电工培训教案6.docx

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电工培训教案6

电气测量技术

电子电路识图

电子线路查故与排故

电子信息系电子技术教研室

高永强

电气测量是指以电磁技术为手段的电工测量和以电子技术为手段的电子测量的电工电子系统的综合测量。

其特点：

1.测量对象的广泛性测量各种电量、电参数，也可测量非电量（温度、流量）

2.测量过程的连续性对被测对象连续测量，并记录被测对象随时间的变化，便于对生产过程监测。

3.测量方法的遥测性借助传感器，实现对远距离、人体难以接近的地方进行测量。

4.易于实现测量自动化测量输出的都是电量信号，易于与电气控制系统连接，实现测量、记录和数据处理的自动化。

一、测量的基本知识

1.1测量定义

　测量是人们认识客观事物，并用数量概念描述客观事物，进而达到逐步掌握事物的本质和揭示自然界规律的一种手段。

　测量是人们借助于专门的设备，通过实验的方法，对客观事物进行研究的过程。

也就是被测量和同类标准量进行比较的一个实验过程。

测量结果由两部分组成：

测量单位和与此测量单位相适应的数字值。

测量的应用：

工业、农业、军事、商业、医疗卫生、生物工程、环保、天文观测、地质研究、气象科学、航天技术等都要应用测量技术。

测量技术的发展，不仅标志着测量技术的提高，而且推动整个科学技术的发展和人类的进步。

测量包括有三个重要因素，即测量对象、测量方法和测量设备。

1.2测量过程

　　一个完整的测量过程一般经过以下三个阶段：

　　1）准备阶段：

在对测量对象的性质、特点、测量条件认真分析的前提下，根据对测量结果的准确度要求选择恰当的测量方法和测量设备，从而拟定出测量过程及测量步骤。

　　2）测量阶段：

在了解测量设备的特性、使用方法的前提下，按照已拟定出的测量过程及测量步骤进行测量，科学而严肃地记录数据。

3）数据处理阶段：

按照选定的测量方法及理论计算出被测量的测量结果的估计值，根据误差理论，对测量结果估计值的不确定度作出合理的评价。

一个物理量的测量，可通过不同的测量方法获得，测量方法的选择正确与否，直接关系到测量结果的可信赖程度，也关系到测量方案的经济性和可靠性。

不正确的测量方法，即使有先进的精密仪器，也不会得到正确的测量结果。

1.3测量方法

（1）按测量结果的获得方式分

1）直接测量：

从仪表的读数直接获取测量结果的方法。

例如电压表测量电压。

测量过程简单。

2）间接测量：

由仪表的读数，按照一定的函数关系计算结果的方法。

如伏安法测电阻。

应用：

①直接测量不方便；②比直接测量的结果更为准确；③没有直接测量的仪表。

测量过程复杂费时。

3）组合测量：

在测量两个或两个以上相关的未知数时，通过改变测量条件而获得一组含有测量读数和未知数的方程组，求解进而获得测量结果的方法。

（2）按测量读数的获得方式分

1）直读测量法：

从仪器仪表的指示直接获取读数。

过程简单但准确度较低。

2）比较测量法：

把被测量与同类的标准量进行比较，根据比较的结果推算出测量读数。

如；电桥、电位差计。

标准量直接参与，测量准确度高，但测量设备较贵，过程复杂。

（3）按测量性质分

　1）时域测量（瞬态测量）：

主要是测量被测量随时间的变化的特性。

例如用示波器测量脉冲信号的上升沿、脉宽等。

　2）频域测量（稳态测量）：

主要是测量被测量随频率的变化的特性。

例如频谱分析仪测量信号的频谱等。

　3）数据域测量（逻辑量测量）：

主要是对数字系统逻辑特性进行的测量。

例如用逻辑分析仪测量数字电路的逻辑状态、时序等。

1.4测量误差

一个量在被测量时，其本身所具有的真实大小，称为该量的真值。

测量结果与被测量真值的差别称为测量误差。

真值是客观存在，但是不可测量的。

测量误差是由仪表本身存在的基本误差和外界因素（如温度影响、电磁干扰、测量方法不当、读数不准确等）引起的附加误差所造成的。

误差的表示方法：

（1）绝对误差：

仪表的指示值与被测量实际值之差。

ΔA=AX-Ａ0有量纲。

（2）相对误差：

绝对误差与被测量实际值之比。

一般用百分数表示。

工程上用读数值代替真值。

（3）引用误差；绝对误差与测量仪器仪表量程之比。

它是为评价测量仪器仪表的准确度等级而引入的。

例：

用量程为100V的1.0级电压表和用量程为20V的2.0级电压表来测量10V电压时，其相对误差哪个大？

解：

（1）用量程为100V的1.0级电压表测量时，最大绝对误差为

ΔAm1＝±1.0％×100V＝±1V

相对误差为±1/40×100％＝±2.5％

（2）用量程为20V的2.0级电压表来测量10V电压时，最大绝对误差为

ΔAm2＝±2.0％×20＝±0.4V

相对误差为±0.4/40×100％＝±1.0％

可见，用准确度等级高的仪表测量的准确度不一定就高。

用1.0级量程为150V的电压表测量30V的电压，可能出现的最大相对误差为5％，而改用1.0级量程为50V的电压表测量30V的电压，可能出现的最大相对误差为1.67％。

