电工测量基本基础知识

第一篇 电工测量的基本知识第一章概述1.1测量的概念测量是以确定被测对象量值为目的的全部操作。通常测量结果的量值由两部分组成：数值（大小及符号）和相应的单位名称。1.2测量的分类测量可从不同的角度出发进行分类。从获得测量结果的不同方式分类，可分为直接测量法、间接测量法和组合测量法。121.1 直接测量法一一从测量仪器上直接得到被测量量值的测量方法，直接测量的特点是简便。此时，测量目的与测量对象是一致。例如用电压表测量电压、用电桥测量电阻值等。1.2.1.2 间接测量法一一通过测量与被测量有函数关系的其它量，才能得到被测量量值的测量 方法。例如用伏安法测量电阻。当被测量不能直接测量，或测量很复杂，或采用间接测量比采用直接测量能获得更准确的结果 时，采用间接测量。间接测量时，测量目的和测量对象是不一致的。1.2.1.3 组合测量法一一在测量中，若被测量有多个，而且它们和可直接（或间接）测量的 物理量有一定的函数关系，通过联立求解各函数关系来确定被测量的数值，这种测量方式称为组合 测量法。例如，图1-1所示电路中测定线性有源一端口网络等效参数Req、Uoc。调Rl为R1时得到I1，U1调Rl为R2时得到12，U2U +Reql1 =Uoc得丿UReqlUoc解联立方程组可求得测量Req、Uoc的数值。根据获得测量结果的数值的方法不同，分为直读测量法和比较测量法。1.2.2.1 直读测量法（直读法）一一直接根据仪表（仪器）的读数来确定测量结果的方法。测 量过程中，度量器不直接参与作用。例如用电流表测量电流、用功率表测量功率等。直读测量法的 特点是设备简单，操作简便，缺点是测量准确度不高。1.2.2.2 比较测量法一一测量过程中被测量与标准量（又称度量器）直接进行比较而获得测量 结果的方法。例如用电桥测电阻，测量中作为标准量的标准电阻参与比较。比较测量法的特点是测 量准确，灵敏度高，适用于精密测量。但测量操作过程比较麻烦，相应的测量仪器较贵。综上所述，直读法与直接测量法，比较法与间接测量法，彼此并不相同，但又互有交叉。实际 测量中采用哪种方法，应根据对被测量测量的准确度要求以及实验条件是否具备等多种因素具体确 定。如测量电阻，当对测量准确度要求不高时，可以用万用表直接测量或伏安法间接测量，它们都 属于直读法。当要求测量准确度较高时，则用电桥法进行直接测量，它属于比较测量法。1.3测量误差测量误差的定义不论用什么测量方法，也不论怎样进行测量，测量的结果与被测量的实际数值总存在差别，我们把这种差别，也就是测量结果与被测量真值之差称为测量误差。从不同角度出发，测量误差有多种分类方法。测量误差的分类1.3.2.1 根据误差的表示方法可分为绝对误差、相对误差、引用误差三类。（1） 绝对误差一一是指测得值与被测量实际值之差，用x表示，即 X=X-X 0（ 1.1）式中，X 测得值；X0实际值。绝对误差是具有大小、正负和量纲的数值。在实际测量中，除了绝对误差外，还经常用到修正值的概念，它的定义是与绝对误差等值反号， 即c=Xo-X（ 1.2）知道了测量值和修正值 c,由式（1.2 ）就可求出被测量的实际值Xo。绝对误差的表示方法只能表示测量的近似程度，但不能确切地反映测量的准确程度。为了便于比较测量的准确程度，提出了相对误差的概念。（2） 相对误差一一是指测量的绝对误差与被测量（约定）真值之比（用百分数表示），用丫表 示，即100% （1.3 ）Xo式（1.3 ）中，分子为绝对误差，当分母所采用量值不同（真值A0、实际值X0、示值X等）时相对误差又可分为：相对真误差、实际相对误差和示值相对误差。相对误差是一个比值， 其数值与被测量所取的单位无关；能反映误差大小和方向；能确切地反 映了测量准确程度。因此，在测量过程中，欲衡量测量结果的误差或评价测量结果准确程度时，一 般都用相对误差表示。相对误差虽然可以较准确地反映量的准确，但用来表示仪表的准确度时，不甚方便。