第1章--电气测量的基本知识概要.ppt

1、电气测量技术,序论内容提要,课程介绍,教学安排,测量的基础知识,1.课程介绍,课程名称：电气测量技术、电工测量、电磁测量、电工仪表与测量、电工仪表,主要内容：本课程是研究常用仪表的原理、结构、使用操作技术；是各种电、磁量（电量+磁量）的测量方法；是测量误差与数据处理的技术。,课程结构：电工仪表+测量技术；,相关课程：电工理论、电子技术、检测与转换技术等。,电磁测量技术的三个方面,电磁量的测量方法电磁测量仪器仪表的设计制造电磁量的量值传递,1.课程介绍,电气测量的对象：,电量：如电流、电压、功率、电能、频率、电阻、电感、电容以及时间常数等。,磁量：主要指磁场以及物质在磁场磁化下的各种磁特性，例如

2、磁场强度、磁通、磁感应强度、磁势、磁导率、磁滞和涡流损耗等的测量。电测量和磁测量又可统称为电磁测量或电气测量。,1.课程介绍,应用领域,电工仪表及测量技术对从事电气技术工作的人员来说是十分必要的；不论是电气设备的安装、调试、实验、运行、维修；还是对电气产品进行检验、测试、鉴定都会涉及电磁测量方面的技术问题。,应用于工农业生产、生活、国防、科研等各领域。如，变电所、配电室、发电厂、电力监控网、火箭发射中心、家用电能计量表等。,测量是认识客观事物,用数量描绘客观事物,进而掌握事物本质的手段。门捷列夫说：“没有测量，就没有科学”所谓测量,就是被测量和同类标准量进行比较的一个实验过程。日常生活中处处离

3、不开测量,科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。,生产发展离不开测量农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量。例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点。,古代使用的测量工具主要是规、矩、准、绳。规就是画圆的圆规。矩是曲尺，可用于检查直角，画长方形和正方形。木工现在还在使用曲尺，学生和科研人员绘图用的三角板和丁字尺，是矩的进一步发展。准是水准器，用于检查是否水平。绳子可用于画直线和检测直线。准和绳，现在仍是木工和建筑工人的主要测量工具,日晷，又称“日规”，

4、是我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。其原理就是利用太阳投射的影子来测定并划分时刻。日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。这种利用太阳光的投影来计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类沿用达几千年之久,电气测量在生活中的应用：电子血压计,摘自维基百科被命名为“和谐号”的高速动车组列车均为CRH系列，是中华人民共和国铁道部向庞巴迪、川崎重工业、阿尔斯通和西门子公司购买动车组技术，并通过技术转移方式，在中国国内生产有关高速铁路车辆，达到一定程度的国产化。目前共有六个大系列（CRH6型车在产中），分别是CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6及CRH380系列。,交流传动

5、机车中华人民共和国铁道部亦向西门子公司、阿尔斯通、东芝、庞巴迪等引进交流传动技术，并通过技术转移方式，在中国国内生产最高速度120km/h的“和谐”型大功率铁路机车车辆,中国铁道部号称自主研发世界领先的“动车防追尾系统”主要指自动闭塞系统。自动闭塞系统是一个智能化先进列车控制系统，它将充分利用当今的计算机技术、通信技术等高新技术，提高铁路的运营水平和火车的运输能力和运输效率，保证安全行驶。2011年7月23日，温州两列动车追尾事故，让许多乘客和网友纷纷质疑：为何号称世界领先的“动车防追尾系统”在关键时刻没能发挥作用,自动闭塞系统的原理大致是这样的：铁轨上安装有一个个类似传感器一样的接收装置，只

6、要前方列车的车轮压上钢轨，“前方有列车占用轨道”的信息，就会通过铁轨，传送给后方列车和调度中心。后方列车接到前方列车的位置信息后，调整速度，以保证两车之间有个安全的距离，这个安全距离也叫闭塞区。据中国工程院院士、北京交通大学教授王梦恕介绍，自动闭塞系统要求6公里以内没车的时候才可以开行，距离前车4公里内就亮黄灯，提示减速。距离2公里时会显示红灯，提示要停车。,在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，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。,电气测量的发展过程：,仪器仪表的发展最能体现电气测量技术

