电子电工技术测量原理与使用

电工电子技术测量原理与使用内容提要1.1

测量误差与测量数据1.2

测量仪表与使用

1.1测量误差与测量数据1测量的目的在实际工作中，电流、电压和电功率是需要测量的。电路元件的具体参数也是需要测量的。电工测量在电路分析和电路设计中是十分重要的。2测量的内容

(1)测量的误差

系统误差,随机误差和疏失误差。

绝对误差,相对误差和引用误若。

(2)测量的数据

估计数据

有效数据。

1.1.1测量误差1测量的概念测量是人类对自然界的客观事物取得数量概念的一种认识过程。在这一过程中，借助专门的设备、通过适当的方法，求出用测量单位描述的被测量的数值大小。例：需要测量电路中的一个负载的电压大小，就需要把电压表并联到负载上，由电压表的指示来确定负载的电压值。需要测量一个负载的电流大小，就需要将电流表与负载串联，由电流表的指示来确定负载的电流值。

2测量误差无论我们采用什么方法，也无论我们怎样致细地测量，由于测量仪器的不准确，测量方法的不完善，使得测得值与被测量的实际值之间总是存在着差别，这就是误差。

(1)误差及其分类1)系统误差在测量过程中产生的误差中,有些误差固定不变的，有些误差是遵循一定的规律变化的。这种误差叫做系统误差。系统误差决定了测量的准确度。系统误差按其误差来源可以分为基本误差、附加误差、方法误差和人身误差。基本误差：基本误差是由测量仪器自身的不完善而形成的。附加误差：这是由于仪器在使用时未能满足其使用条件而造成的误差，方法误差：方法误差是由于测量方法不完善或测量依据的理论不完善等原因而形成的。人身误差：这是由于测量人员的感党器官不完善而造成的误差。

2)随机误差随机误差也称偶然误差。当同一条件下对同一对象重复测量时,每次测量结果仍会出现一些无规律的随机性变化。这种变化是由于周围环境对测量结果的影响而造或的，这种误差叫做随机误差。随机误差决定了测量的精密度。3)疏失误差测量过程中，由操作、读数、记录和计算等方面的错误所造成的误差称为疏失误差。疏失误差的数据是不可靠的。例：用打靶射击的例子说明系统、随机和疏失误差的区别。落弹点明显偏离靶心的一侧，存在恒定系统误差。落弹点随时间交替地偏离靶心的两侧，存在交变系统误差

落弹点密集于靶心周围，表示不存在系统误差，只存在随机误差。个别落弹点明显远离靶心，为疏失误差。(2)系统误差的消除1)引入校正值在实际测量之前,对测量中的仪器设备和度量器用更高准确度的仪器和度量器进行校准，作出它们的校正曲线或校正表格。

在实际测量时，根据这些曲线或表格，对测试的数据引入校正值。这可以使由仪表的基本误差引起的系统误差减少到最小。2)消除产生附加误差的根源尽量使仪表在正常的条件下工作，这样各种外界环境因素引起的附加误差。例：正确安装和调整好仪表，使仪表的环境温度、外来磁场、电源电压的大小、波形和频率等都以符合该仪表所规定的要求。3)采取特殊的测量方法正负误差补偿法

当系统误差为恒值误差时，可以对被测量在不同的试验条件下进行两次测量，使其中一次所包含的误差为正，而另一次所包含的误差为负。取这两次测量的平均值作为测量结果，就可以消除恒值误差。例：如用电流测量电流时，者虑到有可能受到的外界磁场的影响。可以在第一次测量完成之后把电流表转动180度再测量一次。如里第一次测量时由于外界磁场使其出现正增长，则第二次测量时外界磁场可能使其出现负增长。取两次测量的平均值可能消除外界磁场造成的误差。

替代法

替代法是指用可变的标准量代替被测量，并使整个测量装置的工作状态保持不变。这时仪表本身和外界因素所引起的系统误差就对测量结果没有影响。例：利用标准电阻采用替代法测量未知电阻。当两个电阻串联加到外加电源上当两个电阻电压相同时则标准电阻的值就是未知电阻的测量值。

