電氣測(cè)量技術(shù)第一章

電氣測(cè)量技術(shù)ElectricalMeasurementTechnology合肥工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院李奇越2目的和任務(wù): 電氣測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)開展為一個(gè)較完整的學(xué)科，電氣測(cè)量技術(shù)和電氣測(cè)量儀表的根本原理、使用方法是電氣工程技術(shù)人員必須掌握的根本知識(shí)。根本要求:掌握電氣測(cè)量的根本方法和原理，掌握常用電氣測(cè)量儀器儀表的工作原理及其使用方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和將來從事電氣技術(shù)工作打好必要的根底。和其它課程的聯(lián)系和分工:前續(xù)課程是《電路》、《模擬電子技術(shù)根底》和《數(shù)字電子技術(shù)根底》，后續(xù)課程是《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》。成績:平時(shí)成績〔30%〕+考試〔70%〕電氣測(cè)量技術(shù)3《電氣測(cè)量技術(shù)》參考文獻(xiàn)教材徐科軍李國麗編，《電氣測(cè)試根底〔第2版〕》，電子工業(yè)出版社，2023參考書籍陶時(shí)澍主編，《電氣測(cè)量》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997陳立周主編，《電氣測(cè)量》，機(jī)械工業(yè)出版社，2004版申忠如郭福田丁暉，《電氣測(cè)量技術(shù)》，科學(xué)出版社，2003方昌林等，《電氣測(cè)量儀表》，化學(xué)工業(yè)出版社，2006參考文獻(xiàn)《電測(cè)與儀表》《電工技術(shù)》《自動(dòng)化儀表》《電子技術(shù)應(yīng)用》《國外電子測(cè)量技術(shù)》《半導(dǎo)體技術(shù)》《傳感器技術(shù)》《信號(hào)處理》《電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)》《國外電子元器件》《中國測(cè)試技術(shù)》《測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)》《測(cè)控技術(shù)》《計(jì)量與測(cè)試技術(shù)》《計(jì)量學(xué)報(bào)》《儀器儀表學(xué)報(bào)》參考手冊(cè)電工手冊(cè)、元器件手冊(cè)、機(jī)電手冊(cè)、傳感器手冊(cè)、無線電手冊(cè)等4第1章緒論第2章直讀式電測(cè)儀表第3章比較式電測(cè)儀表第4章電子式電測(cè)儀表第5章數(shù)字化電測(cè)儀表第6章磁性電測(cè)儀表電氣測(cè)量技術(shù)5第1章緒論1.0概述1.1電氣測(cè)試的開展過程1.2電氣測(cè)試的開展趨勢(shì)1.3電氣測(cè)試的方法1.4測(cè)試結(jié)果的表示1.5電學(xué)量和電學(xué)基準(zhǔn)1.6儀表測(cè)量誤差1.7作業(yè)61.0概述緒論本章節(jié)根本要求掌握誤差分析和數(shù)據(jù)處理的方法；正確理解測(cè)量和測(cè)量單位；了解電學(xué)基準(zhǔn)和電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)量具。7電工儀表是實(shí)現(xiàn)電工測(cè)量過程所需技術(shù)工具的總稱。電工儀表的測(cè)量對(duì)象主要是電學(xué)量與磁學(xué)量。電學(xué)量又分為電量與電參量。通常要求測(cè)量的電量有電流、電壓、功率、電能、頻率等；電參量有電阻、電容、電感等。通常要求測(cè)量的磁學(xué)量有磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率等。非電磁量包括機(jī)械量、熱工量、成分量等。