7、的发展。仪器仪表的发展可以大致分为三个阶段:,1.课程介绍,（1）古典（机械式）电工仪器仪表发展阶段,（2）数字式仪表发展阶段,（3）自动测试（智能式）系统发展阶段。,1.课程介绍,发展趋势,数字化,网络化,小型化,智能化,电磁测量技术的特点,准确度高：误差可以小到测量速度快：测量的数值覆盖面广：灵敏度高,天空，海洋，地面还是进入人体内的细胞，到处都有用电磁测量技术解决测量问题的例子，电磁测量深深扎根国民经济和科学技术的各个领域。而且各个行业不同的测量时间迅速推动电磁测量技术不断发展。,湿度、压力，振动、速度、位移、液位，人的血压，地震波，飞行高度，潜水深度也都可以先变成与其成函数关系的电磁量

8、或电路参数再用电磁测量。,2.教材及参考资料,电气测量陈立周机械工业出版社2004.6电气测量陶时澍哈尔滨工业大学出版社1997.8电磁测量唐统一赵伟清华大学出版社1997.7电气测量技术申忠如科学出版社,4、电工仪表资源,中华电工仪表网邮编：150040电话尔滨电工仪表研究所,部分电工仪表图片,部分电工仪表图片,Fluke570系列手持式精密红外温度计产品简介Fluke570非接触测温仪是可在任何距离为您在进行专业维护时读取温度值的理想诊断工具。Fluke570系列红外测温仪能够测量表面温度，帮助快速定位润滑油问题、过载、短路或线相错误和过热设备，减少工作和重复

9、时间，从而提高性能,激光测距仪,电能质量分析仪,来自泰克的数字万用表，轻松完成多功能精密测量与分析泰克DMM4050和DMM4040万用表提供了6.5位分辨率，可以以0.0024%的基本VDC准确度测量电压、电阻和电流。频率、周期、电容和温度集成测量功能意味着您可以使用一台仪器进行多种测量。您还可以监测和记录测量指标在测量期间的变化或环境范围，查看统计值，了解电路性能如何变化。此外，专用前面板按钮可以快速进入常用功能和参数，缩短设置时间。DMM4050/4040万用表为您最苛刻的测量提供了多功能工具和所需的准确,TDS3000C数字荧光示波器系列您需要的性能，您承受得起的价格泰克TDS3000

10、C系列示波器拥有高达500MHz的带宽，在紧凑的电池供电的设计中提供了经济的性能。TDS3000C系列示波器现在配有USB主机端口和PC连接软件，同时提供了熟悉的操作和简单的导航功能，您可以用更少的时间学习和重新学习怎样使用示波器，用更多的时间完成手头的任务。,第1章测量的基本知识,2测量方式分类,1测量基本知识,度量器及电学基准,国际单位制,测量单位,什么是电工测量（电气测量、电磁测量）?,什么是测量?,比较测量（也可包含在直接测量中）,组合测量,间接测量,直接测量,第1章测量的基本知识,4仪表的准确度,3误差的基本概念,什么叫误差,绝对误差,相对误差,引用误差,最大引用误差,1.1测量的基

11、本概念,1、什么是测量：,所谓测量，是指用实验的方法，将被测（未知量）与已知的标准量进行比较，以得到被测量大小的过程；是对被测量定量认识的过程。,1.1测量的基本概念,2、什么是电气测量？,是指把被测的电量或磁量直接或间接地与测量单位的同类物理量（或者可以推算出被测量的异类物理量）进行比较的过程。,1.1测量的基本概念,3、测量单位（unitofmeasurement）,把测量中的标准量定义为“单位”，单位是一个选定的标准量（或参考量）。,独立定义的单位称“基本单位”；,由物理关系导出的单位称“导出单位”。,测量结果可以由两部分组成，即测量单位和纯数,式中X表示被测量表示测量所得的数字值，即单