(3)误差的表示方法

1)绝对误差测量值与被测量的实际值之间的差称为绝对误差。如果用AX表示测量结果，Ao表示被测量的实际值，则绝对误差∆可以表示为：

∆=AX-Ao

绝对误差反映了测得值与实际值的误差。2)相对误差相对误差是绝对误差∆与被测量的实际值Ao之间的比值，它通常是以百分数表示：

=(∆/Ao)100

相对误差反映了单位实际值的绝对误差大小。

3)引用误差引用误差是用来表明仪表本身性能的好坏的，它表明了仪表的基本误差的数值。引用误差m规定为绝对误差∆与仪表量程Am的比值，并以百分数表示。

m=(∆/Am)100

引用误差反映了满量程时的相对误差，因为相对误差与被测量的值有关，而引用误差仅与绝对误差有关。引用误差主要作用是用来表示指示仪表的准确度。4)仪表的准确度等级仪表的准确度等级K表示的是仪表在正常使用条件下以引用误差m表示的最大基本误差数值。

m=±K例1：一个量程为30安、准确度K为1.5级的电流表，在环境温度为30C下测量某一电流，读数为10安，且附加误差不会超过仪表的准确度等级。求测量结果的准确度。=±K(Am/Ax)100=±1.5(30/10)100=±4.5总=±(4.5+1.5)=±61.1.2有效数字1有效数字的概念在测量中和结果的数字到底应该用多少位的数字表示，是一个重要问题。例2：用50V电压测量电压时，若读数为34.4V，则最未一位数字“4”是估计出来的，它有可能被读为34.3V或34.5V，所以最未一位数字“4”是欠准确的，称为“欠准数字”或“估计数字”。它表示该位数字可能有1个单位的误差。我们称34.4为有效数字。有效数字是由准确数字和一位欠准数字构成的。2有效数字的正确表示通常作测量记录时，每一组数据都只应保留一位估计数字，即最后一位前的各位数字都必须是准确的。关于数字“0”，它可以是有效数字，也可以不是有效数字。例3：试正确下图指针的读数。如果指针在位置一读数应为12.0。如果指针在位置二读数应为30.0。如果指针在位置三读数应为44.5。3有效数字的运算法则(1)加减运算例：13.65+0.00823+1.633=13.65+0.008+1.633取小数点最少位加上一位保留位

=15.291=15.29结果取原小数点最少的位数例4：15.436-10.2=15.44-10.2取小数点最少位加上一位保留位

=5.2结果取原小数点最少的位数注意：原来两个数据的最少有效数字为三位，相减以后只有两位了。使所带来的误差更大了，应该尽量避免减法运算。(2)乘除运算例：0.012125.641.05782=0.01225.641.058取有效数字最少位多一位有效数字

=0.328结果取原最少的有效数字位数请注意：若有效数字最少的数据中的第一位为“8”或“9”时，在计算结果中的有效数字的位数可以比它多取一位。1.2测量仪表与使用1磁电式仪表1.2.1磁电式仪表与使用(1)磁电式测量机构的结构永久磁铁：产生固动磁场。活动线圈：通电后产生与电流大小成比例的磁场。指针：固定在活动线圈的转轴上，指示测量数据大小。游丝弹簧：活动线圈转动时，游丝弹簧产生反作用力矩。阻尼铝框：使作用力矩和反作用力平衡时能快速静止。(2)磁电式测量机构的转动原理当电流流过活动线圈时，活动线圈中的电流在永久磁铁的磁场中受力形成转动力矩M，转动力矩使线圈转动。转动的活动线圈使游丝弹簧形成反作用力矩MC。当M=

MC时，力矩平衡。阻尼铝框在摆动中产生涡流，该涡流起到阻尼作用。(3)磁电式测量机构力矩平衡关示=k1I

其中k1表示磁电式测量机构的灵敏度2磁电式电流表(1)基本电路磁电式测量机构用于测量电流时，只要不超过它所允许的电流值，就可将测量机构直接与负载串联进行测量。如果测量机构的最大电流为Ig，内由阻为Rg，显然要求