因为同一仪表的绝对误差在刻度范围内变化不大，这样就使得在仪表标度尺的各个不同部位的相对误差不是 一个常数。如果采用仪表的量程Xm作为分母就解决了上述问题。（3）引用误差一一是指测量指示仪表的绝对误差与其量程之比，（用百分数表示），用丫 n表示，即n = X 100%（1.4）Xm实际测量中，由于仪表各标度尺位置指示值的绝对误差的大小、符号不完全相等，若取仪表标度尺工作部分所出现的最大绝对误差作为（1.4 ）中的分子，则得到最大引用误差，用丫 nm表示。nmXm 100%（ 1.5）Xm最大引用误差常用来表示电测量指示仪表的准确度等级，它们之间的关系是Axnm - 100%=%Xm式中，a仪表准确度等级指数。根据GB 7676.2-87直接作用模拟指示电测量仪表及其附件的规定，电流表和电压表的准 确度等级a如表1-1所示。仪表的基本误差在标度尺工作部分的所有分度线上不应超过表1-1中的规定。表1-1准确度等级a0.050.10.20.30.51.01.52.02.55.0基本误差% 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 5.0由表可见，准确度等级的数值越小，允许的基本误差越小，表示仪表的准确度越高。 式（1.5 ）说明，在应用指示仪表进行测量时，产生的最大绝对误差为Ax-兰也 Xm（ 1.6 ）当用仪表测量被测量的示值为X时，可能产生的最大示值相对误差为A 100%：. %.心 100%xx(1.7 )因此，根据仪表准确度等级和测量示值，可计算直接测量中最大示值相对误差。当被测量量值愈接近仪表的量程， 测量的误差愈小。因此，测量时应使被测量量值尽可能在仪表量程的2/3以上。例用一个量程为30mA准确度等级为 0.5级的直流电流表测得某电路中电流为25.0mA,求测量结果的示值相对误差。解根据式（1.6 ）可得其测量结果可能出现的示值最大相对误差为%x0 15100% 100% = -0.6%25.0根据误差的性质可分为：系统误差、随机误差和粗大误差三类。（1）系统误差系统误差是指在同一条件下，多次测量同一量值时，误差的大小和符号均保持不变，或者当条件改变时，按某一确定的已知规律（确定函数）变化的误差。系统误差包括己定系统误差和未定系 统误差，已定系统误差是指符号和绝对值已经确定的系统误差。例如，用电流表测量某电流，其示 值为5A,若该示值的修正值为+0.01A，而在测量过程中由于某种原因对测量结果未加修正，从而产生-0.01A的已定系统误差。未定系统误差是指符号或绝对值未经确定的系统误差。例如，用一只已知其准确度为 a及量程为Um的电压表去测量某一电压 Ux，则可按式（1.5 ）估计测量结果的最大相对误差Ym，因为这时只估计了误差的上限和下限，并不知道测量电压误差确切大小及符号。因此，这种误差称为未定系 统误差。系统误差产生的原因有测量仪器、仪表不准确，环境因素的影响，测量方法或依据的理论不完善及测量人员的不良习惯或感官不完善等。系统误差的特点是：1）系统误差是一个非随机变量，是固定不变的，或是一个确定的时间函数。也就是说，系统 误差的出现不服从统计规律，而服从确定的函数规律。2）重复测量时，系统误差具有重现性。对于固定不变的系统误差，重复测量时误差也是重复 出现的。系统函数为时间函数时，它的重现性体现在当测量条件实际相同时，误差可以重现。3）可修正性。由于系统误差的重现性，就决定了它是可以修正的。（2）随机误差随机误差是指在同一量的多次测量中，以不可预知方式变化的测量误差的分量。随机误差就个体而言是不确定的，但其总体服从统计规律。随机误差一般服从正态分布规律，如图1-2所示：图中：S表示随机误差f表示误差出现的次数0 +SS图1-2正态分布函数这条曲线称为随机误差正态分布曲线。随机误差的特点是：1）有界性：有一定的测量条件下，误差的绝对值不会超过一定的界限。2）单峰性：绝对值小的误差出现的概率大，而绝对值大的误差出现的概率小。3）对称性：绝对值相等的土误差出现的概率一致。