第3章-电气测试系统

第3章电气测试系统厚德弘毅博学笃行第2

页电气测试系统是指由众多环节组成的对被测对象进行检测、调理、变换、显示和记录的完整系统。一般来说，电气测试的目的是希望能在限定的时间内尽可能正确地收集被测对象的未知信息，以便能掌握被测对象的参数，进而控制和管理生产过程。本章节首先介绍了电气测试系统的组成，然后具体描述了测试仪表的基本结构，以及电气测试工具的基本组成和功能。第3

页电气测试系统组成

电气测试基本结构电气测试输入输出特性

电气测试工具本章小结内容提纲厚德弘毅博学笃行第4

页第一部分电气测试系统组成厚德弘毅博学笃行第5

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经过电气测试技术的发展，测试仪表经历了古典电工仪器仪表、数字式仪表和电气测试系统三个发展阶段，如图3-1所示。

图3-1电气测试仪表发展过程

古典电工仪器仪表主要用指针和刻度盘来指示被测量的数值，测量对象以模拟量为主，如图3-2所示。图3-2古典电工仪器仪表厚德弘毅博学笃行第6

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数字式仪表先将被测量的模拟量进行简单的信号处理，转化为数字量，然后用数字显示被测量的数值，如图3-3所示。图3-3数字式仪表厚德弘毅博学笃行第7

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电气测试系统指在人极少参与或不参与的情况下，自动进行测量和处理数据，并以适当方式显示或输出测试结果的系统。与传统的人工测试相比，电气测试系统省时、省力，能提高劳动生产率和产品质量，对生产、科研和国防都有重要作用。电气测试系统架构如图3-4所示。图3-4电气测试系统架构

在电气测试的不同方面，测试内容、要求、条件等各不相同，但都是利用计算机代替人的测试活动。电气测试系统主要包括控制器、测量仪表（或传感器）、信号处理、通信网络、人机界面和终端（数据分析软件）。厚德弘毅博学笃行第8

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电气测试系统中的被测对象涉及电力系统中发电、输电、变电、配电、用电等环节中各种电力设备的电气参数，主要分为电量参数和非电量参数。电气测试的被测对象主要参数如表3-1所示。被测对象厚德弘毅博学笃行第9

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传感器是电气测试系统与被测对象直接发生联系的器件或装置，作用是感受指定被测参量的变化并按照一定规律将其转换成一个相应的便于传递的输出信号。传感器通常由敏感元件和转换部分组成。其中，敏感元件为传感器直接感受被测参量变化的部分，转换部分的作用通常是将敏感元件的输出转换为便于传输和后续环节处理的电信号。例如，电阻应变片式传感器能把被测对象受力后的微小变形感受出来，通过一定的桥路转换成相应的电压信号输出。这样，通过测量传感器输出电压便可知道被测对象的受力情况。这里应该说明，并不是所有的传感器均可清楚、明晰地区分敏感和转换两部分；有的传感器已将这两部分合二为一，也有的仅有敏感元件（如热电阻、热电偶）而无转换部分，但人们仍习惯称其为传感器。传感器厚德弘毅博学笃行第10

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信号调理在电气测试系统中的作用是对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便测试系统后续环节处理或显示。例如，用于监测防外力破坏的雷达传感器，受到系统内部或外部各种各样的干扰，如果中频信号不经过滤波放大等信号调理电路的处理，细小的中频信号很容易被干扰信号或者强信号覆盖，故其信号调理电路通常包括滤波、放大、线性化等环节。需要远传的话，通常采取D/A电路将获得的电压信号转换成标准的4~20mA电流信号后再进行远距离传送。电气测试系统中被测对象种类繁多，复杂程度差异很大，信号的形式也多种多样，各系统的精度、性能指标要求各不相同。对信号调理电路的一般要求是：1）能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号；2）信噪比高，抗干扰性能好。信号调理厚德弘毅博学笃行第11

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A/D转换在电气测试系统中的作用是对信号调理后的连续模拟信号进行离散化处理并转换成与模拟信号电压幅度相对应的数字信号，同时以一定的方式把这些转换数据及时传递给微处理器。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示相对大小，故任何一个A/D转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准。A/D转换的主要性能指标是：1）输入模拟电压信号范围，单位：V；2）转换速率，单位：次／秒；3）分辨率，通常以模拟信号输入为满度时的转换值的倒数来表征；4）转换误差，通常指实际转换数值与理想A/D转换器理论转换值之差；5）信噪比，通常指不考虑失真成分的信号噪声比。A/D转换厚德弘毅博学笃行第12