所以选用仪表的量程时应使读数在2／3量程以上。

1.5测量误差分类

（1）粗大误差

明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。

粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。

如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。

就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。

当发现粗大误差时，应予以剔除。

（2）系统误差

系统误差也称装置误差，它反映了测量值偏离真值的程度。

凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。

系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。

（3）随机误差

在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差，也称偶然误差，它反映了测量值离散性的大小。

随机误差是测量过程中许多独立的、微小的、偶然的因素引起的综合结果。

存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律

1.6有效数字

1.数据的舍入规则

1）小于5舍去，舍去部分的数值小于所保留末位的0.5个单位，末位不变。

2）大于5进1，舍去部分的数值大于所保留末位的0.5个单位，在末位增加1。

3）等于5应用偶数法则，即舍去部分的数值等于所保留末位的0.5个单位，

末位是偶数，则末位不变；末位是奇数，则末位增加1。

例如：

舍入到小数第二位。

12.434→12.43；63.73501→63.74；0.69499→0.69；

25.3250→25.32；17.6955→17.70；123.105→123.10

2.有效数字

若截取得到的近似数，其截取或舍入误差的绝对值不超过近似数末位的半个单位，则该近似数从左第一个非零数字到最末一位数字为止的全部数字，称之为有效数字。

1.7提高测量精确度的一般方法

1.通过工艺途径力求稳定测量装置中最主要参数，利用最稳定的经过时效的材料，选择合理的工艺，使加工后的零件有稳定的性能。

2.采用被动保护法，包括静电屏蔽、频率滤波、机械缓冲或隔热绝缘等。

3.采用主动保护法。

对直流及慢变干扰信号采取主动保护。

例如采用直流电源。

4.对系统恒值误差进行校正。

例如在电路中加入热敏电阻，从而自动地校正由电路温度系数引起的误差。

5.应用校正零点和变换灵敏度的方法。

6.对随机误差进行统计处理。

★减少仪表测量误差的方法

由于电压表和电流表存在不同程度的内阻，当这些仪表接在电路中进行参数测量时，电路的工作状态都会或多或少地变化，使测量值与实际值之间产生误差。

利用以下方法可以减小测量误差。

1.双量程电压表、电流表测量计算法

用仪表的两个不同量程分别测量电压或电流值，而后经过计算得到结果的方法。

（1）双量程电压表测量计算法：

当测量电源的开路电压UO时，若电源内阻Ro与电压表内阻近似相等，所测量的开路电压的误差相对大。

若用电压表两个量程，分别测出电压U1和U2，通过计算得出被测电压值。

在Ro≈RV时，上式计算出的Uo值，比单次测量值要准确。

（2）双量程电流表测量计算法

当测量电路中的电流时，若电流表内阻RA较大且与RO接近，将产生较大的测量误差。

在电流表没接入电路时，电流

；接入电流表后，电路中的电流

，从而产生测量误差。

用两个竹筒电流量程去测量电流，分别得到

和。

解得

2.单量程两次测量计算法

单量程两次测量计算法是指用仪表的同一个量程，分别进行直接测量及串联已知电阻后测量，利用两个测量结果计算得到电压或电流的方法。

（1）单量程测量电压计算法电压表的内阻较小，且必须采用电压表单量程测量时。

第一次进行直接测量的U1，第二次串入一只已知电阻R，测的电压为U2，解得

（2）电流表的内阻较大，且必须采用单量程测量时。

第一次直接测量得I1，第二次测量时，在回路中串接一个阻值为R电阻后测出电流I2。

计算得

从上面的分析可以看出，采用单量程两次测量计算法所得结果比单程一次测量所得结果的准确度有所提高。

二、常用电工仪表

►电工仪表是实现电工测量过程所需技术工具的总称。

►电工仪表的测量对象主要是电学量与磁学量。

电学量又分为电量与电参量。

►通常要求测量的电量有电流、电压、功率、电能、频率等；电参量有电阻、电容、电感等。

►通常要求测量的磁学量有磁感应强度、磁导率等。

2.1电工仪表的分类：

直读指示仪表、比较仪表、图示仪表、数字仪表。

以指示仪表分类为例

1.按准确度分类

根据国家标准GB776—76，电工测量仪表可以分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七个精度等级，这些数字是指仪表的最大引用误差值，如表2所示。