緒論1.0概述8按測(cè)量方法可分為直讀式和比較式兩類。直讀式儀表將被測(cè)量的數(shù)量由儀表指針在刻度盤上直接指示出來，常用的電流表、電壓表等均屬直讀式儀表。比較式儀表需將被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較后才能得出被測(cè)量的數(shù)量，常用的比較式儀表有電橋、電位差計(jì)等。直讀式儀表測(cè)量過程簡單，操作容易，但準(zhǔn)確度不高；比較式儀表的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)較昂貴，測(cè)量過程也不如直讀法簡單，但測(cè)量的結(jié)果較準(zhǔn)確。按被測(cè)量的種類可分為電流表、電壓表、功率表、頻率表、相位表等。按電流的種類可分為直流、交流和交直流兩用儀表。按工作原理可分為磁電式、電磁式、電動(dòng)式儀表等。按顯示方法可分為指針式〔模擬式〕和數(shù)字式。按準(zhǔn)確度可分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共7個(gè)等級(jí)

緒論1.0概述〔儀表分類〕9電氣測(cè)試技術(shù)〔三個(gè)方面〕電磁量的測(cè)量方法；電磁測(cè)量儀表、儀表的設(shè)計(jì)與制造；電磁量的量值傳遞。1.1電氣測(cè)試的開展過程儀器儀表的開展〔三個(gè)階段〕古典電工儀器儀表數(shù)字式儀表自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

緒論10儀器積木化、集成化和多功能化小型化，低功耗自動(dòng)化程度高全數(shù)字化、智能化網(wǎng)絡(luò)化1.2電氣測(cè)試的開展趨勢(shì)

緒論111.3電氣測(cè)試的方法直接測(cè)量間接測(cè)量組合測(cè)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接由指示儀表讀數(shù)獲得通過計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果通過聯(lián)立求解各函數(shù)的關(guān)系式確定被測(cè)量大小結(jié)果獲得過程

緒論121.3電氣測(cè)試的方法直讀測(cè)量法比較測(cè)量法利用電測(cè)指示儀表進(jìn)行測(cè)量將被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而取得結(jié)果測(cè)量器具

緒論131.4-1測(cè)試結(jié)果的表示測(cè)量的結(jié)果I=5A測(cè)量單位數(shù)值獨(dú)立定義的單位單位根本單位導(dǎo)出單位一定物理關(guān)系如米、千克、秒和安培

緒論14測(cè)量的前提：被測(cè)的量必須有明確的定義；測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)必須事先通過協(xié)議確定。沒有明確定義〔如：氣候的“舒適度〞或人的“智力〞等〕的量，在上述的意義上是不可測(cè)的。

根本標(biāo)準(zhǔn)〔絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)〕：彼此相互獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)。在國際度量衡大會(huì)〔CGPM〕上定義了七個(gè)根本標(biāo)準(zhǔn)：長度、質(zhì)量、時(shí)間、溫度、電流、光強(qiáng)和物質(zhì)的量。

緒論1.4-1測(cè)試結(jié)果的表示15國際單位制〔SI〕國際計(jì)量大會(huì)在1960年將大會(huì)以前確定的七個(gè)根本單位的系統(tǒng)命名為“國際單位制〞，國際上統(tǒng)一縮寫為SI。根本單位七個(gè)根本單位分別賦于七個(gè)根本量，經(jīng)協(xié)議規(guī)定認(rèn)為是彼此獨(dú)立的。

緒論1.4-2國際單位制SI161.4-2國際單位制SI物理量單位名稱長度米（m）質(zhì)量千克（kg）時(shí)間秒（s）電流安培（A）熱力學(xué)溫度開爾文（K）物質(zhì)的量摩爾（mol）光強(qiáng)坎德拉（cd）（平面）角弧度（rad）立體角球面度(sr)

輔助單位

緒論17測(cè)量單位是理論定義。必須通過實(shí)驗(yàn)的方法把其復(fù)現(xiàn)出來并逐級(jí)傳遞到被測(cè)對(duì)象上去，才能實(shí)現(xiàn)測(cè)量。量具就是測(cè)量單位的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍的復(fù)制體，是測(cè)量中用于比較的工具。各國在商業(yè)及其它涉及公眾利益的范圍內(nèi)都制定有法定計(jì)量學(xué)的規(guī)定條例，這些條例涉及法定計(jì)量學(xué)的三大范疇：確定單位和單位制；確定國家施加影響的范圍〔測(cè)量儀表的校準(zhǔn)義務(wù)，官方監(jiān)督職能和校準(zhǔn)能力〕；實(shí)施校準(zhǔn)和官方監(jiān)督。根據(jù)工作任務(wù)不同，量具分為基準(zhǔn)器、標(biāo)準(zhǔn)量具和工作量具。1.5電學(xué)量和電學(xué)基準(zhǔn)