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微处理器是电气测试系统中进行数据处理和各种控制的中枢环节，其作用和人的大脑相类似。微处理器通常以各种型号的单片机、DSP、ARM为核心，对高频信号和复杂信号的处理有时需增加数据传输和运算速度快、处理精度高的专用高速数据处理器（DSP）或直接采用工业控制计算机。当然，由于电气测试系统中被测参量不同，测量对象和应用场合各异，用户对各传感器的测量范围、测量精度、功能的要求差别也很大。对一些容易实现且传感器输出信号大，用户对测量精度要求不高，只要求被测量不要超过某一上限值，一旦越限，送出声（喇叭或蜂鸣器）、光（指示灯）信号的报警信号的情况：设计一个可靠的比较电路，该电路的一端为被测信号，另一端为表示上限值的固定电平，当被测信号小于设定的固定电平值，比较器输出为低电平，声、光报警器不动作，一旦被测信号电平大于固定电平值，比较器翻转，经功率放大驱动扬声器、指示灯动作。微处理器厚德弘毅博学笃行第13

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数据通信网络是电气测试系统中的重要组成部分，是将数据从测试现场传输至终端的载体，直接影响到电气测试系统的部署、功能和可用性。通信网络通常采用多种通信方式相结合的方式，主要包括有线数据通信和无线数据通信。其中，有线数据通信技术有：光纤通信、RS485、RS232和CAN等；无线数据通信技术有：ZigBee、WiFi、3G和4G等。例如，在输电线路在线监测系统中，数据通信网络主要采用光纤复合架空地线(OpticalFiberCompositeOverheadGroundWire，简称OPGW)+WiFi、公网GPRS/3G+WiFi等组合通信方式。通信网络厚德弘毅博学笃行第14

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根据工程需要，人们有时希望知道现场被测参量的瞬时值、累积值或其随时间的变化情况，因此，电气测试系统收集并计算出被测参量的当前值后送到现场的人机界面作实时显示。人机界面是电气测试系统与人联系的主要环节之一，目前常用人机界面一般可分为数字式和屏幕式两种。1）数字式显示以数字形式直接显示出被测参量数值的大小，例如数码管。在正常情况下，数字式显示彻底消除了显示驱动误差，能有效地克服读数的主观误差，可提高显示和读数的精度，还能方便地与计算机连接并进行数据传输。2）屏幕显示实际上是一种类似电视显示方法，例如LCD12864。具有形象性和易于读数的优点，又能同时在同一屏幕上显示一个被测量或多个被测量的（大量数据式）变化曲线，有利于对它们进行比较、分析。屏幕显示器一般体积较大，价格与数字式显示相比要高得多，其显示通常需由计算机控制，对环境温度、湿度等指标要求较高，在环境条件较好的场合使用较多。人机界面厚德弘毅博学笃行第15

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后台监控人员及时掌握电气设备的状态，及时地分析出电气设备在运行中各相关参数及其变化趋势，是电气测试系统的重要结果。电气测试的数据涉及范围广、数据琐碎，一些参数的判别除了与参数的绝对值有关外，还与参数的变化趋势有关，即当参数检测出来不但要与标准值相比较，还要与出厂数据和历史数据相比较，有些还要与相同设备作横向比较；另外一些电气设备的参数还需考虑测试环境比如温度、湿度和测试方法以及使用仪器，而分析电气设备的运行状态除了和一些参数的绝对值有关外，更主要的还与参数的变化趋势有关，这就要求试验人员或专业技术人员具有扎实的理论基础和丰富的实践经验。随着计算机技术的发展，将电气测试数据上传至后台终端进行分析比较判别，结合电气设备的各有关参数、出厂值、交接值和历次试验值，与标准值、历史数据、相同设备等比较，结合运行情况、电网故障、内外过电压及保护动作进行综合的分析判断，是电气测试系统的发展趋势。后台终端厚德弘毅博学笃行第16

页第二部分电气测试基本结构厚德弘毅博学笃行第17

页测试仪表由若干环节组成。根据各个环节的连接方式和信息变换方式不同，有不同的组成结构。

直接变换型结构又称开环结构，是由个环节串联而成，全部信息变换只沿着一个方向进行，属于开环系统，其结构示意图如图3-5所示。图3-5直接变换型结构示意图直接变换型结构厚德弘毅博学笃行第18

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图3-5中，x为输入信号，y为输出信号。k1，k2，……kn为每个环节传递系数，整个系统的总传递函数为：