其中，0.1、0.2和0.5级的较高准确度仪表常用来进行精密测量或作为校正表；1.5级的仪表一般用于实验室；2.5和5.0级的仪表一般用于工程测量。

表2仪表的准确度和基本误差

2.按被测量的种类分类

3.按被测电流种类分类

电工仪表分为直流仪表、交流仪表和交直流仪表三种。

4.按工作原理分类

磁电式仪表、电磁式仪表、电动式仪表、感应式、整流式、振动式、热电式、光电式等类型的指示仪表。

5.按使用方式分类

有安装式仪表和可携式仪表。

6.按使用环境条件分类

指示仪表可分为A、B、C三组。

A组：

工作环境为0～+40℃，相对湿度在85%以下。

B组：

工作环境为-20～+50℃，相对湿度在85%以下。

C组：

工作环境为-40～+60℃，相对湿度在98%以下。

7.按对外界磁场的防御能力分类

指示仪表有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个等级。

2.2常用电工仪表的结构及工作原理

电工仪表通常由测量机构和测量电路两部分组成，测量机构又分为固定部分和可动部分。

固定部分由磁铁、线圈、轴承和表盘等组成，可动部分包含可动线圈、转轴、指针、旋转弹簧（游丝）、阻尼器等。

测量机构的主要作用是当被测量接入测量机构时，产生转动力矩，使得仪表指针转动。

测量电路的作用是将被测量转换成测量机构可以接受的、与被测量成正比的电磁量。

1.磁电式仪表

磁电式仪表的结构如图所示

磁电式仪表的工作原理：

永久磁铁的磁场与通有直流电流的可动线圈相互作用而产生偏转力矩，使可动线圈发生偏转。

指针偏转后扭紧弹簧游丝，使游丝产生反抗力矩。

当反抗力矩和转动力矩相平衡时，线圈和指针便停止偏转。

仪表指针的偏转角度与流过线圈的电流的大小成正比。

磁电式仪表的优点：

刻度均匀、灵敏度高、准确度高、消耗功率小、受外界磁场影响小等。

磁电式仪表的缺点：

结构复杂、造价较高、过载能力小，而且只能测量直流，不能测量交流

使用注意事项：

电表接入电路时要注意极性，否则指针反打会损坏电表

2.电磁式仪表

电磁式仪表主要由固定的圆形线圈、线圈内部的固定铁片、固定在转轴上的可动铁片以及阻尼片等构成。

当线圈中通以被测电流时，在线圈周围产生磁场，定铁片和动铁片同时被磁化，这称为同一磁性，即同一端的极性相同。

由于同性相斥，可动铁片带动指针偏转，当转动力矩与游丝产生的反作用力矩平衡时，指针就稳定在某一位置上，指示被测值。

优点：

结构简单，价格便宜，过载能力较大，能用来测量直流、正弦和非正弦交流电量，不需辅助设备，可直接测量大电流；

