电气测量技术第一章

1、电 气 测 量 技 术Electrical Measurement Technology电气测量技术2 电气测量技术广泛应用于国民经济和科学技术的各个领域，已电气测量技术广泛应用于国民经济和科学技术的各个领域，已经发展为一个较完整的学科，电气测量技术和电气测量仪表的基本经发展为一个较完整的学科，电气测量技术和电气测量仪表的基本原理、使用方法是电气工程技术人员必须掌握的基本知识原理、使用方法是电气工程技术人员必须掌握的基本知识 。 掌握电气测量的基本方法和原理，掌握常用电气测量仪器仪表掌握电气测量的基本方法和原理，掌握常用电气测量仪器仪表的工作原理及其使用方法，为后续课程的学习和将来从事电气技术

2、的工作原理及其使用方法，为后续课程的学习和将来从事电气技术工作打好必要的基础。工作打好必要的基础。前续课程是前续课程是电路电路、模拟电子技术基础模拟电子技术基础和和数字电子技数字电子技术基础术基础，后续课程是，后续课程是传感器与检测技术传感器与检测技术。 平时成绩（平时成绩（30%）+考试（考试（70%）电气测量技术电气测量技术3电气测量技术电气测量技术参考文献参考文献教材教材 徐科军徐科军 李国丽编，李国丽编，电气测试基础（第电气测试基础（第2版）版），电子工业出版社，电子工业出版社，2008参考书籍参考书籍 陶时澍主编，电气测量，哈尔滨工业大学出版社，1997 陈立周主编，电气测量，机械工

3、业出版社，2004版 申忠如 郭福田 丁晖，电气测量技术，科学出版社，2003 方昌林等，电气测量仪表，化学工业出版社，2006参考文献参考文献 电测与仪表电工技术 自动化仪表电子技术应用国外电子测量技术半导体技术 传感器技术 信号处理 电子测量与仪器学报国外电子元器件中国测试技术测试技术学报测控技术计量与测试技术计量学报仪器仪表学报 参考手册参考手册 电工手册、元器件手册、机电手册、传感器手册、无线电手册等 电气测量技术4 第第1章章 绪论绪论 第第2章章 直读式电测仪表直读式电测仪表 第第3章章 比较式电测仪表比较式电测仪表 第第4章章 电子式电测仪表电子式电测仪表 第第5章章 数字化电测

4、仪表数字化电测仪表 第第6章章 磁性电测仪表磁性电测仪表 电气测量技术电气测量技术5第1章 绪论1.01.0 概述概述1.11.1 电气测试的发展过程电气测试的发展过程1.21.2 电气测试的发展趋势电气测试的发展趋势1.31.3 电气测试的方法电气测试的方法1.41.4 测试结果的表示测试结果的表示1.51.5 电学量和电学基准电学量和电学基准1.61.6 仪表测量误差仪表测量误差1.71.7 作业作业电气测量技术61.0 概述绪论本章节基本要求 掌握误差分析和数据处理的方法；掌握误差分析和数据处理的方法； 正确理解测量和测量单位；正确理解测量和测量单位； 了解电学基准和电学标准量具。了解电

5、学基准和电学标准量具。电气测量技术7 绪论1.0 概述电气测量技术8n按按测量方法测量方法可分为直读式和比较式两类。直读式仪表将被测可分为直读式和比较式两类。直读式仪表将被测量的数量由仪表指针在刻度盘上直接指示出来，常用的电流表量的数量由仪表指针在刻度盘上直接指示出来，常用的电流表、电压表等均属直读式仪表。比较式仪表需将被测量与标准量、电压表等均属直读式仪表。比较式仪表需将被测量与标准量进行比较后才能得出被测量的数量，常用的比较式仪表有电桥进行比较后才能得出被测量的数量，常用的比较式仪表有电桥、电位差计等。直读式仪表测量过程简单，操作容易，但准确、电位差计等。直读式仪表测量过程简单，操作容易，

6、但准确度不高；比较式仪表的结构较复杂，造价较昂贵，测量过程也度不高；比较式仪表的结构较复杂，造价较昂贵，测量过程也不如直读法简单，但测量的结果较准确。不如直读法简单，但测量的结果较准确。n按按被测量的种类被测量的种类可分为电流表、电压表、功率表、频率表、可分为电流表、电压表、功率表、频率表、相位表等。相位表等。n按按电流的种类电流的种类可分为直流、交流和交直流两用仪表。可分为直流、交流和交直流两用仪表。n按按工作原理工作原理可分为磁电式、电磁式、电动式仪表等。可分为磁电式、电磁式、电动式仪表等。n按按显示方法显示方法可分为指针式（模拟式）和数字式。可分为指针式（模拟式）和数字式。n按按准确度准