同时，每个环节中会有不可避免的干扰信号u1，u2，……un。这些干扰信号全都毫无衰减地影响输出信号y，每个环节的变换必然都会对总结果y产生影响。因此这种直接变换型结构的测试仪表为了保证精度，必须对每个环节都有很高的要求，否则这类仪表的精度不会很高。（3-1）厚德弘毅博学笃行第19

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平衡变换型结构又称闭环结构，这类仪表从各组成环节的联结关系上来看和直接变换型结构的区别在于它有两个变换回路，一个为正向变换回路，另一个为反向变换回路，又称为反馈回路，其结构示意图如图3-6所示。平衡变换型结构图3-6平衡变换型结构示意图

图3-6中，正向变换回路的各环节传递系数为k1，k2，……kn，则正向变换回路的总传递函数k如式（3-1）所示；反向变换回路的各环节传递系数为β1，β2，……βn，则反向变换回路的总传递函数为：（3-2）厚德弘毅博学笃行第20

页图3-7平衡变换型结构等效简化示意图则示意图3-6可简化为图3-7，如下所示。

由于此结构是一个具有负反馈的闭合回路，所以总传递函数为：（3-3）厚德弘毅博学笃行第21

页通过式（3-3）和式（3-4）说明，对于平衡变换型结构的仪表，若正向变换回路总传递函数k很大，有kβ>>1，则仪表的特性主要取决于反向变换回路的特性。因此正向变换回路中各环节的干扰信号不影响仪表的性能，但是反向变换回路各环节的干扰信号却影响仪表的性能。在设计平衡变换结构的仪表时，只要精心制作反向变换回路，提高其反向传递系数β的稳定性，对正向变换回路不必苛求，即可获得较高质量的仪表。当k→时，有：（3-4）厚德弘毅博学笃行第22

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差动变换结构是由直接变换型结构或平衡变换型结构组成的，又称开闭环结构，其示意图如图3-8所示。差动变换型结构图3-8差动变换型结构厚德弘毅博学笃行第23

页若干扰信号u1=u2，则：

差动变换型结构由k1、k2、k33个回路组成，每个回路都可以是直接变换型结构或平衡变换型结构，k1和k2回路的组成结构必须相同。被测量x以+x和-x分别作用于k1和k2回路。若有干扰信号u1和u2分别作用于k1和k2回路，y1和y2在k3回路中相减，则得：式中，K称为灵敏度，K=2kk3。由式（3-6）可见，差动变换型仪表的灵敏度较高。k1和k2回路引进的干扰只要u1=u2，就不会影响输出量y，因此抗干扰能力较强。k3回路引进的干扰会影响输出量y，只要精心制作k3回路，提高其选择性和稳定度，便能提高仪表的稳定性和精确度。（3-5）（3-6）厚德弘毅博学笃行第24

页第三部分电气测试输入输出特性厚德弘毅博学笃行第25

页测量仪表所测量的被测参数经常会随时间发生各种变动。例如，在使用电流传感器检测高压断路器储能电机电流时，由于电机存在上电、空载启动和储能做功等过程并伴随着弹簧负载的改变，所以其电枢电流会随着时间的推移而不断发生变化；再如使用倾角传感器测量输电线路杆塔绝缘子串的倾斜角度时，倾角传感器测得的角度在一段时间可能十分稳定或者仅有缓慢的变化，这时对传感器要求主要是输出应稳定正确；而在另一段时间里，测得的角度发生了无规律的变化，这时对传感器的输入信号响应速度提出了较高的要求。因此，测量仪表的特性直接影响着整个工作系统的工作状态和质量。测量仪表的特性主要是指仪表的输入与输出的关系，说明仪表输入输出特性的指标有静态特性和动态特性。厚德弘毅博学笃行第26

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测量仪表的静态特性又称刻度特性或标准曲线。当被测对象处于静态时，也就是测量仪表的输入信号x是不随时间变化的恒定信号或者随时间变化很缓慢，在这种情况下测量系统输出信号y与输入信号x之间呈现的关系就是静态特性。在实际的测量系统中，输出信号与输入信号往往不是理想的线性关系，故仪表的静态特性可用多项式来表示：静态特性式（3-7）中，k1，k2，……kn为常数，y为输出量，x为输入量。（3-7）厚德弘毅博学笃行第27

页衡量仪表的静态特性指标有如下几项：（1）零位零位是指当输入量为零时，测量仪表的输出量的数值，又称零点迁移量。由式（3-7）得到零位值为：

零位值既可以为零，也可以为设置的非零迁移量。例如霍尔电流传感器是一种输出电压与输入电流呈线性关系的传感器，当输入电流值为0A时，输出电压值1.65V为零位值。（3-8）厚德弘毅博学笃行第28