4）抵偿性：将全部误差相加时，具有相互抵消的特性。特性4）可由特性3）推导出来，因为绝对值相等的正负误差之和可以互相抵销对于有限次测 量，随机误差的算术平均值是一个很小的量，而当测量次数n无限增大时，随机误差趋近于零。在精密测量中，一般采用取多次测量值的算术平均值的方法消除随机误差。（3）粗大误差粗大误差是指明显超出了规定条件下预期的误差。这种误差是由于实验者的粗心，错误读取数据；或使用了有缺陷的计量器具；或计量器具使用不正确；或环境的干扰等引起的。例如，用了有问题的仪器、读错、记错或算错测量数据等等。含 有粗差的测量值称为坏值，应该去掉。测量结果的评定前面讲述的误差是描述测量结果偏离真值的程度，我们也可以从另一个角度用正确度、精密度和准确度这三个“度”来描述测量结果与真值的一致程度。从本质上讲三者是一致的。在使用中常 见到因对这几个“度”之间含义的混淆，而影响了对测量结果的正确评述。1.3.3.1 正确度由系统误差引起的测得值与真值的偏离程度，偏离越小，正确度越高，系统误差越小，测量结 果越正确。因此，正确度反映了系统误差对测量结果影响的程度。当系统误差远大于随机误差时，相对地说，随机误差可以忽略不计，则有： X= e=X-X0这时可按系统误差来处理，并估计测量结果的正确度。上式中：系统误差x测量值X。一一真值1.3.3.2 精密度它指测量值重复一致的程度。 测量过程中，在相同条件下用同一方法对某一量进行重复测量时， 所测得的数值相互之间接近的程度。数值愈接近，精密度愈高。换包话说，精密度用以表示测量的 重现性，反映随机误差对测量结果的影响。同样，当系统误差小到可以忽略不计或业已消除时，可得 x= 3=x-x0上式中 S 随机误差x测量值X。一一真值这时可按随机误差来处理，并估计测得结果的精密度。1.3.3.3 准确度由系统误差和随机误差共同引起的测量值与真值的偏离程度，偏离越小，准确度越高，综合误差越小，测量结果越准确。所以，准确度同时反映了系统误差和随机误差对测量结果影响的程度。当系统误差和随机误差两者差不多，而不能忽略其中任何一个时，可将系统误差与随机误差进行分别处理，然后再考虑其综合影响，并估计测量结果的准确度。正确度和精密度是互相独立的，对于一个具体的测量，正确度高，精密度不一定高；反之，精 密度高，正确度也不一定高。但正确度和精密度都高，却完成有可能的。只有正确度高或精密度高，就不能说准确度高。只有正确度和精密度都高，才能说准确度高。 以打靶为例综合说明上述关系。(a)(b)（c）图1-3打靶图图1-3（a）表明系统误差小，随机误差大，即正确度高，精密度低；图 （b）说明射击的系统误差 大，而随机误差小，即正确度低而精密度高；图 （c）则表明系统误差和随机误差都小，即正确度和 精密度都高，也就是准确度高，而在靶心外的散弹点可视为粗大误差，应剔除。间接测量中的误差估算间接测量是由多次直接测量组成，其测量的最大相对误差可按以下几种形式进行计算。1.3.4.1 被测量为几个测量量的和（或差）y=x i +X2+X 3（ 1.8）取微分，得dy=dx i+dx2+dx3近似地以改变量代替微分量，即Zy= Axi+ &2+&3（1.9 ）若将改变量看成绝对误差，则相对误差为(1.10 )Yy =型讥=3+心2+心3讥yy或写成光=0丫 +竺丫 +_x3.y y 123X3X3y yy100% ,分别为直接测量X1,X2,式中，j 二丛 100%,2=电 100%3X1x2X3的相对误差。被测量的最大相对误差为Vymax+ 1细|+|必2|+如3y100%（1.11）yXL71y+2y+3y1（1.12）例 两个电阻串联，Ri=1000Q , R2=3000Q，其相对误差均为1%求串联后总的相对误差。 解：串联后总的电阻R=4000 Q绝对误差Ri=1000X 1%=10 ( Q ).： R2=3000X 1%=30(Q)相对误差=1%可知，相对误差相同的电阻串联后总电阻的相对误差与单个电阻的相对误差相同。