电气测试技术

《电气测试技术》单位：电气信息工程学院教师：王玉联系方式：4/14/20241.课程简介测量基本概念，介绍测量的基本概念、技术方法，测量仪表基本结构性能。测量误差和数据处理，误差的来源、表示方法、测量数据的处理。信号时域测量、示波器等仪器的原理和工作特性。非电量的电测技术，各类传感器的介绍。

数字化测量技术抗干扰技术4/14/20242.绪论

检测（Detection）定义：利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法，赋予定性或定量结果的过程称为检测技术。4/14/20243.再例如：丈量土地、衡量谷物→长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候→原始的时间测量器具→天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中更离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。4/14/20244.第一章测量的基本概念

1.1测量的概念和定义一、测量的基本方程测量是人类认识和改造客观世界必不可少的重要手段之一。人们借助于专门的设备，通过实验方法对客观事物取得数量信息的过程称为测量。测量就是以同性质的标准量与被测量比较，并确定被测量对标准量的倍数，取得用数值和单位共同表示的测量结果。测量结果＝测量数值.测量单位4/14/20245.测量的内涵测量对象：被测客体中的相应的量值信息；测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；测量过程：通过实验去认识对象的过程测量方法：比较；A.直接比较B.间接比较；C.需要测量仪器；(见下页)测量标准：同类已知单位。测量结果：最终能表示给测量主体（人）

测量基本要素:被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境4/14/20246.被测物体的重量等于标准砝码的重量。被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。4/14/20247.测量的基本方程：被测量的数值与所选定的单位有关。被测量x，单位量x0，测量结果值Ax：x0愈大，Ax愈小；x0愈小，Ax愈大。同一被测量x，不同单位量x01、x02：用一定单位量测量某一量所得的数值，必须乘上换算因数K，得到用新单位表示的该被测量的数值。4/14/20248.二、工业检测技术涉及的内容电气测试泛指一切利用电气技术进行的测试及对电气系统与设备(电机、电器等)所进行的测试。电工量（U、I、f、R、Z、E、B……在电工、电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。）有关电气系统与设备常用非电参数的测试热工量：温度t（℃、K、℉）例：0℃等于32℉，20℃等于68℉，100℃等于212℉

压力（压强）p（Pa）、压差Δp、真空度、流量q（t、m3）、流速v（m/s）、物位、液位h（m）4/14/20249.机械量：直线位移x（m）、角位移α、速度、加速度a（m/s2）、转速n（r/min）、应变ε（

m/m）、力矩T（Nm）、振动、噪声、质量（重量）m（kg、t）几何量：长度、厚度、角度、直径、间距、形状、粗糙度、硬度、材料缺陷等物体的性质和成分量：空气的湿度（绝对、相对）、气体的化学成分、浓度、液体的粘度、浊度、透明度、物体的颜色状态量：工作机械的运动状态（启停等）、生产设备的异常状态（超温、过载、泄漏、变形、磨损、堵塞、断裂等）4/14/202410.三、单位制和单位

根据定义而令系数为1的量称为单位。单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。英呎——feet英尺（0.3048m）在英文中的本意是“脚”。实际上，一英尺就是一个成年男子一只脚的长度。由于脚的长度因人而异，在使用时有必要规定一个标准的脚长。到了16世纪，德国人用了一个非常简单的方法解决此事。在一个礼拜日，让从教堂里走出来的16个男子站在一起，然后将其左脚的长度加在一起，除以16，求出一个平均的脚长。我们现在使用的英尺就这样诞生了。4/14/202411.单位制是为给定量制建立的一组单位。单位制是由一组选定的基本单位和由定义方程式与比例因数确定的导出单位组成的一个完整的单位体制。基本单位是可以任意选定的。由于基本单位选择的不同，所以组成的单位制也就不同。多种单位制的并存：市制、英制……多种单位制的并存不仅对国际贸易有阻碍作用，而且不利于各国之间的科学文化交流。因此统一单位制巳成为各国的共同要求。4/14/202412.国际计量委员会(CIPM)在1956年将经过21个国家同意的计量单位制草案命名为国际单位制，以国际通用符号SI来表示。1960年第11届国际计量大会(CGPM)正式通过了SI。随后一些国际组织，如国际法制计量组织(OIML)，国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)等也采用了国际单位制。4/14/202413.（一）国际单位制(SI)国际单位制由7个基本单位、两个辅助单位和19个具有专门名称的导出单位所组成。 所有单位都各有一个主单位和十进倍数（十进分数）的词头组成。7个基本单位定义如下：长度单位——米(m)