缺点：

刻度不均匀，准确度和灵敏度不高，耗能较大，以防电磁干扰能力较差。

一般用电磁式仪表来测量交流电压和电流。

3.电动式仪表

结构如图所示。

电动式仪表主要由固定线圈和可动线圈组成。

固定线圈分两部分绕在框架上，以产生均匀磁场；可动线圈固定在转轴上，轴上还固定有指针、旋转弹簧、空气阻尼片等。

和磁电式仪表相同，可动线圈的电流也是从旋转弹簧引入的。

由于固定线圈的电流不需经过旋转弹簧，固定线圈的导线可以选用较粗的导线。

工作原理：

固定线圈和可动线圈通有电流后，固定线圈中的电流产生磁场，动线圈中通以电流后，而产生驱动力矩使活动线圈偏转，当转动力矩与弹簧反作用力矩平衡时,便获得读数。

优点是既可以测量交流、直流量，还可以测量非正弦交流量的有效值，由于没有铁心的磁滞和涡流影响，准确度比电磁式仪表要高。

缺点是刻度不均匀，过载能力差，仪表内部耗能大，由于可动线圈的电流从旋转弹簧引入，抗电磁干扰能力较差。

电动式仪表一般适用于制作交、直流两用仪表和交流校准表，或用来制作功率表。

4.万用表

万用表是一种常用的多功能表，主要用来测量电压、电流、电阻、晶体管放大倍数等，虽然准确度不高，但使用简单，携带方便，是维护、检修电气设备的常用工具。

万用表是用测量机构配合测量电路来实现对各种电量的测量的仪表。

按读数形式分为机械（指针）式和数字式两类。

指针式万用表是通过指针摆动的大小来指示被测量的值。

数字式万用表是采用集成模数转换技术和液晶显示技术，将被测量的值直接以数字的形式反映出来的一种电子测量仪表。

（1）指针式万用表

万用表主要由测量机构（习惯上称为表头）、测量线路、转换开关和刻度盘四部分。

表头通常是采用磁电式测量机构。

测量线路：

它是万用表的中心环节。

主要由电阻、电容、转换开关、整流元件和表头等部件构成。

测量电路图

1）直流

电流挡利用改变分流电阻来实现不同量程的转换。

2）直流电压挡利用变化附加电阻的方法来实现多量程直流电压测量的。

3）交流电压挡具有整流电路，表头反映的是被测电压的平均值

4）电阻挡

直流电阻测量电路的简化电路

，不能用手触及表笔的金属部分，一是保证测量的准确，二是保证人身安全。

（2）数字式万用表（DMM）

数字式万用表由转换开关、测量电路、模数转换器、数字显示电压表等几大部分组成。

其中转换开关、测量电路的功能与模拟式万用表相同，模数转换器是把测量电路测出的模拟信号转换成数字信号，数字显示电压表接受来自模数转换器的数字信号，采用七段数码、液晶等显示电路进行电压数值显示。