緒論18最精密地復(fù)現(xiàn)或保存單位的物理現(xiàn)象或?qū)嵨锓Q為基準(zhǔn)。如果基準(zhǔn)是通過物理現(xiàn)象建立的稱為自然基準(zhǔn)。由實(shí)物或裝置建立的稱為實(shí)物基準(zhǔn)。傳統(tǒng)的電學(xué)基準(zhǔn)由實(shí)物基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，即：標(biāo)準(zhǔn)電池組復(fù)現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)或電壓的單位“伏特〞；標(biāo)準(zhǔn)電阻組復(fù)現(xiàn)電阻的單位“歐姆〞。新的電學(xué)基準(zhǔn)〔啟用〕由自然基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，即：約瑟夫森效應(yīng)復(fù)現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)或電壓的單位“伏特〞；馮.克里青效應(yīng)〔量子化霍爾效應(yīng)〕復(fù)現(xiàn)電阻的單位“歐姆〞。新舊的交替實(shí)現(xiàn)了實(shí)物基準(zhǔn)向自然基準(zhǔn)的過渡。自然基準(zhǔn)是通過測(cè)量原子常數(shù)建立起來的。具有長期的穩(wěn)定性，對(duì)計(jì)量單位的統(tǒng)一具有重要意義。保存基準(zhǔn)值的實(shí)物或裝置稱為“基準(zhǔn)器〞。1.5電學(xué)基準(zhǔn)

緒論191.5.1約瑟夫森效應(yīng)

緒論Josephsoneffect

電子能通過兩塊超導(dǎo)體之間薄絕緣層的量子隧道效應(yīng)。1962年由B.D約瑟夫森首先在理論上預(yù)言，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，P.W.安德森和J.M.羅厄耳等人從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了約瑟夫森的預(yù)言。約瑟夫森效應(yīng)的物理內(nèi)容很快得到充實(shí)和完善，應(yīng)用也快速開展，逐漸形成一門新興學(xué)科——超導(dǎo)電子學(xué)。

兩塊超導(dǎo)體通過一絕緣薄層(厚度為10埃左右)連接起來，絕緣層對(duì)電子來說是一勢(shì)壘，一塊超導(dǎo)體中的電子可穿過勢(shì)壘進(jìn)入另一超導(dǎo)體中，這是特有的量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)絕緣層太厚時(shí)，隧道效應(yīng)不明顯，太薄時(shí)，兩塊超導(dǎo)體實(shí)際上連成一塊，這兩種情形都不會(huì)發(fā)生約瑟夫森效應(yīng)。絕緣層不太厚也不太薄時(shí)稱為弱連接超導(dǎo)體。兩塊超導(dǎo)體夾一層薄絕緣材料的組合稱S-I-S超導(dǎo)隧道結(jié)或約瑟夫森結(jié)。201.5.1約瑟夫森效應(yīng)

兩塊弱連接的超導(dǎo)體在微波頻率的照射下，就會(huì)出現(xiàn)階梯式伏安特性。這種超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)稱為約瑟夫森結(jié)。在第n個(gè)階梯處的電壓與微波頻率有如下關(guān)系：精心測(cè)量微波頻率就可確定電壓的數(shù)值

緒論211.5.2馮·克利青效應(yīng)

緒論1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國斯圖加特固體研究馬克斯·普朗克研究所的馮·克利青〔KlausvonKlitzing，1943-〕,以表彰他發(fā)現(xiàn)了量子霍耳效應(yīng)。