7、确度可分为可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和和5.0共共7个等级个等级 绪论1.0 概述（仪表分类）电气测量技术9电气测试技术（三个方面）电气测试技术（三个方面） 电磁量的测量方法；电磁测量仪表、仪表的设计与制造；电磁量的量值传递。1.1 电气测试的发展过程 仪器仪表的发展（三个阶段）仪器仪表的发展（三个阶段）古典电工仪器仪表数字式仪表自动测试系统 绪论电气测量技术101.2 电气测试的发展趋势 绪论电气测量技术111.3 电气测试的方法直接测量间接测量组合测量实测数据直接由实测数据直接由指示仪表读数获得指示仪表读数获得通过计算得到测量结果通过计算得到测量结果通过联立求解各

8、函数的通过联立求解各函数的关系式确定被测量大小关系式确定被测量大小结果获得过程 绪论电气测量技术121.3 电气测试的方法直读测量法比较测量法测量器具 绪论电气测量技术131.4-1 测试结果的表示I = 5 A测量单位测量单位数值数值独立定义的单位单位基本单位导出单位一定物理关系如米、千克、秒和安培 绪论电气测量技术14 测量的前提：测量的前提： 被测的量必须有明确的定义；被测的量必须有明确的定义； 测量标准必须事先通过协议确定。测量标准必须事先通过协议确定。 没有明确定义没有明确定义 （如：气候的（如：气候的“舒适度舒适度”或人的或人的“智力智力”等等 ）的量，在上述的意义上是不可测的。）

9、的量，在上述的意义上是不可测的。 基本标准（绝对标准）：彼此相互独立的标准。基本标准（绝对标准）：彼此相互独立的标准。 在国际度量衡大会（在国际度量衡大会（CGPM）上定义了七个基本）上定义了七个基本标准：标准：长度、质量、时间、温度、电流、光强和长度、质量、时间、温度、电流、光强和物质的量物质的量。 绪论1.4-1 测试结果的表示电气测量技术15 国际单位制（国际单位制（SISI） 国际计量大会在国际计量大会在1960年将大会以前确定的七年将大会以前确定的七个基本单位的系统命名为个基本单位的系统命名为“国际单位制国际单位制”，国际上统一缩写为国际上统一缩写为SI。 基本单位基本单位 七个基本

10、单位分别赋于七个基本量，经协议七个基本单位分别赋于七个基本量，经协议规定认为是彼此独立的规定认为是彼此独立的 。 绪论1.4-2 国际单位制SI电气测量技术161.4-2 国际单位制SI物理量单位名称长 度米（m）质 量千克（kg）时 间秒（s）电 流安培（A）热力学温度开尔文（K）物质的量摩尔（mol）光 强坎德拉（cd）（平面）角弧度（rad）立体角球面度(sr) 辅助单位 绪论电气测量技术17 测量单位是理论定义。必须通过实验的方法把其复现出来测量单位是理论定义。必须通过实验的方法把其复现出来并逐级传递到被测对象上去，才能实现测量。并逐级传递到被测对象上去，才能实现测量。 量具量具就是测

11、量单位的整数倍或分数倍的复制体，是测量中就是测量单位的整数倍或分数倍的复制体，是测量中用于比较的工具。用于比较的工具。 各国在商业及其它涉及公众利益的范围内都制定有法定计量学的规定条例，这些条例涉及法定计量学的三大范畴：确定单位和单位制； 确定国家施加影响的范围（测量仪表的校准义务，官方监督职能和校准能力）； 实施校准和官方监督。 根据工作任务不同，量具分为基准器、标准量具和工作量根据工作任务不同，量具分为基准器、标准量具和工作量具。具。1.5 电学量和电学基准 绪论电气测量技术18最精密地复现或保存单位的物理现象或实物称为最精密地复现或保存单位的物理现象或实物称为基准基准。如果基准是通过物理