页（2）线性度线性度又称非线性误差，是表征仪表输出输入标准曲线所算定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。线性度eL用仪表的实际静态特性曲线与其拟合直线的最大偏差绝对值与满量程输出之比的百分数来表示。式（3-9）中，表示实际静态特性曲线与其拟合直线的最大偏差绝对值，表示满量程输出。线性度的大小与拟合直线有关，对同一条静态特性曲线，选定的拟合直线不同，得到的线性度数值也就不同。目前常用的拟合直线选取方法有：绝对线性度、端基线性度、最小二乘法线性度。（3-9）厚德弘毅博学笃行第29

页1）绝对线性度绝对线性度通常取仪表的零点作为拟合直线的起点，以最大输入xm对应的最大输出ym的坐标为终点，连线OM作为拟合直线，如图3-9所示。其中a为实际曲线，b为拟合直线。图3-9绝对线性度厚德弘毅博学笃行第30

页把仪表实际静态曲线的零位和满量程输出之间的连线作为拟合直线，如图3-10所示。其中1为实际曲线，2为拟合直线。2）端基线性度图3-10端基线性度厚德弘毅博学笃行第31

页其方程式为：

式（3-10）中，y为输出量，x为输入量，ym为满量程输出，xm为满量程输入；b为实际静态曲线的零位值，等于拟合直线在y轴上的截距y0；k为拟合直线斜率，值为。可得如下公式：（3-10）（3-11）厚德弘毅博学笃行第32

页3）最小二乘法线性度

前面两种拟合直线的获取方法较为简单、直观，但拟合精度较低。拟合直线方程式为式（3-10），设实际有n个测试点。第j个测试点的测试值yj与拟合直线上相应值的偏差为：最小二乘法拟合直线的拟合原则是使n个测试点的均方差：为最小值，由一阶偏导：（3-12）（3-14）（3-13）厚德弘毅博学笃行第33

页可得两个方程式，并解得两个未知量b，k的表达式如下:（3-15）工程应用表明最小二乘法拟合精度高，可借助计算机进行计算。厚德弘毅博学笃行第34

页（3）灵敏度灵敏度是描述测量仪表对输入量变化反应的能力。通常由仪表输出变化量dy和输入变化量dx之比kn表示，如式（3-16）。从式（3-16）可以看出，是仪表静态特性曲线上各点的斜率。仪表的灵敏度有如下三种情况：1）灵敏度为常数当静态特性为直线时，直线的斜率即为灵敏度。灵敏度kn不会随x的变化而变化，为一常数。此时，灵敏度即为式（3-7）中的k1。例如，指针式电压表的刻度是均匀分布的，说明其灵敏度为常数。（3-16）厚德弘毅博学笃行第35

页2）灵敏度随x的增大而增大在这种情况下，仪表的静态特性是非线性的。例如，液体密度计的刻度分布是上疏下密。这是因为密度计总漂浮在水面上，它的浮力总等于重力，而密度计的重力不变，即密度计在不同的液体中所受的浮力是不变的，根据阿基米德定律可知：，式中，F和g都不变，可见

和V是反比的关系，所以随着被测液体密度的增加，密度计的刻度将越来越疏。3）灵敏度随x的增大而减小同样，仪表的静态特性也是非线性的。例如，量杯是一个上大下小的圆台体，可以盛装比量筒更多的液体，随着被测液体体积的增加，其刻度将越来越密。厚德弘毅博学笃行第36

页（4）回程误差回程误差又称迟滞或滞后误差，它是反映仪表在满量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）变化进行反复测量所产生的输出量的最大差值与测量范围之比如图3-11所示。图3-11回程误差厚德弘毅博学笃行第37

页其值以满量程输出的百分比表示:式中，为正反行程输出量的最大差值；为满量程输出值。造成回程误差的原因很多，如传动机构间存在的间隙和摩擦，磁元件的磁滞等。在设计和制造仪表时，必须尽量减小回程误差的数值。仪表的回程误差越小，其测量的重复性越好。（3-17）厚德弘毅博学笃行第38

页（5）重复性重复性是指仪表对输入量按同一方向作全量程连续多次测量时所得到的静态曲线的不一致程度，如图3-12所示。其值通常用输出最大不重复误差与满量程输出的百分比表示：式中，为同一输入量多次循环的同向行程输出最大不重复误差。图3-12重复性（3-18）厚德弘毅博学笃行第39