12、位的倍数X0表示测量单位,1.2国际单位制（SI）,1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。注：SI是国际单位制的国际通用符号。,目，国际单位制下7个基本单位：长度米M质量千克（公斤）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发光强度坎德拉cd,法文：LeSystmeInternationaldUnits(SI)英文：InternationalSystemofUnits,1.2国际单位制,1.2.1SI基本单位的定义,米：光在真空中（1/299792458s）时间间隔内所经过路径的长度。第17届国际计量大会（1983）1960年第十一届国际计量大会：“米的长度等

13、于氪86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的165076373倍”。,千克：国际千克原器的质量。第1届国际计量大会（1889）和第3届国际计量大会（1901）,1.2国际单位制,1.2.1SI基本单位的定义开尔文：水三相点热力学温度的1/273.16。第13届国际计量大会（1967），决议4,摩尔：是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元（原子、分子、离子、电子及其他粒子，或这些粒子的特定组合）数与0.012kg碳-12的原子数目相等。第14届国际计量大会（1971），决议3,坎德拉：是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为5401012Hz的单色辐射，且在此方向

14、上的辐射强度为（1/683）W/sr。第16届国际计量大会（1979），决议3,秒：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。第13届国际计量大会（1967），决议1,安培：在真空中，截面积可忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为210-7N，则每根导线中的电流为1A。国际计量委员会（1946）决议2。第9届国际计量大会（1948）批准,国际单位制（SI）的导出单位,电荷量库仑C电位（电压、电动势）伏特V,电容法拉F电阻欧姆,电导西门子S电感亨利H功率（辐射通量）瓦特W,磁通量韦伯Wb磁通

15、量密度磁感应强度特斯拉TH,国际单位制（SI）1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。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。,表0-1电磁学单位的部分SI导出单位,国际单位制（SI）的导出单位,国际单位制中具有专门名称的导出单位量平面角弧度rad立体角球面度sr频率赫兹Hz力（重力、压力）牛顿N压强（应力）帕斯卡Pa能量（功、热）焦耳J,国际单位制（SI）的导出单位,摄氏温度摄氏度0C光通量流明lm光照度勒克斯lx放射性活度贝可勒尔Bq吸收剂量戈瑞Gy剂量当量希沃特Sv,国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单

16、位制的十进倍数单位三部分组成。国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。例：5.4X10-9s=5.4ns,1.3.电学单位新基准及度量器,基准：能最精确地复现或保存单位的物理现象或实物叫基准。,实物基准：能最精确地复现或保存单位的实物叫实物基准（如国际千克原器，原子钟等）。,自然基准：能最精确地复现或保存单位的物理现象叫自然基准。,1.3.电学单位新基准及度量器,1.3.1度量器,1、什么叫度量器？,在测量过程中实际使用的标准量，是测量单位的复制体，称作度量器（即实物基准）。度量器可以是测量单位本身，也可以是测量单位的分数倍或整数倍。,2、度量器分类：,根据度器在量值传递上的作用和精确度

17、不同，分为基准器（自然基准或实物基准）、标准器和工作量具三种，其中基准器是精度高的测量单位复制体，一般由国际或国家计量部门拥有和管理，而日常测量用的是工作量具。,1.3.电学单位新基准及度量器,1.3.2“伏特”和“欧姆”电学单位新基准,过去的电学基准是用标准电池组复现电动势或电压的单位“伏特”，标准电阻复现电阻的单位“欧姆”。,年月日国际上正式启用电学计量新基准。约瑟夫森效应（P-3/0-3-1）和冯克里青效应（P-3/0-3-1）（也称量子化霍尔效应），复现“伏特”和“欧姆”单位。它具有复现精确度高、稳定性好的优点,(0-3-1),两块弱连接的超导体在微波频率的照射下，就会出现阶梯式伏安特