12、现象建立的称为如果基准是通过物理现象建立的称为自然基准自然基准。由实物或装置建立的。由实物或装置建立的称为称为实物基准实物基准。传统的电学基准传统的电学基准由实物基准复现，即：由实物基准复现，即： 标准电池组标准电池组复现电动势或电压的单位复现电动势或电压的单位“伏特伏特”； 标准电阻组标准电阻组复现电阻的单位复现电阻的单位“欧姆欧姆”。新的电学基准新的电学基准（1990.01.01启用）由自然基准复现，即：启用）由自然基准复现，即： 约瑟夫森效应约瑟夫森效应复现电动势或电压的单位复现电动势或电压的单位“伏特伏特”； 冯冯.克里青效应克里青效应（量子化霍尔效应）复现电阻的单位（量子化霍尔效应）

13、复现电阻的单位“欧姆欧姆”。新旧的交替实现了实物基准向自然基准的过渡。新旧的交替实现了实物基准向自然基准的过渡。 自然基准是通过测量原子常数建立起来的。具有长期的稳定性，对计自然基准是通过测量原子常数建立起来的。具有长期的稳定性，对计量单位的统一具有重要意义。量单位的统一具有重要意义。保存基准值的实物或装置称为保存基准值的实物或装置称为“基准器基准器”。 1.5 电学基准 绪论电气测量技术191.5.1 约瑟夫森效应 绪论Josephson effect 电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。1962年由年由B.D约瑟夫森首先在理论上预

14、言，在不到一年的时间内，约瑟夫森首先在理论上预言，在不到一年的时间内，P.W.安德森和安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。约瑟夫森罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。约瑟夫森 效应的物效应的物理内容很快得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学理内容很快得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学科科超导电子学。超导电子学。 两块超导体通过一绝缘薄层两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为厚度为10埃左右埃左右)连接起来，绝缘层对连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导

15、体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。超导隧道结或约瑟夫森结。 电气测量技术201.5.1 约瑟夫森效应 2nnhVfe精心测量微波频率精心测量微波频率就可确定电压的数值就可确定电压的数

16、值 绪论电气测量技术211.5.2 冯冯克利青效应克利青效应 绪论 1985年诺贝尔物理学奖授予德国斯图加特固体研究马克斯年诺贝尔物理学奖授予德国斯图加特固体研究马克斯普朗克研普朗克研究所的冯究所的冯克利青（克利青（Klaus von Klitzing，1943-）,以表彰他发现了量子霍以表彰他发现了量子霍耳效应。耳效应。 霍耳效应是霍耳效应是 1879年美国物理学家霍耳（年美国物理学家霍耳（Edwin Hall）研究载流导体）研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。他在长方形导体薄片上通以在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。他在长方形导体薄片上通以电流，沿电流的垂直方向加磁场

17、，发现在与电流和磁场两者垂直的两侧面电流，沿电流的垂直方向加磁场，发现在与电流和磁场两者垂直的两侧面产生了电势差。后来这个效应广泛应用于半导体研究。产生了电势差。后来这个效应广泛应用于半导体研究。 1980年一种新的霍耳效应被发现。这就是德国物理学家冯年一种新的霍耳效应被发现。这就是德国物理学家冯克利青从克利青从金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MOSFET）发现的量子霍耳效应。他）发现的量子霍耳效应。他在硅在硅MOSFET管上加两个电极，把管上加两个电极，把MOSFET管放到强磁场和深低温下，管放到强磁场和深低温下，证明霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现一系列平台，

18、与平台相应的霍耳电证明霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现一系列平台，与平台相应的霍耳电阻等于阻等于RHh/ie2，其中，其中i是正整数是正整数1，2，3，这一发现是，这一发现是20世纪以世纪以来凝聚态物理学、各门新技术（包括低温、超导、真空、半导体工艺、强来凝聚态物理学、各门新技术（包括低温、超导、真空、半导体工艺、强磁场等）综合发展以及冯磁场等）综合发展以及冯克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。 电气测量技术22 。( )( )HHUiRiI ( )HRR ii 绪论1.5.2 冯冯克利青效应克利青效应HR电气测量技术23标准电池是复现电动势或电压单位

19、“伏特”的量具 1.5.3 标准电池 绪论电气测量技术241.5.3 标准电池 绪论饱和式标准电池的原理结构饱和式标准电池的原理结构 1汞(+)2镉汞齐(-)3铂引线4硫酸镉饱和溶液5玻璃外壳6硫酸镉结晶7硫酸亚汞 电气测量技术25标准电池使用注意事项。1.5.3 标准电池 绪论电气测量技术261.5.4 标准电阻 绪论标准电阻是复现和保存电阻单位“欧姆”的实体Why?电气测量技术27高电阻标准电阻（阻值高于高电阻标准电阻（阻值高于106 ）有时制成三端钮）有时制成三端钮形式。其中一个端钮是屏蔽端钮，在使用时给屏蔽端一形式。其中一个端钮是屏蔽端钮，在使用时给屏蔽端一定的电位，可减小漏电的影响。