光在真空中于1／299792458s时间所经过的距离(1983年第17届国际计量大会通过)。质量单位——千克(kg)

质量单位、等于国际千克原器的质量(1901年第3届国际计量大会规定)。国际单位制基本单位中唯一保留的实物基准。4/14/202414.3．时间单位——秒(s)铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间(1967年第13届国际计量大会决定)。4.电流强度单位——安[培](A)一恒定电流，若保持在处于真空中相距1m的两无限长而截面可以忽略的平行直导线内，则此两导线之间产生的力在每米长度上等于2×l0-7N(1948年第9届国际计量大会确定)。5.热力学温度单位——开[尔文](K)水的三相点热力学温度的1／273.16(1967年第13届国际计量大会通过)。4/14/202415.6．物质的量的单位——摩[尔](mol]一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg碳-12的原子数目相等(1971年第14届国际计量大会决定增加的基本单位)。在使用摩时，应指明基本单元是原于、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的特定组合。7．发光强度单位——坎[德拉]（cd）发出频率为540×l012Hz单色辐射的光源在给定方向上的发光强度。而且在此方向上的幅射强度为(1／683)w／sr[1979年第16届国际计量大会规定)。4/14/202416.4/14/202417.国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。例：5.4×10-9s=5.4ns4/14/202418.（二）我国的法定计量单位法定计量单位是由国家以法令形式规定允许使用的计量单位。1984年2月国务院颁布了《中华人民共和国法定计量单位》，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。我国法定计量单位包括：(1)国际单位制的基本单位；(2)国际单位制的辅助单位；(3)国际单位制中具有专门名称的导出单位(4)国家选定的非国际单位制单位；(5)由以上单位构成的组合形式的单位；(6)由词头和以上单位所构成的十进倍数和分数单位。4/14/202419.三、测量仪表的基本功能1、变换功能y=F(x)2、选择功能 y=f(x,u1,u2…,um)3、比较功能4、显示功能4/14/202420.四、检测技术的发展趋势1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延长使用寿命、提高可靠性： 随着科学技术的不断发展，人们对检测系统的测量精度要求也相应地在提高。近年来，人们研制出许多高精度和宽量程的检测仪器以满足各种需要。人们还对传感器的可靠性和故障率的数学模型进行了大量的研究，使得检测系统的可靠性及寿命大幅度的提高。现在，许多检测系统可以在极其恶劣的环境下连续工作数十万小时。目前，人们正在不断努力进一步提高检测系统的各项性能指标。4/14/202421.一、仪表的基本性能（一）精确度精密度、准确度、精确度(1)精密度。指在一定的测量条件下进行多次测量时所得各测量结果之间的分散程度。

δ↓→精密度↑→随机误差小例：某温度仪表精密度δ＝0.5℃，说明多次测量结果的分散程度不大于0.5℃。第二节测量仪表的结构和基本特性4/14/202422.(2)准确度。表示测量结果与真值的一致程度。例：某电压表准确度ε＝0.5V，说明该表的指示值偏离被测量不会大于0.5V。

ε↓→准确度↑→系统误差小

(3)精确度：精密度和准确度的综合反映。τ＝ε＋δ——精密度、准确度中某一个高，另一个低都不能说精确度高！4/14/202423.例：射击打靶——测量精度不精密不准确精密不准确不精密准确精密准确→精确度高4/14/202424.（二）稳定性稳定度：规定时间内，测量条件不变时，仪表内部随机因素。例如，仪表内部某些因素做周期性变动，引起示值变化。环境影响（影响系数）：仪表外部环境和工作条件变换所引起的示值不稳定。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。冷～4/14/202425.二、测量仪表的结构