IIg。(2)多量程电流表磁电式测量机构加上分流电路就可以用于测量各种不同量程的电流，构成多量程电流表。

(R1+R2)(10-Ig)=RgIgR1(100-Ig)=(Rg+R2)Ig3磁电式电压表(1)基本电路磁电式测量机构用于测量电压时，只要不超过它所允许的电压值，就可将测量机构直接与负载并联进行测量。如果测量机构的最大电流为Ig，内由阻为Rg，显然要求

UIgRg

(2)多量程电压表磁电式测量机构加上分压电路就可以用于测量各种不同量程的电压，构成多量程电压表。实际的多量程电压表如下图。当Ig=1mA，Rg=1k时，应满足如下关系。

(Rg+R1)Ig=10V(Rg+R1+R2)Ig=100V

2

4万用表一般来说万用表具有测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压和电阻等多种功能。万用表使用比较多的是模拟式(指针式)万用表，目前数字式万用表也应用越来越广。下图是模拟式万用表的主要结构。(1)万用表的主要结构表头部分：这部分有刻度盘、指针和指针调节螺丝。表身部分：这部分选择与量程开关、调零旋钮和表笔插孔。(2)万用表的直流电流档使用由选择开关选中电流档。由量程开关选择合适的量程。电流由红表笔进入，黑表笔流出，串联到被测量的电路中。由表盘对应的电流档和所选择的量程刻度上读出测量值。

注意：千万不要把电流表和电源并联。(3)万用表的直流电压档使用由选择开关选中电压档。由量程开关选择合适的量程。电压正极接红表笔，负极接黑表笔。并联到被测量的电路上。由表盘对应的电压档和所选择的量程刻度上读出测量值。注意：千万不要把电压表和负载串联。(4)万用表的电阻档使用当电源电压E不变和内电阻不变时，测量机构的电流I与被测电阻有关，这就是电阻档的测量原理。

I=(RF/(RF+RT+Rg))(E/(R+RX))R=R0+RF(RT+Rg)/(RT+RF+Rg)RX=(ERF/(RT+RF+Rg))I-1-R=k1I-1-R=k-1-R其中I为测量机构的电流为指针偏转的角度

k、k1为常数使用方法取RX=0，调整RT使I=Ig(调零)。

RX=R时，I=0.5Ig(中值)。

RX=时，I=0(零值)。由选择开关和量程开关选择电阻档及合适的量程。调零。被测电阻接于两表笔之间。由表盘对应的电阻档和所选择的量程刻度上读出被测电阻值。注意：不测量时，不要把两只表笔短接，避免耗电太大。(5)万用表的交流电流和交流电压档使用如图被测的交流电压形成的交流电流在流过二极管时被整流，电流的平均值驱动表针动作。其它部分与直流档相同。使用方法由选择开关和量程开关选择需要检测的物理量档和合适的量程。用黑、红表笔测量电压和电流。采用交流档时，黑、红表笔没有区别。

5磁电式仪表的技术特性准确度高：受外界因素影响很小，仪表的准确度可达0.1至0.05级(引用误差为0.1和0.05)。灵敏度高：只需要很小的电流通过线圈，就可以得到足够大的转动力矩。因此它的灵敏度很高，可以达到1微安/格。功耗很小：由于测量机构内部通过的电流很小，所以本身消耗的功率银小。刻度均匀：表头的电流Ig和表盘刻度成比例，使刻度均匀。过载能力差。结构复杂成本较高。测平均值，如果测交流量需加整流电路。

31.2.2电磁式仪表与使用

1电磁式仪表测量原理(1)

电磁式仪表测量机构可分为吸入式和排斥式两种，这里以排斥为例介绍。(2)电磁式仪表的结构固定线圈：通电后产生与电流大小成比例的磁场。固定铁片和可动铁片：由线圈磁埸磁化形成排斥力构成转矩。指针：和活动铁片一齐固定在转轴上，指示测量数据大小。游丝弹簧：活动铁片转动时，游丝弹簧产生反作用力矩。空气阻尼片：使作用力矩和反作用力平衡时能快速静止。(3)电磁式仪表的转动原理当电流流过固定线圈时，线圈中的电流产生的磁场使固定铁片和活动铁片被磁化产生排作力形成转动力矩M使转轴转动。转轴转动使游丝弹簧形成反作用力矩MC。M=