20、定的电位，可减小漏电的影响。阻值低于10的电阻通常是四端钮结构，即分别有电流端钮 c-c 和电位端钮 p-p 。电阻上的电流不流过电位端钮，减小了端钮接触电阻对标准电阻阻值得影响。1.5.4 标准电阻 绪论电气测量技术281.5.5 可变电阻箱 绪论 可变电阻箱可变电阻箱就是由若干已知数值的电阻元件按一定形式连就是由若干已知数值的电阻元件按一定形式连接在一起组成的可变电阻量具。接在一起组成的可变电阻量具。 (1)接线式电阻箱接线式电阻箱 接线式电阻箱的各已知电阻分别焊在各端钮之间。改变接线式电阻箱的各已知电阻分别焊在各端钮之间。改变接线方式就改变了电阻箱的电阻值。特点是没有零电阻接线方式就改变

21、了电阻箱的电阻值。特点是没有零电阻(电阻电阻箱示值为零时的电阻值箱示值为零时的电阻值)和电刷的接触电阻，示值稳定，结构和电刷的接触电阻，示值稳定，结构简单。但是，变换阻值范围太窄，改变接线也较麻烦。简单。但是，变换阻值范围太窄，改变接线也较麻烦。 接线式电阻箱电路结构图接线式电阻箱电路结构图 电气测量技术291.5.5 可变电阻箱 绪论(2)开关式电阻箱开关式电阻箱 这是三级十进这是三级十进位电阻箱，转换开位电阻箱，转换开关的位置就可以得关的位置就可以得到需要得三位十进到需要得三位十进电阻值。电阻值。 优点是阻值变优点是阻值变化范围宽，操作方化范围宽，操作方便。但是，接触电便。但是，接触电阻大

22、，且不稳定，阻大，且不稳定，存在零电阻。存在零电阻。 开关式电阻箱电路结构图开关式电阻箱电路结构图 电气测量技术301.6 电气测量仪表的误差 绪论误差测量结果（简称示值）与被测量真实值（简称真值）的偏离程度测量结果（简称示值）与被测量真实值（简称真值）的偏离程度误差分类误差规律误差规律系统误差、随机误差、粗大误差、渐变误差系统误差、随机误差、粗大误差、渐变误差表达形式表达形式绝对误差、相对误差、引用误差绝对误差、相对误差、引用误差产生原因产生原因基本误差、附加误差基本误差、附加误差误差来源误差来源工具误差、方法误差工具误差、方法误差测量速度测量速度动态误差、静态误差动态误差、静态误差对象关系

23、对象关系其它分类其它分类定值误差、累计误差定值误差、累计误差测试误差、范围误差、标准误差、算术平均误差、或然误差测试误差、范围误差、标准误差、算术平均误差、或然误差、正态误差；零位误差（又叫加和误差）、灵敏度误差（又、正态误差；零位误差（又叫加和误差）、灵敏度误差（又叫倍率误差）等叫倍率误差）等电气测量技术31（1）基本误差 仪表在正常工作条件下进行测量时，由于内部结构和制作不完善所具有的误差。1.6.1 误差分类 绪论 仪表正常工作条件仪表正常工作条件： 1) 仪表指针调整到进行零位；仪表指针调整到进行零位； 2) 仪表按规定的工作位置安放；仪表按规定的工作位置安放； 3) 除地磁外，没有外

24、来电磁场；除地磁外，没有外来电磁场； 4) 周围温度是周围温度是200C或为仪表所标的温度；或为仪表所标的温度； 5) 交流仪表的使用频率符合仪表的规定，所测量的波形为交流仪表的使用频率符合仪表的规定，所测量的波形为 正弦。正弦。 电气测量技术321.6.1 误差分类（2）附加误差 仪表偏离其正常工作条件而产生的除上述基本误差外的误差，如温度、外磁场、频率等不符合仪表正常工作条件时都会引起附加误差。 是由于外界因素的影响和仪表放置不符合规定等原因所产生的误差。 附加误差有些可以消除或限制在一定范围内，而基本误差却不可避免。 绪论电气测量技术33Ax A0 g A0Ax A0 ，0 xAA 0100%Ag100%xAg1.6.2 误差表达形式xAA 绪论电气测量技术341.6.2 误