1）多量程交流电压电路

2）电阻测量电路

3）安全工作准则

①使用前要检查仪表和表笔，谨防任何损坏或不正常的现象，如果发现任何异常情况：

如表笔裸露、机壳损坏、液晶显示器无显示等，不能使用。

严禁使用没有后盖和后盖没有改好的仪表，否则有电击危险。

②表笔损坏必须更换，并须换上同样型号或相同电气规格的表笔。

③测量高于直流60V或交流30V以上的电压时，务必小心谨慎，切记手指不要超过表笔护指位，以防触电。

④在不能确定被测量值的范围时，须将功能量程开关至于最大量程位置。

⑤切勿在端子和端子之间，或任何端子和接地之间施加超过仪表上所标注的额定电压或电流。

不要接高于1000V直流电压或高于700V交流有效值电压。

⑥测量时功能开关必需置于正确的量程位置挡位。

严禁在测量进行中转换挡位。

⑦不要在功能开关处于Ω和位置，即进行在线电阻、二极管或电路通断测量之前，必须先将电路中所有的电源切断，并将所有的电容器放尽残余电荷。

⑧不要在高温、高湿、易燃、易爆和强电磁场环境中存放或使用仪表。

⑨当LCD显示器显示标志时，应及时更换电池。

只有在测试表笔移开并切断电源以后,才能更换电池或保险丝。

⑩测量完毕应及时关断电源。

长时间不用时，应取出电池。

数字式万用表与指针式万用表区别：

第一，测量的基本量为直流电压而不是直流电流；第二，用A/D转换、显示器等组成的单一量程的直流数字电压表代替了指针式万用表中的磁电式表头；第三，测量精度较高；第四，不能反映被测量的变化过程；第五，电阻档是它的量程，而指针式万用表指它的倍率。

第六，测量二极管时显示的是二极管的正向压降，指针式则显示正、反向的阻值。

5.兆欧表

兆欧表俗称摇表，是测量绝缘体（高）电阻的专用仪表。

新的或长久不用的电气设备在使用前都应进行绝缘电阻检查，以保证电气设备的正常运行和操作人员的安全。

兆欧表主要由磁电式流比计与手摇直流发电机组成。

工作原理：

线圈2同表内的附加电阻串联，线圈1同所测的电阻串联，两个线圈一起接到手摇发电机上。

扰动手摇发电机，两个线圈中同时有电流流过，在两个线圈上产生方向相反的转矩。

当转到部分偏转到两个转矩平衡的位置时，指针停止偏转。

这个偏转角度的大小决定于两个电流的比值，附加电阻不变，因此电流的比值就决定与待测电阻的大小。

使用方法和注意事项：

►兆欧表应按被测电气设备的电压等级选用；一般规定：

48V及以下电气设备和线路，选250V的；48~500V的电气设备和线路选500V；500V以上电气设备和线路，选用1000V或2500V；瓷绝缘、母线及闸刀选用2500~5000V的兆欧表。

►引线必须使用绝缘较好的单根多股软线，两根引线不能缠绕在一起使用，也不能与电气设备或地面接触；

►测量前应做一次检查；

►严禁带电测量设备绝缘，测量前应将被测设备电源断开，将设备引线对地短路放电；

►接线时，“接地”E端应接在电气设备外壳或地线上，“线路”L端钮与被测导体链接。

测量电缆的绝缘电阻时，应将电缆的绝缘层接到“屏蔽端子”G上；

►测量时，要平稳，保持在120转/分，匀速不变；一分钟读数为准。

►测量大电容设备时，读数后不能立即停止摇动兆欧表。

读数结束后，一方面降低手摇转速，一方面将“L”端测量导线从测量设备上。

测量完毕对被测物进行放电。

6.电度（能）表

电度表是计量电能的仪表，即能测量某一段时间内所消耗的电能。

电度表按用途分为有功电度表和无功电度表两种，它们分别计量有功功率和无功功率；交流电能表分为单相表和三相表（三相两元件、三相三元件）两种。

（1）电度表的结构

电度（能）表都有驱动元件、转动元件、制动元件、计数机构等部件。

单相电度表的结构如图下所示。

（2）电度表的工作原理

当通入交流电，电压元件和电流元件两种交变的磁通穿过铝盘时，在铝盘内感应产生涡流，涡流与电磁铁的磁通相互作用，产生一个转动力矩，使铝盘转动。

7.电工测量

电工测量是指在直流或低频时用电工仪表或数字仪表对电学量（电压、电流、电功率、电阻、电容等）、磁学量（磁场强度、磁通、磁动势等）以及有些非电量进行测量，其中，各种电学量的测量是电工测量的主要任务。

