电气测量第一章1.ppt

第一章电工仪表与测量的基本知识 第一节测量方法的分类第二节电工仪表的分类第三节电工仪表的组成和基本原理第四节测量误差及其表示方法第五节系统误差的消除与随机误差的估计第六节工程上最大测量误差的估计 ElectricalMeasure 本章要点 本章第一 二 三节主要介绍各类仪表的基本工作原理 了解各类仪表都是通过变换 把被测电磁量转换为可阅读的数字或机械偏移 以达到测量的目的 本章第四 五节主要是介绍产生误差的原因 误差的估计 误差的表示方法 以及如何在测量中减少误差 第一节测量方法的分类 一 测量方式分类直接测量 直接测量是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 间接测量 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 然后通过计算公式 算出被测量 例如用伏安法测电阻 组合测量 在被测的未知量与某个中间量的函数关系式中还有其他未知数 必须通过改变测量条件 写出不同条件下的关系方程组 通过解联立方程组求出被测量的数值 二 数据读取方法分类直读法 利用仪表直接读取测量数据 比较法 将被测量与度量器放在比较仪器上进行比较 从而求得被测量的数值 此法又分为1 零值法 比较仪表指零时 从度量器读出被测量的数值 2 较差法 从比较仪求得差值 再根据度量器数值和比较差值 经计算求得被测量的数值 3 替代法 将已知量与被测量先后置于同一测量装置中 若先后两次测量装置都处于相同状态 可认为被测量等于已知量 然后从已知量读出被测量值 第二节电工仪表的分类 一 模拟指示仪表模拟指示仪表是将被测电磁量转换为可动部分的角位移 然后根据可动部分指针在标尺上的位置直接读出被测量的数值 二 数字仪表数字仪表是将被测电磁量转换为电压 再转换为数字量 并以数字方式直接显示 三 比较仪器指使用电桥 补偿等方法 将标准度量器与被测量置于比较仪器中进行比较 从而求得被测量 这类仪器除需要仪表本体外 如电桥 电位差计等 还需要检流设备 度量器等参与 返回本章首页 第三节电工仪表的组成和基本原理 一 模拟指示仪表的组成 模拟指示仪表中的三大部件1 产生转动力矩的装置 利用电磁力的有磁电式 电磁式 电动式 感应式 振动式等 利用电荷作用力的有静电式等 2 产生反作用力矩的装置 主要有游丝 悬丝等 3 产生阻尼力矩的装置 可以利用电磁阻尼 空气阻尼 油阻尼等 二 数字仪表的组成 返回本章首页 通过A D转换将电压转换为数字脉冲 由于A D转换的对象必须是电压 所以需要测量线路将被测量转换为电压 数字脉冲经译码加到显示器 第四节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 一 测量误差的分类根据测量误差的性质 测量误差可分为随机误差 系统误差 粗大误差三类 1 随机误差定义 在同一测量条件下 指在测量环境 测量人员 测量技术和测量仪器都相同的条件下 多次重复测量同一量值时 等精度测量 每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差 称为随机误差或偶然误差 简称随差 一 测量误差的分类1 随机误差随机误差主要由对测量值影响微小但却互不相关的大量因素共同造成 这些因素主要是噪声干扰 电磁场微变 零件的摩擦和配合间隙 热起伏 空气扰动 大地微震 测量人员感官的无规律变化等 一 测量误差的分类 例 对一不变的电压在相同情况下 多次测量得到1 235V 1 237V 1 234V 1 236V 1 235V 1 237V 单次测量的随差没有规律 但多次测量的总体却服从统计规律 可通过数理统计的方法来处理 即求算术平均值 一 测量误差的分类 2 系统误差定义 在同一测量条件下 多次测量重复同一量时 测量误差的绝对值和符号都保持不变 或在测量条件改变时按一定规律变化的误差 称为系统误差 例如仪器的刻度误差和零位误差 或值随温度变化的误差 一 测量误差的分类 2 系统误差产生的主要原因是仪器的制造 安装或使用方法不正确 环境因素 温度 湿度 电源等 影响 测量原理中使用近似计算公式 测量人员不良的读数习惯等 一 测量误差的分类 2 系统误差系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度 系差越小 测量就越准确 系统误差的定量定义是 在重复性条件下 对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差 即 2 系统误差 系统误差特征 有其对应的规律性 它不能依靠增加测量次数来加以消除 一般可通过试验分析方法掌握其变化规律 并按照相应规律采取补偿或修正的方法加以消减 3 粗大误差 