18、性，如图0-3-1所示。这种超导体的结构称为约瑟夫森结。在第n个阶梯处的电压与微波频率有如下关系:,这个公式是复现和保存国家电压单位“伏特”的理论基础。通过精心测量微波频率就可确定Vn的数值。,1、约瑟夫森效应,当通过元件的电流I固定时，会出现磁感应强度变化而霍尔电压不变的区域称为霍尔平台。,RH是物理常数。一旦确定i，冯克里青效应就可用于复现、保存电阻单位“欧姆”。h:普朗克常数e:电子电荷,(2)冯克里青效应(量子化霍尔效应),标准电池是复现电压或电动势单位伏特的器具性能极其稳定的化学电池。电动势在1.0186V左右。,按电解液的浓度划分为饱和式和不饱和式标准电池。,（3）、标准电池,标准

19、电池英文名称：standardcell定义1：将化学能转换成电能，能复现并保存电压单位伏特的量值的标准量具,(1)要根据标准电池的等级,在规定要求的温度下存放和使用。,(3)标准电池严禁摇晃和振动,严禁倒置。经运输后要放置足够时间后再使用。,标准电池在使用时应注意下列事项。,(2)标准电池不能过载,严禁用电压表或万用表去测量标准电池的电动势。,(4)检定证书和历年的检定数据是衡量一只标准电池好坏的依据,应注意保存。,通常标准电阻是锰铜丝绕制的。标准电阻能够准确复现欧姆量值。,（4）标准电阻,高电阻标准电阻有时制成三端钮形式。其中,一个端钮是屏蔽端钮,如图0-3-5所示。在使用时给屏蔽端一定的电

20、位,可减小漏电的影响。,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。,阻值低于10W的电阻通常是四端钮结构。即分别有电流端钮和电位端钮。其接线如图0-3-4所示。,电阻器的四端钮结构,第一节测量方法的分类,一、测量方式分类,测量方式,直接测量,间接测量,组合测量,指被测量与中间量的函数式中还有其他未知数，须通过改变测量条件，得出不同条件下的关系方程组，然后解联立方程组求出被测量的数值。,指要利用某种中间量与被测量之间的函数关系，先测出中间量，再算出被测量。例如用伏安法测电阻。,指仪表读出值就是被测的电磁量，例如用电流表测量电流，用电压表测量电压。,1.4测量方式分类,直

21、接测量：,直接测量指的是被测量与度量器直接进行比较，或者采用事先刻好刻度数的仪器进行测量，从而在测量过程中直接求出被测量的数值。这种方式称为直接测量。,间接测量：,如被测量不便于直接测定，或直接测量该被测量的仪器不够准确，那么就可以利用被测量与某种中间量之间的函数关系，先测出中间量，然后通过计算公式，算出被测量的值，这种方式称为间接测量。如测长、宽求面积；测电流电压求功率等。,1.4测量方式分类,组合测量：,如果被测量有多个，虽然被测量（未知量）与某种中间量存在一定函数关系，但由于函数式有多个未知量，对中间量的一次测量是不可能求得被测量的值。这时可以通过改变测量条件来获得某些可测量的不同组合，

22、然后测出这些组合的数值，解联立方程求出未知的被测量。,比较测量：,比较法是指被测量与已知的同类度量器在比较器上进行比较，从而求得被测量的一种方法。这种方法用于高准确度的测量。,1.5测量误差,真值：在一定条件下，物理量符合其定义的真实值，称为真值。,1.5.1误差的基本知识,约定真值：真值无法得到，通常只能在一定条件下得到与真值最接近的可使用的值，称为约定真值。,误差：是测量值与（约定）真值相差的程度。,误差公理：测量的过程必然存在着误差，误差自始至终存在于一切科学实验和测量的过程之中。因此研究误差规律，并尽量减小误差是测量的任务之一。,1.5测量误差,关于约定真值,另一种方法是在相同条件下多