（1）电流的测量与电流表扩程

测量直流电流通常采用磁电式电流表，测量交流电流主要采用电磁式电流表。

电流表必须与被测电路串联，否则将会烧毁电表。

此外，测量直流电流时还要注意仪表的极性。

扩大量程的方法是在表头上并联一个称为分流器的低值电阻RA，分流器的阻值为：

RA=Ro/（n－1）。

式中Ro为表头内阻，n=I/Io为分流系数，其中Io为表头的量程，I为扩大后的量程。

（2）电压的测量与电压表扩程

测量直流电压通常采用磁电式电压表，测量交流电压主要采用电磁式电压表。

电压表必须与被测电路并联，否则将会烧毁电表。

此外，测量直流电压时还要注意仪表的极性。

扩大量程的方法是在表头上串联一个称为倍压器的高值电阻RV，倍压器的阻值为：

RV=（m－1）Ro。

式中Ro为表头内阻，m=U/Uo为倍压系数，其中Uo为表头的量程，U为扩大后的量程。

600V以上的交流电压，一般不直接接入电压表。

工厂中变压系统的电压，均要通过电压互感器，将二次侧的电压变换到100V，再进行测量。

（3）电功率的测量

测量功率时采用电动式仪表。

测量时将仪表的固定线圈与负载串联，反映负载中的电流，因而固定线圈又叫电流线圈；将可动线圈与负载并联，反映负载两端电压，可动线圈又叫电压线圈。

一表法：

用一个单相功率表测得一相功率，然后乘以3即得三相负载的总功率。

二表法：

用两只单相功率表来测量三相功率，三相总功率为两个功率表的读数之和。

三表法：

用3只单相功率表来测量三相功率，三相总功率为3个功率表的读数之和。

使用瓦特（电功率）表的注意事项：

1.在测量中，可能出现一种情况，瓦特表的接法是正确的，而指针却相反，这是由于功率的实际输送方向与预期的方向相反的缘故。

这时把电流线圈的两端换接一下，即可取得正确的读数。

但不应该去换接电压线圈的两个端线。

因为，电压线圈中串接着一个很大的附加电阻，线间电压的绝大部分都分配在这个电阻上，如果把电压线圈的两个端一换接，则两个线圈的端电位差将等于电路的电压，由于这两个线圈的位置是很靠近的，在这种电压下，可能引起线圈绝缘损坏。

同时，由于两个不同电位的线圈之间将出现静电作用而使测量结果的误差增大。

2.负载阻抗远比功率表电流线圈的阻抗大的多时应采用电压线圈前接方式，否则，采用电压线圈后接方式以保证准确度。

电度表的接线

（1）单电度表的接线。

在低压小电流电路中，电度表可直接接在线路上，如图6.1（a）所示。

在低压大电流电路中，若线路负载电流超过电度表的量程，则须经电流互感器将电流变小，即将电度表间接连接到线路上,接线方法如图6.1（b）所示。

图单相电度表的接线方法

（2）三相二元件电度表的接连。

三相二元件电度表的直接接线方式如图6.2（a）所示，经电流互感器的接线方法如图2.9（b）、（c）、（d）所示。

图三相二元件电度表接线方法

（3）三相三元件电度表的接线。

三相三元件电度表（用于三相四线制）的接线方法如图6.3所示。

图三相三元件电度表的接线方法

三、常用电子测量仪器

3.1信号发生器：

用仪器产生的信号对电子产品进行调试和维修。

3.2电子示波器：

观察电信号电压或电流与时间的关系。

3.3电子电压表：

测量电参量。

3.4电子计数器（频率计）：

测出一定时间内的脉冲数目，并将结果以数字形式显示。

3.5晶体管特性图示仪：

直接观测器件的静态特性曲线和参数。

四、电子元器件与检测

4.1电阻器

1.作用：

是稳定和调节电路中的电流和电压，在电子产品中使用最多的是电阻的分压、降压、分流、限流、滤波（与电容组合）和阻抗