霍耳效應(yīng)是1879年美國物理學(xué)家霍耳〔EdwinHall〕研究載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中導(dǎo)電的性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應(yīng)。他在長方形導(dǎo)體薄片上通以電流，沿電流的垂直方向加磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在與電流和磁場(chǎng)兩者垂直的兩側(cè)面產(chǎn)生了電勢(shì)差。后來這個(gè)效應(yīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體研究。1980年一種新的霍耳效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)。這就是德國物理學(xué)家馮·克利青從金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管〔MOSFET〕發(fā)現(xiàn)的量子霍耳效應(yīng)。他在硅MOSFET管上加兩個(gè)電極，把MOSFET管放到強(qiáng)磁場(chǎng)和深低溫下，證明霍耳電阻隨柵壓變化的曲線上出現(xiàn)一系列平臺(tái)，與平臺(tái)相應(yīng)的霍耳電阻等于RH＝h/i·e2，其中i是正整數(shù)1，2，3，……，這一發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)以來凝聚態(tài)物理學(xué)、各門新技術(shù)〔包括低溫、超導(dǎo)、真空、半導(dǎo)體工藝、強(qiáng)磁場(chǎng)等〕綜合開展以及馮·克利青創(chuàng)造性的研究工作所取得的重要成果。22

當(dāng)通過半導(dǎo)體元件的電流I固定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化而霍爾電壓不變的區(qū)域稱為霍爾平臺(tái)。第i個(gè)平臺(tái)的霍爾電壓與流過電流I的比值為第i個(gè)霍爾平臺(tái)的霍爾電阻。霍爾電阻在電流流動(dòng)方向損耗為零的極限條件下，量子化霍爾電阻與平臺(tái)序數(shù)i的關(guān)系為〔為馮·克里青常數(shù)〕：

緒論1.5.2馮·克利青效應(yīng)23標(biāo)準(zhǔn)電池是復(fù)現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)或電壓單位“伏特〞的量具標(biāo)準(zhǔn)電池組是性能極其穩(wěn)定的化學(xué)電池，單位值1.0186V。標(biāo)準(zhǔn)電池按照電解液的濃度劃分為飽和式和不飽和式。在整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)電解液始終處于飽和狀態(tài)的，稱為飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池。優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)：內(nèi)阻大和溫度系數(shù)大；按年穩(wěn)定性可分為

6個(gè)等級(jí)。在整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)電解液始終處于不飽和狀態(tài)的，稱為不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差；優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)阻小和溫度系數(shù)?。环譃?個(gè)等級(jí)。1.5.3標(biāo)準(zhǔn)電池

緒論241.5.3標(biāo)準(zhǔn)電池

緒論飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的原理結(jié)構(gòu)

1—汞(+)2—鎘汞齊(-)3—鉑引線4—硫酸鎘飽和溶液5—玻璃外殼6—硫酸鎘結(jié)晶7—硫酸亞汞25標(biāo)準(zhǔn)電池使用本卷須知要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池的等級(jí)，在規(guī)定要求的溫度下存放和使用。標(biāo)準(zhǔn)電池不能過載，嚴(yán)禁用電壓表或萬用表去測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)電池嚴(yán)禁搖晃、振動(dòng)和倒置。經(jīng)運(yùn)輸后要放置足夠時(shí)間后再使用。檢定證書和歷年檢定數(shù)據(jù)是衡量標(biāo)準(zhǔn)電池好壞的依據(jù)，應(yīng)注意保存。1.5.3標(biāo)準(zhǔn)電池

緒論26

通常標(biāo)準(zhǔn)電阻是錳銅絲繞制的，標(biāo)準(zhǔn)電阻能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)歐姆量值。1.5.4標(biāo)準(zhǔn)電阻