1.3.4.2 被测量为多个测量量的积(或商)mnz . . _ xy =x1x2( 1.13 )式中m、n分别是X1、X2的指数。对上式两边取对数，得lny =mlnx 1+mlnx 2(1.14 )再微分，得(1.15 )dydx1dx2m ny冷X2于是得被测量相对误差为爭 1000%则被测量的最大测量相对误差为y max(1.16 )图1-4三表法测入由式(1.16 )可见，当各直接测量量的相对 误差大致相等时，指数较大的量对测量结果误差 影响较大。例 正弦交流电路中，如图1-4所示用三表法(电流表、电压表、功率表)测量元件A (或网络)的功率因数 入值。若电流表的量程为2A,示值为1.00A;电压表量程为 150V,示值为102.0V ; 功率表量程为60W示值为42.7W,其准确度等级 均为0.5级，试计算功率因数入和仪表表基本误 差引起的最大相对误差。解 用间接测量法计算功率因数，公式为 - cos PUI测量结果的最大相对误差按式（1.16 ）可 推导出3 =申|+|町+卩卩）由测量仪表示值可计算上式中各量为二 Um0.5% 150 一0.74%Ux102.01.000.5% 6042.70.70%得出正弦电路中功率因数为 = cos PUI42 7一427 =0.418102.0 1.00则测量最大相对误差为cos：护=叩0.74% 0.70% = _2.44%消除系统误差的基本方法在测量过程中，如果发现测量结果中存在系统误差，就应对测量进行深入的分析和研究，以便找出产生系统误差的根源，并设将它们消除，这样才能获得准确的测量结果。与随机误差不同，系 统误差是不能用概率论和数理统计的数学方法加以削弱和消除的。目前，对系统误差的消除尚无通 用的方法可循，这就需要对具体问题采取不同的处理措施和方法。一般说，对系统误差的消除在很 大程度上取决于测量人员的经验、学识和技巧。下面仅介绍人们在测量实践中总结出来的消除系统 误差的一般原则和基本方法。1.3.5.1 从误差来源上消除系统误差这是消除系统误差的根本方法，它要求测量人员对测量过程上可能产生系统误差的各种因素进行仔细分析，并在测量之前从根源上加以消除。例如，仪器仪表的调整误差，在实验前应正确地仔 细地调整好测量用的一切仪器仪表，为了防止外磁场对仪器仪表的干扰，应对所有实验设备进行合 理的布局和接线等等。1.3.5.2 用修正方法消除系统误差这种方法是预先将测量设备、测量方法、测量环境（如温度、湿度、外界磁场）和测量人员 等因素所产生的系统误差，通过检定、理论计算及实验方法确定下来，并取其相反值作出修正表格、修正曲线或修正公式。在测量时，就可根据这些表格、曲线或公式，对测量所得到的数据引入修正 值。这样由以上原因所产生的系统误差就能减小到可以忽略的程度。实际上，在我们的实验过程中，通常要用到仪表（电流表、电压表、功率表等）进行测量，这 样便引入了仪表误差，该误差是不可避免的，但可以修正为系统误差。 X=X-X 0c=- X式中：c修正值例 测量电阻Rx的实验电路如图1-5所示。1、1-5 （ a）中电压表两端的电压为U=U a+UxR = Ra RXAR RA修正值C=- R图1-5(a)电压表外接法可见，电压表外接法适用于负载较大的情况，即:RxRa。Ra便可忽略不计。2、图1-5(b)中电流表流过的电流为:I = IV lx 二 U丄丄RVRX1+RvRx图1-5 ( b)电压表内接法 R是由Rv引起的。可见，电压表内接法适用于负载较小的情况，即RxRv。 Rv分流作用小。1.3.5.3 应用测量技术消除系统误差在实际测量中，还可以采用一些有效的测量方法，来消除和消除和削弱系统误差对测量结果的影响。(1)替代法替代法的实质是一种比较法，它是在测量条件不变的情况下，同一个数值已知的且可调的标准量来代替被测量。在比较过程中，若仪表的状态和示值都保持不变，则仪表本身的误差和其它原因 所引起的系统误差对测量结果基本上没有影响，从而消除了测量结果中仪表所引起的系统误差。