23、次重复测量的算术平均值来代表真值。,一种方法是采用相应的高一级精度的计量器具所复现的被测量值来代表真值，,另外在产品检测中，某项被测量的设计指标，既标称值视作已知真值，而测量值与标称值之差，就是产品制作误差（注意：这里的测量值与其算术平均值之差才是测量误差）。,实际上，真值是难于得到的，实际中，人们通常用两种方法来近似确定真值，并称之为约定真值。,1.5测量误差,1.5.2误差的产生原因,实验方法所限；方法不同结果不一样。如抽样调查中的代表性误差（抽样平均误差）。,仪器本身；因为任何仪器都有一定的灵敏度和精确度。,环境的变更；如温度，纬度，湿度，电磁场的变化。,操作人员的素质。每个人生理条件的

24、不同，受教育，训练的程度不同。,值得强调的是，误差不是错误，测量结果包含了误差范围恰恰是测量结果正确和科学的表达。测量结果数值要用有效数字来表示。,测量误差及其表示方法,一、测量误差的分类,测量误差分类,系统误差,基本误差：由仪表结构造成的误差,附加误差：偏离规定的工作条件造成的误差,随机误差：偶发原因引起大小方向都不确定的误差,疏忽误差：测量人员疏忽造成,1.5测量误差,1.5.2误差的表示方法,绝对误差,相对误差,最大引用误差nm,引用误差n,1.5测量误差,绝对误差：测量值Ax与被测量真值A0之差,相对误差：绝对误差与真值A0之比，并用百分数表示。（用来反映测量结果）,(0-4-1),(

25、0-4-2),因为A0难以测得，有时用Ax代替A0，则,(0-4-3),由此可见，前者的相对误差小些，测量的准确度要高些。所以，一般都用它来表示误差。,例题：用两个伏特表测量两个电压，一个电压的测量值为150伏，绝对误差为1.5伏；另一个的测量值为10伏，绝对误差为0.5伏。,从绝对误差角度来看，前者比后者大，但从相对误差来看呢？,(0-4-5),例题,前者为：,后者为：,式中,n为仪表的引用误差；为仪表的绝对误差；Am为仪表的量限。,(0-4-6),通常用引用误差来衡量仪表的准确度。,1.5测量误差,引用误差：仪表某一刻度点读数的绝对误差比上仪表量程上限Am，并用百分数表示。,1.5测量误差

26、,最大引用误差：,注意：m可以是正的，也可以是负的。,仪表在整个量程范围内的最大绝对误差m比仪表量程上限Am，并用百分数表示，称为最大引用误差（用来反映仪表质量）。,（047）,1.6仪表的准确度,仪表的误差：仪表指示值与被测量真值之间相差程度,仪表误差的分类,（2）附加误差：在规定条件之外，所产生的误差；,（1）基本误差：在规定条件下，仪表本身所产生的误差；,1.6仪表的准确度,仪表的准确度：,GB776-76电测量指示仪表通用技术条件给仪表规定了7个等级准确度。,（048）,表示仪表指示值与被测量真值之间接近的程度。国家标准规定，仪表的准确度等级用最大引用误差的绝对值来确定。即：,1.6仪

27、表的准确度,（1）最大可能的绝对误差：ma%Am(0-4-9),（2）最大可能的相对误差：,（0-4-10）,仪表准确度与测量误差估算：,例0-4-1用量限为10安，准确度为0.5级的电流表去测量10安和5安的电流，求测量的最大相对误差。,解：（1）测量10安电流时所产生的最大可能的绝对误差:,测量10安电流时所产生的最大可能相对误差：,误差估算例题,由,（2）测量5安时：,用同一只表测量不同的数值，相对误差却不样，为什么？,例题,分析,此例说明，如果量程选择恰当，用.级仪表比用.级仪表测量误差还小。因此，在选用仪表时，应根据被测量的大小，兼顾仪表的等级和量程或测量上限，合理地选择仪表。,为充分利用仪表的准确度，被测量的值应在仪表量程上限的%-9%为好。,补充例题,例1.1：用以电压表测量某电压，其读数为201V，而标准表的读数（认为是真值）为200V，求绝对误差。,解：=Ax-A0=201-200=1(V),例1.2：用一电压表测200V电压，绝对误差为+