页重复性误差是一种随机误差，按照式（3-18）和图3-12来计算精度很低，因此应根据标准偏差，见式（3-19），来计算。式中，S为子样标准偏差，K为置信因子。计算标准偏差可以根据贝塞尔公式来计算，这里不作详细介绍。引起重复性误差的原因很多，与产生回程误差的原因基本相同，多次测试的静态特性曲线一致，重复性好，重复性误差小。（6）灵敏限、量程关于灵敏限与量程的特性详见1.3.2小节。（3-19）厚德弘毅博学笃行第40

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电气测量除静态特性外，在输出量随时间变化时，由于测量的惯性和滞后，还存在动态误差。动态特性是指输入量随时间变化时，输出量随输入而变化的关系。一般来说，在所考虑的测量范围内，实际的测量系统总是被处理为线性时不变系统，常用常系数微分方程来描述系统与输入、输出的关系。但为了研究和运算的方便，常通过拉斯变化在复数域中建立其相应的“传递函数”，并在频域中用传递函数的特殊形式—频率响应，在时域中用传递函数的拉斯反变化—权函数，以利于更便捷、明了地描述测量系统的动态特性。

动态特性厚德弘毅博学笃行第41

页（1）一阶系统任意一个系统可视为多个一阶、二阶系统的组合。如图3-13所示RC电路就是一阶系统。其通式表示为：对式（3-20）进行变换为：图3-13典型的一阶系统（3-20）（3-21）厚德弘毅博学笃行第42

页其中，静态灵敏度，时间常数。那么一阶传递函数为：对应的频率特性为：幅频特性为，相频特为，如图3-14所示。（3-22）（3-23）厚德弘毅博学笃行第43

页由图3-14可见一阶系统的频率特性特点：（a）幅频特性（b）相频特性图3-14一阶系统幅频和相频曲线1）一阶系统是一个低通环节。只有当远小于时，幅频响应才接近于1，因此一阶系统只适用于被测量变化缓慢或低频的参数。2）幅频特性降为原来的0.707（即-3dB），相位角滞后45°，时间常数决定了测量系统适应的工作频率范围。厚德弘毅博学笃行第44

页3）时间常数越小，频率响应特性越好。4）当时，，，表明系统输出与输入为线性关系，相位差与频率呈线性关系，输出y(t)比较真实地反映输入x(t)的变化规律。（2）二阶系统如图3-15所示RLC电路就是二阶系统。图3-15典型二阶系统厚德弘毅博学笃行第45

页对于二阶系统同样可用通式表示为：对应传递函数为：对应频率函数为：其中，静态灵敏度，系统固有频率，阻尼比。

（3-24）（3-25）（3-26）厚德弘毅博学笃行第46

页频率函数的幅频特性为：频率函数的相频特性为：对式（3-28）取对数，可得：（3-27）（3-28）（3-29）厚德弘毅博学笃行第47

页（b）相频特性（a）幅频特性根据式（3-27）、式（3-29）可以得到二阶系统的幅频、相频特性，如图3-16所示：图3-16二阶系统幅频和相频曲线厚德弘毅博学笃行第48

页由图3-16可见，二阶系统频率特性的重要参数是、，其特征如下：1）二阶系统是一个振荡环节，当输入信号的频率等于测量装置的固有频率，即处是装置的共振点。，所以阻尼比很小时，有很高的共振峰。2）二阶系统是一个低通环节，曲线呈水平状态，随的增大，先进入共振区，后进入衰减区。3）当左右时，几乎无共振，其水平段最长，其相频特性几乎是一斜直线。这意味着测量系统对这段频率范围内任意频率的信号，包括的直流信号的缩放能力是相同的，测量系统不会因为信号频率的变化而输出较大或较小的幅值。相频特性几乎是斜直线意味着各输出信号的滞后相位角与其相应的频率成正比。事实上，以上这些特征直接反映了系统动态特性的好坏，均为一个直线式系统所希望的。鉴于以上原因，为了获得尽可能宽的工作频率范围并兼顾具有良好的相频特性，在实际测量装置中，一般取阻尼比左右，并称为最佳阻尼比。厚德弘毅博学笃行第49

页（3）动态性能指标动态性能指标按照所在的分析域可以分为时域型和频域型。1）时域型动态性能指标测量设备的时域动态性能指标一般用阶跃输入时测量设备的输出响应曲线上的特征参数来表示。一阶系统，阶跃输入时的输出响应是非周期型的，如图3-17所示。图3-17一阶测量系统阶跃输入时的响应厚德弘毅博学笃行第50