例如图1-6所示，用替代法测量电阻 Rx。在测量时先把被测电阻 FX接入测量线路(开关 S接 到1),调节可调电阻 Ro，使电流表 A的读数为某一适当数值，然后将开关 S转接到位置2 ,这时 可调准电阻Rn代替Rx被接入测量电路，调节 Rn使电流表数值保持原来读数不变。如果 R。的数值 及所有其它外界条件都不变，则 Rn=Rx。显然，其测量结果的准确度决定于标准电阻Rn的准确度及电流的稳定性。Rn :标准电阻Rx:被测电阻Ro:限流电阻E：电源图1-6替代法 在比较法中，根据标准量和被测量是同时接入电路或不同时接入电路, 异时比较法两大类。图1-6所示电路是一种异时比较法电路，常用来测量中值电阻。又可分为同时比较法和(2)零示法零示法是一种广泛应用的测量方法，主要用来消除因仪表内阻影响而造成的系统误差。在测量中，使被测量对仪表的作用与已知的标准量对仪表的作用相互平衡，以使仪表的指示为零，这时的被测量就等于已知的标准量。例 图1-7是用零示法测量实际电压源开路电压Uoc的实用电路。Us：直流电源R :标准电阻G :检流计测量时：调节电阻R的分压比，使检流计 d 的读数为0,贝y UA=UB = UOCUoc 二Ua 二UsR2RiR2在测量过程中，只需要判断检流计中有无电流, 而不需要读数，因此只要求它具有足够的灵敏度。同时，只要直流电源 Us及标准电阻R稳定且准确，其测量结果就会准确。(3)正负误差补偿法在测量过程中，当发现系统误差为恒定误差时，可以对被测量在不同的测量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，取这两次测量数据的平均值作为 测量结果，从而就可以消除这种恒定系统误差。例如，用安培测量电流时，考虑到外磁场对仪表读数的影响，可以将安培表转动180再测量一次，取这两次测量数据的平均值作为测量结果。如果外磁场是恒定不变相互抵消，从而消除了外 磁场对测量结果的影响。此外还有组合法、微差替代法等。1.4数字式仪表数字式仪表的工作原理是将被测量（模拟量）转换成数字量之后，用计数器和显示器显示出测量结果。这个转换过程称为模 /数（A/D）转换。实现A/D转换的电路有逐次逼近式、斜坡式、积分 式等多种类型。根据其工作原理，数字式仪表可分为多种类型。如常用的有逐次比较型、斜坡型、 电压-频率转换型、双斜积分型和脉冲调宽型等五种。下面仅从使用的角度对数字式仪表作一简单 介绍。概述数字式仪表面板上的显示窗口，可以直接显示出被测量的正负读数和单位。面板上的量程选择开关可用以选择测量类型及测量量程，有的数字仪表具有自动转换量程功能。142主要技术特性数字式仪表的主要技术特性包括：显示位数、测量范围、误差、分辨力、输入阻抗、采样方式 和采样时间等。1.4.2.1 数字仪表的显示位数数字式仪表数码管的个数一般为45个，有的高精度的数字仪表可做到6个。但不能显示出满位“ 9”，而是以最高位显示数为“ 4”或“ 1”较多。判定数字仪表的位数有两条原则： 能显示09所有数字的位为整数位； 分数位的数值是以最大显示中最高位数字为分子，用满量程时最高位数字作分母。例如：某数字仪表的最大显示值为土19999，满量程计数值为 20000,这表明该仪表有 4个整数位，而分数位的分子为1，分母为2，故称之为 位，读作四位半，其最高位只能显示0或1。232位（读作三又三分之二位） 仪表的最高位只能显示从02的数字，故最大显示值为土 2999。331.4.2.2 数字仪表的准确度数字仪表的准确度是测量结果中系统误差和随机误差的综合。它表示测量结果与真值的一致程度，也反映测量误差的大小。一般讲准确度愈高，测量误差愈小，反之亦然。准确度的公式通常用数字仪表在正常使用条件下的基本误差表示，常见的误差公式有下面两种表达方式。 