MC时，力矩平衡。空气阻尼片在摆动中受力，形成阻尼力矩。(4)电磁式测量机构力矩平衡关示

=k2I2

其中k2表示磁电式测量机构的灵敏度注意：电磁式测量机构用于测量电流的有效值，其主要作用是由测量机构与电阻并联用来测量交流电的有效值，由测量机构与电阻串联用于测是电压的有效值。2电磁式电流表(1)电流表的构成电磁式电流表的结构与磁电式电流表的结构相似，它也是由测量机构和分流电阻构成的。(2)电流表的使用由量程开关选择合适的量程。电流由其中一只表笔进入，从另一只表笔流出，串联到被测量的电路中。由表盘对应的电流档和所选择的量程刻度上读出测量值。请注意这种电表的表盘刻度是不均匀的，读数时要注意误差。3电磁式电压表(1)电压表的构成电磁式电压表的结构与磁电式电压表的结构相似，它也是由测量机构和分压电阻构成的。(2)电压表的使用由量程开关选择合适的量程。其中两只表笔分别接到被测量电路的两端，电压表与被测量的电路并联。由表盘对应的电压档和所选择的量程刻度上读出测量值。请注意这种电压表的表盘刻度是不均匀的，读数时要注意误差。4电磁式仪表的主要技术特性电磁式仪表结构简单，过载能力大。这是因为电磁系测量机构的活动部分不通过电流。电磁式仪表的结构中包含有铁磁物质，而铁磁物质存在着磁滞现象，使得这种仪表的准确度比较低。由于交直流下的磁化过程不同，使得交流的电磁仪表不宜在直流下应用。由于电磁式仪表的固定线圈匝数较多，感抗较大，频率变化对仪表读数带来较大误差。由于仪表的磁场较弱易受外部磁场形响，故电磁式仪表受外界形响较大。4电磁式电表的测量电路举例(1)第一种接线方式先电压后电流情况，负载阻抗变大。(2)第二种接线方式先电流后电压情况，负载阻抗变小。1.2.3电动式仪表与使用1电动式仪表测量原理(1)

电动式仪表测量机构

(2)电动式仪表的结构定线圈：通电后产生与电流I1大小成比例的磁场。动线圈：通电后产生与电流I2大小成比例的磁场。指针：和动线圈一齐固定在转轴上，指示测量数据大小。游丝弹簧：动线圈转动时，游丝弹簧产生反作用力矩。空气阻尼片：使作用力矩和反作用力平衡时能快速静止。(3)电动式仪表的转动原理电流I1在定线圈产生磁场B1。电流I2在动线圈产生磁场B2。B2和B1的磁场相互作用形成转动力矩M。转轴的转动使游丝弹簧形成反作用力矩MC。M=

MC转动停止于某一位置。空气阻尼片在摆动中，起到阻尼作用。(4)电动式测量机构力矩平衡关示

=k1I1I2Cos

其中k1表示电动式测量机构的灵敏度为I1与I2的夹角注意：如果定线圈的电流代表负载的电流，而动线圈的电流代表负载的端电压，则该测量机构可以用来测量负载的有功功率。如果采用适当连接，该测量机构也可以用來测量无功功率。电动式仪表的定线圈由两个线圈组成。如果负载的电流比较大时，可以把这两个线圈并联以提高测量的电流量程。如果负载的电流比较小时，可以把两个线圈串联以提高测量的灵敏度。电动式测量机构可以用于测量两个电流乘积的有效值。如果两个电流代表同一个电流或者电压时，可用来测量电流的有效值或者电压的有效值。

2功率表(1)功率表的原理

P=k1I1I2Cos

=k2UI

Cos图中*表示定线圈和动线圈的同名端。(2)功率表的使用1)功率表量限的正确选择正确选择功率表测量功率的量限。合适的动率量限可以使得功率表测量精度最佳。正确选择功率表的电流量限。负载电流不超过功率表定线圈的额定电流，以保护定线圈。正确选择功率表的电压量限。负载电压不超过功率表动线圈的额定电压，以保护动线圈。

例5：有一感性负载，功率约为800瓦，电压220伏，功率因数为0.8，试问怎样选择功率表?解：负载电流I可以算出：I=P/(UCos)=4.54安