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时间常数T，输出量上升到稳态值的63.2%所需要的时间。响应时间te，输出量达到稳态值的某一允许误差范围内，并保持此范围内所需最小时间；由于允许误差范围不相同时，响应时间不同，所以下标e表示不同的允许误差范围。例如，允许误差为5%，则表示为t0.05。一阶测量系统te与T的关系为，，。可见时间常数越小，响应越快。上升时间tr，测量设备输出响应值从5%（或10%）到达稳态值的95%（或90%），或从0上升到稳态值所需的时间。延迟时间td，测量设备输出响应值从0上升到稳态值的50%所需的时间。厚德弘毅博学笃行第51

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对于二阶系统，当传递函数中阻尼比（实际阻尼系数与临界阻尼系数之比）大于1时，在阶跃输入作用下，输出响应也是非周期的，所以按上述一阶测量系统的性能讨论即可；当时，输出响应为衰减振荡曲线，则除应讨论的响应时间te、上升时间tr、延迟时间td等指标外，还须讨论峰值时间tp（输出响应曲线达到第一个峰值所需时间）与超调量Mp（输出响应曲线的最大偏差与稳态值的百分比），如图3-18所示。图3-18二阶测量系统阶跃输入时的响应厚德弘毅博学笃行第52

页峰值时间tp，输出响应曲线达到第一个峰值所需时间。超调量Mp，输出响应曲线的最大偏差与稳态值的百分比。上升时间tr。衰减比，表示过渡过程曲线时间相差一个周期T的两个峰值之比，即。（3-30）（3-31）（3-32）厚德弘毅博学笃行第53

页2）频域型动态性能指标

频域动态性能指标常以输入量为正弦信号时幅频特性（或对数幅频特性）和相频特性的参数来规定。常用的指标如下。频带宽，它是对数幅频特性曲线上幅值增益不超过（如，n=3）所对应的频率范围。工作频带（0~），它是与给定的测量系统幅值误差范围（如±1%、±2%）相对应的频率范围，称为截止频率。跟随角，当时，对应相频特性上的相角。厚德弘毅博学笃行第54

页第四部分电气测试工具第55

页测量是人类对客观世界获取定量信息的过程，在这个过程中，人们借助于专门的测试仪器和设备，通过实验的方法，求出测量量的大小，从而对被测量的对象形成定性和定量的认识。前面第二章已详细介绍了电气测试工具的基本功能及性能，这里不再赘述。在电气测试实验过程中常用的调试工具包括万用表、兆欧表、电流测试仪表，电压测试仪表、通用电子示波器、智能化数字存储示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪等。下面主要介绍几种常用电气测试工具的工作原理、测试方法及性能指标。第56

页万用表

万用表是电力电子等部门不可缺少的测量仪表，一般以测量电压、电流、和电阻为主要目的。是一种多功能、多量程的测量仪表、一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻等，有的还可以测量电容、电感及半导体的一些参数。万用表按显示方式分为指针万用表和数字万用表。（1）万用表的工作原理如图3-19所示，数字万用表由数字电压表配上相应的功能转换电路构成，通过配置电流-电压、交流-直流、欧姆-电压等各类转换器，将随时间连续变化的模拟电压量变换成数字量，由电子计数器对数字量进行计数得到测量结果，再由译码显示电路将测量结果显示出来，从而完成对交直流电压、电流、电阻等多种参数进行直接测量。第57

页图3-19数字万用表基本工作原理框架图第58

页（2）万用表的主要技术指标数字万用表的主要技术指标包括测量范围、分辨力、测量误差、输入阻抗与输入偏置电流、抗干扰特性、测量速率等。图3-20普通数字万用表的基本构成第59

页兆欧表

随着电力电子器件的不断发展，大量的电力电子设备应用范围越来越广泛,衡量电力电子设备绝缘性能好坏的重要参数是它的绝缘电阻值。因此电力设备一般都要做定期的绝缘检查，确保设备安全可靠地运行，电气设备运行的可靠性在很大程度上取决于绝缘部分的良好与否，所以，测量电器设备的绝缘性能显得尤为重要。如图3-21为智能型兆欧表的硬件框架图。图3-21智能型兆欧表硬件框架图第60

页（1）兆欧表的工作原理兆欧表的工作原理采用常见的电流电压法，原理如图3-22所示。图3-22电压电流法原理图第61

页该测试仪测试绝缘电阻采用电流电压法，电流电压法就是根据采样电压与回路中的电流I的比值，如图3-22所示：R0为限流电阻，Rx为被测电阻，Rm为取样电阻，Uin为测试回路的负高压直流输入电压。