（一）直接变换型正向变换回路，各环节传递系数k1…kn总传递系数：采用开环方式构成的测量系统，虽然从结构上看比较简单，但是缺点是所有变换器特性的变化都会造成测量误差。4/14/202426.正向变换回路，各环节传递系数k1…kn，总传递系数：反向变换回路，各环节传递系数β1…βn，总传递系数：（二）平衡变换型系统输出：整个系统的输入输出关系由反馈系统的特性决定。正向变换特性的变化不会造成测量误差或者说造成的误差很小。精心设计反向回路可以保证较高的稳定性和高精度。4/14/202427.（三）差动变换型若干扰信号u1＝u2，y＝2k3kx——抗干扰能力较强。灵敏度高，精心制作k3，可保证较高的精确度。三个回路，传递函数k1、k2、k3，k1、k2回路组成结构相同。设k1＝k2＝k，得：y＝2k3kx＋k3k（u1－u2）4/14/202428.1.3测量仪表的输入输出特性一、静态特性及其性能指标（一）静态特性静态特性是指被测量x不随时间变化或变化极为缓慢的情况下，测量设备输出量y与输入量x之间的函数关系，表示为式中a0，a1，a2…an为决定曲线形状的系数衡量仪表静态特性的重要措标：线性度、灵敏度、滞环和重复性4/14/202429.1、理想特性输入输出曲线是经过坐标原点的直线灵敏度xy04/14/202430.2、具有零点迁移的线性特性输入输出曲线是在纵轴上的截距为±y0的直线，相当于把仪表零点迁移到±y0处。xy0+y0-y04/14/202431.3、只含奇次方非线性特性y(x)=-y(-x)输入输出曲线对原点对称在原点附近相当范围内是线性的。这种特性仪表，在输入量x相当大的范围内具有相当宽的近似线性范围。xy04、只含偶次方非线性特性输入输出曲线不对称。因为没对称性，其线性范围较窄。一般仪表设计很少采用这种特性。xy04/14/202432.5、普遍情况表达式是静态特性的多项式代数方程。输入输出曲线是非线性的。xy04/14/202433.（二）静态性能指标1、灵敏度稳态下输出量的增量与输入量的增量之比：静态特性曲线为线性方程的测量设备，其灵敏度为常数；静态待性曲线为非线性的测量设备，灵敏度是变化的，由静态特性曲线上各点的斜率来决定。4/14/202434.灵敏度k越高，表示仪表越灵敏。测量仪表的灵敏度可分为三种情况：在整个测量范围，灵敏度k保持为常数，即灵敏度不随被测量变化；灵敏度k随被测量增加而增加；灵敏度k随被测量输入量增加而减小。由于输入、输出的变化量一般都具有量纲，所以灵敏度也是有量纲。输入为电压（V）；输出量为标尺上的位移(格)：k的单位：格/V如果输入和输出量是同类量．则此时k理解为放大倍数。灵敏度比放大倍数有更广泛的含义。4/14/202435.2、线性度

线性度是测量设备实际特性曲线与参考直线偏离的程度，常用实际特性曲线偏离参考直线的最大偏差Δym与量程输出值ym之比的百分数表示：B请得出结论：线性度的数值小些好还是大些好？4/14/202436.参考直线的确定通常有三种方法，所以有相对应的三种线性度。（1）理论线性度(绝对线性度)表示实际输出曲线与理论曲线之间的偏差程度。选通过零点与满量程输出点所作的直线为参考直线。Δymyx4/14/202437.（2）端基线性度(端点线性度)以测量设备多次实测之零输入所得平均值点与满量程输出平均值点所联成的直线为参考直线。拟和方法简单直观，应用较广泛；但精度较低。4/14/202438.（3）最小二乘法线性度拟和直线：设实际标准测量点有n个，对应输出量为y，第i个校准数据与拟和直线对应值之间残差：拟和原则：k=…b=…4/14/202439.在具有等精度的多次测量中求最可靠值时，是当各测定值的残值的残差平方和为最小时，所求得的值，也就是说，把所有校准点数据都标在坐标图上，用最小二乘法拟合的直线，其校准点与对应的拟合直线上的点之间的残差平方和为最小。最小二乘法有严格的数学依据，尽管计算繁杂，但所得到的拟合直线精密度高，即误差小。书p10例14/14/202440.设计者和使用者总是希望非线性误差越小越好，也即希望仪表的静态特性接近于直线，这是因为线性仪表的刻度是均匀的，容易标定，也不容易引起读数误差。现在多采用计算机来纠正检测系统的非线性误差。4/14/202441.3、滞环滞环是测量设备输出量与先前输入量顺序有关的一种特性。当输入量分别由增加方向、减小方向到达同一量时，两输出量之差称为滞后误差。常用全量程中最大滞环差值与满量程输出值之比的百分数表示：产生滞环误差的主要原因是：摩擦力、机械元件之间的游隙、弹性材料变形、磁性材料的磁滞效应等。4/14/202442.4．重复性