粗大误差是一种显然与实际值不符的误差 产生粗差的原因有 测量操作疏忽和失误如测错 读错 记错以及实验条件未达到预定的要求而匆忙实验等 一 测量误差的分类 产生粗差的原因有 测量方法不当或错误如用普通万用表电压档直接测高内阻电源的开路电压 测量环境条件的突然变化如电源电压突然增高或降低 雷电干扰 机械冲击等引起测量仪器示值的剧烈变化等 含有粗差的测量值称为坏值或异常值 在数据处理时 应剔除掉 一 测量误差的分类 一 测量误差的分类 4 系差和随差的表达式在剔除粗大误差后 只剩下系统误差和随机误差各次测得值的绝对误差等于系统误差和随机误差的代数和 一 测量误差的分类 4 系差和随差的表达式在任何一次测量中 系统误差和随机误差一般都是同时存在的 系差和随差之间在一定条件下是可以相互转化 二 测量结果的表征 准确度表示系统误差的大小 系统误差越小 则准确度越高 即测量值与实际值符合的程度越高 精密度表示随机误差的影响 精密度越高 表示随机误差越小 随机因素使测量值呈现分散而不确定 但总是分布在平均值附近 二 测量结果的表征 精确度用来反映系统误差和随机误差的综合影响 精确度越高 表示正确度和精密度都高 意味着系统误差和随机误差都小 射击误差示意图 二 测量结果的表征 测量值 是粗大误差 三 测量误差的估计和处理 随机误差的统计特性及减少方法在测量中 随机误差是不可避免的 随机误差是由大量微小的没有确定规律的因素引起的 比如外界条件 温度 湿度 气压 电源电压等 的微小波动 电磁场的干扰 大地轻微振动等 三 测量误差的估计和处理 随机误差的统计特性及减少方法多次测量 测量值和随机误差服从概率统计规律 可用数理统计的方法 处理测量数据 从而减少随机误差对测量结果的影响 随机误差的统计特性及减少方法 1 随机变量的数字特征 数学期望 反映其平均特性 其定义如下 X为离散型随机变量 X为连续型随机变量 1 随机误差的分布规律 随机误差的特点随机误差是由一些偶发原因引起的误差 例如电磁场微变 热起伏 空气扰动 大地微振等 在一组测量数据列中 随机误差通常呈正则分布 表现为有界性 单峰性和正负误差出现几率相等的特点 随机误差分布特点 随机误差的特点随机误差值一般都比较小 工程上可以不予考虑 只有在精密实验时才需要进行计算 计算前首先要进行多次测量 取得大量数据 然后按以下步骤进行 随机误差分布特点 随机误差特征 个别出现的偶然性而多次重复测量总体呈现统计规律 服从高斯 GASS 分布 也称正态分布 无法消除 其统计特征如下 有界性 对称性 单峰性 递减性由于随机误差具有以上这些特性 所以在工程上可以对被测量进行多次重复测量的算术平均值表示被测量的真值 四 误差的概念 1 误差真值 在一定条件下 被测量客观存在的确定值 称为 误差 是测量值与真值相差的程度 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 2 误差的产生原因 仪器本身 因为任何仪器都有一定的灵敏域和精确度 环境的变更 如温度 纬度 湿度 电磁场的变化 四 误差的概念 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 操作人员的素质 每个人生理条件的不同 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 四 误差的概念 3 误差的表示方法 绝对误差 相对误差 引用误差 n最大引用误差 mn 3 误差的表示方法 绝对误差 测量值Ax与被测量真值A0之差 Ax A0相对误差 绝对误差 与真值A0之比 并用百分数表示 A0 x100 3 误差的表示方法 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 n Am x100 3 误差的表示方法 最大引用误差 仪表在整个量程范围内的最大示值的绝对误差 m比仪表量程上限Am 并用百分数表示 mn Am m x100 4 关于真值 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 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 另一种方法是在相同条件下多次重复测量的算术平均值来代表真值 理论值作为真值 如三角形内角和为1800 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 4 关于真值 例题 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 Ax A0 201 200 1 V 1 2用一电压表测200V电压 绝对误差为 1V 用另一电压表测20V电压 绝对误差为 0 5V 求相对误差 分析 