把式(3-35)代入式(3-34)可得：因为电压Uin，限流电阻R0和采样电阻Rm均为已知的固定值，因此由公式(3-36)就可求得绝缘电阻Rx的值：（3-34）（3-35）（3-36）（3-37）第62

页（2）兆欧表的主要技术指标兆欧表的主要技术指标有输出电压、电压精度、绝缘电阻测试范围、电阻精度、短路电流、输入电源。电流测试仪表

电流测试仪是一种灵敏度高，多量程保护电路的便携式整流仪表。其特点是：测量范围广，共有二十个量程，能分别测量交直流杂散电压和杂散电流，本身不需要电源，安全可靠。适宜测试煤矿井下钢轨、水管、电缆等产生的电流及电压，预防杂散电流放电引起的电雷管早爆及其它燃爆事故，使矿内火源降至最低限度。（1）数字测量仪表的构成

数字测量仪表的测量机构大多是由数字电压基本表构成的。该基本表主要由A/D转换器、数码显示器和少量的外围阻容元件配合组成。第63

页图3-23数字仪表原理框图

双积分A/D转换器是数字电压基本表的核心，它是通过对信号的取样积分，对基准电压的反向积分及休止归零等三个阶断实现A/D转换过程的。它的内部结构包含模拟和数字两大部分，作用是把输入的模拟电压信号变成数字输出，并驱动显示。它转换的实质是用未知的被测电压与已知的稳定性和准确度很高的基准电压相比较，转换结果的显示数码是两个电压的比值，即：（3-38）第64

页图3-24数字电压表基本电路图第65

页（2）数字直流电流表的构成及工作原理1）结构采用不同的分流电阻与数字电压基本表并联制成的，如图3-25所示。图3-25多量程数字直流电流表第66

页2）工作原理

根据并联电阻的分流原理制成，通过不同电阻的分流达到扩大量程的目的,该电路分流电阻与数字电压基本表并联。分流电阻的作用主要有：①保护数字电压基本表测量机构。②分流电阻产生的压降将电流转换为数字基本表输入电压以实现I/U转换。③分流电阻也是直流电流表的输入阻抗，可根据欧姆定律计算分流电阻值。设数字电压基本表的电压量程是，数字直流电流表电流量程是，则分流电阻为：（3-39）第67

页（3）数字交流电流表的构成及工作原理1）结构主要由测量线路、整流式AC/DC转换器和数字电压基本表组成。多量程数字交流电流表如图3-26所示。图3-26数字交流电压表测量电路第68

页2）工作原理数字交流电流表是在数字直流电流表及数字直流电压表的基础上增加了AC/DC转换器。所以，这里主要介绍AC/DC转换器的工作原理。常见的AC/DC转化器是通过半波整流或者全波整流将交流信号转换成直流信号。线性整流式AC/DC转换器是由运算放大器A，二极管、，反馈网络电阻、接成同相放大电路得来的。该电路工作过程：交流信号经运算放大器A放大后，进入、组成的半波整流电路。整流后的输出电压从二极管引出，经电容滤波后送至数字电压基本表。该电路输出电压有效值输入电压有效值的关系为：（3-40）厚德弘毅博学笃行第69

页图3-27线性整流AC/DC转换器电路图因为该电路是半波整流，故直流平均电压为：（3-41）（3-42）电流测试仪表的主要技术指标有测量范围、测量精度、供电电源、测量端输入电压、每一挡量程均可输出电压、响应时间、自动量程切换、自动量程切换时间、短路瞬间过载电压。（4）电流测试仪表的主要技术指标

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页电压测量仪表适用于电力电网、自动化控制等领域，用于监测电压。仪表采用LED数码管显示形式，具有精度高、电磁兼容性好等特点。它由模拟电路和数字电路两部分组成，模拟部分包括转换式输入放大器、基准电压源和A/D转换电路。数字部分包括时钟源、计数器、译码驱动显示及逻辑控制。数字电压测试仪表(DigitalVoltmeterMeasuringApparatus，简称DVM)，它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。目前，由各种单片A/D转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电工测量、工业自动化仪表及自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，把电量及非电量测量技术提高到崭新水平。电压测试仪表厚德弘毅博学笃行第71

页（1）数字直流电压表的结构及工作原理1）结构采用不同的分流电阻与数字电压基本表并联制成，如图3-28所示。图3-28多量程数字直流电压表2）工作原理与单量程数字电流表相同，都是通过不同阻值分流电阻的分流达到扩大量程的目的。厚德弘毅博学笃行第72