U = （ a%Jx+b%Um）（1.17 ） U = （ a%Jx+ n 个字）（1.18 ）式中： U绝对误差Ux测量指示值Um 测量所用量程的满度值a误差的相对项系数b误差的固定项系数 n 最后一个单位值的n倍式（1.17 ）和式（1.18 ）都是把绝对误差分为两部分，前一部分（土a% Ux）为可变部分，称为“读数误差”，后一部分（土 b% Um及土 n个字）为固定部分，不随读数而变，为仪表所固有，称为“满度误差”。显然，固定部分与被测量Ux的大小无关。对于式（1.17 ）,仪表测量某一电压 UX时的相对误差为：=:%-b%Um(1.19 )式中（1.19 ）可见，当Ux=U m时，丫最小，但随着Ux减小而增大。当Ux （a）（b）图1-9 坐标比例的选择 坐标分度值不一定从零开始。在一组数据中，坐标可用低于最低值的某一整数作起点，高于 最高值的某一整数作终点，以使图形能占满全幅坐标纸为适当。3、根据数据描点。数据可用空心图、实心图、三角形等符号作标记，其中心应与测得值相重 合，符号大小在1mm左右。同一曲线上各数据点用同一符号，不同的曲线则用不同的符号。根据各点作曲线时，应注意到曲线一般光滑匀整，只具少数转折点；曲线所经过的地方应尽量 与所有的点相接近，但不一定通过图上所有的点。第二章常用的测量技术2.1伏安特性曲线的测定所谓伏安特性曲线就是指某一端口的电压、电流间的变化规律曲线。 通过对该曲线的分析计算，可以掌握端口电压、电流的变化规律。因此，在电路分析中，测定端口的伏安特性曲线是一个很重 要的分析手段。在测量某一端口元件的伏安特性中，通常采用调节外接可调电阻的方法，以得到不同的电压、 电流值，在坐标平面上加以描述，最终得到该端口元件的伏安特性曲线。常用的测量方法有伏安测 量法和示波测量法。伏安测量法端口的伏安特性是用电压表、电流表测定的，这种测量方法称为伏安测量法。具体的实验线路 如图2-1所示。当需要测量虚线框端口的伏安特性时，通过外接可调电阻Rl的方法，改变 Rl可以得到不同的U、I值，在坐标平面上加以描述，就能得到该端口的伏安特性曲线。r1 A11 +k,!1 -1!取样电阻CH1CH2图2-1伏安测量法实验线路图图2-2示波测量法实验线路图若电源Us可调，Rl固定，当需要测量电阻元件 Rl的伏安特性曲线时， 则可采用调节 Us的大 小，以得到不同的 U、丨值的方法测定。独立电源和电阻元件的伏安特性可以用伏安测量法（简称伏安法）测定。伏安法原理简单，测 量方便，同时适用于非线性元件伏安特性的测定。由于仪表的内阻会影响到测量的结果，因此，必 须注意仪表的合理接法。示波测量法利用双踪示波器能够将两路信号在XY工作方式直接合成，形成特性曲线的特点，可以用示波器来测量端口的伏安特性曲线。这种用示波器来测量端口的伏安特性曲线的方法称为示波测量法。具体的实验线路如图 2-2所示，CH1通道测量的是 Us信号。由于示波器只能测量电压信号,不能直接测量电流信号，而测量电流信号又往往是必须的，因此我们常采用加取样电阻的方法，将.Ur电流信号转换成电压信号后再进行测量。图2-2中CH2通道测量的是 Ur信号，而I -，只要r取样电阻是线性无感的且尽可能小，Ur信号就可以反映电流信号的变化规律。在示波器的xy工作方式能观察到端口的伏安特性曲线。2.2三表法测定交流参数在交流电路中，我们通常要进行交流电量、电参数的测量。所谓电参数，是指元件本身特性，例如：R、L、C、M （互感）等。所谓电量，表征的是回路交流参数测量的方法很多，我们这里 介绍三表法。三表法即用电压表、电流表、功率表 测量元件参数的方法。具体的实验线路图 如图2-3所示，虚线框所示为调压器，电 压表监测被测元件电压，电流表监测元件 电流，功率表测量元件消耗的有功功率。于是，回路的功率因数 - cos ：二PUI图2-3三表法测量线路阻抗的模ZIP等效电阻R = p = Zcos12等效电抗X=|Zsi n使用三表法时，注意三块仪表的应用必须正确，电压表、电流表、功率表所测量的必须是被测 元件的电压、电流和功率。