压为非正弦波，平均值与有效值的0.9倍关系不再成立，因此，不能直接读数； 严禁在被测电路带电的情况下测量电阻。因为这样测量既使测量结果不正确，又极易损坏仪表。不用时，切换开关不要停在欧姆档，以防止表笔短接时将电池放电。万用表的使用 测量结束后，应将转换开关旋至最高电压档或空档。带电测量过程中应注意防止发生短路和触电事故。 测量含有感抗的电路中的电压时，应在切断电源之前先断开万用表，以防自感现象产生的高压损坏万用表。 长期不用的万用表应将电池取出，避免电池存放过久而变质，漏出电解液腐蚀电路。 2、 摇表 摇表又称兆欧表，其用途是测试线路或电气设备的绝缘状况。使用方法及注意事项如下： （1） 首先选用与被测元件电压等级相适应的摇表，对于500V及以下的线路或电气设备，应使用500V或1000V的摇表。对