上例中前者的绝对误差大于后者 但误差对测量结果的影响 后者却大于前者 因此衡量对测量结果的影响 要用相对误差 第五节 仪表的误差及仪表的准确度 1 仪表的误差 仪表指示值与被测量真值之间相差程度2 仪表误差的分类基本误差 在规定条件下 仪表本身所产生的误差 附加误差 在规定条件之外 所产生的误差 仪表的准确度 3 仪表的准确度 在规定使用条件下 仪表最大引用误差绝对值的百分数 它表示仪表指示值与被测量真值之间接近的程度 即K 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 分析 通常仪表的绝对误差在仪表标尺的全长上基本保持恒定 因而相对误差会随着被测量的减小逐渐增大 所以相对误差的数值并不能说明仪器的优劣 只能说明测量结果的准确程度 引用误差则由于式中的分子 分母都由仪表本身性能所决定 不随被测量变化 所以用其来表示仪表的准确程度 例题1 检定 级 上限为 的电压表 发现 分度点的误差为 并且较其它各分度点的误差为大 该电压表的最大引用误差为 因此该电压表合格 例题2 某待测电压约为 现有 级 300 和 级 两个电压表 问用哪一个电压表测量较好 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 第六节测量数据处理 一 有效数字的处理1 数字修约规则由于测量数据和测量结果均是近似数 其位数各不相同 为了使测量结果的表示准确唯一 计算简便 在数据处理时 需对测量数据和所用常数进行修约处理 第六节测量数据处理 一 有效数字的处理1 数字修约规则数据修约规则 1 小于5舍去 末位不变 2 大于5进1 在末位增1 3 等于5时 取偶数 当末位是偶数 末位不变 末位是奇数 在末位增1 将末位凑为偶数 例 将下列数据舍入到小数第二位 12 4344 12 4363 73501 63 740 69499 0 6925 3250 25 3217 6955 17 70123 1150 123 12需要注意的是 舍入应一次到位 不能逐位舍入 第六节测量数据处理 上例中0 69499 正确结果为0 69 错误做法是 0 69499 0 6950 0 695 0 70 在 等于5 的舍入处理上 采用取偶数规则 是为了在比较多的数据舍入处理中 使产生正负误差的概率近似相等 第六节测量数据处理 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 则该近似数从左边第一个非零数字到最末一位数为止的全部数字 称之为有效数字 例如 3 142四位有效数字 极限误差 0 00058 700四位有效数字 极限误差 0 00058 7 103二位有效数字 极限误差 0 05 1030 0807三位有效数字 极限误差 0 005 第六节测量数据处理 中间的0和末尾的0都是有效数字 不能随意添加 开头的零不是有效数字 测量数据的绝对值比较大 或比较小 而有效数字又比较少的测量数据 应采用科学计数法 即a 10n a的位数由有效数字的位数所决定 第六节测量数据处理 测量结果 或读数 的有效位数应由该测量的不确定度来确定 即测量结果的最末一位应与不确定度的位数对齐 例如 某物理量的测量结果的值为63 44 且该量的测量不确定度u 0 4 测量结果表示为63 4 0 4 第六节测量数据处理 3 近似运算法则保留的位数原则上取决于各数中准确度最差的那一项 1 加法运算以小数点后位数最少的为准 各项无小数点则以有效位数最少者为准 其余各数可多取一位 例如 第六节测量数据处理 3 近似运算法则保留的位数原则上取决于各数中准确度最差的那一项 2 减法运算 当两数相差甚远时 原则同加法运算 当两数很接近时 有可能造成很大的相对误差 因此 第一要尽量避免导致相近两数相减的测量方法 第二在运算中多一些有效数字 第六节测量数据处理 有效数字的处理 3 乘除法运算以有效数字位数最少的数为准 其余参与运算的数字及结果中的有效数字位数与之相等 例如 也可以比有效数字位数最少者多保留一位有效数字 有效数字的处理 3 乘除法运算例如上面例子中的517 43和4 08各保留至517和4 08 结果为35 5 4 乘方 开方运算 运算结果比原数多保留一位有效数字 例如 27 8 2 772 8 115 2 1 322 104 二 测量误差的表示方法1 绝对误差用测量值与被测量真值之间的差值所表示的误差称为绝对误差 2 相对误差绝对误差 与被测量真值之比 称为相对误差 3 引用误差以绝对误差 与仪表上量限的比值所表示的误差称为引用误差 其中绝对误差若取可能出现的最大值则称为最大引用误差 可以用来评价仪表性能 即仪表的准确度等级 返回本章首页 一 系统误差的消除方法消除系统误差最根本的办法就是改进仪表结构和制造工艺 如减少摩擦 加强屏蔽等 对使用者来讲