緒論標(biāo)準(zhǔn)電阻是復(fù)現(xiàn)和保存電阻單位“歐姆〞的實(shí)體由于錳銅絲電阻系數(shù)高，電阻溫度系數(shù)小，制作工藝科學(xué)，所以錳銅絲標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、熱電效應(yīng)&剩余電感&寄生電容小，能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)歐姆量值。Why?27高電阻標(biāo)準(zhǔn)電阻〔阻值高于106Ω〕有時(shí)制成三端鈕形式。其中一個(gè)端鈕是屏蔽端鈕，在使用時(shí)給屏蔽端一定的電位，可減小漏電的影響。

阻值低于10Ω的電阻通常是四端鈕結(jié)構(gòu)，即分別有電流端鈕c-c和電位端鈕p-p。電阻上的電流不流過電位端鈕，減小了端鈕接觸電阻對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值得影響。1.5.4標(biāo)準(zhǔn)電阻

緒論281.5.5可變電阻箱

緒論可變電阻箱就是由假設(shè)干數(shù)值的電阻元件按一定形式連接在一起組成的可變電阻量具。(1)接線式電阻箱接線式電阻箱的各電阻分別焊在各端鈕之間。改變接線方式就改變了電阻箱的電阻值。特點(diǎn)是沒有零電阻(電阻箱示值為零時(shí)的電阻值)和電刷的接觸電阻，示值穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。但是，變換阻值范圍太窄，改變接線也較麻煩。接線式電阻箱電路結(jié)構(gòu)圖

291.5.5可變電阻箱

緒論(2)開關(guān)式電阻箱這是三級(jí)十進(jìn)位電阻箱，轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置就可以得到需要得三位十進(jìn)電阻值。優(yōu)點(diǎn)是阻值變化范圍寬，操作方便。但是，接觸電阻大，且不穩(wěn)定，存在零電阻。

開關(guān)式電阻箱電路結(jié)構(gòu)圖301.6電氣測(cè)量儀表的誤差

緒論誤差測(cè)量結(jié)果〔簡稱示值〕與被測(cè)量真實(shí)值〔簡稱真值〕的偏離程度誤差分類誤差規(guī)律系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、粗大誤差、漸變誤差表達(dá)形式絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、引用誤差產(chǎn)生原因根本誤差、附加誤差誤差來源工具誤差、方法誤差測(cè)量速度動(dòng)態(tài)誤差、靜態(tài)誤差對(duì)象關(guān)系其它分類定值誤差、累計(jì)誤差測(cè)試誤差、范圍誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差、算術(shù)平均誤差、或然誤差、正態(tài)誤差；零位誤差〔又叫加和誤差〕、靈敏度誤差〔又叫倍率誤差〕等31〔1〕根本誤差儀表在正常工作條件下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制作不完善所具有的誤差。1.6.1誤差分類

緒論儀表正常工作條件：1)儀表指針調(diào)整到進(jìn)行零位；2)儀表按規(guī)定的工作位置安放；3)除地磁外，沒有外來電磁場(chǎng)；4)周圍溫度是200C或?yàn)閮x表所標(biāo)的溫度；5)交流儀表的使用頻率符合儀表的規(guī)定，所測(cè)量的波形為正弦。321.6.1誤差分類〔2〕附加誤差儀表偏離其正常工作條件而產(chǎn)生的除上述根本誤差外的誤差，如溫度、外磁場(chǎng)、頻率等不符合儀表正常工作條件時(shí)都會(huì)引起附加誤差。是由于外界因素的影響和儀表放置不符合規(guī)定等原因所產(chǎn)生的誤差。附加誤差有些可以消除或限制在一定范圍內(nèi)，而根本誤差卻不可防止。

緒論33絕對(duì)誤差：如果用Ax表示測(cè)量結(jié)果，A0表示被測(cè)量的真值，那么絕對(duì)誤差△可表示為

相對(duì)誤差：通常以百分?jǐn)?shù)g來表示，即因?yàn)锳0難以測(cè)得，有時(shí)用Ax代替A0，那么1.6.2誤差表達(dá)形式示值相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差

緒論34

1.6.2誤差表達(dá)形式