页1）结构主要由测量线路、整流式AC/DC转换器和数字电压基本表组成。多量程数字交流电流表如图3-29所示。（2）数字交流电压表的结构及工作原理图3-29数字交流电压表测量电路2）工作原理数字交流电压表与数字交流电流表的工作原理类似。电压测试仪表的主要技术指标有显示位数、量程、分辨力、测量速度、测量精度、输入阻抗。（3）电压测试仪表的主要技术指标厚德弘毅博学笃行第73

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（1）通用电子示波器的工作原理它由垂直系统、水平系统、Z轴电路、中央处理单元（CPU）及电源等几部分组成。由图3-30可见，被测信号由Y输入端输入示波器，经垂直衰减器、前置放大电路、延迟线和末级放大电路处理后，输出幅度足够大的信号加在示波管的垂直偏转板上，使电子枪发射的电子束按被测信号的变化规律在垂直方向产生偏转。扫描信号发生器产生的扫描锯齿波电压，经水平放大电路放大后，加到示波器的水平偏转板上，使电子枪发射的电子束水平偏转。为了使示波器显示出稳定的波形，将被测信号的一部分（内触发方式）或外触发信号（外触发方式）送到触发同步电路，它输出一个触发信号去启动扫描电路，产生一个由触发信号控制其起点的扫描电压。Z轴电路的作用是在扫描正程的时间内产生增辉信号，加到示波器的栅极上，使荧光屏上的光迹增亮，而在扫描逆程将光迹消隐。通用电子示波器厚德弘毅博学笃行第74

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图3-30示波器的原理框架图（2）通用示波器的主要技术指标通用示波器的主要技术指标有频率响应、偏转灵敏度、扫描频率、输入阻抗、示波器的瞬态响应、扫描方式。厚德弘毅博学笃行第75

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相比模拟示波器，数字存储示波器具有体积小、便于携带、能存储、能回放、便于分析研究等优点，尤其是单次信号的捕捉、分析，具有很多的数字运算。如FFT，便于通讯，把采集或测量到的数据能够传输到电脑，利于分析对比等诸多优势。（1）数字存储示波器的工作原理被测信号通过输入端进入输入电路，经放大、衰减后进入模拟数字转换器A/D，A/D将被测模拟信号进行采样量化编码转换成数字信号依次存储在存储器RAM中，需要时再将存储器中存储的内容调出，通过D/A变换器，再将数字信号恢复为模拟信号，显示在示波管的荧光屏上。智能化数字存储示波器厚德弘毅博学笃行第76

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图3-31数字存储示波器的原理组成框架图（2）数字存储示波器的主要技术指标数字存储示波器的主要技术指标有最大取样速率、存储带宽、分辨率、储容量、读出速度。厚德弘毅博学笃行第77

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观察某个信号的特性最常用的方法是用示波器来显示波形，对其幅度、频率等参数进行时域分析，但是不能显示出构成非正弦信号频率分量的情况。通过频谱分析仪能够将构成非正弦信号的基波与各次谐波的频率和幅度显示出来，得到时域观测所不能得到的独特信息。（1）频谱分析仪的分类频谱分析仪按其工作原理可分为数字式频谱仪及模拟式频谱仪两大类，模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础制成的，数字式频谱仪是以数字滤波器和快速傅里叶变换为基础制成的。频谱分析仪 厚德弘毅博学笃行第78

页（2）频谱分析仪的工作原理数字式频谱分析仪：数字式频谱分析仪主要用于低频段和超低频段的信号测试，其原理结构如图3-32所示。图中低通滤波器、取样电路、A/D转换器及存储器构成对信号的数据采集系统，将信号变换成数字量送到专用的FFT（基于快速傅里叶分析法）计算机，计算出信号的频谱送至显示器显示出来，而控制器则是用来控制和协调整机的工作。图3-32数字式频谱分析仪的基本构成厚德弘毅博学笃行第79

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模拟式频谱分析仪：目前模拟式频谱分析仪应用最为广泛。模拟式频谱分析仪又可以分为顺序滤波式频谱仪、扫频滤波式频谱仪、扫频外差式频谱仪等。1）顺序滤波式频谱仪其原理框架如图3-33所示。被检测信号经过前置放大器进行幅值放大以后送入一组窄带滤波器，滤波器的中心频率分别为，各滤波器选出各自的频率分量。电子扫描开关受扫描发生器产生的阶梯扫描电压的控制，形成步进转接，将频率分量依次送入检波器顺序检波。检波后