测量设备在相同工作条件下输入量按同一个方向多次重复测量，所得的特性曲线的不一致的程度。重复误差：用多次量程中最大重复差值与量程输出值之比的百分数表示：xy0xy0ΔydmΔycmΔycm>Δydm4/14/202443.1、直接测量法(偏差式测量)不对与被测量有函数关系的其它量进行测量而能获得被测量值的一种测量方法。用预先按已知标准量定度好的测量仪器对被测量进行测量，或者用标准量直接与被测量进行比较，从而得到被测量值。例如，电压表测电压，电子卡尺，用电桥测电阻等。一、按测量方法分

4/14/202444.偏差式测量仪表，一般要利用被测物理量产生的力或力矩，使仪表的弹性元件产生方向相反的作用。此反作用又与仪表指针的线位移或角位移（即指针偏差）相关，它便于人们用感官直接观测。在测量过程中，此反作用一直要增加到与被测物理量的某物理作用相平衡，这时指针的位移在标尺上对应的刻度值，就表示了被测量的测量值。优点：测量过程简单、迅速，应用较广泛。压力表：4/14/202445.二、间接测量法通过对被测量有函数关系的其它量的直接测量，通过函数关系得到被测量值的测量方法。例如，直接测出电阻的阻值及其两端的电压来确定流过该电阻的电流值；测量电阻率。阿基米德测量皇冠的比重：ρ＝V/m对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量。

4/14/202446.何种情况采用间接测量？一般，间接测量需要测量的量较多。测量和计算工作量较大，引起的误差因素也较多。但如果对测量误差进行分析并选择和确定具体的优化测量方法和在比较理想的条件下进行测量，测量结果的准确程度不一定低，有的甚至有较高的准确度。通常在实验室使用。直接测量不方便，例测量电流I，I＝U/R直接测量误差大缺乏直接测量仪器采用现有多参数综合测试仪，可使测量手续简化。4/14/202447.三、组合测量法组合测量法是当各未知量能以某些可测量的组合形式表示(或改变测量条件来获得这种不同的组合)时，根据直接测量和间接测量所得的数据，通过解一组联立方程而求出各未知量的数值。通常在实验室使用。组合测量法实质上仍然是一种间接测量法。组合测量法两个明显的优点：在准确度要求相同的情况下，组合测量需要进行的测量次数较少；系统误差出现的规律变为随机性质。测量结果的准确度有所提高。例：标准电阻电阻值和温度之间的数值关系4/14/202448.二、按测量方式分1、直读式测量在测量过程中，利用测量仪表指针相对于刻度初始点的位移(即偏差)来决定检测量的测量方法。在使用这种测量方法的仪表内并没有标准量具，只有经过标准量具校准过的标尺或刻度盘。测量时，利用仪表指针在标尺上的示值，读取被测量的数值。它以间接方式实现被测量和标准量的比较。偏差式测量简单、迅速，但精度不高，这种方法广泛应用于工程测量。例：万用表测量电流、电压4/14/202449.2、零位测量法

通过调整一个或几个与被测量有已知平衡关系的量，用平衡的方法确定出被测量的值。零位测量法的一般形式是将被测量与其值为已知的量相比较，而使所选择的已知量和被测量之间的差值为零。差值的指示用零位指示器(指零表)指示。零位测量法的最大优点是可以用一个固定已知量，通过调整另一已知可调量而确定不同大小的被测量，如用电桥测电阻。4/14/202450.例：电位差计简化电路Ex用三个标准量表示，测量精度高。读数时，指零表P指零，不吸收能量，不影响电路工作状态，不会